Как работают современные геологи

C XIX века девизом геологов всего мира стало латинское «Mente et malle», что означает «Умом и молотком». С тех пор на вооружении геологов появилось множество других инструментов. $CUT$ В 1944 году Иван Ефремов написал рассказ «Алмазная труба», герои которого, основываясь на сходстве геологического строения Средне-Сибирского и Южно-Африканского плоскогорий, ищут в Якутии месторождения алмазов: «Там и здесь на поверхность прорвались колоссальные извержения тяжелых глубинных пород. … Эти взрывы пробили в толще пород множество узких труб, являющихся месторождением алмазов. На пространстве от Капа до Конго известны сотни таких труб, и, несомненно, огромное их количество еще скрыто под песками пустыни Калахари. … В Советском Союзе не обнаружено до сих пор сколько-нибудь значительных месторождений, и если нам удастся отыскать подобные трубы, сами понимаете, как это важно! Здесь все удивительно сходно, кроме алмазов, с Южной Африкой — и платина, и железо, и никель, и хром; на этом Средне-Сибирском плоскогорье один и тот же тип минерализации». Тяжелым взглядом Гравитационная разведка, позволяющая отслеживать аномалии силы тяжести, свидетельствующие о наличии в глубине пород с различной плотностью, — один из важных геофизических методов. Породы, насыщенные нефтью и газом, имеют низкую плотность, а металлические руды — наоборот, высокую. Три года назад Европейское космическое агентство запустило спутник GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer), который составил самую точную карту гравитационного поля Земли. Правда, спутник не ищет полезные ископаемые, а лишь уточняет имеющиеся фундаментальные модели нашей планеты. Прогноз Ефремова вскоре оправдался: в 1954 году в СССР была обнаружена первая алмазная трубка, а через два года началась промышленная разработка трубки «Мир». И не просто оправдался, но оказался точным даже в самых мелких деталях: алмазы обнаружили именно там, где было указано в рассказе, и именно таким методом. Впрочем, в этом нет ничего удивительного: Иван Ефремов закончил в свое время Ленинградский горный институт и был не только писателем, но также известным геологом и палеонтологом (справедливости ради стоит заметить, что он был не первым ученым, сделавшим подобный прогноз: в 1930-х годах этим вопросом занимались такие известные геологи, как В.И. Вернадский и В.С. Соболев). Один из самых распространенных геофизических методов — сейсморазведка, основанная на зависимости скорости упругих волн от плотности среды. В качестве источника волн чаще всего применяют маломощные взрывы. Отслеживая с помощью сейсмодатчиков запаздывание отраженных волн, можно с помощью компьютера довольно точно восстановить строение местности. Магнитные методы позволяют оценить разницу в магнитных свойствах пород, а иногда могут напрямую свидетельствовать о наличии, скажем, железной руды — магнетита. Электрические методы позволяют измерять поляризацию пород, пьезоэлектрический эффект или электрическое сопротивление. Радиометрические методы позволяют очень быстро проводить анализ на содержание конкретных элементов за счет измерения рассеяния или флуоресценции пород при облучении рентгеновским, гамма или нейтронным излучением. По аналогии «Метод, описанный Иваном Ефремовым, и сейчас остается основным способом прогнозирования в геологоразведке, — говорит профессор кафедры методики поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Российского государственного геологоразведочного университета (РГГРУ) Олег Иванович Гуськов. — Существуют различные модели, которые описывают определенные тектонические процессы, приводящие к образованию месторождений полезных ископаемых. И первым шагом в геологоразведке является установление корреляции между геологическим строением и уже известными месторождениями. Так сказать, по аналогии: если геологическое строение двух разных мест очень похоже, это может означать, что там могут быть сходные полезные ископаемые. Поэтому все начинается с геологического картирования, которое помогает ответить на вопрос, где именно нужно искать». Схема образования кимберлитовой трубки. Кимберлитовые трубки образовались в древние времени при взрывном извержении вулканов — прорыва газов и магмы с большой глубины сквозь кору. За прошедшее время наземная часть этих вулканов разрушена эрозией. Застывшая магма в видела расширяющейся к верхней части трубы содержит большое количество алмазов, которые образовались в недрах Земли при высоких температурах и давлении. Составление карты, которая характеризует геологическое строение местности, — задача сложная, трудоемкая и дорогостоящая. Она требует не только геодезической съемки, но и использования различных методов, позволяющих заглянуть под поверхность Земли на достаточно большую глубину. Во времена СССР планировалось обеспечить сплошное геологическое картирование страны в масштабе 1:200 000 к середине 1990-х, но реализовать эти планы не удалось. Сейчас, по словам профессора Гуськова, геологическая карта России похожа на сыр с дырками: примерно 15% территории все еще