СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗОНЫ НАХОЖДЕНИЯ "ЯЗЫКА" ДИАПИРА МАНТИЙНОГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 2006 года по МПК G01V9/00 G01V11/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной добыче руд, в частности металлосодержащих залежей, в том числе самородных металлов. Настоящее изобретение касается способа выявления зоны нахождения "языка" диапира мантийного вещества, насыщенного самородными металлами.

На нашей планете существуют зоны рифтогенеза. Эти зоны располагаются в океанах (срединные океанические хребты, Исландия), на континентах (Байкальская, Африканская, реки Иордан-Мертвого моря, Суэцкая, на западе Канады и США).

Все рифтовые зоны подперты снизу диапирами (выступами) аномальной мантии. Диапиры доходят до глубин порядка 35 км под континентами и на расстояние порядка 1,5 км от дна рифтовых долин в океанах. Диапиры, в сопоставлении с нормальной мантией, характеризуются пониженными плотностью и скоростями сейсмических волн.

В некоторых местах диапиры с 35-километровой глубины "языками" проникают в вышележащие породы до глубин порядка 3-10 км. "Языки", отходящие от диапиров, обладают аномальной электропроводностью (в 10⁵-10⁶ выше электропроводности силикатных пород) и представлены интерметаллическими соединениями (силицидами) и сплавами на основе Si, Mg, Fe (кремния, магния и железа).

Достижение "языков" любыми современными методами (бурением, подземными выработками, открытым способом) позволит добывать самородные металлы. Традиционно металлы получают из соединений (окислов, сульфидов и др.), затрачивая при этом большое количество энергии, необходимой для разрыва химических связей.

Существенным в данном случае является определение места добычи, то есть выявление места нахождения "языка" диапира, содержащего силициды и сплавы. Это место можно определить, исходя из учета проявляющихся свойств, присущих "языкам" диапира мантийного вещества.

Известен способ нахождения зон в земной коре, обладающих повышенной электропроводностью (метод магнитотеллурического зондирования). Пример: "DEEP REGIONAL RESISTIVITY STRUCTURE ACROSS THE BATTLE MOUNTAIN-EUREKA AND CARLIN TRENDS, NORTH-CENTRAL NEVADA" By Brian D.Rodriguez and Jackie M.Williams, Open-File Report 01-346 on-line edition, 2001. Ознакомиться: http://pubs.usgs.gov/of/2001/ofr-01-0346/ofr-01-0346textonly.pdf

Недостаток данного способа выражен в том, что при интерпретации данных, полученных по этому способу, традиционно аномальная электропроводность связывается с присутствием зон графитизации и/или гидротермальных растворов, а не с наличием языков интерметаллических диапиров.

Известен способ нахождения блоков в земной коре, обладающих повышенными скоростями прохождения сейсмических волн (метод отраженных волн) Consortium for Continental Reflection Profiling (COCORP). Ознакомиться: http://www.geo.cornell.edu/geology/cocorp/COCORP.html.pipedream

Недостаток данного способа выражен в том, что при интерпретации данных, полученных по этому способу, высокоскоростные блоки не связываются с присутствием диапиров силицидов в верхних горизонтах земной коры.

Известны способы нахождения блоков в земной коре, характеризующихся локальностью и высокой интенсивностью магнитных аномалий и слабыми аномалиями поля силы тяжести (методы гравиметрии и магнитометрии). Пример: "Gravity and Magnetic Study of the Pahute Mesa and Oasis Valley Region, Nye County, Nevada" By Edward A.Mankinen, Thomas G.Hildenbrand, Gary L.Dixon, Edwin H.McKee, Christopher J.Fridrich, and Randell J.Laczniak. Open-File Report 99-303). Ознакомиться: http://geopubs.wr.usgs.gov/open-file/of99-303/

Недостаток данных способов выражен в том, что при интерпретации данных, полученных по этим способам, интенсивные магнитные аномалии не связываются с переходной зоной силицидов в силикаты в апикальных частях диапиров силицидов, а аномалии поля силы тяжести - с присутствием силицидов.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению достоверности замеров за счет использования признаков физического и химического взаимодействия силицидов с окружающей средой.

Достигаемый при этом технический результат заключается в сокращении сроков разведочных работ и повышении достоверности полученной информации.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе выявления зоны нахождения "языка" диапира мантийного вещества, заключающемся в том, что в зонах рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии, проводят геологические наблюдения и по наличию следов воздействия струй силанов на горные породы, и/или наличию изолированных хребтов, имеющих протяженность до 200 км при ширине до 20 км, и/или по следам взрывов силанов, и/или по наличию шлаковых конусов определяют место нахождения "языка" вещества мантии в земной коре, для определения силицидов на малой глубине в качестве физических параметров определения места нахождения "языка" вещества мантии в земной коре дополнительно определяют соответствие ³He/⁴Не из газов, отобранных в источниках порядка 10^-5.

