Hledat a lépe poznat ložiska nerostných surovin

Dobré tipy jsou nad zlato. V případě nerostných surovin to může být sofistikovaná kombinace regionálních magnetotelurických a seismických dat.

Současné snahy o lepší využití obnovitelných zdrojů energie a přechod ke klimaticky neutrální ekonomice kladou zvýšené nároky na identifikaci a charakterizaci ložisek nerostných surovin a jejich efektivnějšího využívání. Vznik, stavba a složení ložisek nerostných surovin zahrnuje řadu procesů pod povrchem Země, které probíhají na různých škálách (časových i prostorových). Ložiska surovin, která se často nacházejí v nejstarších částech pevninské zemské kůry – kratónech –, jsou sama o sobě pouze malou částí rozsáhlého minerálního systému. Zahrnují často hluboce uložené zdroje fluid, kovů a energie potřebné k hydrotermální cirkulaci. Další významnou roli hrají možné cesty toku fluid, mechanismy usazování zodpovědné za tvorbu vlastních ložisek a v neposlední řadě výrony fluid.

Stopy procesů odpovědných za obohacení kovy. 

Nahoře: jihoseverní vertikální řez elektrického odporu podél seismického profilu. Svislé bílé čáry představují rozhraní mezi třemi seismickými profily. Dole: Schéma zobrazuje, jak archaické magmatické a hydrotermální procesy (v období prahor, před 4 až 2,5 miliardy let) vytvořily elektricky vodivostní oblasti v jihovýchodní části kanadské geologické oblasti Superior Province, znázorněné na obrázku nahoře.

Levý panel dolního obrázku: Rozlomení nebo oddělení desky mělo za následek vyzdvižení a roztavení pláště (před asi 2,685 až 2,67 miliardy let). Ohřátí a roztavení obohaceného svrchního pláště způsobilo pohyb prvků a nerostných surovin směrem vzhůru. Seismická aktivita doprovázející horotvorné procesy (před asi 2,67 až 2,64 miliardy let) dále vyzdvihla tekutiny, které obsahují kovy, podél specifických cest do svrchní kůry. 

Pravý panel dolního obrázku: Současný pohled na archaické události, které jsou vyjádřeny zachovanými pevnými elektricky vodivými strukturami. Ochlazení a opětovná absorpce vody může způsobit usazení grafitu z tekutin s vysokým obsahem CO2 v rámci žilních struktur ve zlomech. Následkem je zvýšená elektrická vodivost. Proces ochuzování taveniny v nejsvrchnějším plášti vytvořil oblast, na které se odrážejí seismické vlny a která má vysoký elektrický odpor. Známky ochuzených a obohacených oblastí pláště a navzájem propojených elektricky vodivých struktur v kůře jsou ve stabilním kratónu dochovány do dnešního dne. 

Obrázek podle E. A. Roots et al., Gondwana Research, 2022, DOI:10.1016/j.gr.2021.12004

Dříve se snahy o pochopení těchto systémů soustředily na nalezení a vyhodnocení jednotlivých formací – potenciálních ložisek – pomocí technik, které zobrazují mělké struktury. Tyto mělké, kovy obohacené geologické struktury se značně podobají těm méně obohaceným. Rozdíly ve stupni obohacení mohou být například důsledkem rozdílného vývoje střední a spodní kůry, který upřednostňoval vyšší koncentraci kovů v hlubších vrstvách. Regionální geofyzikální modelování petrofyzikálních vlastností může identifikovat rysy ve středních a spodních vrstvách kůry, které naznačují ekonomicky využitelné oblasti obohacené o kovy (tj. podpovrchová ložiska nerostných surovin). Původní metody průzkumu tudíž potřebovaly zdokonalit tak, aby zahrnuly průzkum rozsáhlejších oblastí. To umožní identifikovat takové znaky podpovrchových ložisek kovů, které jsou dány strukturami a procesy ve větších hloubkách. Tyto hloubkové metody regionálního rozsahu zahrnují modely celých ložisek s cílem je charakterizovat v oblastech s podobnou povrchovou geologií. Současné projekty nikoli lokálního, ale velkého rozsahu, např. MetalEarth [1] a D-Rex [2], využívají doposud nedoceněné geofyzikální metody. Jednou z nich je magnetotelurika, která studuje elektrické proudy v Zemi vybuzené přirozenými změnami zemského magnetického pole.

