Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Структура контрастной расслоенности "критических" зон базит-гипербазитовых интрузий Кивакка и Бушвельд

ВАК РФ 04.00.08, Петрография, вулканология

Автореферат диссертации по теме "Структура контрастной расслоенности "критических" зон базит-гипербазитовых интрузий Кивакка и Бушвельд"

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН Институт математической геологии РАЕН

О*

ъ

0 ^

-а-«

УДК 55:51 На правах рукописи

Котов Сергей Робертович

руктура контрастной расслоенности "критических" зон тзит-гипербазитовых интрузий Кивакка и Бушвельд: свойства, происхождение

Специальность 04.00.08 - петрология, вулканология

гореферлт диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Институте Геологии и Геохронологии Докембри РАН, Институте Математической Геологии РАЕН

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Светлана Борисовна Лобач-Жученко (ИГГД РАН)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Ильтезар Ильич Абрамович

кандидат геолого-минералогических наук Наталия Александровна Арестова

Ведущая организация: Институт геологии КарНЦ (г.Петрозаводс!

Защита состоится "14" января 1999 г. в 14 часов на заседании специаш зированного совета Д 003.72.01 при Институте геологии и геохронологи докембрия РАН по адресу: 199034 С-Петербург, наб. Макарова, 2 в зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГГД РАН. Автореферат разослан "_А^^^/д 1998 г.

Ученый секретарь спецсовета Д 003.72.01 кандидат геолого-минералогических наук [' ( Т.П.Щеглова

Введение

Актуальность проблемы

В строении расслоенных интрузивов основного-ультраосновного со-;тава выделяются мощные зоны ритмично чередующихся пород, с которыми связаны крупные промышленные запасы платиноидов, золота, срома, титана, ванадия, никеля, меди. Объемы и распределение этих юлезных ископаемых в структуре интрузивов определяются, как пра-шло, позицией и структурой ритмично - расслоенных зон. Несомненно, деханизм формирования такой расслоенности задействован в процессах сонцентрации металлов; с другой стороны, общность внутреннего строжил данных интрузивов по всему миру (вне зависимости от их размеров I рудоносности) заставляет полагать, что этот механизм является единым, универсальным при кристаллизации магматических тел подобного :остава.

Очевидно, что понимание механизма формирования ритмично - рас-лоенного строения основных - ультраосновных интрузивов представля-:т и теоретический, и практический интерес. Неслучайно уже не одно (есятилетие в геологическом мире продолжается острая дискуссия по тому поводу. При этом привлекаются самые разнообразные, зачастую (заимоисключающие гипотезы ("Layered Intrusions", 1996).

Многообразие концепций связано прежде всего с двумя факторами. I! одной стороны, это, конечно, сложность строения объектов и много->бразие типов расслоенности. С другой стороны, большая часть пред-тавлений основана на гипотезах, по сути исключающих возможность :акой-либо проверки их адекватности реальным объектам. В то же вре-1я незначительное число математических моделей являются моделями [етерминистскими, не учитывая, таким образом, влияние случайных >акторов, играющих существенную роль в геологических процессах.

Цель работы

Изучение стохастических, геометрических и структурно-веществен-:ых особенностей ритмической расслоенности "критических" зон основ-:ых-ультраосновных интрузий. Разработка концептуальной математи-еской модели формирования ритмической расслоенности, удовлетворяющей установленным характеристикам. Предполагается, что выбор магматического аппарата должен определяться вероятностной природой сследуемого явления и возможностью статистической проверки согла-ия с реальными объектами.

Фактический материал

В части изучения свойств моделируемых объектов и проверки со-ласия модели работа опирается на результаты экспедиционных работ 994-1996 г.г. на массиве Кивакка (Сев. Карелия, Россия) и Бушвельд-ком комплексе (ЮАР), проводившихся при непосредственном участии втора в соответствии с плановой темой лаборатории Математической еологии ИГГД РАН и Института математической геологии РАЕН в амках международного (Россия, Греция, ЮАР) проекта "Хромит" по

заказу министерства Науки и Технологий РФ.

Геометрико-вероятностные свойства рисунков расслоенности исследовались на материале двух детальных пересечений через расслоенную серию массива Кивакка и пяти скважин, секущих "критическую" зону Бушвельдского комплекса. Общий объем изученных выборок составляет около четырех тысяч замеров мощностей слоев с идентифицированными составами. Также в работе были использованы результаты изучения около 400 шлифов, 30 количественных рентгенофлюоресцентных анализов на Ее, Со, Сг, XI, V, Ъх, У, Бг, Ш), РЬ и 118 количественных рентгеноспектральных анализов пород массива Кивакка (Са, Сг, Си, Ее, ва, Мп, №, ЛЬ, Бг, Т1, У, йп), 18 микрозондовых определений составов породообразующих минералов.

Научная новизна

1. Впервые установлены стохастические и геометрические ограничения на модели формирования контрастной расслоенности. В частности, выявлены фрактальная структура рисунков расслоенности и стохастическое дальнодействие в последовательностях мощностей слоев (ритмов).

2. Впервые разработана концептуальная вероятностная модель объемного (жидкостного) расслоения магматического расплава, показано ее согласие с реальными объектами.

3. Впервые для массива Кивакка продемонстрированы петрогра-фо- геохимические критерии диагностики эффектов жидкостного расслоения и фракционной кристаллизации; на основе вероятностных и петрографо- геохимических критериев показана возможность выделения в разрезе участков различной интенсивности проявления названных эффектов.

Практическая ценность

Установленные ограничения позволяют существенно сузить круг возможных для объяснения контрастной расслоенности моделей, что, в свою очередь, является шагом к пониманию механизмов формирования расслоенных интрузий в целом. Положительный опыт применения методов фрактальной геометрии позволяет использовать (при определенных оговорках, см. главу 5) фрактальную размерность как дополнительный критерий на рудоносность. Предложенная математическая модель позволяет выделять в интенсивно расслоенных зонах перспективные области.

Основные защищаемые положения

1. Ритмическая расслоенность "критических" зон массивов Кивакка и Бушвельд не может быть результатом простой периодической динамики процесса слоеобразования; в то же время формирование расслоенности определялось действием малого количества (скорее всего не боле« трех) независимых процессов.

2. Динамика процессов слоеобразования в "критических" зонах массивов Кивакка и Бушвельд обеспечивает геометрические и вероятност-

тыс свойства рисунков контрастной расслоенности: 1) фрактальную ;труктуру; 2) стохастическое "дальнодействие", которое характеризу-;тся квазипериодическими автокорреляционными функциями по последовательностям мощностей слоев (ритмов).

3. Рисунки контрастной расслоенности отдельных уровней "критических" зон соответствуют представлению об их формировании в результате жидкостного расслоения магмы; такому представлению не 1ротиворечит предложенная концептуальная вероятностная модель.

4. Структурно-вещественные особенности расслоенной серии мас-:ива Кивакка соответствуют схеме, предусматривающей участие двух троцессов в формировании расслоенности: жидкостного расслоения и фракционной кристаллизации; интенсивности проявления процессов раз-1ичны для разных участков разреза расслоенной серии.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации доклады-зались на научных заседаниях лабораторий ИГГД РАН, Института математической геологии РАЕН, на международном совещании по проблемам докембрия Европы (Санкт-Петербург, 1995), на международном со-зещании по проблемам докембрия Северной Евразии (Санкт-Петербург, L997), на международной конференции по проблемам генезиса магматических и метаморфических пород (Санкт-Петербург, 1998). По теме диссертации опубликовано 6 работ. Внедрение результатов исследова-1ИЙ производилось в виде их использования при составлении научных отчетов по тематическим работам Института математической геологии (Вистелиус и др., 1995; Деч и др., 1996). Наработки по проблеме гспользовались автором при чтении лекций по курсам "Математичес-сие методы в геологии", "Математическое моделирование природных 1роцессов", "Синергетика" для бакалавров и магистров геологического факультета СПбГУ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из Введения, Заключения и б-ти глав. Структура автореферата совпадает со структурой диссертации. Общий объ-:м работы 146 страниц, сопровождается 50-ю иллюстрациями и 6-ю таблицами. Список литературы включает 110 наименований. Большая 1асть вычислений выполнена с помощью программ, написанных автором (языки программирования Borland Pascal, MapleV).

