Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование структуры изменчивости месторождений железомарганцевых конкреций и обоснование оптимальных геологоразведочных систем

ВАК РФ 04.00.11, Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат диссертации по теме "Исследование структуры изменчивости месторождений железомарганцевых конкреций и обоснование оптимальных геологоразведочных систем"

1 3 НОЛ ШЬ5

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОРСАКОВ Ростислав Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СИСТЕМ

специальность 04.00.11 -Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новочеркасск - 1995

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Щеглов В.И.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Богуш И.А.

доктор геолого-минералогических наук Кулындышев В.А.

Ведущее предприятие - Центральная морская геолого-

геофизическая экспедиция (ГП ЦГГЭ) Роскомнедр.

Защита состоится " " ^ 1995 г. в час._ мин.

на заседании диссертационного совета Д 064.40.02 при СевероКавказском научном центре высшей школы, в Новочеркасском государственном техническом университете, по адресу: 346400, г.Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СевероКавказского научного центра высшей школы, г. Ростов-на-Дону.

Автореферат разослан " " 1995 г.

Ученый секретарь" диссертационного совета к.г.-м.н., доцент

/

Введение

Актуальность проблемы. На современном этапе своей истории Россия оказалась отрезанной от многих источников минерального сырья. В первую очередь это вызывает дефицит марганцевых и богатых кобальтовых руд, что заставляет Россию искать нетрадиционные источники сырья и направлять усилия на вовлечение в сферу практической деятельности месторождения океанического дна.

Наиболее реальна перспектива освоения глубоководных скоплений железо-марганцевых конкреций (ЖМК), к специфическим особенностям которых относятся: преимущественное развитие их в виде монослоя на разделе вода-осадок; гигантские площадные размеры; уникальные по запасам концентрации марганца, никеля, меди, кобальта; приуроченность скоплений к участкам дна с глубинами около 4000 м и более.

Научные исследования океанических ЖМК, значительный вклад в которые внесли С.И.Андреев, Л.И.Аникеева, Г.Н.Батурин, ПЛ.Безруков, И.И.Волков, И.Ф. Глумов, И.Н.Горяинов, И.С.Грамберг, Б.Х.Егиазаров, О.Д.Корсаков, А.П.Лисицын, И.О.Мурдмаа, Н.С.Скорнякова, Н.М.Страхов, В.Ф.Чухров, Е.Ф.Шнюков и др., создали основу для проведения бывшим СССР в период 1975-1990 гт. интенсивных геологических работ, конечной целью которых было освоение месторождений этого нового вида минерального сырья. Результатом этих исследований стало выделение ему Международным органом по морскому праву и Международным трибуналом по морскому дну ООН участка конкреционного рудного поля Кларион-Клиппертон в северо-восточной приэкваториальной части Тихого океана площадью 75 тыс.км.кв.

Россия унаследовала от СССР права на выделенный участок, и приняла на себя обязанности "первоначального вкладчика". Со вступлением в силу в декабре 1994 г. Конвенции ООН по морскому праву, первоначальные вкладчики обязаны в 5-ти летний срок разведать выделенные участки и приступить к 20-ти летней разработке месторождения.

Актуальной проблеме обоснования оптимальных параметров геологоразведочных систем для разведки месторождений ЖМК посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в исследовании структуры внутренней изменчивости месторождений ЖМК, оценке на reo статистической основе количественных характеристик данной изменчивости и обосновании с использованием полученных результатов оптимальных параметров геологоразведочной системы. Поставленная цель определяет следующие задачи: 1) На основе представлений о геологической структуре и геостатистического анализа установить тип и параметры функции вариограммы, описывающей структуру месторождения железомарганцевых конкреций; 2) Осуществить построение цифровой модели месторождения ЖМК; 3) На основе теоретического анализа и результатов имитации различных систем опробования на модели месторождения ЖМК определить теоретические и эмпирические погрешности оценок геолого-промышленных параметров месторождения ЖМК; 4) На основе минимизации экономических потерь при использовании систем опробования, характеризующихся наименьшими погрешностями, определить оптимальные параметры разведочной сети.

Научная новизна и основные защищаемые положения. В работе сформулированы представления о геологической и геостатистической структуре месторождения ЖМК, впервые создана цифровая компьютерная модель месторождения, с

ее использованием проведена оценка погрешностей опробования, даны рекомендации по параметрам оптимальных разведочных сетей. Защищаются следующие положения:

1. Структура конкреционных месторождений носит однотипный характер, обусловленный геоморфологией океанического дна, и представляет собой устойчивое чередование рудных тел (залежей), осложненных безрудными окнами и межрудными интервалами. Рудные тела протяженностью до десятков километров при ширине от первых сотен метров до первых километров приурочены к поверхности уплощенных участков дна -вершинам платообразных возвышенностей, террасам, днищам депрессий и наследуют их удлиненную форму, ориентированную в соответствии с генеральным простиранием рельефа. Границы рудных тел имеют контрастный характер и приурочены к бровкам и основаниям склонов. Безрудные зоны приходятся на склоны дна различной крутизны, выходы консолидированных осадков и базальтов.