Кроме того, для конкретизации достоверности полученного результата дополнительно устанавливают наличие высокой электропроводности на уровне полупроводниковой, локальность и интенсивность магнитных аномалий, аномалии поля силы тяжести и применяют сейсмические методы отраженных и преломленных волн. Причем глубину залегания силицидов определяют путем применения совокупности геофизических методов, например магнитотеллурическим зондированием (МТЗ) и сейсмическими методами отраженных и преломленных волн. Магнитотеллурическое зондирование покажет положение объекта с высокой электропроводностью, метод отраженных волн покажет границы высокоскоростного блока в верхних горизонтах коры, а метод преломленных волн покажет распределение скоростей внутри этого блока.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Фиг.1 - иллюстрация разреза с отображением участков с различной электропроводностью;

фиг.2 - иллюстрация гравиметрических и магнитометрических профилей;

фиг.3 - иллюстрация карты с параметрами теплового потока Земли;

фиг.4 - иллюстрация распределения скоростей сейсмических волн.

Настоящий способ основан на анализе и результатах практической работы, в результате которых доказано следующее.

Свойства, присущие "языкам" мантийного вещества:

1. Должны располагаться в пределах зоны рифтогенеза,

2. Должны обладать аномальной электропроводностью.

3. Должны быть представлены интерметаллическими соединениями (силицидами) и сплавами.

4. Должны при реакции с водой давать горячий водород.

5. Изотопия гелия. Вероятно отношение ³He/⁴Не порядка 10^-5 (т.е. "мантийное" отношение), для сравнения для коровых пород характерно ³He/⁴Не порядка 10^-8.

6. Возможны струи водорода.

7. Возможны струи силанов (например, SiH₄) или следы их воздействия на вмещающие породы.

8. Возможно наличие аномально низкого теплового потока, как в Тункинской впадине, находящейся в Байкальской зоне рифтогенеза или в Провинции Хребтов и Бассейнов на западе США. Связано это с невозможностью проникновения воды к апикальным частям "языков", причем в Байкальской зоне рифтогенеза причиной является, по-видимому, вечная мерзлота, а на западе США чрезвычайное малое выпадение атмосферных осадков (первые миллиметры в год). В тех зонах рифтогенеза, где вода может проникать до "языков" аномальной мантии, происходит реакция с выделением тепла и, как следствие, тепловой поток над зоной рифтогенеза будет повышенным.

Рекордной по глубине на настоящий момент является шахта Уэстерн дип Левелс (месторождение Витватерсранд, ЮАР), достигающая глубины 3800 м. Ограничением для шахт вглубь является высокая температура окружающих горных пород, так при градиенте порядка 25 град/км температура окружающих пород на 4-километровой глубине может достигать 100 градусов. При наличии аномально низкого теплового потока (см. выше в п.8) порядка 2 град/км (северное Забайкалье) повышение температуры не будет препятствовать углубке шахты.

Признаки присутствия силицидов на малой глубине.

1. Изотопия гелия, отношение ³He/⁴Не должно быть на уровне 10^-5. Мантия характеризуется вышеприведенным отношением. Поэтому диапиры мантии тоже должны отвечать ³He/⁴Не порядка 10^-5.

Изотопное соотношение гелия определяется по следующей методике:

- На изучаемой территории необходимо найти источники или водоемы, в которых есть пузырьки газа.

- Необходимо собрать эти пузырьки. Обычно используют воронку и стеклянную бутылку с резиновой пробкой.

- Проба маркируется и отправляется в специализированную лабораторию на анализ (например, на масс-спектрометрию).

- Лаборатория выдает результат в виде ³He/⁴Не.

Полученные результаты анализируются.

2. Аномально высокая электропроводность (полупроводниковая, не выше и не ниже). Обусловлена тем, что фазы Mg₂Si, FeSi и Si являются полупроводниками.

Электропроводность пород на глубинах до нескольких километров определяется методом магнитотеллурического зондирования (МТЗ). МТЗ производится геофизическими лабораториями, имеющими необходимый комплекс полевого и лабораторного оборудования. Для наших целей потребуется несколько профилей с интервалом в несколько километров (первые километры - десятки километров) друг от друга, с шагом точек (по профилю) в первые километры. Для повышения точности профили сближают между собой, а точки по профилю ставят чаще (например, через 400 м). Результаты МТЗ анализируются. Конечным результатом анализа являются разрезы, на которых отражены участки с различной электропроводностью (фиг.1).

3. Магнитные аномалии локальные, но очень интенсивные. Приурочены к переходной зоне (силициды → силикаты) в апикальной части "языка". Обусловлены появлением большого количества самородного железа (при силикатизации силицидов железо вступает в реакции последним и по этой причине может оставаться в самородном виде).

