Российские геолого-геофизические исследования по изучению гидротермальных рудных полей в осевой зоне Срединно-Атлантического хребта (САХ) проводятся с 1985 г. Начиная с 2012 г. они выполняются в выделенном России разведочном районе в рамках 15-летнего (2012–2027) контракта между Международным органом по морскому дну и Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации. Российский разведочный район (РРР) общей площадью 10 000 км² (100 блоков размером по 10 × 10 км сгруппированы в 7 разведочных кластеров от «А» до «G») расположен в северной приэкваториальной части САХ в интервале от 12°48' до 20°54' с.ш. (рис. 1). По состоянию на 2016 г., в результате многолетних экспедиционных исследований в РРР выявлено 18 рудных полей, 11 из которых объединены в 4 рудных узла [Бельтенев и др., 2013, 2015; Черкашев и др., 2013]. В соответствии с планом работ по разведке сульфидных руд, в рамках контракта предусматривается проведение разведочных работ в три этапа. Основной задачей первого этапа является выявление первоочередных перспективных районов для проведения более детальных разведочных работ.

Инженерно-геологические исследования являются составной частью контрактных обязательств Российской Федерации, выполняются в процессе геологоразведочных работ, сосредоточены в пределах выявленных рудных полей и направлены на комплексную оценку инженерно-геологических условий разведки и разработки потенциальных месторождений сульфидных руд.

На первом этапе разведочных работ (2012–2018) при инженерно-геологических исследованиях гидротермальных рудных полей основное внимание уделяется трем аспектам: 1) инженерно-геологическому районированию рудных полей на основе морфологической типизации рельефа дна и связанных с ним опасных геологических (гравитационных) процессов; 2) прогнозу развития опасных геологических (гравитационных) процессов на основе оценки сейсмической активности САХ; 3) изучению физико-механических свойств донных образований.

Общая структурно-геологическая характеристика Российского разведочного района

Сульфидная минерализация в Мировом океане в значительной степени связана со срединно-океаническими хребтами. В пределах РРР на САХ основная часть гидротермальных рудных полей приурочена к бортам рифтовой долины. Рудные поля характеризуются разнообразными геолого-структурными характеристиками [Черкашев и др., 2013]. Вмещающие сульфидные руды породы представлены эффузивными базальтами и плутоническими породами габбро-перидотитового комплекса, которые часто подвергнуты интенсивной гидротермальной проработке. Большая часть гидротермальных рудных полей РРР связана с глубинными основными и ультраосновными породами (габбро-перидотитами). В структуре дна они представлены выведенными на поверхность дна блоками океанической коры (внутренние океанические комплексы) [Силантьев и др., 2011; MacLeod et al., 2009]. Базальты, в свою очередь, формируют разнообразные подводные горные массивы (рифтовые гряды, вулканические постройки центрального типа и т. д.).

Важнейшим элементом инженерно-геологических условий рудных полей является их положение в морфоструктуре рифтовой долины, от чего зависит сложность рельефа дна и, соответственно, разнообразие связанных с ним гравитационных процессов. Вариации рельефа дна в значительной части определяют неоднородность инженерно-геологических условий разведки и разработки сульфидных рудных объектов.

Рельеф рифтовой долины САХ, с определенной долей условности, в зависимости от его морфометрии (учитывая, что Срединно-Атлантический хребет является морфоструктурой планетарного масштаба) подразделяется на следующие таксоны:

1) мегарельеф - собственно рифтовая долина; 2) макрорельеф - борта и днище долины, образованные вулканическими и вулкано-тектоническими хребтами, плато, отдельными вулканами, блоками ультраосновных пород - внутренними океаническими комплексами; 3) мезорельеф - поверхности и склоны на структурах макрорельефа: склоновые поверхности с широким диапазоном углов наклона - до 45°, горизонтальные и субгоризонтальные поверхности тектонических террас с уклоном до 5°, горизонтальные вершинные поверхности вулканических построек центрального типа; 4) микрорельеф - мелкие формы рельефа, осложняющие формы мезорельефа: выходы коренных эффузивных и глубинных пород в виде развалов; экзогенные отложения как результат гравитационных процессов - конусы оползания и обрушения; тектонические трещины и уступы (первые метры); вулканогенные террасы, сформированные лавовыми потоками незначительной мощности (высота склонов - первые метры, углы наклона площадок <5°); сульфидные постройки с трубными комплексами высотой до 7–10 м (до 40 м) и их развалы; сульфидные холмы высотой до 10 м (редко до 20 м); развалы массивных сульфидных руд и т.д. По результатам проведенных исследований отмечаются значительные вариации микроформ и их структуры, в связи с чем каждое рудное поле должно оцениваться индивидуально.

Методика исследований

Инженерно-геологическое районирование рудных полей. Методика инженерно-геологического районирования базируется на анализе: результатов многолучевой батиметрической съемки масштаба 1:200 000; сонограмм и геоакустических разрезов придонного геоакустического профилирования; данных придонного телепрофилирования. В качестве критерия специального типологического инженерно-геологического районирования рудных полей принят геоморфологический признак, учитывающий морфологические и морфометрические особенности поверхности дна (табл. 1) и связанные с ними проявления опасных геологических (гравитационных) процессов [Егоров, Добрецова, 2012; Cannat et al., 2013].

На схемах инженерно-геологического районирования рудных полей выделено три типа инженерно-геологических участков: I тип - с благоприятными условиями разведки и разработки сульфидных руд; II тип - с относительно благоприятными условиями разведки и разработки сульфидных руд; III тип - с неблагоприятными условиями разведки и разработки сульфидных руд [Kondratenko, Egorov, 2014].

Прогноз развития опасных геологических (гравитационных) процессов на основе оценки сейсмической активности САХ. Оценка сейсмической активности РРР приведена по данным мировой сети сейсмостанций за период 1964–1995 гг. [Болдырев, 1998]. Оценка микросейсмической активности северной части РРР выполнена с использованием материалов многолетней программы NOAA PMEL (1999–2003) [Smith et al., 2003] по регистрации эпицентров землетрясений и их мощности с использованием автономных гидрофонов, способных регистрировать низкочастотные акустические колебания в морской воде. На основании материалов программы NOAA/PMEL составлены схемы плотности распространения эпицентров землетрясений и интенсивности сейсмической активности.

Изучение физико-механических свойств донных образований. Изучение физико-механических свойств сульфидных руд и магматических пород выполнено в судовой и стационарной лабораториях. В судовой лаборатории НИС «Профессор Логачев» выполнены определения показателей физико-механических свойств донных осадков. Влажность всех донных образований определялась методом высушивания образцов до постоянной массы при температуре 105±2 °С и вычислялась как отношение массы выпаренной воды к массе высушенного образца. В полученные значения влажности вносилась поправка на минерализацию поровой воды (35‰). Плотность сульфидных руд и магматических пород определялась методом гидростатического взвешивания. Плотность грунта (донных осадков) определялась методом режущих колец на образцах ненарушенного сложения. Плотность донных образований рассчитывалась как отношение массы образца к его объему при естественной влажности. Испытания донных осадков на вращательный срез проводились в лабораторном приборе с электроприводом. Для определения прочностных параметров сульфидных руд и магматических пород использовался метод нагружения образцов произвольной формы сферическими инденторами [Методические…, 2001].

Инженерно-геологическое районирование рудных полей

Гидротермальные рудные поля, как правило, состоят из двух рудных тел и более, представленных рудными холмами, рудными постройками и продуктами их разрушения. Кроме того, в пределах рудных тел выделяются площади развития карбонатных и металлоносных осадков. Осадочный чехол прерывистый, мощность карбонатных осадков не превышает первые метры, металлоносные осадки мощностью 1–2 м встречаются вблизи рудных построек.

