Апробация алгоритмизируемых структурно-периодических критериев при прогнозе эндогенных месторождений золота Енисейского кряжа и Прибайкалья (масштаб 1:2 500 000)

Мовчан Игорь Борисович,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геоэкологии,

Яковлева Александра Анатольевна,

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики.

Санкт-Петербургский государственный горный институт (Технический университет).

Геология и золоторудные участки региона работ

Территория региона имеет U-образную форму (рис. 1, а) и захватывает Енисейский кряж, Восточный Саян, Байкальскую складчатую систему, входящие в состав наиболее молодого, позднепротерозойского Байкальского геоблока фундамента Сибирской платформы. Енисейская складчато-надвиговая система располагается в заангарской области в форме кайнозойского горстового поднятия. В его строении выделяют до восьми структурных ярусов: от кристаллического архейского до местами сохранившихся серднеордовикско-девонского и верхнепалеозойско-нижнемезозойского [2]. Дизъюнктивные дислокации составлены разломами двух доминирующих направлений – северо-западного и северо-восточного, среди которых разломы северо-западного простирания относятся к рудоконтролирующим глубинным системам. В истории данной области выделяют многократные активизации палеозойского и среднемезозой-кайнозойского возрастов, определившие широкое развитие здесь вулкано-плутонических формаций. Комплексы Восточно-Саянской складчатой области дорифейского и рифейского возрастов испытали пликативные дислокации с образованием складок северо-западного простирания, группирующиеся в антиклинории Протеросаян и Хамар-Дабанский.

а)

б)

Рис. 1. Структурная позиция района работ.

а) Обобщенная тектоническая схема, где 1 – выходы на дневную поверхность пород кристаллического фундамента; 2 – границы региональных поднятий; 3 – Предверхоянский передовой прогиб; 4 – граница Сибирской платформы [2].

б) Контур района работ, внутри которого темными точками обозначены позиции золоторудных месторождений разного ранга.

Байкальская складчатая область продолжает горное обрамление Сибирской платформы на северо-восток от Восточно-Саянской складчатой области, располагаясь между Алданским щитом и оз.Байкал, и включает Патомское и Витимское нагорья. В пределах этой территории выделяются три структурно-фациальные зоны [3]: Верхневитимский внутренний пояс байкалид, их внешний Байкало-Ленский пояс, Предбайкальский краевой прогиб. Сложную структуру Верхневитимского пояса определяют развитые пликативные и дизъюнктивные дислокации преимущественно северо-восточного простирания, приобретающие на периферии пояса дугообразные формы. Байкало-Ленский пояс байкалид обладает формой дуги с малым радиусом кривизны: подобную конфигурацию в плане имеют и слагающие его антиклинории и синклинории. В пределах Патомского нагорья, отвечающего южной части Байкало-Ленского пояса, анти- и синформы сильно сжаты, опрокинуты и разорваны развитой системой дизъюнктивов, по которым реализованы надвиги. На периферии пояса эти формы наклонены в сторону внутренней части Сибирской платформы и осложнены чешуйчатыми надвигами. На севере Байкало-Ленского пояса пликативные дислокации линейно вытянуты и обладают относительно простым строением. Предбайкальский краевой прогиб состоит из двух разделенных Уринским поднятием впадин – Березовской и Ангаро-Ленской. В пределах Ангаро-Ленской впадины выделяют внутреннюю Приленскую складчатую зону и внешнюю зону структур литвинцевского типа. Первая характеризуется развитием линейных складок северо-восточного простирания, прослеживающихся на несколько десятков километров. Складки литвинцевского типа имеют форму прямолинейных антиклиналей протяженностью до 70 км вдоль их субмеридионального простирания и шириной не более пары километров. В условиях горизонтального залегания пластов ведущая роль в формировании данных складок принадлежит крупным разломам в фундаменте с высокоамплитудными смещениями по их плоскостям. Березовская впадина обладает резко ассиметричным строением: её внешнее крыло, расположенное на северо-западном склоне Алданского щита, осложнено пологими брахиантиклиналями и куполами с падением в крыльях в несколько градусов; внутреннее крыло впадины, примыкающее к Патомскому нагорью, смято в линейные складки с падением в крыльях до 70⁰. Уринское поднятие представляет собой антиклинорий северо-восточного простирания, состоящий из крупных коробчатых складок, разделенных пологими синклиналями.