2. Экспериментальные вариограммы весовых концентраций желез ом арганце-вых конкреций имеют транзитивный характер и сложную структуру, порождаемую сочетанием трех компонент пространственной изменчивости в распределении абсолютных количеств рудных масс: зональной, геометрической и случайной. Зональная компонента изменчивости обусловлена относительно регулярными разрывами в поле весовых концентраций ЖМК, связанными с особенностями структуры месторождения. Геометрическая компонента определяется наличием анизотропии -более интенсивной изменчивостью весовых концентраций ЖМК вкрест простирания рудных залежей. Случайные вариации отражены на графиках вариограммы "эффектом самородков". Соотношение вкладов указанных компонент в суммарную дисперсию составляет 58.8, 32.9 и 8.3 процентов соответственно.

3. С использованием моделирования "методом вращений" впервые создана цифровая модель структуры месторождения железомарганцевых конкреций. Модель адекватно отражает все выявленные на природном объекте -месторождении ЖМК -особенности пространственной и статистической изменчивости, что проявляется в однотипности параметров двухмерных вариограмм (величин радиуса влияния, эффекта самородков, порога и анизотропии) и аналогичности гистограмм, значений среднего и дисперсии весовых концентраций конкреций.

4. Установлено, что оптимальной при разведке месторождения железомарганцевых конкреций является система, представляющая собой комбинацию сети пробоотбора 1.2x5 км, с субмеридиональной сетью фотопрофилей через 5 км. Этот тип геологоразведочной системы характеризуется наименьшими погрешностями в определении геолого-промышленных параметров, а его линейные размеры определяются минимизацией соотношения затраты/потери при известных показателях изменчивости геолого-промышленных параметров и затрат на освоение месторождения ЖМК.

Практическая значимость работы. Отдельные положения работы передавались в качестве рекомендаций в Центральную геолого-геофизическую экспедицию Роскомнедр и учитывались при оперативном планировании морских геологоразведочных работ. Методика компьютеризированной оценки ресурсов ЖМК была использована при подготовке Экспертной технико-экономической оценки заявочного участка СО "Интерокеанметалл". Созданные в ходе работы оригинальные программные средства для создания и сопровождения баз геологических данных на ПЭВМ, статистических и геостатистических исследований, моделирования, используются в качестве математического обеспечения рабочего места

геолога-геохимика в НИПИОкеангеофизика. Полученные данные об оптимальных параметрах геологоразведочной системы являются основой для планирования сетей опробования в процессе предстоящей разведки месторождения ЖМК, вытекающей из обязанностей "первоначального вкладчика".

Фактический материал. В основу работы положены подготовленная автором компьютеризованная база данных по дночерпательному пробоотбору, включающая более 9500 определений химического состава ЖМК зоны Кларион-Клиппертон, база данных по результатам фотопрофилирования океанического дна на Российском выделенном участке, состоящая из более 170 тыс. определений весовых концентраций ЖМК на фотопрофилях протяженностью свыше 4400 км, данные геоакустического профилирования. Учтены данные по пробоотбору и фотопрофилированию, полученные с непосредственным участием автора в рейсе научно-исследовательского судна "Южморгеология" на ЖМК в Тихом океане в 1987 г.

Апробация работы и публикации. Результаты выполненных исследований прошли апробацию на 3-й научно-технической конференции "Комплексные геолого-геофизические исследования Мирового океана", (Геленджик, 1988), на 10 и 11 Международных школах морской геологии, (Геленджик 1992 и 1995), изложены в трех научно-тематических отчетах. Основные положения диссертации отражены в 7 опубликованных работах автора.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, заключения и списка литературы (101 наименование). Она изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 17 таблиц, 49 рисунков.

Благодарности: автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.г.-м.н., профессору В.И.Щеглову за внимание и поддержку в работе; за сотрудничество и помощь автор благодарит Ю.А.Бякова, В.В.Стоянова, Т.И.Ника-норенкову; за критические замечания и ценные советы И.И.Филиппенко; автор признателен своим коллегам: А.А.Братанову, И.М.Горелик, Т.ИЛыгиной, Ю.В. Акиловой, О.М.Деденевой; искреннюю благодарность автор выражает В.М.Юбко, без терпеливой, благожелательной поддержки и советов которого данная работа не была бы возможна.

1. Геологические условия локализации месторождений ЖМК 1.1 Геоморфология, стратиграфия, тектоника, магматизм

Российский выделенный участок расположен в северо-восточной приэкваториальной части Тихого океана, в пределах глубоководной впадины, ограниченной разломами Кларион и Клиппертон. Область океанического дна, захватывающая участок, приурочена к подножию западного склона Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП). Рассматриваемые в настоящей работе детальные полигоны находятся на востоке участка (рис. I).