Для построения гравиметрических и магнитометрических профилей и карт используются гравиметры и магнитометры. Работы проводятся специализированными лабораториями и полевыми партиями, обладающими необходимыми навыками и оборудованием. Наблюдения проводятся по профилям с шагом, как правило, 100-200 метров. Шаг точек в профиле может варьироваться для увеличения или уменьшения детальности съемки. Расположение профилей на местности выбирается из геологической обстановки. Результаты исследования предоставляются в виде разрезов и карт (фиг.2).

4. Ареальный вулканизм с характерной особенностью "вчера излилось, сегодня все остыло, и никаких признаков гидротермальной деятельности". Вулканизм не поддерживается глубинным теплом и возникает только при контакте силицидов с близповерхностной водой, что вызывает разогрев, окисление силицидов до силикатов - возникновение базальтового расплава, излияние последних, залечивание трещин (по которым происходило излияние) и прекращение вулканической и гидротермальной деятельности. Такое наблюдение сделано автором в Тункинской впадине (Байкальская зона рифтогенеза) и в штате Айдахо (США).

5. Асейсмичность в тех регионах, где на небольшой глубине силициды (с остаточным, растворенным в них водородом) преобладают. Асейсмичность обусловлена тем, что с глубины примерно 10 км и ниже фазы Mg₂Si, FeSi и, возможно, Si будут обладать повышенной пластичностью. Пластичность наводороженных металлов под давлением впервые установлена автором (авторское свидетельство №1165525). Существуют карты сейсмичности. На этих картах показаны эпицентры и магнитуда землетрясений за период наблюдений. Нас интересуют (в областях современного рифтогенеза) зоны, где землетрясения редки и не отличаются высокой магнитудой.

6. Аномально низкие тепловые потоки несмотря на продолжающийся рост горного рельефа как в Тункинской впадине, находящейся в Байкальской зоне рифтогенеза, а также в Провинции Хребтов и Бассейнов на западе США. Связано это с невозможностью проникновения воды к апикальным частям "языков", причем в Байкальской зоне рифтогенеза причиной является, по-видимому, вечная мерзлота, а на западе США чрезвычайное малое выпадение атмосферных осадков (первые миллиметры в год). В тех зонах рифтогенеза, где вода может проникать до "языков" аномальной мантии, происходит реакция с выделением тепла и, как следствие, тепловой поток над зоной рифтогенеза будет повышенным (Исландия). Параметры теплового потока Земли вычисляются после замеров градиента температуры (например, в скважине) и теплопроводности пород (фиг.3). Как правило, этим занимаются специалисты по геотермальной энергии.

7. Возможно существование больших площадей взорванных базальтов в результате приповерхностных взрывов с кумулятивными воронками 10 метров глубиной и 20-30 м в диаметре (США, Айдахо, Снейк Ривер). Подобные структуры встречаются и в Байкальской зоне рифтогенеза. При взаимодействии с атмосферой силаны (Si_nH_m) взрываются с образованием воронок, хаотичного вывала и обугливания леса и свечения в атмосфере.

8. Странное распределение скоростей сейсмических волн: в верхней части диапиров до глубины примерно 12 км скорости высокие (от эффекта охрупчивания металлов от растворенного водорода), ниже они становятся ощутимо ниже (от эффекта пластичности). Там, где есть современные (сегодняшние) вулканиты, в самой верхней части диапира скорости понижены от разогрева при оплавлении (и нагреве) апикальной части диапира. Таким образом, сейсмотомография может достаточно точно определить глубину залегания силицидов.

Для выяснения скоростей прохождения сейсмических волн целесообразно применить комплекс сейсмических методов. Метод отраженных волн показывает границы искомого объекта, а метод преломленных волн - распределение в нем скоростей (сейсмических волн). Данный комплекс работ осуществляется специализированными геофизическими лабораториями и полевыми партиями, располагающими комплексом необходимого полевого и лабораторного оборудования. Наблюдения проводятся по профилям, методика выбирается после предварительного геолого-геофизического изучения. В общем случае, результатом исследований являются профили (фиг.4).

9. Признаки воздействия силанов (силаны не могут уходить далеко от диапиров силицидов):

- Темноцветные минералы, содержащие окислы железа, полностью съедаются (идут реакции типа - SiH₄+2FeO=SiO₂+2Fe+2H₂). В результате - дырявые валуны диоритов и гранодиоритов с пустотами от темноцветных, около пустот кварц и полевые штаты оплавлены, и в стекле можно различить чешуйки самородного железа.

- Дырки в лавах, в которых на двух - трех тонких "веревочках - нитях" подвешены обсосанные ксенолиты - кусочки роговой обманки и пироксенов. В дырках можно найти железные шарики, которые под воздействием атмосферной влаги быстро окисляются.

