Дистанционное зондирование для разведки новых месторождений цветных металлов

Выполнено исследование дифференцированного Бушвельдского комплекса (Южно-Африканская Республика) на основе дистанционных космических и гравимагнитных методов. Показана возможность использования многозональной космической съёмки Landsat 7 ETM+ и яркостных характеристик для прогнозирования платинометального оруденения в новых перспективных районах. Анализ значений гравитационного поля показал, что на исследуемой площади платинометальная минерализация сосредоточена в достаточно узком диапазоне значений, что позволяет использовать эти данные как поисковый признак. Сформулированы основные выводы и наглядно продемонстрированы возможности многозональной космической съёмки Landsat 7 ETM+ для прогнозирования платинометального оруденения в новых перспективных районах. Результаты исследования доказывают эффективность комплексирования дистанционных методов (космических и геофизических) для совершенствования подхода к поисковым работам для платино-медно-никелевого оруденения.

В настоящее время весьма актуальной становится задача разработки методов комплексной компьютерной обработки данных гравиметрической съемки и дистанционного зондирования Земли с целью решения задач прогнозирования платиноидно-медно-никелевого оруденения на новых площадях. Бушвельдский комплекс (ЮАР) представляет собой эталонный источник информации при разработке методов прогноза и поисков новых месторождений элементов платиновой группы (ЭПГ) в мире [Магматические.., 1973]. В его пределах сконцентрировано более 80% мировых запасов ЭПГ и около 88% запасов платины. Эти запасы приурочены к трем главным уровням (рифам): хромититовому горизонту UG2, а также рифу Меренского и Платрифу [Лазаренков, 2002].

Главные центры добычи платинометальных руд расположены в пределах наиболее изученного Западного сектора Бушвельдского комплекса (Аток, Рустенбург, Юнион, Бафокенг, Аманделбалт, Мессина, Марикана и др.) [Миловский и др., 2016]. Месторождения Восточного сектора (Бракфонтейн, Витервельд, Онвервахт, Твикенхем, Ричмонд, ДерБрохен) характеризуются содержанием ЭПГ в рудах 4–7 г/т [Du Toit, 1954].

На примере рудных объектов Восточного сектора Бушвельдского комплекса весьма актуальна задача разработки методов компьютерной обработки данных гравиметрической съемки и дистанционного зондирования Земли с целью решения задач прогнозирования платиноидно-медно-никелевого оруденения на новых площадях.

Актуальность крупномасштабного прогноза и поисков полезных ископаемых с применением дистанционных (космических и магнитогравиметрических) методов обусловлена необходимостью получить качественно новые данные по изучаемым объектам без затрат на проведение дорогостоящих полевых работ [Кронберг, 1988; Чандра, 2008; Шовенгердт, 2010].

В настоящее время существует большой спектр теоретических и практических разработок по комплексному применению дистанционных геофизических и космических методов для нефтегазовых месторождений, тогда как публикаций по комплексированию геофизических и космических методов в области твердых полезных ископаемых значительно меньше. Исследования по выявлению платиноидно-медно-никелевых месторождений на основе дистанционных методов представляют большой научный и практический и интерес.

Геологическая характеристика района.

Бушвельдский комплекс (Южная Африка) расположен в северной части Каапваальского кратона в центре мульды Ранда, выполненной вулканогенно-осадочными отложениями серий Доминион-Риф, Витватерсранд, Вентерсдорп и Трансвааль (рис. 1).

Общая площадь плутона около 6000 км2, мощность достигает 9000 м. Весь комплекс состоит из четырех, по-видимому, независимых частей; пятая часть погребена под более молодыми осадочными отложениями [Геология…, 1973]. Рассматриваемый магматический комплекс — эталонный в группе ритмично-расслоенных массивов, и именно в нем сконцентрировано более 80% мировых запасов суммы ЭПГ и около 88% запасов платины. Эти запасы приурочены к трем главным горизонтам: хромититовому горизонту UG2, рифу Меренского и платрифу. Главные центры добычи платинометальных руд расположены в пределах наиболее изученного Западного сектора Бушвельдского комплекса. Месторождения Восточного сектора в настоящее время активно разведываются и готовятся к промышленному освоению. В связи с этим прогнозирование платинометального орудения на примере Восточного сектора Бушвельдского комплекса представляет большой научный и практический интерес.