В северной части РРР инженерно-геологическое районирование выполнено в пределах рудных полей Юбилейное, Зенит-Виктория и Петербургское (см. рис. 1). Все три рудных объекта приурочены к склоновым поверхностям дна. Далее на примере рудного поля Юбилейное рассмотрим инженерно-геологические условия разведки и разработки этого рудного объекта.

Рудное поле Юбилейное расположено в привершинной части первой рифтовой гряды западного борта рифтовой долины, в интервале глубин 2310–2570 м. По данным геологического опробования и подводных теленаблюдений, оно включает два рудных тела (размеры первого - 420 × 260 м, размеры второго - 200 × 100 м). Рудные тела на поверхности дна представляют собой холмы высотой до 10 м и продукты их разрушения в виде развалов сульфидных руд. Контур рудного поля имеет северо-восточную ориентацию и остается открытым на юг и юго-запад. Площадь рудного поля составляет 1,42 км².

На схеме инженерно-геологического районирования рудного поля Юбилейное (рис. 2) выделены участки с благоприятными (А), относительно благоприятными (В) и неблагоприятными (С) инженерно-геологическими условиями разведки и разработки сульфидных руд.

Инженерно-геологические участки типа А (благоприятные) характеризуются горизонтальными и субгоризонтальными слабо- и нерасчлененными платообразными поверхностями дна. Уклоны поверхностей дна на них не превышают 5°. Они являются зоной преимущественно аккумуляции донных осадков, с отдельными выходами на донную поверхность коренных пород (базальтов). Участки первого типа (всего три участка) встречаются по всему району работ в виде вытянутых вдоль склона террас субмеридионального направления шириной от первых десятков метров до платообразных поверхностей с размерами, достигающими сотни метров.

Инженерно-геологические участки типа В (относительно благоприятные) занимают большую часть площади рудного поля (табл. 2). Они характеризуются слабо- и среднерасчлененными, интенсивно террасированными поверхностями дна. Максимальные размеры террас в пределах участков данного типа составляют: ширина - до 75–80 м, протяженность - до 500 м (центральная часть поля). Наибольшим распространением пользуются террасы шириной 30–40 м и протяженностью 150–200 м. Высота террас незначительная - первые метры. На площадках террас уклоны поверхности дна не превышают 5°. Склоны террас достигают 15°. При определенных условиях (сейсмической активизации) на таких поверхностях возможно развитие гравитационных процессов в виде оползания (сплывов) донных осадков. Эти участки являются зоной прерывистой аккумуляции с чередованием на поверхности дна донных осадков и выходов базальтов. Участки второго типа (всего два участка) располагаются в виде обширных площадей сложной конфигурации.

Инженерно-геологические участки типа С (неблагоприятные) отличаются сильно расчлененными, преимущественно склоновыми поверхностями дна с углами свыше 15° (макс. до 25°). На отдельных локальных участках развиты крупно-амплитудные скальные уступы. При сейсмической активизации высока вероятность развития гравитационных процессов в виде обвалов и осыпей. Эти участки являются зоной транзита донных осадков, что проявляется в преимущественном распространении на донной поверхности коренных пород (базальтов), частично припорошенных донными осадками. Участки этого типа (всего четыре участка) в основном приурочены к центральной и юго-восточной частям района работ. В центральной части - это линейно вытянутая склоновая поверхность (ширина - до 300 м), которая на юго-западе переходит в конусовидную подводную гору с относительным превышением около 100 м. На юго-востоке - это впадина сложной конфигурации.