Океаническое дно в пределах участка сохраняет унаследованное от склона ВТП увеличение глубин с востока на запад. Глубина океана составляет в среднем 4865 м и изменяется в пределах от 4400 до 5400 м. Морфологически дно представляет собой пологую равнину, осложненную долинно-грядовыми формами мезорельефа с субширотной ориентировкой длинных осей, относительные превышения составляют 100-300 м. Па севере участка встречены вулканические горы воздымающиеся до 1000 м над окружающим дном. Разрез осадочной толщи в пределах участка сложен отложениями трех океанических формаций: 1) Глинисто-кремнистыми

Рис.1. Положение участка океанического дна в зоне Кларион-Клиппертон выделенного России Международным органом ООН по морскому дну; показано положение полигонов ДП-1 и ДП-2, для которых выполнялось моделирование месторождения ЖМК

осадками позднеэоценового и раннеолигоценового возраста формации островов Лайн. Выходы на поверхность дна в пределах участка не обнаружены; 2) Плотными карбонатными отложениями Маркизской формации олигоцен-раннемиоцено-вого возраста. Выходы на поверхность дна отмечаются в основании уступов, реже на поверхностях плато и террас; 3) Глинами и радиоляриево-глинистыми илами формации Клиппертон миоцен-голоценового возраста. Как правило в верхней части разреза присутствует так называемый "активный слой" -слабосвязанный темнокоричневый радиоляриево-глинистый ил. Он обогащен реакционноспособ-ными формами микроэлементов, концентрирующихся в ЖМК.

Базальтовый фундамент характеризуется блоковым строением, с общей тенденцией воздымания и омоложения с запада на восток -к оси спрединговой зоны Восточно-Тихоокеанского поднятия.

Магматические проявления в пределах участка представлены выходами на поверхность дна базальтовых лав. Обнажения разделяются на два типа: 1) Наиболее распространены подчиненные геолого-геоморфологической структуре дна лентовидные в плане обнажения. Они приурочены к крутым склонам и уступам тектонической или эрозионной природы. Их типичные размеры составляют 1000x100 м; 2) Реже встречаются выходы базальтов на лишенных осадка вершинах, склонах и подножиях вулканических гор.

1.2. Характеристика руд месторождений ЖМК

Железомарганцевые рудные образования в пределах выделенного участка подразделяются на следующие генотипы: корки и конкреции генотипов А, В и С. Различия в содержаниях рудных компонентов позволяют рассматривать генотипы в качестве сортов руд. Корки представляют собой наиболее бедные, некондиционные руды кобальтовой специализации и не образуют промышленных скоплений, встречаются преимущественно вблизи бровок уступов дна. Частота встречаемости по данным фотопрофилирования - 0.3-3.6%. Весовые концентрации составляют в среднем 5.7 кг/кв.м. Конкреции генотипа А - это мелкие (1-3 см) стяжения сферо- и эллипсоидальной формы. Относительно обеднены Мп, №, Си и обогащены Ге и Со. Частота встречаемости - 10-21%. Средняя весовая концентрация -6 кг/кв.м. Конкреции генотипа В имеют размеры 3-5 см, более высокое, по сравнению с генотипом А, содержание Мп. Встречаются значительно реже -1.3-3.3% случаев. Весовые концентрации в среднем выше генотипа А -6.6 кг/кв.м. Конкреции генотипа С наиболее крупные (6-10 см), дискоидальной формы, с резко проявленным экваториальным пояском. Характеризуются повышенными содержания-

ми Мп, Си и пониженными -Ре и Со. Их встречаемость достигает -75-87% (5260% общей площади дна). Модальные весовые концентрации лежат в интервале 10-20 кг/кв.м, составляя в среднем 10.3 кг/кв.м, поэтому участки дна, на которых развиты конкреции генотипа С, наиболее интересны с практической точки зрения.

Вещество железомарганцевых конкреций представлено агрегатом рудных и нерудных минералов. Рудная составляющая сложена окисными марганцевыми минералами в скрытокристаллическом состоянии -тодорокитом, бернесситом, вернадитом и рентгеноаморфными минералами окси-гидроксидов железа -гетитом, лепидокрокитом, ферроксигитом. Нерудная составляющая представлена в основном частицами осадка, включенными в конкреции в процессе роста, среди которых диагностируются монтмориллонит, хлорит, иллит, каолинит, кварц, полевые шпаты, биогенный апатит. Ядра многих конкреций сложены аутогенными цеолитами -по преимуществу филлипситом.

Конкреции рассматриваемого района характеризуются высокими средними содержаниями рудных компонентов: Мп-25.6%, N1-1.36%, Си-1.18%, Ее -5.8% и Со -0.23%. С учетом высоких весовых концентраций -в среднем 11 кг/кв.м, оказывается, что на 1 кв.м поверхности океанического дна в среднем приходится 3.26 кг Мп, 150 г №, 130 г Си, 635 г Ие и 25 г Со.

По результатам кластерного анализа структуры корреляционной матрицы содержаний химических элементов в ЖМК и анализа методом главных компонент установлено, что в железомарганцевых конкрециях зоны Кларион-Клиппертон с марганцевой фазой ассоциируют Ва, С<1, Си, и, Мо, N1, Р1, Zn; с железистой фазой - Аб, В, Ве, Со; 1г, ИЬ, Р, РЬ, 8с, Бп, 8г, ТЬ, Л, ТЯ, и, \У, У, 7х\ с алюмо-силикатной фазой -Са, Сг, В1, Иа, Ыа, К, ЛЬ, 8Ь.