Бушвельдский комплекс включает несколько серий изверженных пород, последовательность формирования которых установлена по геологическим и геохронологическим данным [Cawthorn et al., 2002]. Первой фазой внедрения считаются базитовые силлы в основании вмещающих пород. За ними следует эксплозивная фаза, сформировавшая андезит-дацит-риолитовую толщу группы

Ройберг, которая в настоящее время образует кровлю расслоенной серии. Следующая интрузивная фаза — рюстенбургская ультрабазит-базитовая расслоенная серия мощностью до 8 км, породы которой прорваны ультрабазитовыми трубками, а также поздними дайками и силлами долеритов.

В пределах рюстенбургской серии прослежены платиноносные рифы — хромититовый горизонт UG2, риф Меренского и риф Бастард, которые представляют собой протяженные горизонты магматических пород с богатой рудной минерализацией [Уиллемз, 1973].

Позднее, возможно, в результате плавления кровли Рюстенбургской расслоенной серии произошло формирование гранофиров группы Рашуп. Завершающей фазой считаются граниты Лебова, перекрывающие рюстенбургскую расслоенную серию в центральной части комплекса и образующие тела общей мощностью до 3 км под кровлей вулканитов группы Ройберг.

Время внедрения всех этих магматических образований охватывает сравнительно узкий интервал в 1–1,5 млн лет (2054,4 Ѓ} 1,3 млн лет, по данным [Scoates and Freidman, 2008]; Zeh et al., 2015]). Согласно принятой для территории Бушвельдского комплекса схеме районирования выделяют западный, восточный, северный, дальний западный и юго-восточный лимбы. Во всех этих участках разрез магматических серий имеет специфические особенности [Cawthorn, 2002]. В пределах рюстенбургской ультрабазит-базитовой расслоенной серии выделяют следующие зоны (снизу вверх): Базальная, Критическая, Главная, Верхняя. В Критической зоне сосредодочена половина мировых запасов хрома, а также 3 платиноносных рифа. Критическая зона мощностью 1,5–2 км делится на верхнюю и нижнюю подзоны с границей между ними, устанавливаемой по первому появлению кумулусного плагиоклаза в разрезе. В нижней подзоне преобладают пироксениты с небольшим количеством гарцбургитов и хромититовых горизонтов. Верхняя подзона представлена переслаиванием пироксенитов, но ритов, анортозитов и хромититовых горизонтов. В верхней части Критической зоны прослежен платиноносный хромититовый горизонт UG2. Выше горизонта UG2 залегает риф Меренского, мощность которого колеблется от 40 см до 6 м на разных участках Бушвельдского комплекса [Kinnaird et al., 2004].

Риф Меренского представляет собой уникальный горизонт плагиоклазовых пироксенитов (часто пегматоидных), в котором сконцентрированы минералы платиновых металлов, золота и серебра, ассоциирующие с сульфидной минерализацией [Naldrett, 2004; Налдретт, 2003]. Риф прослежен в верхней Критической зоне на границе с Главной зоной рюстенбургской ультрабазит-базитовой расслоенной серии.

Материалы и методы исследований. Дешифрирование материалов космической съемки. Разработка методов компьютерной обработки данных гравиметрической, магнитометрической и космической съемки проводилась с целью установления закономерностей локализации платинометального оруденения в Восточном секторе Бушвельдского комплекса на основе изучения материалов многозональной космической съемки Landsat 7 ETM+ в комплексе с анализом геологических и геофизических карт района. Обработка данных проводилась с помощью специализированных программных продуктов ENVI, ArcGis и Adobe Photoshop (рис. 2).