Сейсмическая активность Российского разведочного района

Сейсмическая активность САХ является одним из факторов, определяющих интенсивность проявления опасных геологических (гравитационных) процессов в РРР. В северной части РРР, включающей рудные поля Юбилейное, Зенит-Виктория и Петербургское, параметры сейсмичности, по данным мировой сети сейсмостанций за период 1964–1995 гг. (табл. 3), характеризуются максимальными магнитудами в диапазоне 4,9–5,4 и частотой повторяемости одно событие в 1,5 года. Для РРР это является средним показателем сейсмической активности, при этом повышенная сейсмическая активность отмечается на юге РРР (в интервале 12–17° с.ш.), а пониженная - на широте 18° [Болдырев, 1998].

Результаты оценки сейсмической активности, полученные в пределах разведочного кластера «В» РРР на основе гидроакустического мониторинга [Smith et al., 2003] (рис. 3), свидетельствуют о неоднородности проявления сейсмической активности относительно изученных рудных объектов. Рудное поле Зенит-Виктория расположено в непосредственной близости от эпицентров сейсмической активности и зон с относительно высокими значениями интенсивности проявления акустического сигнала, что позволяет прогнозировать повышенный риск развития гравитационных процессов на рудном объекте при его разработке. Рудные поля Юбилейное и Петербургское располагаются в пассивных областях с точки зрения их удаленности от эпицентров и зон интенсивной сейсмической активности, что позволяет рассматривать их как рудные объекты, где, по сравнению с рудным полем Зенит-Виктория, риск проявления гравитационных процессов пониженный.

Сравнительный анализ инженерно-геологических условий рудных полей Юбилейное, Зенит-Виктория и Петербургское показывает, что рудные объекты, расположенные на склонах бортов рифтовой долины, отличаются значительной неоднородностью инженерно-геологических условий разведки и разработки сульфидных руд. В наиболее простых инженерно-геологических условиях расположено рудное поле Юбилейное, где площадь неблагоприятных участков не превышает 21% (см. табл. 2). В пределах рудных полей Петербургское и Зенит-Виктория неблагоприятные участки занимают 62 и 78% соответственно. На крутых склонах при сейсмической активизации на большей части этих двух рудных полей возможно развитие опасных геологических (гравитационных) процессов, вероятность проявления которых максимальна для рудного поля Зенит-Виктория. Надо полагать, что крутые склоны и высокая вероятность проявления на них гравитационных процессов будут создавать определенные трудности при разведке этих объектов и повлияют на перспективы их последующего освоения.

Физико-механические свойства донных образований

Донные образования, изученные в пределах рудного поля Юбилейное, представлены гидротермальными образованиями (массивными сульфидными рудами и корками), вмещающими их магматическими породами и донными осадками.

В пределах рудного поля сульфидные руды подняты на 10 станциях, 8 из которых выполнены в контуре рудного тела 1. Сульфидные руды представлены, как правило, минеральными ассоциациями. Минеральный состав сульфидных руд характеризуется большим разнообразием. Главные рудообразующие минералы - пирит, халькопирит и сфалерит. Сульфидная минерализация сопровождается присутствием нерудных минералов, среди которых преобладают кварц и опал.

Физические свойства сульфидных руд изменяются в широких пределах (табл. 4). Плотность сульфидных руд изменяется в диапазоне от 2,17 до 4,12 г/см³ при пористости 6–40%. Столь существенные вариации физических показателей сульфидных руд связаны главным образом с изменчивостью их минерального состава (соотношения рудных и нерудных минералов) и пористости. По мере увеличения в образцах содержания кварца и опала плотность сульфидных руд уменьшается. Влияние пористости на плотность сульфидных руд представлено на примере минеральных ассоциаций пирита с опалом и кварцем. С увеличением пористости, соответственно, уменьшается плотность сульфидных руд (рис. 4).