Работа выполнена в лабораториях "Математической геологии" и 'Металлогении и экогеологии" ИГГД РАН, Институте математической оологии РАЕН.

Автор искренне благодарит доктора г.-м.н. С.В.Лобач-Жученко за тучное руководство работой и ценные замечания. Также автор признателен всем тем, кто проявил интерес к работе на разных этапах ее напи-:ания: Н.А.Арестовой, И.В.Булдакову, Ю.А.Высоцкому, О.В.Граунову, \.Х.Зильберштейну, Д.Н.Иванову, Т.Г.Петрову, Б.Н.Писакину, А.А.При-1ткину, Б.П.Харламову. Особую благодарность автор выражает 1.Б.Клебанову и И.К.Котовой, консультации которых во многом повли-

яли на полученные результаты, а также дирекции ИМАГ РАЕН в лш В.Н.Деча за всестороннюю поддержку работы и оказанное внимание.

1 Математическое моделирование как метод реш( ния геологических задач

Задача главы — определение необходимой терминологии, связаннс с методами математического моделирования, используемыми в работ в качестве основных.

В главе коротко рассматривается происхождение термина "модель1 самые общие определения модели, основные этапы моделирования, также классификации приемов моделирования (У.Крамбейн и др., 197i Ю.А.Воронин, Э.А.Еганов, 1974, В.В.Груза, 1977, А.Б.Вистелиус, 198' Л.Д.Кноринг, В.Н.Деч, 1989 и др.). В частности, рассматривается дел( ние математических моделей на 4 типа: описательные детерминирова! ные (I), концептуальные детерминированные (И), описательные вер( ятностные (III) и концептуальные вероятностные (IV). В том или ино виде в работе встречаются все четыре типа. Модель типа I использ] ется при описании геометрии расслоенности исследуемых объектов определении их фрактальных характеристик (глава 4). Ко Н-му тип относится модель распределения микроэлементов в рамках фракцио! ной кристаллизации расплава, глава 6. (Также к этому типу относятс практически все известные математические модели формирования ра< слоенности, опирающиеся на уравнения классической математическо физики и термодинамики.) Модели Ш-го типа обсуждаются при от сании вероятностных характеристик последовательностей слоев (глав 4), а также при определении ведущих факторов дифференциации иш рузий (факторный анализ, глава 6). В главе 1 рассматривается приме модели IV-ro типа (D.N.Ivanov, S.R.Kotov, 1996). В главе 5 впервые дл расслоенных интрузий предлагается концептуальная вероятностная мс дель формирования ритмической расслоенности.

Понятие концептуальной вероятностной модели определено в гес логии А.Б.Вистелиусом (1980). В соответствии с этим определение от такой модели требуются следующие свойства: а) она должна содер жать концептуальную часть, т.е. априорную схему, сформулированну исследователем на предварительном этапе изучения объекта, и отрг жающую представление исследователя о механизме функционировани объекта; б) математическая формализация должна содержать верояа ностный аппарат; в) математическая модель должна предполагать во: можность проверки согласия с наблюденными данными.

2 Модели формирования расслоенности в мафичес ких интрузиях

В главе коротко рассматриваются основные концепции, наиболее аь тйвно обсуждаемые в настоящее время. Предложенные механизмы клас сифицируются в соответствии с работой "Layered intrusions" (1996).

Механизмы, действующие в процессе внедрения магмы в магма тическую камеру: разделение кристаллов вследствие оттеснения в об

1сти с меньшим удельным стрессом (эффект Багнольда)(B.D.Marsh, 189); послойное последовательное внедрение новых порций магмати-:ского расплава (I.H.Campbell, 1977, А.П.Лебедев, 1957, Н.Л.Боуэн, >34, О.А.Воробьева, 1940); осаждение фенокристов из жидко-кристал-1ческой каши на дно магматической камеры (B.D.Marsh, 1989).

Механизмы, связанные с характером магматической конвекции: пе-юдическое оседание кристаллов в конвективных токах при концент-щиях кристаллов, превышающих критические значения (B.D.Marsh, 188, R.S.Sparks, 1993); перемежающаяся конвекция в магматической мере (А.И.Шапкин, 1992, 1993); двойная диффузионная конвекция L.R.McBirney, 1985, А.Г.Симакин и др., 1985).

Механические процессы: гравитационное осаждение кристаллов в юцессе охлаждения интрузива (М.Я.Френкель и др., 1988); сортиров-I кристаллов в турбидитовых потоках, обрушивающихся со стен маг-1тической камеры (Л.Уэйджер, Г.Браун, 1970); зародышеобразование рост кристаллов в условиях внешних воздействий (например, земле-1яссний); перераспределение кристаллической взвеси в поле давлений >и наличии стоячих сейсмических волн (А.Б.Вистелиус, В.М.Павлов, 95, устное сообщение).

Механизмы, являющиеся следствием изменения интенсивных пара-:тров: конкуренция зародышеобразования и роста кристаллов в пере-лажденной системе (M.Hort et al., 1993); конкуренция тепловой диф-гзии и диффузии химических компонентов при направленной кристал-:зации интрузива (A.R.McBirney, 1979, Е.В.Шарков, 1980, В.Н.Шарапов, 86); вариации фугитивности кислорода за счет ассимиляции вмеща-цих пород, сброса газов из магматической камеры, температурных гуктуаций и пр. (E.N.Cameron, 1977, I.M.Reynolds, 1985); периоди-ское изменение общего внутрикамерного давления либо давления пав (B.R.Lipin, 1993, V.N.Dech et al., 1998); жидкостная несмесимость иквация) и жидкостная дифференциация магматических расплавов .Реддер, 1983, А.А.Маракушев, 1981,1983, A.R.McBirney, 1974, Л.М.Де-цын, Б.Н.Мелентьев, 1979, N.I.Bezmen, 1992, 1998).

Механизмы поздней стадии кристаллизации и охлаждения: перерас-еделение интеркумулуса при дорастании кумулусной фазы (R.S.Sparks al., 1985); ияфильтрационный метасоматоз в результате уплотнения мулуса, либо вследствие контракции при затвердевании (T.N.Irvin, 80, Petersen, 1987); эффекты зонной плавки за счет прохождения им-льсов тепловых потоков (A.R.McBirney, 1987); эффект дозревания Ост-тьда (дорастание более крупных кристаллов за счет более мелких при 1жении общей поверхностной энергии системы) (A.E.Boudreau, 1987, 3rtoleva et al., 1987).

3 Краткая геолого-петрографическая характеристика исследуемых объектов

Массив Кивакка

Массив Кивакка входит в состав Олангской группы расслоенных ба-зитовых интрузий Северной Карелии. В плане массив представляет изо-метричной формы тело с выпуклой юго-восточной стороной. Он вытянут в широтном направлении на 5 км при максимальной ширине около 4 км. По данным гравиразведки массив погружается на северо-запад на глубину до 2.5 км. Вмещающими являются мигматизированные биоти-товые и амфиболовые гнейсы, гранито-гнейсы и диориты архея, плагио-микроклиновые граниты. По данным U-Pb датирования возраст пла-гиомикроклиновых гранитов составляет 2710± 110 млн. лет (А.К.Буйко и др., 1995), возраст массива — 2420 ± 23 млн. лет (Sm-Nd), 2444 ±1.0 млн. лет (U-Pb) (А.Ю.Барков и др., 1991, Yu.V.Amelin, V.S.Semenov, 1996).