занимают «белые пятна» — особенно в районе южнее Таймыра и на стыке Чукотки с Якутией. Кимберлитовая трубка «Мир» в Якутии — одна из крупнейших в мире. Карьер имеет глубину 525 м и диаметр 1200 м. О масштабе позволяют судить уступы на стене, которые являются дорогой для карьерных самосвалов. Восстановить историю На геологической карте магматические породы изображаются различными цветами в зависимости от состава, а осадочные — в зависимости от возраста. Измерение абсолютного возраста пород с помощью радиодатирования — способ достаточно дорогой, поэтому для первоначальной оценки можно использовать более простые палеонтологические методы (то есть датирование ископаемых окаменелостей). На карте, которая показывает строение нескольких «подземных этажей», отображают также различные тектонические особенности, нарушения и складки земной коры. «Такая карта дает возможность восстановить всю геологическую историю местности, — объясняет Олег Иванович, — и тем самым проследить процессы, которые приводят к появлению месторождений полезных ископаемых. Дальше проверяем предсказания, которые делают модели этих процессов, берем пробы на анализ. Причем повышенные концентрации нужных элементов вовсе не означают, что мы обнаружили месторождение: это вполне может оказаться ореол, то есть следы рудопроявления, рассыпанные по поверхности в результате эрозии. Устойчивые минералы часто встречаются в песке рек. Например, для поиска алмазов геологи используют такой метод: идя по следам сопутствующего минерала пиропа в речном песке, находят коренные алмазоносные породы (кимберлит). Ну а потом уже начинается оценка- месторождение это или просто отдельное рудопроявление, которых встречается в несколько сотен раз больше». В рамках масштабного эксперимента URSEIS'95 (Urals Reflection Seismic Experiment and Integrated Studies) было проведено сейсмическое зондирование Южного Урала, которое позволило уточнить его геологическую историю и строение. Урал образовался во времена палеозоя на стыке Восточно-Европейской платформы и Западно-Сибирской плиты, в то время эту территорию покрывало море. В каменноугольном периоде здесь образовалась цепь островов, а не дне образовались трещины, по которым к поверхностным осадочным слоям поднималась богатая металлами лава. Все это обуславливает богатство региона различными полезными ископаемыми. Неточные предсказания Впрочем, как и в любой другой науке, теоретические модели в геологии далеко не всегда дают верные предсказания. Например, в Южной Африке помимо алмазов разведаны и крупнейшие запасы урана в древних конгломератах. А вот в Якутии, несмотря на очень близкое сходство строения Средне-Сибирской и Южно-Африканской платформ, месторождений урана аналогичного типа обнаружить так и не удалось. Так что модели процессов еще предстоит уточнять. Магматические интрузии в горные породы могут быть весьма разнообразны по форме — кольцевые интрузии (дайки, субвулканы), пластовые (силлы), грибообразные (лакколиты). Справа показаны плутоны — всплывающие в окружающей породе пузыри магмы. Еще один характерный пример частично оправдывающихся предсказаний — крупные медно-никелевые месторождения в районе Норильска. «Геологическое строение в этом регионе изучено достаточно хорошо даже в крупном масштабе (1:50 000), — поясняет профессор Гуськов. — Известны и происходившие здесь процессы. При внедрении (интрузии) раскаленной магмы из глубин Земли в лежащие выше породы происходит ликвация: минералы, содержащие железо, медь и никель (пиротин, пентландит, халькопирит), обособляются в капельки в нижней части интрузии. Эти минералы также содержат значительное количество металлов платиновой группы — палладия и платины, на долю которых (по стоимости) приходится 55%. Очень похожие месторождения медно-никелевых руд, образованные интрузиями, обнаружены в районе Печенги на Кольском полуострове (Киевей, Вуручуайвенч). Отличия только водном: до недавних пор считалось, что платины там нет. А несколько лет назад геологи нашли платину, но не там, где ожидали: не в нижней части интрузии, как в Норильске, а на более высоких горизонтах, в малосульфидных платинометальных рудах. Существующие модели пока неспособны объяснить, почему при очень похожем геологическом строении, что свидетельствует о сходных процессах образования месторождений, в этих двух местах наблюдается такое расхождение». Специалисты широкого профиля Конечно, современные геофизические методы и методы дистанционного зондирования сильно облегчают работу геологоразведчиков. Однако в их задачу входит не только выяснить детали строения местности и обнаружить месторождение, но и дать предварительную экономическую оценку. А для этого нужны знания как собственно геологии, так и технологии процесса добычи и обогащения различных полезных ископаемых, горного дела, а также основ экономики. «И не только, — добавляет Олег Иванович. — Когда-то считалось, что геологам не нужна математика, а сейчас у нас есть спецкурс «Математические методы в геологии». Впрочем, девиз геологов актуален и сейчас — главным по‑прежнему остается ум. И молоток».