Tyto velké 3D modely umožňují objasnit komplexní strukturu kůry a složitý tektonický vývoj. Tím můžou naznačit cesty přenosu fluid a geometrii ložisek jako celku. Výsledkem je zlepšená identifikace oblastí potenciálně obohacených o kovy. Tvorba regionálních modelů je založena na sběru geofyzikálních dat v třech rozměrech, která jsou citlivá na různé fyzikální vlastnosti. Navíc tato data zahrnují hloubky od zdrojových oblastí ve svrchním plášti až po podpovrchová ložiska nerostných surovin. Integrace takto různorodých datových souborů je složitá a vyžaduje zdokonalení existujících metod jejich zpracování, tzv. 3D inverzních metod, s využitím umělé inteligence a víceparametrické analýzy.

Magmatické a hydrotermální procesy jsou běžně považovány za hlavní hybatele vývoje kratónů a jsou odpovědné za stabilizaci mělkých zdrojů nerostných surovin. Nicméně v podmínkách starých kratónů je velmi obtížné rozpoznat známky dávného výskytu těchto procesů na základě geofyzikálních dat, která odrážejí jejich současný stav. Ví se, že stoupající magmatická metamorfická fluida využívají oblasti porušené kůry, známé jako křehce duktilní zlomové systémy. Tzv. oportunistická migrace kapalin a s nimi spojených plynů může mít za následek významný (větší než 100 km) laterální (boční) tok ve svrchním plášti a spodní kůře. Ten může být důležitější než jejich přenos směrem vzhůru do svrchní kůry podél hranic kratónů nebo batolitů (intruzivních magmatických těles plutonických hornin) nebo přes strukturálně porušené oblasti kůry. Navíc může krátce trvající pohyb fluid bohatých na kovy v omezených oblastech způsobit výrazné podpovrchové obohacení kovy. Stavba kůry představuje zřejmě primární faktor lokace struktur obohacených kovy; nicméně přesný mechanismus není jasný. Proto je pochopení vlivu magmatických a hydrotermálních procesů na elektrickou vodivost starých geologických struktur podstatné pro porozumění vývoji těchto formací i mechanismů přenosu hmoty mezi rezervoáry v plášti a mělkými ložisky nerostných surovin. Nedávný regionální geofyzikální průzkum v Kanadě, který studoval procesy odpovědné za obohacení kovy a tektonický vývoj pásu zelených břidlic Abitibi Greenstone (viz obr. 1), ukázal na přednosti tohoto velkorozměrného přístupu.

Schéma magnetotelurického měření – dva elektrické dipóly Ex a Ey registrují elektrické složky, tři magnetické cívky Hx, Hy a Hz zaznamenávají magnetické pole. Uprostřed bývá kovová skřínka se záznamníkem dat a s baterií. Zdroj: www.ig.cas.cz/vyzkum-a-vyuka/oddeleni/geomagnetika/magnetotelurika

Tento a podobné pásy v kanadské geologické oblasti Superior Province patří k nejlépe dochovaným a umožňují určit vliv gelogických a tektonických procesů na umístění tavenin a fluid bohatých na kovy v rámci kůry. Kombinace 3D magnetotelurického modelování a seismické reflexní metody napříč pásem Abitibi Greenstone odhaluje detaily kůrových magmatických a hydrotermálních systémů (obr. 1). Téměř svisle orientované oblasti s nízkým elektrickým odporem uvnitř svrchních 15 km s vysokým odporem jsou v souladu s výsledky reflexní seismiky. Tyto oblasti lze interpretovat jako rozsáhlé křehce duktilní zlomové zóny, které představují dávné cesty přenosu tavenin a tekutin. V hloubce 20–28 km jsou tyto kanály propojeny s oblastmi nízkého odporu, které sahají 50–80 km od severu k jihu a 20–40 km od východu na západ. Ve spodních vrstvách kůry a svrchních vrstvách pláště pak dominuje na východ protáhlá oblast s nízkým odporem. Oblast orientovaná z východu na západ leží pod povrchovými projevy výrazných deformací, které jsou značně obohacené zlatem. Většina struktur s nízkým odporem zřejmě představuje navzájem propojené oblasti s vysokým obsahem grafitu a sulfidů. Ty vymezují zbytkové zdrojové oblasti a cesty přenosu v kůře, obohacené v důsledku toku fluid. Kombinace regionálních magnetotelurických a seismických dat byla použita k sestrojení 3D modelu v měřítku zemské kůry, který objasňuje přenos hmoty a metalogenních procesů, kontrolovaných horotvorným vrásněním. Tyto procesy vyústily ve vznik jedněch z největších známých ložisek zlata. 

Text vychází s finanční podporou Geofyzikálního ústavu AV ČR.