В пределах рассматриваемых трех складчатых областей широко развиты рудные узлы, отдельные месторождения и рудопроявления золота (рис.1, б). Наиболее богатыми в этом смысле оказываются Енисейский кряж и Байкальская складчатая область. Коренные месторождения золота имеют вид кварцево-золотоносных жил, а также золотоносные коры выветривания и формируют своеобразные сгущения и пояса, пространственно коррелирующиеся с разломной и пликативной тектоникой. Этот эффект наиболее отчетливо наблюдается в относительно обнаженном и более изученном Забайкалье, где рудоконтролирующая роль приписывается, главным образом, разломам северо-западного простирания. Дизъюнктивы субширотного и северо-восточного простирания выражены мене четко, в их окрестности золотоносные жилы встречаются лишь в области пересечения данных дизъюнктивов с разломами северо-западного простирания. Приуроченность золотого оруденения к узлам пересечения региональных разломов подобных простираний свойственна для Предбайкалья и Восточного Саяна. Среди рудоконтролирующих разломов Енисейского кряжа особое внимание уделяется Мотыгинской и Приенисейской дизъюнктивным системам. При структурном распознавании образов нами использовались в качестве обучающих объектов как отдельные месторождения (рис.1, б), так и их сгущения (рис.2).

Структурное распознавание

Определим критериальную основу прогноза как трассирование соосных эквидистантных структур и будем в дальнейшем интерпретировать её результат в смысле выделения элементов преимущественно дизъюнктивной тектоники. Основным материалом для «трассирования» оказывается дистанционная аэро- или спектрозональная космическая съемка, тогда как результаты грави-магнитных, измерений закрывают всю площадь лишь на масштабных срезах 1:2 500 000 и 1:1 000 000. Успех прогноза определяется, с одной стороны, применением одного и того же критерия к полям, принципиально отличающимся как по физическим принципам измерения, так и по генезису. С другой стороны, как можно видеть из краткого геологического обзора, глубинные разломы детерминированного азимута простирания играют в рассматриваемом регионе рудоконтролирующую роль по отношению к эндогенным, в частности, золотоносным объектам, что допускает корректность применения структурных критериев распознавания.