Интрузия дискордантна к вмещающим породам, обладает автономной внутренней структурой и расслоенностью, что указывает на формирование ее в стабильной тектонической обстановке (М.М.Лавров, 1979). Массив блокирован по серии разломов северо-западного простирания с незначительным смещением блоков, с частичным рассланцеванием и амфиболизацией краевых частей. По первично-магматической слоистости и трахитоидности устанавливается внутренняя структура и определяется падение слоев 290 — 330° СЗ под углом от 25° до 40°, чаще 30 — 35°. Анизотропное строение массива выражено в последовательной смене снизу вверх по разрезу зон различного состава.

Нижняя краевая зона представлена придонными габбро-норитами мощностью до 100 м.

Расслоенная серия суммарной мощностью около 2000 м состоит из следующих зон: оливинитов, гарцбургитов, лерцолитов — 720 м; пи-роксенитов (бронзититов) — 120-150 м; зона контрастного переслаивания норитов с пироксенитами общей мощностью 500 м ( "критическая" ) ; габбро-норитов — 450-480 м; габбро-норитов с инвертированным пижо-нитом — 300 м.

Верхняя краевая зона представлена амфиболизированными габбро, мощность ее не превышает 100 м.

Полевые работы были сосредоточены на двух профилях: 101-м и 107-м. Профиль 101 начинается в зоне перидотитов-пироксенитов, пересекает всю пироксенит-норитовую зону с тонкой ритмичной расслоенностью и выходит в низы габбро- норитовой зоны. Профиль 107 целиком находится в контрастно- расслоенной пироксенит-норитовой зоне. При описании разрезов характеризовались все визуально различимые слои и замерялись их мощности (от первых миллиметров до десятков метров).

Для тонкой расслоенности характерна выдежанность слоев по простиранию, наличие резких границ между слоями (отмечались единичные наблюдения постепенных вверх по разрезу переходов в пределах первых сантиметров, как от меланократовых к лейкократовым, так и наоборот).

Бушвельдский комплекс

Бушвельдский комплекс (Южная Африка) расположен в северной £асти Каапваальского кратона в центре мульды Ранда, выполненной 1улканогенно-осадочными отложениями серий Доминион-Риф, Витва-герсранд, Вентерсдорп и Трансвааль. Общая площадь плутона около >6000 км2 (430 х 260 км), мощность достигает 9000 м. Весь комплекс со-:тоит из четырех, по-видимому независимых, частей; пятая погребена год более молодыми осадками.

Комплекс внедрялся в Трансваальскую супергруппу, которая состо-IT из базальных кварцитов, последовательности доломитов и слоистых келезняков, сменющихся пачкой кварцитов и сланцев, и завершается ¡азальтоидными и кислыми вулканическими фазами. Возраст пород основания Трансваальской супергруппы составляет 2.5 млрд. лет, тогда ;ак возраст вулканитов оценивается в 2.06 млрд. лет. Возраст основ-1ых пород Бушвельдского комплекса также оценивается в 2.06 млрд. ют (Walraven et al., 1990).

Традиционно разрез комплекса подразделяется на Граничную, Ниж-пою (LZ), Критическую (CZ), Главную (MZ) и Верхнюю (UZ) зоны, :отя их точные границы до сих пор являются предметом дискуссий.

Наибольший интерес представляет Критическая зона, несущая в се-ïe два крупнейших рудных тела с платиновой минерализацией — Верхнею группу хромититов (UG2) и риф Меренского (MR), а также ги-■антские запасы хромита в Нижней (LG), Средней (MG), и Верхней UG) группе хромититовых слоев.

Нижняя подзона Критической зоны включает мощную последовательность пироксенитовых кумулатов, достигающих в Западном блоке разрез Union) 780 м. Переход от нижней подзоны к верхней фиксирует-:я по появлению первого кумулусного плагиоклаза. В верхней подзоне наделяется восемь циклов, состоящих из ультрамафических кумулатов I основании (хромитит, гарцбургит, пироксенит) и норитов (до анортозитов) в верхней части. Циклы могут быть неполными. Контакты яежду циклами всегда резкие, переходы между разновидностями пород шутри циклов могут быть как резкими, так и постепенными.

Верхи критической зоны венчают два цикла — цикл Меренского I цикл Bastard. Цикл Меренского состоит из хромититов в основании, гироксенитов (иногда с оливином), норитов и анортозитов. Платиновая .шнерализация сконцентрирована главным образом в районе хромититовых слоев. Цикл Bastard сходен по строению с циклом Меренского, :а исключением значимого промышленного содержания платины. Местами в нем могут отсутствовать хромититы. а основание может быть ложено норитами ("Layered Intrusions", 1996).

При содействии университета Претории, а также компаний Impala 5latinum Mines и Western Platinum Mines был получен доступ к керно-юму материалу Западного блока массива. При описании керна, так же сак и на массиве Кивакка, ставилась задача фиксации всех визуально >азличимых слоев, от миллиметра и более.

Скважина R1 расположена на месторождении Impala, и проходит

верхи верхней подзоны Критической зоны, включая промышленные xpi мититовые горизонты UG-1 и UG-2, а также риф Меренского, цик Bastard и низы Главной зоны расслоенной серии Бушек. Остальнь четыре скважены заложены на месторождении Western (разрез Map] кана) и расположены в пределах 10 км друг от друга. Характерно чертой данной части разреза является отсутствие хромититового ropi зонта UG-1.

Контакты между разновидностями пород чаще четкие, однако дi последовательностей циклических групп хромитит-пироксенит-нори' анортозит обычны постепенные, в пределах нескольких сантиметро. переходы.

4 Стохастические и геометрические характеристик ритмической расслоенности

Рассмотрим последовательность мощностей- слоев (ритмов) как pi ализацию некоторого случайного процесса или траекторию динамиче* кой системы (ДС) с дискретным "временем" п = 0,1,2... — номе слоя. (Здесь в качестве ритма рассматривается последовательность i слоев, более меланократовыхв нижней части и более лейкократовых верхней (нормальный ритм, £„), или же лейкократовых в нижней и mi ланократовых в верхней части ритма ("инвертированный" ритм, £„ "reverse" в терминологии Т.Ирвина (1982)).

Первый тип установленных характеристик позволяет исключить v рассмотрения некоторые петрологические модели, а также ограничит количество совместно действующих процессов.

Целый ряд петрологических моделей формирования контрастной рг слоенности базируется на предположении о расслоенности как резул! тате простого периодического (колебательного) движения некоторой Д (например, при колебании состава остаточной жидкости на фронте кри таллизации, при пульсационном внедрении новых порций магмы ранш го в среднем объема, при периодическом конвекционном перемешивани магмы и пр.). Предполагая пропорциональность мощности образуемо! слоя (ритма) периоду колебания ДС, следует ожидать появления пр< стой регулярной ритмики смены пород вкрест расслоенности. Полага для наложенного на ДС "белого шума" (влияние большого числа н< учтенных случайных факторов) гауссово распределение (rj„ ~ Л/"(0 ,<т) получаем гауссово распределение и для последовательности мощносте слоев (ритмов): £„ = p-f r]n; р — средняя мощность слоя, (,„ ~ Я{р, <т)

Допустим теперь, что распределение мощностей слоев (ритмов) сс ответствует полному хаосу, т.е. не подчиняется никакой закономерно! ти. Известно, что для последовательности неотрицательных величи показательный закон распределения является необходимым условие полного хаоса как закон с максимальной энтропией (С.Кульбак, 1967 Показательного закона следует также ожидать при наличии достаток но большого числа (четырех и более) процессов, формирующих границ между слоями, как это следует из теории потоков случайных событи (Е.С.Вентцель, Л.А.Овчаров, 1991). (Принимая в качестве времени кс

>динату х на прямой вкрест расслоенности, с понятием событие мож-) отождествить встречу любой границы между слоями (ритмами) при ызномерном движении снизу вверх по разрезу интрузива).

Гипотезы соответствия распределений мощностей слоев (ритмов) iK показательному, так и нормальному закону распределения отвернется с надежностью 99%, откуда вытекает первое защищаемое поженив: ритмическая расслоенность "критических" зон масси-эв Кивакка и Бушвельд не может быть результатом простой гриодической динамики слоеобразования; в то же время фор-ирование расслоенности определялось действием малого ко-ачества (скорее всего не более трех) независимых процессов.