Для решения вопросов, связанных с распознаванием геологических объектов на фоне вмещающих пород и оценки их потенциальной рудоносности, были исследованы возможности многозональной космической съемки LANDSAT 7 ETM+. Выбор космической съемки для исследований обусловлен тем, что составление Государственных геологических карт России в масштабе 1:1 000 000 третьего поколения в обязательном порядке обеспечивается дистанционной основой, созданной на базе цифровых материалов КС LANDSAT 7 ETM+ [Методическое руководство…, 2009; Требования…, 2012].

Для анализа результатов данных КС LANDSAT 7 ETM+ использованы значения яркостных характеристик в каналах: 1 (0,45–0,52 мкм, видимый), 2 (0,52–0,60 мкм, видимый), 3 (0,63–0,69 мкм, видимый), 4 (0,76–0,90 мкм, ближний инфракрасный), 5 (1,55–1,75 мкм, средний инфракрасный), 6 (10,40–12,5 мкм, тепловой), 7 (2,08–2,35 мкм, средний инфракрасный), 8 (0,52–0,90 мкм, панхроматический). Обработка цифровых материалов космической съемки осуществлялась при помощи специализированной программы ENVI 4.8, позволяющей проведение полного цикла обработки данных от пространственной привязки изображения до получения необходимой информации.

Под дешифровочными признаками понимают свойства объектов, которые прямо или косвенно находят отображение на снимках и обеспечивают распознавание объектов.

Использование дешифровочных признаков составляет основу визуального дешифрирования снимков, которое, наряду с измерениями, представляет собой основной метод извлечения информации со снимков. Свойства объектов, непосредственное отображаемые на снимках, принято называть прямыми дешифровочными признаками. К ним относятся три группы признаков: геометрические (форма, тень, размер), яркостные (фототон, уровень яркости, цвет, спектральный образ), структурные (линеаментный анализ).

Результаты исследований и их обсуждения.

В результате космоструктурного дешифрирования выявлены региональные структуры, линейные и дуговые разломы. В пределах Восточного сектора Бушвельдского комплекса установлены разломные структуры (сложнопостроенные линеаментные зоны), определяющие пространственное положение рифа Меренского.

Это связано с тем обстоятельством, что Бушвельдский лополит, который, судя по его морфологическим параметрам (протяженность с запада на восток 480 км и мощность около 9 км, соотношение длины и мощности 53:1), правильнее было бы назвать суперсиллом, совместно с трансваальской толщей заполнил компенсационную брахисинклиналь. Остаточный кислый расплав, проникший позднее по тем же каналам и, вероятно, из того же магматического центра, внедрился в кровлю раскристаллизованного норитового лополита, сформировав так называемый Бушвельдский красный гранит, который своей массой вызвал центробежно ориентированный стресс в периферических эндо- и экзоконтактовых зонах норитового лополита. В результате в этих зонах возникла система малоамплитудных разломов сколового кинематического типа, сопровождавшихся образованием радиальной трещиноватости. При этом по радиальным дизъюнктивам во многих местах были разорваны и смещены как хромититовый горизонт, так и риф Меренского, что фиксируется при анализе геофизических полей, а также и при интерпретации материалов космических съёмок [Миловский, 2016].

При дешифрировании многозональных космических снимков Landsat 7 ETM+ Восточного сектора Бушвельдского комплекса установлены многочисленные смещения платиноносного рифа Меренского по системе линейных разрывных нарушений северо-восточного простирания. Пространственное положение рифа Меренского определяют локальные линеаменты, которые отчетливо фиксируются по материалам многозональной космической съемки Landsat 7 ETM+ и при интерпретации геофизических полей. Путем анализа карты гравитационного поля установлено, что на исследуемой площади платинометальная минерализация сосредоточена в области значений гравитационного поля от 70 до 120 мГал (рис. 3). 