На масштабном уровне 1:2 500 000 рассматриваются одновременно все три складчатые области, в пределах которых заданы космоснимки в 7 спектральных каналах, гравитационное поле в редукции Буге и аномальное разностное магнитное поле. В качестве эталонных объектов фигурируют разноранговые золоторудные месторождения, 14 рудных узлов, а также алгоритмически выделяемые области максимального сгущения месторождений. Наибольшая детальность при структурном прогнозе достигается в случае анализа космоснимков (КС), хотя сочетание в них эндо- и экзогенных эффектов существенно нивелирует эту положительную особенность. Обладая меньшей степенью дискретизации, КС в любой достаточно малой области, как минимум, на порядок превышающей шаг дискретизации по линейным размерам, допускают построение нескольких однонаправленных линеаментов. Для значимых территорий этот эффект может привести к визуализации неинформативных структурных решеток. В отсутствии эталонного объекта, при картировании и структурных реконструкциях, разбраковка линеаментных схем и подавление однонаправленных, дублирующих друг друга, структур является исключительно алгоритмическим вопросом. При наличии эталонных объектов разбраковка однонаправленных линеаментов осуществляется по эмпирическому критерию пространственной близости линеамента и объекта обучения. В результате пространственной увязки результатов линеаментого дешифрирования и эталонных объектов алгоритмическое решение не дает единого структурного каркаса, относительно равномерно закрывающего всю исследуемую территорию: дискретный характер пространственного размещения месторождений определяет существенно разрывный характер итогового линеаментного поля. Наиболее эффективным при пространственной увязке, оказывается линеаментное поле высокочастотной компоненты КС, отражающей пространственно регулярные структуры с шагом от нескольких до 100 км. Под «регулярными структурами» понимаем два класса картируемых объектов: периодические линеаментные решетки (рис. 2, а) и соосные периодически расположенные кольцевые структуры второго порядка (рис. 2, б). Периодические линеаментные решетки имеют вид косоугольных пространственно-регулярных структур, к узлам которых (дискордантным соотношениям наложенных структурных планов) тяготеют эталонные объекты или их группы. Комбинация в виде линеаментной решетки и связанного с ней семейства эталонных оруденений даёт образ соосной эквидистантной структуры, в пределах которой возможен первичный прогноз вдоль пространственной (линеаментной) оси размещения эталонов на основании критерия их пространственного шага. Относительно высокая степень достоверности такого прогноза достигается как с выделением перспективного объекта внутри пространственно регулярной группы областей эталонного оруденения, так и за пределами этой группы на расстоянии лишь одного пространственного периода (или шага) от крайнего эталонного объекта; данный шаг отмеряется строго вдоль отмеченной выше линеаментной оси. Под кольцевой структурой второго порядка понимается совокупность концентрических дуговых линеаментов, дающих обобщенный образ циркоидного объекта с диаметром порядка 50-75 км. Подобные структуры программно выделяются в окрестности отдельных эталонных объектов или групп, при этом в окрестности общего центра кривизны семейства дуговых линеаментов отдельной структуры располагается пересечение (область дискордантного соотношения) протяженных (спрямленных) линеаментных структур. Можно видеть (рис. 2, б), что, как и узлы в косоугольной линеаментной решетке, так и кольцевые структуры второго порядка, образуют соосные эквидистантные структуры, в пределах которых выделяются перспективные кольцевые (циркоидные) объекты по критерию пространственного шага (порядка 100 – 150 км).

Дешифрирование средне- и низкочастотной компонент поля оптической плотности КС применяется для регионального структурного прогноза. Здесь важными оказываются области увеличения пространственной плотности в облаке эталонных объектов, с оконтуриванием этих областей в скользящем окне на основании элементарного подсчета числа эталонных объектов, приходящихся на единицу площади.

Рис. 2. Прогнозные построения в масштабе 1:2 500 000.

а) линеаментное группирование на основании высокочастотной компоненты КС; б) то же, но на основании кольцевых структур 2-го порядка; в) группирование пучностей эталонных месторождений (1 – линеаменты по низкочастотной компоненты КС, 2 – эталонные объекты, 3 – их пучности, 4 – прогнозные области); г) выделение перспективных кольцевых структур 1-го порядка по среднечастотной компоненте КС (1 – линеаменты, 2 – эталонные объекты, 3 – перспективные кольцевые структуры); д) структурный прогноз по магнитному полю (3 – перспективные области); е) структурный прогноз по гравитационному полю; ж) набор эталонных объектов для распознавания с обучением; з) прогнозные ореолы (пояснения в тексте).

Как отдельные месторождения, так и пучности эталонных объектов, привязаны к детерминированным линеаментным осям и разбиваются на локальные группы со своим пространственным периодом и своим простиранием (для пучностей эталонных объектов шаг составил от 150 до 300 км с северо-западным, субширотным и северо-восточным простиранием осей; рис. 2, в). Как можно видеть из рис. 2, г тезис о формировании соосных эквидистантных структур также справедлив по отношению не только к кольцевым структурам второго, но и первого порядка (радиус 100–150 км, средний шаг около 300 км, северо-восточное и северо-западное простирание осей).