Теперь обратимся к феноменологическим характеристикам второго una. Они определяют те свойства расслоенности, которые непременно >лжны вытекать из любой предлагаемой петрологической модели.

Так, установлена стохастическая связь между мощностями слоев итмов), отстоящих друг от друга на некоторое количество шагов, го выражается в квазипериодичности автокорреляционных функций, »строенных по последовательностям мощностей (отсюда следует, что (азипериодична и динамическая система, если таковая существует), пя массива Кивакка локальные максимумы автокорреляционных функ-гй соответствуют лагам 75, 175 (профиль 101), 24, 45, 70 (профиль107), гя Бушвельда — лагам 24, 45, 70 (скважина R16).

Практически полная идентичность автокорреляционных функций

ся "нормальных" £„ я "инвертированных" £„ ритмов "критической" ны массива Кивакка позволяет сделать предположение о том, что ги-1тетическая ДС определяла не только мощности ритмов, но и мощ-сти каждого слоя внутри ритма. В противном случае одна из после-вательностей ритмов несла бы в себе дополнительный шум за счет тибки определения ритма и, следовательно, теряла бы информацию

автокорреляциях. Это предположение также подтверждается мето-м Грассбергера-Прокаччиа (P.Grassberger, 1983), положительно заре-мендовавшего себя при изучении геологических объектов различной >ироды (П.М.Горяинов и др., 1992, V.N.Dech et al., 1998): обе после-вательности характеризуются одинаковым уровнем наложенного на потетическую ДС шума.

Помимо изучения свойств последовательностей мощностей слоев (рит-ib) представлятся целесообразным рассмотрение геометрии расслоен-сти в целом. Такой подход более естественен в рамках моделей струк-рообразования сразу в некотором объеме магматической камеры (на-имер, в результате ликвации и (или) жидкостной дифференциации хматического расплава).

Визуальный анализ имеющихся разрезов "критических" зон позво-ет предположить фрактальную структуру рисунков ритмической рас-эенности.

Обычно под фракталом понимают геометрический объект, не име-ций в привычном смысле ни длины, ни площади , ни объема. Этот цход опирается на представление о фрактальном множестве (фрак-

тале) и фрактальной размерности множества, являющейся обобщением интуитивно привычной топологической размерности с целых чисел (1-для прямой линии, 2- для поверхности, 3- для объема и т.д.) на произвольное вещественное число. В геологии такими особенностями (чисто теоретически) обладают дендритовой формы кристаллы, системы трещиноватости хрупких тел, дренажные системы, пространственные распределения некоторых полезных ископаемых и т.п.

Второй характерной особенностью фракталов является их самоподобие, т.е. способность фрактала после подходящего преобразования выглядеть одинаково на разных масштабных уровнях.

На практике для характеристики фрактальных множеств чаще всего используется так называемая клеточная размерность, которая вычисляется путем подсчета непустых клеток (одно-, двух-,..., п—мерных) одного размера, которыми покрывается исследуемое множество (В.В.МапсЫЬго!;, 1983).

Было рассмотрено множество Е точек пересечения воображаемой линии, проведенной вкрест простирания расслоенности, с границами между слоями (ритмами) (т. е. точечное множество, вложенное в одномерное пространство).

Устойчивость оценок фрактальной размерности множества Е для "критических" зон массива Кивакка (Б = 0.44 ±0.03 — по двум пересечениям, для слоев и ритмов) и Бушвельдского комплекса (Б = 0.2б±0.04 — по четырем скважинам, для слоев и ритмов) показывает, что наше представление о фрактальной структуре расслоенности является не просто математической абстракцией, но соответствует природе исследуемых объектов.

Таким образом, при выборе модели формирования расслоенного интрузива необходимо учитывать установленные характеристики расслоенности, которые сформулированы во втором защищаемом положении: динамика процессов слоеобразования в "критических" зонах массивов Кивакка и Бушвельд обеспечивает геометрические и вероятностные свойства рисунков контрастной расслоенности: 1) фрактальную структуру; 2) стохастическое "дальнодействие", которое характеризуется квазипериодическими автокорреляционными функциями по последовательностям мощностей слоев (ритмов).

5 Контрастная расслоенность как результат объемного (жидкостного) расслоения магмы: концептуальная вероятностная модель

В главе решается задача построения вероятностной математической проверяемой модели, удовлетворяющей выявленным особенностям ритмической расслоенности и отвечающей некоторой правдоподобной концептуальной схеме.

Одним из физико-химических процессов, способных приводить к образованию сложных пространственных структур, является процесс жидкостного разделения (например, вследствие ликвации или жидкостной

[фференциации) магматического расплава. Петрологические пробле-а этого вопроса обсуждаются с конца XIX в. и продолжают исследо-лгься с разной мерой интенсивности по сей день. При этом основное гимание уделяется прежде всего физико - химическим аспектам жид-1Стной несмесимости. В то же время в ряде работ последних десятиле-1Й появилось описание экспериментов с природными расплавами, де-тстрирующими многократное субгоризонтальное расслоение (напр., .М.Делицын, Б.Н.Мелентьев, 1979). Осуществимость подобного рода юцессоз подтвердилась экспериментальными работами А.А.Мараху-ева для кислых магм (1981), Н.И.Безмена для базитовых расплавов в )исутствии водородсодержащего флюида (1992).

Концептуальная схема I предлагаемой модели объемного слоеобра-вания состоит в представлении о многократном расслоении магмати-:ского расплава, например, в результате ликвации и (или) жидкостной гфференциации.

Можно отказаться от многократного расслоения, приняв, что был шько один акт разделения магмы на две жидкости (появление ка-:ль одной жидкости в каркасе другой или образование двухкаркасной ■руктуры) с последующей их структуризацией с разной мерой интен-[вности в субгоризонтальные слои (концептуальная схема II). Обе схе-а приводят, в конечном итоге, к сходному рисунку расслоенности и эгут быть описаны в рамках одной математической модели.

Пусть исследуемый разрез (часть разреза) отображается отрезком , 1] вещественной оси. Пусть на первом акте расслоения (концепту-[ьная схема I) из рассматриваемого участка расплава образовалось п гаев с мощностями, пропорциональными 50,..., цп-\ соответственно, = 1. Обозначим через р; относительную способность г-го слоя к

шьнейшему расслоению (заметим, что некоторые слои могут не обла-1ть таковой, т. е. р^ — 0), У^р, = 1. Легко понять, что после реали-

1

дии процесса по указанной схеме р, будут соответствовать доле об-13ованных слоев в г-й части "материнского" слоя. (В рамках схемы II будут обратно пропорциональны интенсивности пространственного :рераспределения двух жидкостей с образованием слоев при минимиза-1И общей поверхностной энергии смеси. Значения р, близкие к единице гдут соответствовать начальным стадиям расслоения с образованием >льшого количества маломощных слойков. Значения р,- близкие к нулю гвечают наиболее глубоко прошедшему слоеобразованию, в идеале — 1 два слоя.)

Предположим, что на каждом акте расслоения параметры п,р,д :таются такими же для каждого самостоятельного слоя, т. е. в среднем шамика слоеобразования для каждого масштабного уровня подобна 1ковой для изучаемого разреза в целом (при кажущейся искусственнос-I такого предположения тем важнее представляется результат провер-I адекватности обсуждаемого построения реальным разрезам). Тогда яожество границ между слоями можно рассмотреть как множество ре-шзаций случайной величины £ = АТ/1 ,12 ... с одинаково распределенны-

ми (^-символами г^, которые принимают значения 0,1,..., п—1 с вероятностями Ро,Р1, ■ • .,рп-1 соответственно (А.Ф.Турбин, Н.В.Працевитый, 1992).