Изолинии гравитационного поля повторяют очертания восточного борта мульды Ранда, при этом локальные дуговые и кольцевые структуры характеризуются пониженными значениями гравитационного поля до 160 мГал. Также изучены возможности использования многозональной космической съемки Landsat 7 ETM+ для оценки яркостных характеристик для пород, вмещающих этот тип оруденения (таблица). Яркостные характеристики представляют собой значения DN (Digital Numbers) — исходные значения в каждом пикселе полученного снимка.

Значения DN безразмерны и пропорциональны количеству попадающего на сенсор излучения и характеризуют поток энергии (ватт) на квадратный метр земной поверхности на один стерадиан (трехмерный угол от точки на поверхности Земли к сенсору) на единицу измеряемой длины волны [Шовенгердт, 2010]. Пространственное разрешение каналов 1–5 и 7 составляет 30 м, канала 6 — 60 м, канала 8 — 15 м.

Показана возможность разбраковки пород норитового комплекса на основе материалов дистанционного зондирования Земли на площади Восточного сектора Бушвельдского комплекса (рис. 3). По геологической карте масштаба 1:1 000 000 с учетом данных космосъёмки были выбраны участки: 1 — Верхняя зона; 2 — Главная зона; 3, 4 — Критическая зона с прослоями хромититов и без них; 5 — Базальная зона. В результате оценки яркостных характеристик с помощью критериев Фишера и Стьюдента установлено, что наиболее информативен для разбраковки пород канал 2 (0,52–0,60 мкм, видимый). Все площади сравнивались попарно на основе статистических критериев с целью определения значимости различий яркости в диапазонах КС LANDSAT 7 ETM+. Все расчеты проводились с уровнем значимости α =0,01, что соответствует 99%-ной доверительной вероятности правомочности полученных выводов [Ишмухаметова, 2015]. F-критерий, основан на сравнении дисперсий:

В том случае, если вычисленное значение F-критерия не превышает табличное значение при уровне значимости α=0.01 (т.е. с вероятностью 99 %), проводилось сравнение средних значений двух выборок по t-критерию:

Если вычисленное значение t-критерия было больше табличного при уровне значимости α =0,01, различие двух выборок этого диапазона космической съемки оценивалось как значимое. Синтез спектральных диапазонов Landsat 7 ETM+ и особенности яркостных характеристик в отдельных диапазонах позволяют выявить совокупность пород норитового комплекса на фоне выше- и нижележащих пород, кроме того, проводить разбраковку пород норитового комплекса на Базальную, Критическую, Главную и Верхнюю зоны.

Данные, полученные на примере Восточного сектора Бушвельдского комплекса, открывают новые возможности для совершенствования методов прогнозирования и поисков платиноидно медно-никелевых месторождений. Они должны учитывать, что в строении рудообразующих систем большую роль играли не только мантийные очаги, но и крупные длительно развивающиеся разломные структуры (долгоживущие сложно построенные линеаментные зоны глубинного заложения), контролировавшие периодическое поступление из внутренних областей Земли

флюидов-теплоносителей и сопровождающих веществ, в том числе рудных компонентов [Gruenewaldt von, 1973]. Таким образом, использование многозональных снимков Landsat 7 ETM+ для геологических исследований позволило определить вещественный состав пород, геологические границы, в том числе создать структурно-тектоническую схему, реконструировать геологическое строение. Разработанная методика может быть использована при геологически исследования других малоизученных районов со сходными геоморфологическим и ландшафтно-климатическим условиями.

Выводы

1. Установлено, что на исследуемой площади платинометальная минерализация сосредоточена в области значений гравитационного поля от –70 до –120 мГал.

2. В пределах Восточного сектора Бушвельдского комплекса по данным космоструктурного дешифрирования возможно выделить пострудные разломные структуры (сложнопостроенные линеаментные зоны), которые часто определяют пространственное положение рифа Меренского.

3. Синтез спектральных диапазонов Landsat 7 ETM+ и особенности яркостных характеристик в отдельных диапазонах позволяют выявлять в Восточном секторе Бушвельдского массива совокупность пород норитового комплекса на фоне выше- и нижележащих пород и, кроме того, проводить расчленение пород норитового комплекса на Базальную, Критическую, Главную и Верхнюю зоны.