- "Надувные" подушки и толстые надувные матрасы, у которых внутри цвет сине-черный, а с наружи - красновато-коричневато-кремовый, как у хорошо пропеченного батона. Прыщи - микроскопические вулканчики. Именно "надувные" - шлаковые перетяжки внутри (по большей части разорванные). При реакциях типа: SiH₄+2FeO=SiO₂+2Fe+2H₂ - из одного моля газа силана получается два моля водорода, т.е. объем удваивается.

- Графитизация по мраморам. Результат реакции СаСО₃+Si_nH_m=CaSiO₃+С+Н₂ (+SiO₂ - за счет реакции силанов с водой и атмосферой). Если эта реакция идет не на поверхности, а под экраном (вышележащих пород), то углерод взаимодействует с водородом и образуются разнообразные углеводороды.

- Местные жители знают, что можно угореть от камней молодых базальтов, брошенных в костер (результат реакции не полностью окисленных петрогенных элементов с углекислым газом, к примеру SiO+CO₂=SiO₂+СО).

Геологический пример

США, Айдахо, Снейк Ривер.

Современными базальтами залита громадная территория. На местности возраст лав легко определяется по характеру растительности на них. Более ранние потоки уже имеют кое-где кармашки с почвой и соответственно траву и кустики. Однако сплошного растительного покрова нет. Более поздние потоки абсолютно лишены и почвы и растительного покрова. Выглядят так, как будто бы излились вчера и только-только успели остыть.

Часто на поверхности - структура перекрученных канатов. Внутри канатов, самых молодых, продушины с зубами (сталактито-сталагмитоподобными). Это те же "надувные" подушки. Иногда эти продушины до нескольких метров в поперечнике.

Обширные территории представлены ошлакованными лавами в виде хаотично набросанных кусков, глыб и блоков. Это остроугольные обломки и глыбы. Как будто кто-то взрыхлил излившиеся базальты мелкими взрывами. Наблюдаются воронки блюдцеобразной формы диаметром до 15-20 метров и глубиной до 5 м. Поверхность взрыхленных взрывами базальтов, как правило, на 1-2 метра выше поверхности ненарушенных лав, т.е. рыхление было на небольшую глубину. Вероятно это результат взаимодействия силанов с кислородом воздуха. Силаны взрывались при контакте с атмосферным кислородом. И эти взрывы, по всей вероятности, происходили или на поверхности или на очень небольшой глубине. Абсолютное отсутствие гидротермальной деятельности: нигде ничего не булькает и не парит.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как основано на использовании известного технического измерительного оборудования для производства замеров физического и химического характера.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при подземной добыче руд, в частности металлосодержащих залежей. Заявлен способ выявления зоны нахождения "языка" диапира мантийного вещества, заключающийся в том, что в зонах рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии, проводят геологические наблюдения и по наличию силицидов, о присутствии которых судят по наличию следов воздействия струй силанов на горные породы и/или следам взрывов силанов, определяют место нахождения "языка" диапира мантийного вещества в земной коре. Для определения силицидов на малой глубине в качестве физических параметров определения места нахождения "языка" диапира мантийного вещества в земной коре дополнительно определяют изотопное отношение ³He/⁴Не порядка 10^-5, устанавливают наличие высокой электропроводности на уровне полупроводниковой, локальность и интенсивность магнитных аномалий, аномалии поля силы тяжести, а глубину залегания силицидов определяют магнитотеллурическим зондированием и/или сейсмическими методами отраженных и преломленных волн. Технический результат: повышение достоверности получения информации. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ выявления зоны нахождения "языка" диапира мантийного вещества, заключающийся в том, что в зонах рифтогенеза, подпертых диапирами аномальной мантии, проводят геологические наблюдения и по наличию силицидов, о присутствии которых судят по наличию следов воздействия струй силанов на горные породы и/или следам взрывов силанов, определяют место нахождения выхода "языка" диапира мантийного вещества в земной коре, отличающийся тем, что для определения силицидов на малой глубине в качестве физических параметров определения места нахождения выхода "языка" диапира мантийного вещества в земной коре, дополнительно определяют изотопное отношение ³He/⁴Не порядка 10^-5, устанавливают наличие высокой электропроводности на уровне полупроводниковой, локальность и интенсивность магнитных аномалий, аномалии поля силы тяжести, а глубину залегания силицидов определяют магнитотеллурическим зондированием и/или сейсмическими методами отраженных и преломленных волн.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают наличие ареального вулканизма.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают следы приповерхностных взрывов силанов в виде кумулятивных воронок на взорванных базальтах.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают наличие низкой обводненности территорий.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают низкие температурные градиенты.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают наличие асейсмичности территорий.