Замечание. Известно, что любое число х £ (0,1) можно однозначно представить в виде последовательности символов х = Да1,а2,...;

где а.к — номер (символ) интервала длиной цак • Яац 6 который попадает точка х на к-м шаге разбиения вмещающего интервала на п подынтервалов, пропорциональных числам эд,..., =

Случайная величина £ полностью определяется функцией распределения

0 х < 0;

оо /ак(*)-1 \

Е £ МП Ра4(.) ® е (о, 1); (1) к=\ ^ / ¿=1

1 х > 1

Указанная функция распределения, относящаяся к классу чисто сингулярных распределений с самоподобным носителем (т. е. множеством значений, которые может принимать случайная величина), полностью удовлетворяет сформулированным нами требованиям: 1) она по определению описывает случайное множество, 2) фрактальная структура этого множества определяется фрактальной структурой носителя функции распределения, 3) "квазипериодичность" автокорреляционных функций по модельным последовательностям мощностей слоев подтверждается численным моделированием.

Таким образом, функция распределения 1 может служить моделью для множества границ между слоями (ритмами). Более того, критерий Колмогорова-Смирнова позволяет не только проверять адекватность модели реальному разрезу, но и оценивать параметры модели Л = (до, • • •, Цп-ъРо, ■.., Рп-1) путем минимизации максимального расстояния между эмпирической и теоретической функциями распределения.

Проверка модели проводилась на материалах по массиву Кивакка и Бушвельдскому плутону. На рис. 1 (а) показан один из смоделированных фрагментов разреза. По таким фрагментам получены оценки параметров р?, q'¡] г = 0,.. .п — 1, при которых теоретическая функция распределения не противоречит эмпирической для выбранной части разреза (уровень значимости а = 0.05). Минимизация расстояния между теоретическими и эмпирическими функциями распределения осуществлялась методом случайного поиска в пространстве параметров с последующим координатным спуском. В рамках фиксированной функции распределения (с рассчитанными параметрами) с помощью генератора случайных чисел получены теоретические разрезы (рис. 1 (Ь)), характеризуемые самоподобной структурой и квазипериодической автокорреляционной функцией.

V

17000 . О

а)

Л-В2СХ1. . -9 ■

19ЧОЗ . -9

2059&.А '

21738.1

23000.О'

<ст)

Ь)

(0.0)

5

(0.62)

(0.0)

=гО.17) (0.0)

(0.20)

(0.0)

Рис. 1: Фрагмент расслоенной серии массива Кивакка, профиль 107 (а) и соответствующий ему модельный разрез (Ь). В скобках указаны значения р; для соответствующих участков модельного разреза, мощности которых пропорциональны д;

Таким образом, рисунки контрастной расслоенности отдельных уровней "критических" зон соответствуют представлению об их формировании в результате жидкостного расслоения магмы; такому представлению не противоречит предложенная концептуальная вероятностная модель ,— 3-е защищаемое положение.

Допустим, что предложенная модель верна, и два разных массива формировались по предложенной схеме, но с разными параметрами Предположим, что в основании каждого ритма может выпасть коли чество потенциального рудного компонента (например хромита), про порциональное мощности ритма.

В рамках модели можно показать, что вероятность встретить мае сивный горизонт рудного компонента будет связана с фрактальной раз мерностью множества межслоевых границ. Нестрого говоря, чем выш< фрактальная размерность, тем более "равномерно" будут распределень реализации случайной величины (, на [0,1], тем сильнее "размажется' рудный компонент по рассматриваемому разрезу. В рамках сделанные допущений отмечается согласование между оценками фрактальной размерности для массивов Кивакка и Бушвельд и их промышленной зна чимостью.

В то же время принятые допущения очень схематичны. Так, пред полагается одинаковая схема расслоения для разных массивов, не учи тывается роль флюидов в формировании рудных тел,;перераспределе ние рудного вещества при формировании расслоенности и т.п. Такж ничего не говорится о возможной различной лакунарности, что може свести на нет все последнее построение (понятие лакунарности связан со сдвиговой инвариантностью геометрических объектов; в грубом при ближении, два объекта могут "выглядеть" по-разному при одинаково фрактальной размерности: у них разная лакунарность). Фрактальна размерность сама по себе, без глубокого понимания природы процессов приводящих к формированию структур с дробной размерностью, може привести к ошибочным прогнозным заключениям.

6 Структурно-вещественные особенности контраст] расслоенной зоны массива Кивакка, связь с модель

Существенное значение во многих петрологических моделях фор мирования расслоенных интрузий придается процессам фракционно кристаллизации. В рамках представления об их определяющей роли пр формировании контрастной расслоенности был произведен рассчет те оретических кривых распределения некоторых химических элементо (№, Со, Сг, Т1, V, Zr, У, Бг, РЬ) в разрезе интрузива Кивакка. Кривы рассчитывались из уравнения

' = ГС

где с' — концентрация микроэлемента в твердой фазе, с° — концентрг ция микрокомпонента в системе до начала кристаллизации (определ;

16

гя с учетом комбинированного коэффициента распределения из ана-за самой первой пробы), М — масса системы, Мс — общая масса [павших на интересующий момент кристаллов, К — комбинирован-[й коэффициент распределения, т.е. К = К{ о,-, — коэффициент определения микрокомпонента между г—й кристаллической фазой и сплавом, а,- — доля г—й фазы в кристаллизующейся породе. (Интер-мулус рассматривается как самостоятельная фаза с коэффициентом спределения кристалл/расплав равным 1.)

Сопоставление теоретических кривых с реальными содержаниями ементов в породах расслоенной серии массива Кивакка показали их соответствие друг другу. Различия выражаются или в эпизодичес-й полной несогласованности теоретических и наблюдаемых значений нцентраций, или в согласованном поведении с различающимися в 2-4 за концентрациями. Также для большинства элементов отмечается сутствие в реальных распределениях теоретически ожидаемых трен-в (определяемых обогащением или, наоборот, обеднением остаточного сплава компонентом при фракционировании) как в пределах изучен-го разреза, так и в пределах отдельных слоев. Полученные разли-я можно объяснить участием в формировании расслоенности, помимо 'акционирования, еще какого-либо процесса.

На основании петрографических наблюдений в структуре минераль-гх ассоциаций разреза (нориты, пироксениты, анортозиты, габбро-риты) выделяются две композиционных группы: первая сложена округ-ши и бобовидными зернами бронзита (Орх1), вторая — таблитча-1М и ксеноморфным бронзитом с полосовидными структурами распада рхП, по данным М.М.Лаврова (1979) — высококальциевый бронзит), брадором (Р1) таблитчатой и лейстовидной формы, а также интер-ициальным или пойкилитовым авгитом (Срх).

Взаимоотношение 0рх1 и минералов второй группы приводят к про-воречивой интерпретации в терминах последовательной кристалли-ции из одного расплава: в одном шлифе соседствуют мелкие шаровид-. 1е включения Р1 в Орх1 и такие же "шарики" 0рх1 в Р1 с одновремен-1м "интеркумулусным" положением Орх1.

Противоречия снимаются, если допустить сосуществование двух жид-стей: первая (I) кристаллизуется в Орх1, вторая (II) — в ассоциацию «II + Р1 + Срх. Наличие двух ортопироксенов подтверждается ре-пьтатами микрозондового анализа.

С таким допущением хорошо согласуются следующие выявленные ми факты: 1) двухфазные (Р1 + Срх), реже трехфазные каплевидные лючения в ОрхГ, 2) одинаково округлые формы Орх1 при широких ва-ациях размеров соседствующих зёрен; 3) непрерывно-каркасная или гровная ("капельная") структура распределения Орх1 в матрице ми-ралов второй группы, что соответствует рисунку распределения фаз пиквирующих стеклах (Н.С.Андреев и др., 1974); 4) формы раздав-нных или слипшихся капель ("шариков"), отмечаемые для Орх1.

Ликвация магматического расплава с образованием двух жидкос-й, одна из которых раскристаллизовывается в пироксенит (и пикрит),

а другая — в долерит, показана для нескольких природных объектов (Н.Г.Прокопцев, 1990, А.Д.Генкин и др., 1979, НЛ.Бгеуег, 1960).