4. Для прогнозирования платинометального оруденения в новых перспективных районах целесообразно использование многозональной космической съемки Landsat 7 ETM+ и яркостных характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Геология и полезные ископаемые Африки. М.: Недра, 1973. 544 с.

2.     Ишмухаметова В.Т. Прогнозирование коренных месторождений алмазов на севере Сибирской платформы на основе дешифрирования материалов космической съемки: дис. канд. геол.-мин. наук : 25.00.11. / Ишмухаметова Венера Тальгатовна. – М., 2016

3.     Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. М.: Мир, 1988. 343 с.

4.     Лазаренков В. Г., Петров С. В., Таловина И. В. Месторождения платиновых металлов. М.: «Недра», 2002. С. 298.

5.     Магматические рудные месторождения. Ланкастр, США, 1969. Пер. с англ. / под ред. акад. В. И. Смирнова. М.: Недра, 1973. С. 208.

6.     Методическое руководство по составлению и подготовке к изданию листов Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:1 000 000 (третьего поколения). – СПб.: ВСЕГЕИ, 2009. 288 с. + графич. прил. 49 л. (Минприроды России, Роснедра, ФГУП «ВСЕГЕИ»).

7.     Миловский Г.А., В.Н.Орлянкин, В.Т.Ишмухаметова, Шемякина Е.М. Применение результатов дистанционного зондирования для выявления закономерностей локализации платинометального оруденения Западного Бушвельда. Исслед. Земли из космоса № 6, 2016, С. 21-34 с.

8.     Налдретт А. Дж. Магматические сульфидные месторождения медно-никелевых платинометальных руд. СПб.: СПбГУ, 2003. С. 487.

9.     Требования к опережающей геофизической основе Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1: 1000 000 третьего поколения (вторая редакция). – М.–СПб.: Роснедра, 2012. – 23 с. + 3 вкладки.

10. Уиллемз Дж. Геология Бушвельдского комплекса – крупнейшего вместилища магматических рудных месторождений мира // Магматические рудные месторождения: Пер. с англ. М.: Недра, 1973. С. 86–98.

11. Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. – М.:Техносфера, 2008.

12. Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. М.:Техносфера, 2010.

13. Du Toit Alex. L. The Geology of South Africa. Oliver and Boyd, London, 1954.

14. Geological Map of the Republics of South Africa, Transkei, Bophuthatswana, Venda and Ciskei, and the Kingdoms of Lesotho and Swaziland. Geological Survey of South Africa. Departament of Mineral and Energy Affairs. (Геологическая карта. Масштаб 1:1 000 000). 1984.

15. Von Gruenewaldt G. The mineral resources of the Bushveld Complex // Minerals Science and Engineering.1977. Vol. 9, N 2. P. 83–95.

16. Naldrett A. J. Magmatic Sulfide Deposits: Geology, Geochemistry and Exploration, Springer Verlaag, 2004. P. 728.

17. Cawthorn R. G. The role of magma mixing in the genesis of PGE mineralization in the Bushveld Complex. Thermodynamic calculations and new interpretations – a discussion // Economic Geology, 2002. Vol. 97. P. 663– 666.

18. Kinnaird J.A., Kruger F.J. Excursion Guide to the Bushveld Igneous Complex. Geoscience Africa, University of the Witwatersrand, 2004. P. 1-23.

19. Scoates J.S., Friedman R.M. Precise age of the platiniferous Merensky reef, Bushveld Complex, South Africa, by U-Pb zircon chemical abrasion ID-TIMS technique // Econ. Geol. 2008. V. 103. P. 465-471.

20. Zeh A., Ovtcharova M., Wilson A.H., Schaltegger U. The Bushveld Complex was emplaced and cooled in less than one million years – results of zirconology, and geotectonic implications // Earth Planet. Sci. Lett. 2015. V. 418. P. 103-114.