Сравнительный анализ содержаний микроэлементов в ЖМК показывает, что многие из них сопоставимы с содержаниями в рудах промышленных месторождений суши, и 25 металлов могут рассматриваться в качестве попутных компонентов: Ag, Се, Бу, Ег, Ей, ва, Ос1, Но, 1г, Ьа, Ьи, Мо, N£1, РЬ, Рс1, Рг, Р1, вс, Бш, ТЬ, Тш, V, У, УЬ, Zn. В экономическом отношении наиболее перспективны скандий, и группа редкоземельных элементов (РЗЭ), включающая иттрий, стоимость которых в составе ЖМК почти в 1.5 раза выше стоимости основных металлов. РЗЭ характеризуются высокой положительной корреляционной связью с железом, что позволило рассчитать уравнения линейной регрессии, описывающих зависимость содержаний РЗЭ от содержаний железа в конкрециях. Полученные зависимости представляют собой основу для оценки ресурсов попутных компонентов корреляционным методом, выполненную в работе.

2. Иерархия океанических железомарганцевых скоплений и определение понятия "месторождение ЖМК"

Основой представлений о таксономической соподчиненности скоплений железомарганцевых образований океана, послужили работы С.П.Андреева (1988, 1990, 1992), дополненные нашими данными.

Наиболее крупным таксоном в рамках океанического железомарганцевого ру-догенеза является пояс конкрециеобразования, представляющий собой субширотную полосу протяженностью до 20000 км и шириной до 2000 км (рис.2). В пределах пояса в одном или двух океанах наблюдаются дискретные скопления железомарганцевых образований, различия которых от пояса к поясу определяются широт-

УРОВНИ

основные факторы

Рис.2. Структурно-системная модель уровней организации жслезомарганцевого рудного процесса

* позиция "месторождений ЖМК" в данной модели , т.е. рудопроявления, соотносимого с данным термином, диктуется экономическими требованиями: месторождение ЖМК предстив-ляегг собой скопление желсзомарганцевых конкреционных руд, которые в количественном и качественном отношениях могут служить минерально-сырьевой базой горнодобывающего предприятия.

ной климатической зональностью, обуславливающей динамику водной толщи океана, распределение терригенной и биогенной компонент осадка.

Отдельные скопления ЖМК в пределах пояса являются полями конкрециеоб-разования, наиболее крупное из которых -поле Кларион-Клиппертон, достигает размеров 2000x500 км. Контролируются поля конкрециеобразования крупными морфоструктурными элементами океанического дна, расположенными в областях низких скоростей седиментации: во впадинах и котловинах ниже глубины компенсации карбонатонакопления расположены поля пелагических конкреций, а на подводных горах, в областях повышенной гидродинамической активности развиты поля марганцевых корок. Пространственные очертания полей наследуются от морфоструктур, в пределах которых эти поля развиты.

В границах полей развития конкреций выделяются рудные зоны, площадью до 500x300 км, которые представляют собой участки океанического дна с более высокими абсолютными массами рудного вещества, что, прежде всего, отражается в повышенных весовых концентрациях ЖМК. Для поля Кларион-Клиппертон средняя весовая концентрация ЖМК составляет 6.8 кг/кв.м, поэтому границы рудных зон этого поля целесообразно выделять по изолинии 7 кг/кв.м. При переходе от одной к другой рудной зоне может изменяться и геохимическая специализация ЖМК, что выражается в изменении относительных пропорций основных рудных элементов: Мл-Ре-№-Си-Со.

В пределах рудных зон существуют рудные залежи -участки с выдержанными средними весовыми концентрациями не менее 7.5 кг/кв.м. Форма и расположение рудных залежей контролируется рельефом океанического дна. Области наибольших весовых концентраций конкреций приурочены к уплощенным поверхностям возвышенностей и выположенным днищам впадин. Размеры рудных залежей составляют около 20x60 км.

Рудные залежи разбиты на отдельные рудные тела, в пределах которых весовая концентрация может достигать величин 10-20 кг/кв.м В пределах рудного тела существуют безрудные или малопродуктивные "окна", к которым относят безрудные участки не более 100 м по протяженности фотопрофиля. Размеры рудных тел достигают до 3x30 км. Контролируются рудные тела микрорельефом, т.е. наличием уступов, крутых (более 10%) склонов, выходов консолидированных пород, локальных областей сноса осадочного материала, обуславливающих разрывы в поле весовых концентраций ЖМК.

Самым мелким таксоном являются отдельные стяжения железомарганцевых окислов. Размеры которых составляют 1-12 см, до кв.м (конкреционные "мостовые", корки). Их возникновение в конкретной точке пространства океанического дна вызывается наличием неоднородностей в осадке (обломки пород, ли-тификаты, биогенные остатки), служащих ядрами конкреций.