Высокая степень изменчивости характерна и для прочностных показателей сульфидных руд. В наиболее изученной и представительной пиритовой разновидности сульфидных руд предел прочности на сжатие изменяется от 13,6 до 198 МПа (см. табл. 4, рис. 5). При этом высокие значения прочности, как правило превышающие 100 МПа, характерны для минеральных ассоциаций пирита с кварцем и опалом с содержанием последних более 50% и минимальными значениями пористости 6–10%. Минимальные значения прочности сульфидных руд отмечаются в образцах, представленных халькопиритом и пиритом с сульфидами меди. Согласно общей инженерно-геологической классификации донных грунтов океанского дна [Инженерная…, 2004], массивные сульфидные руды - скальные-полускальные породы, преимущественно с высокой прочностью более 50 МПа (см. рис. 5).

Гидротермальные корковые образования изучены в пределах первого и второго рудных тел и представлены железистым, железисто-марганцевым, марганцево-железистым и железистым с пиритом типами (табл. 5). Корковые образования, в сравнении с сульфидными рудами, отличаются повышенной пористостью (53–85 %) и, соответственно, более низкими значениями плотности породы (1,34–2,10 г/см³). И только включения в корках рудных минералов (пирита) приводят к росту значений этого параметра до 2,66 г/см³. Изменчивость значений плотности корок зависит практически только от пористости последних.

Магматические породы рудного поля Юбилейное, вмещающие сульфидные руды, представлены афировыми и порфировыми базальтами. Плотность базальтов составляет 2,79–2,87 г/см³, при небольшой пористости - 5–8%. По классификации [Инженерная…, 2004], базальты - скальные породы высокой прочности, для которых характерны стабильно высокие значения прочности, как правило превышающие 100 МПа (см. табл. 4, рис. 5).

Коренные породы и рудные постройки перекрыты биогенными сильнокарбонатными (СаСО₃ ≥75%), карбонатными (50% ≤ СаСО₃ < 75%) и карбонатными (металлоносными Fe >10 %) осадками, которые занимают до 70–80% площади рудного поля. Мощность осадков в основном не превышает 0,5–1,5 м и только на отдельных участках достигает 5 м. Вблизи сульфидных построек, как правило, залегают карбонатные (металлоносные) осадки. Показатели физико-механических свойств донных осадков рудного поля Юбилейное характеризуются незначительной изменчивостью (табл. 6) как по разрезу (до 0,75 м), так и по латерали. Донные осадки, согласно классификации [Инженерная…, 2004], слабые и мягкие, с сопротивлением вращательному срезу от 2,8 до 8,4 кПа.

Выводы

1. Инженерно-геологическое районирование рудных полей Юбилейное (неблагоприятные участки - 21%), Зенит-Виктория (неблагоприятные участки - 78%) и Петербургское (неблагоприятные участки - 62%), расположенных в северной части РРР, показывает, что значительная часть их площадей находится на крутых склонах, превышающих 15°, с высокой вероятностью развития опасных геологических (гравитационных) процессов.

2. Сейсмическая активность САХ в пределах РРР (по данным мировой сети сейсмостанций) характеризуется максимальными магнитудами в диапазоне 4,8–5,8. Микросейсмическая активность в северной части РРР в разведочном кластере «В» характеризуется неоднородностью проявления относительно изученных рудных полей. Максимальная активность выявлена вблизи рудного поля Зенит-Виктория. Рудные поля Юбилейное и Петербургское расположены в пассивных областях с точки зрения их удаленности от эпицентров и зон интенсивной микросейсмической активности.

3. Донные образования в пределах рудных полей представлены: скальными и полускальными массивными сульфидными рудами преимущественно средней и высокой прочности (1,4–198,0 МПа); вмещающими сульфидные руды скальными породами - базальтами высокой прочности (93,4–154,1 МПа); слабыми и мягкими донными осадками (2,8–8,4 кПа), в большей части перекрывающими рудные постройки и коренные породы.

4. В целом изученные рудные поля РРР в значительной части локализованы в сложных инженерно-геологических условиях, на крутых склонах рифтовой долины САХ. К основным факторам, определяющим сложность инженерно-геологических условий разведки и разработки рудных полей сульфидных руд, относятся: крутые склоны свыше 15° и связанные с ними возможные проявления опасных гравитационных процессов; сейсмическая активность САХ, инициирующая развитие гравитационных процессов; разнообразие типов донных образований, от слабых донных осадков до скальных и полускальных сульфидных руд и вмещающих их пород.