Феноменология периодичности на разных уровнях генерализации обосновывается физически в рамках разработанной Петровым О.В. концепции диссипативного спонтанного структурирования Земли как неравновесной в плотностном отношении распределенной системы с развитием в объеме последней стоячих внутренних гравитационных волн [1]. Согласно этой концепции, в геологическом разрезе, как и в вертикальном разрезе ограниченной лабораторной гидродинамической системы, имеет место дискретное изменение с глубиной длины внутренних гравитационных[1] волн, что определяет стратификацию разреза. Действительно, согласно временным сейсмическим разрезам, на разных глубинных уровнях в семействе син- и антиформ поверхностей напластования наблюдается средний пространственный шаг, нелинейно увеличивающийся по мере удаления от дневной поверхности [4]. Конформная взаимосвязь локальных и региональных форм дневного рельефа с син- и антиформами разноглубинных поверхностей напластования, определяемая в геофизике как многоуровенность изостатической компенсации, обусловливает проявление пространственной периодичности в семействе геоморфологических структур любого порядка. Таким образом, как и в случае структурного прогноза по высокочастотной компоненте поля оптической плотности, так и средне- и низкочастотной его компонент, оперируем одним и тем же критерием пространственного периода, отсчитываемого вдоль линеаментной оси внутри группы пучностей эталонных объектов и за ее пределами.

Аналогичная схема анализа реализована применительно к гравитационному полю в редукции Буге  и аномальному разностному магнитному полю . Сравнивая рис.2, «д» и «е» с рис. 2, «г», можно видеть структурное подобие между геофизическими линеаментными схемами и схемами, построенными на основе КС: достаточно уверено отбивается юг Саяно-Енисейской синеклизы, шовная зона на границе Енисейского кряжа и Восточного Саяна, Баргузино-Витимский и Бодайбинский синклинории, главные разломы, зоны надвигов и флексур. В случае гравитационного поля, обладающего низкочастотным энергетическим спектром Фурье, линеаментный структурный каркас привязан к группам эталонных объектов. Более широкополосное магнитное поле даёт линеаментную схему, дискордантные участки в которой тяготеют как к указанным группам, так и к отдельным эталонным объектам (золоторудным месторождениям разного ранга). В обоих случаях алгоритмически выделяется косоугольная линеаментная решетка, к узлам которой (дискордантным участкам) тяготеют эталонные объекты и их группы; пространственный шаг решетки варьирует от 40 до 50 км в случае  (рис. 5, б) и от 50 до 75 км – для  (рис. 5, а). Независимо по обоим полям трассируются контуры кольцевых структур первого порядка (рис. 5, «в» и «г»), разделяющиеся на две группы: рудоконтролирующие (включают группы эталонных объектов) и перспективные (входят в состав отдельной сосной эквидистантной структуры, т.е. отстоят от отдельной рудоконтролирующей кольцевой структуры на расстояние, равное определенному пространственному периоду – для обоих полей порядка 150–200 км).