Понятие "месторождение ЖМК" не вписывается в иерархический ряд природных конкреционных рудопроявлений, поскольку геологические критерии для его выделения отсутствуют, и находится, в соответствии с экономическими требованиями к масштабам рудопроявления, между "рудными зонами" и "рудными залежами" (рис.2).

Месторождение ЖМК представляет собой скопление железомарганцевых конкреционных руд, которые в количественном и качественном отношениях могут служить минерально-сырьевой базой горнодобывающего предприятия с 20-ти летним сроком концессии и верхним пределом годовой добычи 3 млн. тонн сухих ЖМК. Ориентировочные площадные размеры месторождения в пределах конкре-циеносного поля Кларион-Клиппертон составляют 10 тыс. кв.км.

3. Структура месторождений ЖМК

Анализ значительного объема материалов фотопрофилирования гидроакустической съемки и промера глубин океанического дна в районе скоплений конкреционных руд позволяет утверждать, что особенностью конкреционных месторождений рудного поля Кларион-Клиппертон является принципиально однотип ный характер их внутренней структуры. Основные элементы структуры представлены рудными телами (залежами), а также межрудными интервалами и безрудными окнами. Рудные тела пространственно ассоциируются с уплощенными участками дна, поверхность которого сложена кремнисто-глинистыми осадками кровли формации Клиппертон. В результате, рудные тела повторяют в плане форму соответствующих геоморфологических элементов дна: вершинных поверхностей платообразных возвышенностей, террас, днищевых поверхностей депрессий. Рудные тела и контролирующие их геоморфологические элементы, имеют удлиненную форму с ориентировкой удлинений в субмеридиональном направлении. Протяженность доходит до десятков километров при ширине от первых сотен до первых километров. Отклонения от этой схемы наблюдаются лишь на участках развития вулканических подводных гор и хребтов.

Обособленные рудные тела разделены безрудными зонами и осложнены безрудными окнами. Безрудные зоны в основном приходятся на склоны различной крутизны дна, происхождение которых связывается с процессами избирательной эрозии донных осадков. Границы рудных тел имеют контрастный характер вследствие приуроченности их к бровкам либо основаниям склонов. Типичные средние значения весовых концентраций конкреций в пределах отдельных рудных залежей составляют 10-20 кг/кв.м. Изменчивость распределения конкреций внутри залежей не отличается высокой интенсивностью -относительное стандартное отклонение весовых концентраций ЖМК в рудных телах составляет 20-25% среднего.

В таблице 1 приведены типы горно-геологических условий (1 ГУ) благоприятных и неблагоприятных для добычи ЖМК, и оценка их площадной распространенности, исходя из анализа данных геоакустического профилирования и фотопрофилирования дна. Благоприятные площади составляют около 75% океанического дна, а неблагоприятные около 25%. Причем, неблагоприятные площади не всегда совпадают с безрудными площадями, и, следовательно, доля участков дна, которые не будут отработаны при эксплуатации месторождения, в сумме выше -30-40%.

4. Математическое моделирование структуры глубоководных месторождений железомарганцевых конкреций

В этих разделах работы изложены теоретические основы и практическая последовательность получения цифровой модели месторождения ЖМК.

Данные фотопрофилирования послужили надежной основой для определения типа и параметров вариограммы (собственной функции рассеивания), -являющейся основной структурной характеристикой рудных объектов (В.И.Щеглов, 1989). Вариограмма иллюстрирует характер изменения величины среднего квадрата разности значений исследуемой переменной (в нашем случае, весовых концентраций ЖМК в кг/кв.м) в зависимости от расстояния между пробами. Результаты анализа и обобщения вариограмм по отдельным фотопрофилям показывают, что: 1) Вариограммы относятся к транзитивному типу, т.е. характеризуются возрастанием в пределах зоны влияния проб, а на больших расстояниях

Таблица 1.

Классификация элементов горногеологических условий (ГГУ) и их распространенность на детальных полигонах.

Тип | Элементы | Распростра-

| горногеологических | ненность ,

ГГУ | условий | проценты*

Б | Геоморфологические: Субгори- |

Л | зонтальные или слабонаклонные |

А | (<10%) поверхности рельефа на |

Г | глубинах до 600 0 м, не ослож- | Площади с

0 [ ненные микрорельефом | благопри-

П 1 Литологические: Области раз- | ятными

Р | вития кремнисто-глинистых от- | ГГУ соста-

И | ложений плейстоценового воз- | вляют в

Я | раста 1 сумме око-

Т | Инженерно-геологические: |, ло 70-75%

Н | Области развития пластичных |

Ы Е | отложений Р =100-300 г/см2 | 1 1

| Геоморфологические: |

| Склоны крутые, уступы | 4.45

| Перегибы | 1. 63

| Одиночные останцы | 2 . 09

| Одиночные промоины | 0.63

| Области площадной эрозии | 3.03

| Выходы базальтов линейного |

| типа | 0.58

Н | Вулканические постройки |

Е | центрального типа | 0.15

Б | Зоны развития групповых вул- |

Л | кано-купольных структур I 0.41

А | Области распространения |

Г | воронок | 0.06

О 1 Области камнепадов и осыпей | 0.24

П | Литологические: |

Р | Выходы базальтов в основании |

И | крутых склонов | 0.72

я | Выходы базальтов площадного |

т | типа | ?