Для выявления процессов, ответственных за разделение химических элементов и минералов, исследовались микроэлементные и минеральные ассоциации в породах контрастно расслоенной серии массива Кивакка (метод главных компонент факторного анализа).

Первый фактор демонстрирует антагонизм ассоциаций (Ре, V, Со, Сг, №, ОрхИ, Zт) и (Бг, Р1)

, _ЗгЭ7Р190_

58'2 ^еОа8У93тд1Сг91Со9оП75Орх117^г62'

что соответствует относительному накоплению элементов в минералах согласно значениям коэффициентов распределения кристалл/ расплав (Н.ПоШпэоп, 1993). Таким образом, первый фактор отражает перераспределение элементных ассоциаций при кристаллизации расплава и разделении (например, в рамках фракционирования) минеральных фаз.

ц 8 Орж/б9Сгз4]Уг28Р627 ¥71ггб4Тгб2Срх5дР1з2У2<1

Во втором факторе разделились ассоциации (Орх1, Сг, N1, РЬ) и (У, Zr, Т1, Срх, Р1), что соответствует в нашей интерпретации ликвации расплава на две жидкости ("ортопироксенитовую" (I) и "базальтоидную" (II)) с их последующим обособлением — расслоением. Возможность такого расслоения с перераспределением Т1 в пользу базальтоидной жидкости показана экспериментально (А.А.Маракушев, Н.И.Безмен, 1983); поведение У, Ът можно предполагать аналогичным Т1.

Распределение значений I и II факторов демонстрирует различные соотношения и интенсивности процессов фракционирования и ликва-ционного расслоения в разрезе расслоенной серии. Эти различия при сопоставлении с результатами петрографических исследований позволили ориентировочно оценить исходное соотношение "пироксенитовой" и "базальтоидной " жидкостей, а также пределы измения этих соотношений при расслоении и фракционной кристаллизации.

На рисунке 2 показаны значения факторов для смоделированной в главе 5 части разреза, включающей участки с ненулевыми значениями параметров р,- модели. Необходимо отметить, что геометрическая модель оказалась непротиворечивой именно для той части разреза, где значения фактора фракционирования близки к нулю, т.е. ликвационное расслоение проявилось в наиболее чистом виде. Высокие абсолютные значения первого фактора соответствуют участкам разреза, для которых геометрическая модель была отвергнута с надежностью 99%.

В процессе поиска наилучших параметров вычислительная процедура, на основе только геометрических данных, выделила те же зоны, что определяются на основании независимого изучения распределения

350.1 351 353 355 ЗКП 362 364 366 368 370

-о- РАСТОЯ1 -а- РАСТО(Ч2

Рис. 2: Распределение значений факторов для смоделированной гасти разреза. Черные полосы в нижней части графика отвечают частям разреза с ненулевыми значениями параметров модели рг-.

»лементов. Прежде всего это касается части разреза с высоким значе-шем параметра р,- = 0.62, которая соответствует зоне интенсивной рас-;лоенности. В рамках предлагаемой модели она образовалась вследст-зие глубоко прошедшего многократного расслоения, либо в результате одноактного расслоения со слабой интенсивностью пространственного 1ерераспределения жидкостей, что должно соответствовать малым зна-1ениям второго фактора, как это и наблюдается в интервале образцов 561-370.

Явная связь геометрических параметров модели и структурно-вегцес-свенных особенностей интрузии является лишним свидетельством адек-1атности предложенной модели. Результаты изучения летрографичес-:их и геохимических особенностей, а также согласованность выводов, юлученных при исследовании объектов независимыми методами позво-гяют сформулировать 4-е защищаемое положение: структурно-вегцес-гвенные особенности расслоенной серии массива Кивакка со-

ответствуют схеме, предусматривающей участие двух пронес сов в формировании расслоенности: жидкостного расслоения 1 фракционной кристаллизации; соотношение и интенсивност процессов различны для разных участков разреза расслоенно серии.

7 Основные результаты и выводы (Заключение)

Разрезы массивов Кивакка и Бушвельд характеризуются квазиш риодическими автокорреляционными зависимостями по последователь ностям мощностей слоев и ритмов и фрактальной структурой рису* ка контрастной расслоенности. Концептуальная вероятностная модел жидкостного расслоения магматического расплава не противоречит рл сункам расслоенности отдельных уровней разреза.

Результаты исследования вероятностно-геометрических, структур! петрографических и геохимических особенностей строения контрастнс расслоенной серии массива Кивакка позволяют предложить следующу схему ее формирования.

А. На ранних этапах — ликвация магматического расплава в объем расслоенной серии на более основную ("ортопироксенитовую") и мене основную ("базальтоидную") жидкости; их доли составляли 10-15% 90-85% соответственно. На отдельных уровнях магматической камер ликваты перераспределялись с образованием относительно меланокрг товых (40-60% "ортопироксенитовой" жидкости) и лейкократовых (7 0.5% "ортопироксенитовой" жидкости) субгоризонтальных слоев. П следующая кристаллизация обеспечивала на этих уровнях ритмическс чередование норитов, меланоноритов, лейконоритов.

Б. На этапе кристаллизации формирование лейкократовых и мел нократовых слоев обеспечивалось также фракционированием криста лизующихся из "базальтоидной" жидкости фаз (ОрхН, Р1, Срх). Д ля ОрхП (Орх11/(Орх11+Р1)) для нефракционированных составов вар ирует от 0.33 до 0.22 (в среднем — 0.25). Фракционирование прив дит к изменению этого соотношения в закристаллизовавшихся порода (0.14-0.17 в лейкократовых и 0.60-0.86 в меланократовых). Фракци нирование проявляется в пределах локальных уровней магматическо камеры, не испытавших, как правило, предварительного ликвационн го расслоения, и приводит к формированию норитов, меланонорито лейконоритов (анортозитов). В участках сопряжения обоих процесс< — расслоения двух ликвировавших жидкостей и фракционирования, -формируется наиболее контрастная ритмика (пироксенит, меланонори лейконорит).

Имеющихся данных по рисункам расслоенности Критической зон Бушвельдского комплекса не достаточно для того, чтобы утверждат что она формировалась по предложенной для массива Кивакка схеме, то же время популярное когда-то представление о многократном вне, рении отдельных порций магмы не объясняет многие особенности стр ения зоны.

По всей видимости, лучше всего известные особенности строен;

;ритической" зоны объясняются в рамках идеи о формировании от-этьных циклов путем внедрения более примитивных порций магмы в агму, кристаллизующую плагиоклаз и пироксен ("Layered Intrusions", >96). Известно, что при внедрении менее вязких жидкостей в более гзкие обычным явлением бывает образование так называемых "вязких шьцев" одной жидкости в другой, имеющих фрактальную структуру З.Федер, 1991). Можно предположить, что сходная ситуация возника-: при внедрении новой порции магматического расплава в относитель-) более холодную и вязкую жидко-кристаллическую магматическую 1шу. Это представление таким образом согласуется с выявленными в 1боте геометрическими и вероятностными особенностями рисунка рас-юенности. Определенное участие могли также принимать и процессы идкостной дифференциации. Предложенная вероятностная модель моет использоваться для Бушвельдского массива как феноменологичес-ш описательный инструмент.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Структура расслоенности базитового массива Кивакка (Северная арелия) // Докембрий Северной Евразии. Тез. докл. Санкт-Петербург, 397. С.24. (совместно с Ю.А.Высоцким)

2. Стохастические и геометрические ограничения на модели форми-эвания расслоенности в базитовых интрузиях. СПб., 1998, Деп.в ВИ-ИТИ N659-B98 от 06.03.98.-13с.

3. О соотношении фракционной кристаллизации и ликвации при ормировании расслоенной серии массива Кивакка (Сев. Карелия) // гз. докл. междун. конференции "Проблемы генезиса магматических метаморфических пород", С-Петербург, 1998, с.103-104 (совместно с .К.Котовой)

4. On distribution of some ore minerals in the layered basic-ultrabasic itrusions in connection with a geometry of rhythmic layering // Abstracts. Precambrian of Europe: Stratigraphy, Structure, Evolution and Mineraliza-on, MAEGS-9, St.Petersburg, 1995, p.56.