В заключение выполнено распознавание образов с обучением по 14 рудным узлам (рис. 2, ж), в котором в качестве исходных признаков фигурировали 7 спектральных каналов космосъемки, гравитационное и магнитное поле. С целью более полного структурного описания грави-магнитные поля пересчитаны в поля горизонтального градиента и азимута простирания изолиний. Статистический эксперимент показал, что имеет место подобие среди эталонных выборок: для Кузеевского и Верхненашиминского рудных узлов (РУ); Чибижекского, Кедровско-Ирокиндинского и Нерундо-Мукодекского РУ; Ямбуйского и Тройцкого РУ; Уряхского и Ченчинского РУ. Таким образом, нами рассматривались 9 формально независимых эталонных выборок, по каждой из которых процедура распознавания выполнялась отдельно. В рамках отдельно взятой процедуры распознавания ключевой выступает проблема структурирования самой эталонной выборки: условность контуров эталонного объекта и отсутствие закономерных пространственных соотношений этих контуров со структурными особенностями отдельных полей заставляют выделять в эталонной выборке области локальных корреляций. Последние графически имеют форму сгущений в облаке экспериментальных точек признакового пространства и оконтуриваются гладкими поверхностями, которые в локальных трехмерных подпространствах исходного многомерного признакового пространства формально задаются в виде поверхностей эллипсоида вращения. Согласно классическому правилу факторного анализа, на одно сгущение облака экспериментальных точек признакового пространства приходится 3–4 исходных признака; в нашем случае 13-мерного признакового пространства каждая из 9 эталонных выборок в среднем разбивалась на 4 области локальной корреляции, что отражает неоднородность этих выборок. В таких условиях применение линейных дискриминантных[2] функций некорректно: вместо них апробирован элементарный критерий сортировки произвольной выборки, согласно которому попадание отдельной экспериментальной точки внутрь эллипсоида вращения, ограничивающего отдельную область локальной корреляции в многомерной эталонной выборке, относит данную экспериментальную точку к объекту перспективному. Все остальные экспериментальные точки, лежащие вне объема указанных выше эллипсоидов вращения, относятся к объектам неперспективным.

Рис. 3. Обобщение материалов первичного прогноза в масштабе 1:2 500 000.

1 – контур эталонного рудного узла; 2 – область корреляции структурного и статистического прогноза по гравитационному полю; 3 – то-же, что и 2, но для магнитного поля; 4 – перекрытие выделенных по гравитационному и магнитному полям перспективных площадей; 5 – области совпадения перспективных кольцевых структур 1-го порядка, выделенных по КС, с геофизическим прогнозом (рис.2, ж); 6 – совпадение перспективных точечных объектов, выделенных по КС с геофизическим прогнозом; 7 – перспективная кольцевая структура 2-го порядка, совпадающая с геофизическим прогнозом.

Такой подход в нашем случае приводит к выделению набора пространственных ореолов девяти типов (по количеству независимых эталонных выборок, рис. 2, з).

На выходе структурного и модифицированного распознавания образов с обучением имеем набор пространственных позиций и контуров перспективных объектов. Учитывая формальную уязвимость каждого из методов прогноза, например, с точки зрения выбора исходных признаков, перспективный объект следует локализовать по сочетанию прогнозных показателей, полученных разными способами. Иными словами, области пространственного совпадения перспективных объектов, выделенных разными методами по одному и тому же признаку или одним и тем же методом по разным признакам, надо рассматривать как области первоочередной заверки более детальными геолого-геофизическими работами. В пределах Енисейского кряжа, Восточного Саяна и Байкальской складчатой области выделяется порядка 12 таких областей пространственного совпадения (рис. 3). Если ставить перед собой задачу разбраковывать и эти области, то, как показывает опыт, необходимо обращать внимание на количество пространственно совпадающих прогнозных показателей: чем их больше, тем перспективнее область.

Литература

1.                  Петров О.В. Диссипативные структуры Земли как проявление фундаментальных волновых свойств материи. – СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ. – 2007. – 304 с.

2.                  Лазько Е.М. Региональная геология СССР. т. 2. Азиатская часть. – М.: Изд-во «Недра». – 1975. – 464 с.

3.                  Геология и полезные ископаемые России / Гл. ред. В.П. Орлов. т. 3. Восточная Сибирь. Ред. Н.С. Малич. – СПб.: ВСЕГЕИ. – 2002. – 396 с.

4.                  Петров О.В., Мовчан И.Б., Яковлева А.А. Интерпретация гравитационного поля вдоль профиля АР-I на основе волновых аналогий с неустойчивыми в плотностном отношении средами // Региональная геология и металлогения. – №28. – 2006. – с. 93-102.

Поступила в редакцию 21.03.2011 г.