н 1 Области выхода плотных пород 1

ы | на равнинных участках | 1.25

Е | Инженерно-геологические: | ] Области развития слабосвязан- |

| ных отложений Р <100 г/см2 | <1.0

| Техногенные: |

| Участки местонахождения уте- |

| рянных или оставленных техни- |

| ческих средств | ?

| -случайно расположенные |

| -регулярно расположенные |

| (средства донной навигации) |

* процентное отношение протяженности участков с перечисленными элементами на бб профилях общей протяженностью 4918.3 км; Р -сопротивление пенетрации.

колеблются на уровне общей дисперсии исходных данных; 2) Вариограммы по исходным данным демонстрируют сложную структуру, вызванную наличием трех компонент изменчивости в распределении весовых концентраций ЖМК на дне: зональной, геометрической и случайной, которые являются результатом проявленности особенностей геолого-геоморфологического строения дна. Зональная составляющая общей изменчивости отражает чередование рудных залежей ЖМК и разделяющих их безрудных зон, линейно (полосовидно) вытянутых в субмеридиональном направлении, что обусловлено доминирующей ролью линейных элементов в морфоструктуре океанического дна. Ее вклад в суммарную дисперсию оценивается в 58.8%. Геометрическая (анизотропная) компонента изменчивости отражает более интенсивную изменчивость весовых концентраций вкрест простирания рудных залежей, т.е. геометрическую анизотропию, соотношение субмеридиональной и субширотной осей которой составляет около 4:1 (зона влияния проб вдоль длинной оси анизотропии составляет 1.5 км, а вдоль короткой -0.4 км). Вклад в общую дисперсию составляем 32.9%. Случайная компонента отражает наличие случайной изменчивости и не имеет однозначной интерпретации. На графиках вариограмм она проявляется как "эффект самородков", т.е. пересечение графиком вариограммы оси ординат в точке, соответствующей вкладу в общую дисперсию в 8.3%.

Перечисленные характеристики экспериментальных вариограмм служат основой для создания геостатистической модели месторождения ЖМК -функции вариограммы, которая может быть получена как сумма теоретических вариограмм зональной компоненты изменчивости весовых концентраций конкреций, геометрической компоненты и "эффекта самородков" (рис. 3.).

расстояние, км

Рис.3. Теоретические вариограммы компонент изменчивости и суммарная многокомпонентная вариограмма

Методика условного имитационного моделирования пространственной изменчивости геологических объектов предложена Ж.Матероном (1965), а ее теоретическое обоснование приводится Джорнелом и Хьюбрегтсом (1978). Метод подразделяется на два этапа: 1) получение (так называемым "методом вращений") "имитационной" модели, т.е. модели со средним, дисперсией, гистограммой и

вариограммой весовых концентраций ЖМК соответствующих перечисленным параметрам экспериментальных данных, и 2) на основе имитационной модели и экспериментальных данных создание "условной" модели -накладываемое условие состоит в том, что в точках с координатами равными исходным данным значения модели должны быть равны значениям исходных данных.

Применительно к двумерному случаю месторождения ЖМК данная методика была реализована автором под руководством д.г-м.н. В.М.Юбко в виде программ для ПЭВМ, написанных на МС-Фортране. Конечным продуктом этого программного обеспечения является модель в виде сеточного файла со значениями моделируемой пространственной переменной (весовых концентраций ЖМК в кг/кв.м). Соответствие вариограммы имитационной модели многокомпонентной варио-грамме экспериментальных данных было достигнуто суммированием частных моделей, имитирующих отдельные компоненты изменчивости. В результате моделирования впервые получена условно-имитационная модель месторождения ЖМК с шагом сети 300x300 м, фрагмент которой приведен на рис. 4.

Весовые концентрации ЖМК, кг/м^

<7.5

>7.5

>15

В 18 20 км

Рис.4. Фрагмент условно-имитаиионной модели месторождения ЖМК

5. Погрешности оценивания геолого-промышленных параметров (ГПП) месторождения ЖМК

Погрешности оценивания ГПП в блоках заданного размера при их опробовании применяемыми на практике системами опробования различной конфигурации проанализированы с теоретических и экспериментальных позиций.

Значения теоретических погрешностей оценок средних значений ГПП получены с использованием теоретической модели пространственной изменчивости месторождения ЖМК-функции вариограммы весовых концентраций ЖМК.

Значения экспериментальных погрешностей оценок для аналогичных систем опробования получены путем обработки данных имитационного "пробоотбора" на цифровой модели месторождения ЖМК (т.е. выбора из модели значений с координатами, соответствующими расположению станций системы пробоотбора).

Анализ погрешностей выполнен на примере шести разновидностей систем имитационного пробоотбора и фотопрофилирования, использованных для оценки блоков размером от 1.2x1.2 км до 15x15 км, схематически изображенных на рис. 5.