5. Инженерно-геологические исследования, выполненные в северной части РРР, актуальны для оценки прогнозных ресурсов сульфидных руд, выявления первоочередных перспективных рудных объектов для проведения более детальных разведочных работ на втором этапе разведочной деятельности и проектирования добычных технологий.

Список литературы

Бельтенев В.Е., Наркевский Е.В, Добрецова И.Г. и др. Результаты 37-го рейса НИС «Профессор Логачев», САХ // Геология морей и океанов: Материалы XXI Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. II. М.: ГЕОС, 2015. С. 126–128.

Бельтенев В.Е., Рождественская И.И., Иванов В.Н., Бабаева С.Ф. Новые гидротермальные поля в пределах Российского разведочного района // Геология морей и океанов: Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. II. М.: ГЕОС, 2013. С. 148–150.

Болдырев С.А. Сейсмогеодинамика Срединно-Атлантического хребта. М.: Национальный геофизический комитет РФ, 1998. 126 с.

Егоров И.В., Добрецова И.Г. Новые методические аспекты поисков океанических сульфидных руд // Горный журнал. 2012. № 3. С. 18–22.

Инженерная геология рудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане / Я.В. Неизвестнов, А.В. Кондратенко, С.А. Козлов и др. // Труды ВНИИОкеангеология. Т. 197. СПб.: Наука, 2004. 281 с.

Методические рекомендации по технологии геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые в Мировом океане (железомарганцевые образования, глубоководные полиметаллические сульфиды, донные осадки). Книга 3. Контактные методы исследования. М., 2001. 136 с.

Силантьев С.А., Краснова Е.А., Каннат М. и др. Перидотит-габбро-трондьемитовая ассоциация пород Срединно-Атлантического хребта в районе 12°58'–14°45' с.ш.: гидротермальные поля Ашадзе и Логачев // Геохимия. 2011. № 4. С. 1–34.

Черкашёв Г.А., Иванов В.Н., Бельтенев В.Е. и др. Сульфидные руды северной приэкваториальной части Срединно-Атлантического хребта // Океанология. 2013. Т. 53. № 5. С. 680–693.

Cannat M., Mangency A., Ondreas H. et al. High-resolution bathymetry reveals contrasting landslide activity shaping the walls of the Mid-Atlantic Ridge axial valley // Geochem. Geophys. Geosyst. 2013. Vol. 14 (4). DOI: 10.1002/ggge.20056.

Kondratenko A.V., Egorov I.V. Engineering-geological zoning of hydrothermal ore fields on the Mid-Atlantic ridge // Minerals of the ocean-7 & Deep-sea minerals and mining-4. International conference 2–5 june, 2014. SPb.: VNIIOkeangeologia, 2014. P. 52–54.

MacLeod C.J., Searle R.C., Murton B.J. et al. Life cycle of oceanic core complexes // Earth Planet. Sci. Letters. 2009. Vol. 287. P. 333–344.

Smith D.K., Escartin J., Cannat M. et al. Spatial and temporal distribution of seismicity along the northern Mid-Atlantic Ridge (15°–35° N) // Journal of Geophysical Research. 2003. Vol. 108. N. b3, 2167. DOI: 10.1029/2002jb001964.

Ссылка на статью:

Кондратенко А.В., Егоров И.В., Иванов В.Н., Келль Д.Л. Инженерно-геологические исследования гидротермальных рудных полей Срединно-Атлантического хребта // 70 лет в Арктике, Антарктике и Мировом океане. Сборник научных трудов (под ред. В.Д. Каминского, Г.П. Аветисова, В.Л. Иванова). СПб.: ВНИИОкеангеология, 2018. С. 467-476.