5. Metablastesis as the texture-forming process in some tonalites // heophrastus Contributions to Advansed Studies in Geology, Athens: Theo-hrastus Publication, 1996, v.l, p. 113-124 (with D.N.Ivanov)

6. Fractal and stochastic properties of rhythmic layering in mafic itrusions in the frame of the model of liquid layering of the melt // Models ad modelling of geological processes and objects, St.Petersburg-Athens: heophrastus Publication, 1999

Подписано к печати 22.10.98.3аказ286 Тирад 100 Объем 1,25 п. ЦОП СПГУ. 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова,6.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Котов, Сергей Робертович, Санкт-Петербург

Институт геологии и геохронологии докембрия РАН Институт математической геологии РАЕН

На правах рукописи

Котов Сергей Робертович УДК 55:51

Структура контрастной расслоенности "критических" зон базит-гипербазитовых интрузий Кивакка и Бушвельд: свойства, происхождение

Специальность 04.00.08 - петрология, вулканология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель др.г.-м.н. С.Б.Лобач-Жученко

С анкт-Петербург 1998

Содержание

1 Математическое моделирование как

метод решения геологических задач 10

1.1 Модели и их классификация...................10

1.2 Задачи математической геологии и концептуальные вероятностные модели ..........................13

2 Модели формирования расслоенности в мафических интрузиях 18

2.1 Внедрение магмы .........................19

2.2 Конвективное перемешивание....... ...........20

2.3 Механические процессы......................22

2.4 Механизмы, являющиеся следствием изменения интенсивных параметров.............................23

2.5 Механизмы поздней стадии кристаллизации и охлаждения. . 25

3 Краткая геолого-петрографическая характеристика исследуемых

объектов 27

3.1 Массив Кивакка..........................27

3.1.1 Геологическое положение массива Кивакка в составе Олангской группы интрузий...... .........27

3.1.2 Состав и строение интрузии...............30

3.1.3 Минералогия........................39

3.1.4 Фактический материал....... ...........40

3.2 Бушвельдский комплекс......................45

3.2.1 Геологическое строение..................45

3.2.2 Минералогия........................53

3.2.3 Фактический материал . . . ...............57

4 Стохастические и геометрические характеристики ритмической

расслоенности 63

4.1 Контрастная расслоенность в рамках представлений о последовательном слоеобразовании.................63

4.2 Контрастная расслоенность в рамках представлений об объемном слоеобразовании: геометрический подход . .......74

5 Контрастная расслоенность как результат объемного (жидкостного) расслоения магмы: концептуальная вероятностная модель 88

5.1 Концептуальная схема и математическая формализация ... 88

5.2 Тестирование модели........................93

5.3 Фрактальная размерность как прогнозный критерий.....96

6 Структурно-вещественные особенности

норитовой зоны массива Кивакка, связь с моделью 102

6.1 Распределение микроэлементов в рамках модели фракционной кристаллизации.........................102

6.2 Структурные взаимоотношения минералов в породах расслоенной серии...........................108

6.3 Элементные и минеральные ассоциации и определяющие их факторы...............................117

7 Основные результаты и выводы

(Заключение) 134

Введение

Актуальность проблемы

В строении расслоенных интрузивов основного-ультраосновного состава выделяются мощные зоны ритмично чередующихся пород, с которыми связаны крупные промышленные запасы платиноидов, золота, хрома, титана, ванадия, никеля, меди. Объемы и распределение этих полезных ископаемых в структуре интрузивов определяется, как правило, позицией и структурой ритмично - расслоенных зон. Несомненно, механизм формирования такой расслоенности задействован в процессах концентрации металлов; с другой стороны, общность внутреннего строения данных интрузивов по всему миру (вне зависимости от их размеров и рудоносности) заставляет полагать, что этот механизм является единым, универсальным при кристаллизации магматических тел подобного состава.

Очевидно, что понимание механизма формирования ритмично - расслоенного строения основных - ультраосновных интрузивов представляет и теоретический, и практический интерес. Неслучайно уже не одно десятилетие в геологическом мире продолжается острая дискуссия по этому поводу. При этом привлекаются самые разнообразные, зачастую взаимоисключающие гипотезы: это представления о повторяющемся послойном внедрении новых порций магмы, либо внедрении уже расслоенного в магматическом очаге расплава; это всевозможные модели направленной (от подошвы к кровле) кристаллизации, осложненной внешними факторами (например, непрерывным или периодическим конвективным перемешиванием); это модели кристаллизационной дифференциации, в которых в качестве основного механизма постулируется разделение во всем объеме интрузива жидкой и новообразующейся твердой фаз в гравитационном поле; это механизмы, связанные с вариациями каких либо интенсивных параметров системы: флуктуации скоростей зародышеобразования, контролируемые диффузией нуклеация и рост кристаллов, рост кристаллов в температурном градиенте, флуктуации фугитивности кислорода или общего давления; это ликвация и жидкостное разделение силикатного расплава;

это представления о перераспределении вещества за счет газовой конвекции, о вторичном изменении первично - осадочных слоистых пород или об изменении вдоль системы параллельных трещин и др. [60, 98].

Многообразие концепций связано прежде всего с двумя факторами. С одной стороны, это, конечно, сложность строения объектов и многообразие типов расслоенности. С другой стороны, большая часть представлений основана на гипотезах, по сути исключающих возможность какой-либо проверки их адекватности реальным объектам. В то же время незначительное число математических моделей являются моделями детерминистскими, исключая таким образом влияние случайных факторов, играющих существенную роль в геологических процессах.

Цель работы

Изучение стохастических, геометрических и структурно-вещественных особенностей ритмической расслоенности "критических" зон основных-ультраосновных интрузий. Разработка концептуальной математической модели формирования ритмической расслоенности, удовлетворяющей установленным характеристикам. Предполагается, что выбор математического аппарата должен определяться вероятностной природой исследуемого явления и возможностью статистической проверки согласия с реальными объектами.

Фактический материал

В части предварительного изучения свойств моделируемых объектов и проверки согласия модели работа опирается на результаты экспедиционных работ 1994-1996 г.г. на массиве Кивакка (Сев. Карелия, Россия) и Бушвельдском комплексе (ЮАР), проводившихся при непосредственном участии автора в соответствии с плановой темой лаборатории Математической геологии ИГГД РАН и Института Математической Геологии РАЕН в рамках международного (Россия, Греция, ЮАР) проекта "Хромит"

по заказу министерства Науки и Технологий РФ.

Геометрико-вероятностные свойства рисунков расслоенности исследовались на материале двух детальных пересечений через расслоенную серию массива Кивакка и пяти скважин через "критическую" зону Буш-вельдского комплекса. Общий объем изученных выборок составляет около четырех тысяч замеров мощностей слоев с идентифицированными составами. Также в работе были использованы результаты исследования около 400 шлифов, 30 количественных рентгенофлюоресцентных анализов на Ре, №, Со, Сг, Т1, V, Ъг, У, Бг, Ш). РЬ и 118 количественных рентгеноспек-тральных анализов пород массива Кивакка (Са, Сг, Си, Ре, Оа. Мп, №, Ш>, Бг. Т1, У, Zn), 18 микрозондовых определений составов породообразующих минералов.

Научная новизна

1. Впервые установлены стохастические и геометрические ограничения на модели формирования контрастной расслоенности. В частности, выявлены фрактальная структура рисунков расслоенности и стохастическое дальнодействие в последовательностях мощностей слоев (ритмов).

2. Впервые разработана концептуальная вероятностная модель объемного (жидкостного) расслоения магматического расплава, показано ее согласие с реальными объектами.

3. Впервые для массива Кивакка продемонстрированы петрографо- геохимические критерии диагностики эффектов жидкостного расслоения и фракционной кристаллизации; на основе вероятностных и петрографо-геохимических критериев показана возможность выделения в разрезе участков различной интенсивности проявления названных эффектов.