Установлено, что величина погрешности экспоненциально зависит от размеров оцениваемых блоков при фиксированном количестве точек оценивания. После достижения размеров блоков 5.4 км погрешность выходит на максимальный теоретический уровень. С теоретических позиций наименьшую погрешность дает система фотопрофилирования -3-4%; с экспериментальных позиций наименьшей погрешностью характеризуется опробование регулярной сетью -2%, а фотопрофилирование дает погрешность определения весовых концентраций ЖМК в 5-6%.

Таким образом, наиболее представительными для опробования месторождений ЖМК являются системы фотопрофилей вкрест простирания рудных тел (т.е. вдоль короткой оси анизотропии).

6. Оптимизация разведочных сетей. Определение рациональных параметров разведочных систем

Оптимизация разведочных сетей представляет собой операцию по минимизации суммы затрат на разведку с одной стороны и потерь некоторой части неактуа-лизированной прибыли из-за недоразведки месторождения с другой стороны (Матерон, 1965). Условие сведения этой суммы к минимуму запишется в виде:

где:

ai- годовые эксплуатационные расходы на добычу;

Cl- капвложения в расчете па годовую производительность добычного предприятия;

Т - запасы месторождения (труды);

Л - относительная дисперсия весовых концентраций ЖМК;

П - оптимальное число единиц объемов геологоразведочных работ;

С - стоимость единицы объемов геологоразведочных работ.

Все параметры, входящие в данное выражение, отражены в опубликованных проектах освоения месторождений ЖМК: австралийском (1986), французском (GHMONOD) (1989), в работе И.Ф.Глумова и К.М.Кузнецова (1990).

Согласно Конвенции ООН, добычное предприятие производительностью 3 млн.т сухих конкреций в год в течение 20 лет концессионного срока должно обеспечить добычу 86.7 млн.т влажной (60 млн.т сухой) руды. При минимальном про-12

Погрешность опробования в процентах

мышленном значении влажных ЖМК 12 кг/кв.м указанная масса руд занимает площадь, 7.2 тыс.кв.км. Кроме того, в структуре месторождения ЖМК около 30% площади представлены безрудными элементами, которые тоже должны быть разведаны. Следовательно, общая площадь разведочной сети, составит около 10 тыс.кв.км. Подстановка значений переменных в уравнение и его решение относительно оптимального числа единиц геологоразведочных работ, (в качестве которых рассматривается станция дночерпательного пробоотбора или 1 км фотопрофиля океанического дна) приводят к оптимальным величинам -2240 станций и 3706 км фотопрофилей.

Относительно рассматриваемой площади это означает сеть дночерпательных станций с шагом около 1.2 км в субширотном направлении и 5 км в субмеридиональном, и сеть субширотных фотопрофилей через 5 км.

7. Достоверность дночерпательного опробования и фотопрофилирования

Результаты анализа экспериментальных вариограмм весовых концентраций ЖМК, позволяют утверждать, что данные дночерпательного опробования месторождений ЖМК дают возможность достаточно надежно оценить общее количество и среднее значение абсолютных масс в расчете на единицу площади. Однако шаг сетей многократно превышает радиусы влияния проб и, следовательно, оценка пространственного распределения запасов конкреционных руд, выполненная только на основе таких данных, не может рассматриваться как достоверная.

Дискретность информации, получаемой при глубоководном фотопро филировании дна, намного меньше величины радиуса влияния проб. Этот метод дает достоверную оценку распределения запасов ЖМК и должен рассматриваться в качестве основного средства оконтуривания рудных тел ЖМК.

При использовании результатов фотопрофилирования для оценки средних значений весовых концентраций ЖМК в подсчетных блоках значительную трудность представляет учет присыпанности конкреций осадком. При автоматизированном подсчете площади покрытия океанического дна конкрециями по фотоснимкам получаемые значения будут систематически занижены.

В работе предпринята оценка влияния присыпанности ЖМК, выполненная по результатам дночерпательного пробоотбора и фотографирования на 298 станциях. Получены следующие выводы: 1) Гистограмма значений разности процента покрытия площади дна конкрециями по дночерпателю и фото правоасимметрична, что является результатом суммирования случайных ошибок [отбор дночерпатель-ной пробы (0.25 кв.м) в пределах площади фото (>2 кв.м)], распределенных симметрично относительно нуля, и систематических ошибок вызванных присыпан-ностью, смещающих среднее значение в положительную область. Именно средняя величина разности процента покрытия дночерпатель-фото может рассматриваться в качестве влияния присыпанности; 2) В виду неравномерной присыпанности конкреций поправку целесообразно применять к средним значениям процента покрытия дна, получаемых по отдельным генотипам ЖМК до их пересчета в весовую концентрацию по соответствующим формулам. Введение общего повышающего коэффициента для каждой пробы не имеет смысла; 3) Введение поправок к данным фотопрофилирования позволило получить уточненные средние значения весовых концентраций ЖМК -на 2.2 кг/кв.м выше значений без учета поправки.