Практическая ценность

Установленные ограничения позволяют существенно сузить круг возможных для объяснения контрастной расслоенности моделей, что в свою очередь является шагом к пониманию механизмов формирования расслоенных

интрузий в целом. Положительный опыт применения методов фрактальной геометрии позволяет использовать (при определенных оговорках, см. главу 4) фрактальную размерность, как дополнительный критерий на рудонос-ность. Предложенная математическая модель также позволяет выделять в интенсивно расслоенных зонах перспективные области.

Основные защищаемые положения

1. Ритмическая расслоенность "критических" зон массивов Киваккаи Буш-вельд не может быть результатом простой периодической динамики процесса слоеобразования; в то же время формирование расслоенности определялось действием малого количества (скорее всего не более трех) независимых процессов.

2. Динамика процессов слоеобразования в "критических" зонах массивов Кивакка и Бушвельд обеспечивает геометрические и вероятностные свойства рисунков контрастной расслоенности: 1) фрактальную структуру; 2) стохастическое "дальнодействие", которое характеризуется квазипериодическими автокорреляционными функциями по последовательностям мощностей слоев (ритмов).

3. Рисунки контрастной расслоенности отдельных уровней "критических" зон соответствуют представлению об их формировании в результате жидкостного расслоения магмы; такому представлению не противоречит предложенная концептуальная вероятностная модель.

4. Структурно-вещественные особенности расслоенной серии массива Кивакка соответствуют схеме, предусматривающей участие двух процессов в формировании расслоенности: жидкостного расслоения и фракционной кристаллизации; интенсивности проявления процессов различны для разных участков разреза расслоенной серии.

Апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на научных заседаниях лабораторий ИГГД РАН, института математи-

ческой геологии РАЕН, на международном совещании по проблемам докембрия Европы (Санкт-Петербург, 1995), на международном совещании по проблемам докембрия Северной Евразии (Санкт-Петербург, 1997), на международной конференции по проблемам генезиса магматических и метаморфических пород (Санкт-Петербург, 1998). По теме диссертации опубликовано 6 работ. Внедрение результатов исследований производилось в виде их использования при составлении научных отчетов по тематическим работам института математической геологии (Вистелиус и др., 1995; Деч и др., 1996). Наработки по проблеме использовались автором при чтении лекций по курсам "Математические методы в геологии", "Математическое моделирование природных процессов", "Синергетика" для бакалавров и магистров геологического факультета СПбГУ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из Введения, Заключения и 6-ти глав. В связи с тем, что математическое моделирование пока еще не стало привычным методом в геологии, глава 1 посвящена классификации методов моделирования и месту предлагаемой модели в общем их множестве. В главе 2 приводится краткий обзор основных предлагаемых моделей формирования расслоенных интрузий. Краткой геолого-петрографической характеристике исследуемых объектов, а также описанию используемого фактического материала посвящена глава 3. В главе 4 рассматриваются стохастические и геометрические особенности ритмической расслоенности, выявленные для изучаемых объектов. Предполагается, что они должны являться дополнительными ограничениями при создании и математической формализации любой выбранной модели. Концептуальная схема модели, математическая формализация, а также результаты проверки согласия модели тестовым объектам рассматриваются в главе 5. В главе 6 на основе изучения структурно-вещественных особенностей массива Кивакка определяется место и доля участия процесса, отвечающего концептуальной схеме модели.

Общий объем работы 146 страниц, сопровождается 50-ю иллюстраци-

ями и б-ю таблицами. Список литературы включает 110 наименований. Большая часть вычислений выполнена с помощью программ, написанных автором (языки программирования Borland Pascal, MapleV).

Работа выполнена в лабораториях "Математической геологии" и "Металлогении и экогеологии" ИГГД РАН, Институте математической геологии РАЕН.

Автор искренне благодарит доктора г.-м.н. С.Б.Лобач-Жученко за научное руководство работой и ценные замечания. Также автор признателен всем тем, кто проявил интерес к работе на разных этапах ее написания: Н.А.Арестовой, И.В.Булдакову, Ю.А.Высоцкому, О.В.Граунову, А.Х.Зильберштейну, Д.Н.Иванову, Т.Г.Петрову, Б.Н.Писакину, А.А.При-яткину, Б.П.Харламову. Особую благодарность автор выражает Л.Б.Клебанову и И.К.Котовой, консультации которых во многом повлияли на полученные результаты, а также дирекции ИМАГ РАЕН в лице В.Н.Деча за всестороннюю поддержку работы и оказанное внимание.

1 Математическое моделирование как метод решения геологических задач

1.1 Модели и их классификация

Термин "модель" произошел от латинского modus, modulus (мера, образ, способ и др.). В русский язык он был введен лишь в конце XIX в. по-видимому русским физиком Н.А.Умовым [3], который первым в отечественной литературе высказал ряд оригинальных положений о природе научных моделей.

Термин "модель" чаще всего употребляется в смысле "метод", "аналог", "образец", "система", "структура", "формализованная теория", "алгоритм" и т.д. Все они так или иначе будут правомерны в контексте конкретных рассуждений. Выработка же оптимального общенаучного определения модели еще не закончена (если это в принципе возможно). Приведем лишь три определения, которые, как нам кажется, с разной мерой общности отвечают проблематике не только геологических, но и в большой степени естественно - научных исследований вообще.

1. Модель — система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе [56];

2. Модель — есть созданная или выбранная субъектом система, воспроизводящая существенные для данной цели познания стороны (элементы, свойства, отношения, параметры) изучаемого объекта и в силу этого находящаяся с ним в таком отношении замещения и сходства, что исследование ее служит опосредованным способом получения знаний об этом объекте [3];

3. Модель — это искуственный или естественный объект (представляющий собой вещественный агрегат или знаковую систему), находящийся в некотором объективном соответствии с исследуемым объектом, способный его замещать на определенных этапах познания, дающий в процессе исследования некоторую допускающую опытную

проверку информацию, переводимую по установленным правилам в информацию о самом исследуемом объекте [40].

В достаточно общем случае процесс моделирования можно разбить на несколько этапов [32]:

1. Постановка задачи и определение свойств оригинала, подлежащих исследованию;

2. Выбор модели, достаточно точно фиксирующей существенные свойства оригинала, и нахождение алгоритма, позволяющего исследовать модель;

3. Исследование модели;

4. Перенос результатов исследования модели на оригинал;

5. Проверка полученных результатов и формулировка выводов по проведенным исследованиям.

В терминах предложенной последовательности пункт 1 был рассмотрен во Введении, пункту 2 будут посвящены главы 2-5, пункту 3-4 — главы 4 — б, пункту 5 — главы 5-7 диссертации.

Для того, чтобы указать место предлагаемой модели в общем их множестве, рассмотрим классификацию приемов моделирования, которая тоже неоднозначна. В самом общем виде моделирование можно условно разделить на две группы: материальное (предметное) и идеальное (абстрактное) [44]. Основными видами материального моделирования являются физическое (физико-химическое) и аналоговое моделирование. При физическом моделировании объект замещается его увеличенной или уменьшенной копией, физически однородной с оригиналом. В геологии, по-видимому, более актуальны физико-химические (петрологические) модели, базирующиеся на воспроизведении строений и свойств веществ, физико-химических процессов и т.д.

Аналоговое моделирование основано на аналогии явлений и процессов, имеющих различную физическую природу, но описываемых формально одними и теми же уравнениями, логическими схемами и т.п. Чаще всего — это электрические схемы, описываемые теми же дифференциальными уравнениями, что и изучаемая система (например, механический маят-

ник). Леонардо да Винчи, И.Кеплер, Г.Галилей и другие ученые эпохи Возрождения обрщались к моделям - аналогам вообще не употребляя слова "модель". Так, И.Кеплер построил модель Солнечной системы в виде набора вложенных друг в друга геометрических фигур (октаэдра, икосаэдра, додекаэдра, тетраэдра и куба). Изучение этой модели, сравнение результатов с эмпирическими данными, уточнение расчетов и т.д. позволили в конечном итоге сделать вывод об эл