8. Оценка ресурсов конкреционных руд

Проведенные геостатистические исследования параметров структуры месторождения ЖМК позволили установить, что при существующей детальности сетей опробования оценки ресурсов месторождения различными методами приводят к сходному результату, поскольку расположение точек опробования за пределами "радиуса влияния проб" сводит оценки к методу среднего арифметического. Поэтому при выборе метода оценки запасов следует ориентироваться на простые методы.

Исходя из этого, нами реализована программа для ПЭВМ "11Е8С" подсчета ресурсов конкреционных руд, в основе алгоритма которой лежит предположение о соответствии доли площади, занимаемой рудами с весовыми концентрациями, находящимися в определенном интервале (7 интервалов или вариантов условных кондиций определены в существующих документах), доле геологических стйн-ций, на которых такие весовые концентрации определены, в общем количестве станций. Поскольку со снижением кондиций ресурсы включают в себя ресурсы более высоких кондиций, то график в осях кондиции-ресурсы, рассчитанный по количеству станций, является графиком кумуляты, поэтому и метод подсчета назван "методом кумуляты".

Достоверность этого автоматизированного метода оценки ресурсов конкреций была проверена с использованием данных имитационного "пробоотбора" на модели месторождения ЖМК сетями с шагом 6x6, 12.5x12.5 и 25x25 км. Согласно представлениям В.И.Бирюкова (1976) о допустимых пределах погрешностей при подсчете ресурсов/запасов, показано, что уже для сети станций 25x25 км подсчет характеризуется погрешностью в 128% величина которой лежит в пределах ошибки допустимой для подсчета по категории Сг -80-150%. Для сети 12.5x12.5 км ошибка составляет 54%, что соответствует допустимой ошибке для категории С1 (40-80%); и наконец для сети 6x6 км подсчет осуществляется с ошибкой в 39%, что позволяет отнести запасы к категории В (допустимая ошибка подсчета -20-40%).

Для сопоставления с традиционным способом оценки ресурсов методом "ближайшего района" была создана программа "ТКЛЛЫС}", реализующая данный метод. Сопоставление модельных подсчетов по сети 25x25 км показывает, что, с одной стороны, точность метода "кумулеты" несколько выше -95% доверительный интервал составляет ±16.35% истинных запасов, против ±16.8% для метода "ближайшего района", а с другой стороны, в 30 раз экономичнее по времени счета, что позволяет вовлекать в подсчет сотни тысяч определений весовых концентраций по фотопрофилям за приемлемое время: 0.5-1 час.

В качестве практического примера с использованием реальных данных опробования, опубликованных французскими исследователями, оценены ресурсы ЖМК и металлов для участка, площадь которого (10969 кв.км), отвечает экономическому понятию месторождения ЖМК. Общие ресурсы сухих ЖМК составляют более 63 млн.тонн, что обеспечивает работу добывающего предприятия на 21 год. Кроме ресурсов основных металлов (>П, Си, Со, Мп) корреляционным методом оценены запасы попутных компонентов -редкоземельных элементов (Се, Ей,

Ьи, N[1, Хш, ТЬ, Ти, УЬ), суммарное содержание которых в руде месторождения составляет 35.5 тыс.т.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных. работах:

1. Андреев С.И., Аникеева Л.И, Ванштейн Б.Г., Корсаков P.O. Парагенетиче-

ские ассоциации химических элементов железомарганцевых конкреций. Доклады АН СССР, т.292, № 5, 1987, с. 1245-1248.

2. Корсаков P.O. Геолого-геохимические особенности конкрециеносности Се-

веро-Восточной котловины Тихого океана. Тезисы докладов II 1-й науч.-тех. конф. "Комплексные геол.-геоф. исслед. Мирового океана", ч.1, Геленджик, 26-28 апр. 1988, с. 54.

3. Корсаков P.O. Геохимия редкоземельных элементов железомарганцевых

конкреций зоны Кларион-Клиппертон Тихого океана. В сб.: Геохимические исследования океанических железомарганцевых конкреций и вмещающих осадков. Геленджик: НПО "Южморгеология", 1992, с.56-73.

4. Юбко В.М., Корсаков P.O. Компьютерное моделирование структуры глу-

боководных месторождений железомарганцевых конкреций. Тезисы докладов 10-й Международной школы морской геологии. т.З, М.: 1992, с.108.

5. Корсаков P.O. Потенциальные попутные компоненты в ЖМК. Тезисы до-

кладов 11-й Международной школы морской геологии, т.2, М.: 1994,

6. Корсаков P.O. Влияние глубины океана на количество и состав конкреци-

онных руд. Тезисы докладов 11-й Международной школы морской геологии, т.2, М.: 1994, с.222-223.

7. Юбко В.М., Стоянов В.В., Корсаков P.O. , Никаноренкова Т.П. Междуна-

родный доклад: International Region in the World Ocean: A Comparative Geological and Economic Assesment of the Polymetallic Nodules Deposits. Доклад представлен В.M.Юбко на конференции "25-th Annual Underwater Mining Institut", Monterey Bay, California, USA, 1-4 December 1994. Тезисы доклада объемом 2 с. опубликованы в материалах конференции.

с.221.