Содержание к диссертации
Введение
1. Постмагматическое преобразование кимберлитов в естественных условиях и разработка комплекса методов для их экспресс-анализа 13
1.1. Особенности вторичной минерализации и ее влияние на формирование состава, петрофизических и петрохимических характеристик кимберлитов 13
1.2. Основные аналитические методы изучения алмазоносных пород 19
1.3. Метод анализа изображения как способ повышения информативности оптико-микроскопических исследований 24
1.4. Особенности измерения физических параметров пород, залегающих в условиях вечной мерзлоты 26
Выводы 28
2. Объекты исследований и их геологическое строение 30
2.1. Диатремы Накынского поля Якутии 30
2.2. Кимберлиты и родственные им щелочные ультраосновные породы Зимнего Берега. Архангельской алмазоносной провинции 34
2.3. Кимберлитовая трубка месторождения Южной Африки 42
Выводы 44
3. Комплексный анализ кимберлитов некоторых алмазоносных провинций 45
3.1. Последовательность изменения с глубиной состава и физических свойств кимберлитов трубки Нюрбинская. 45
3.2. Экспресс-анализ кимберлитов и родственных им щелочных ультраосновных пород Зимнего Берега 63
3.3. Влияние минерального состава на физические характеристики кимберлитов Южной Африки 74
3.4. Исследование динамики изменения минерального состава и петрофизических параметров в коре выветривания кимберлитов на примере трубки Ботуобинская 89
Выводы 101
4. Структурные особенности индикаторных минералов из состава кимберлитов 102
4.1. Типоморфные признаки рудных минералов из кимберлитов Якутии 102
4.2. Глинистые минералы из кимберлитов трубки Нюрбинская 111
4.3. Разновидности сапонита из кимберлитов Беломорья 115
4.4. Кристаллохимические аспекты преобразования слоистых силикатов в кимберлитах Анголы 118
Выводы 128
5. Разработка методических основ паспортизации кимберлитов 129
5.1 Паспортизация алмазоносных пород по физико-минералогическим характеристикам 131
Выводы 139
6. Некоторые направления практического использования результатов комплексного анализа кимберлитов 140
6.1. Ведение алмазопоисковых работ 142
6.2. Совершенствование технологии горного производства 143
6.2.1. Проектирование горных работ 143
6.2.2. Описание и моделирование массива кимберлитовых пород 147
6.3. Обогащение алмазоносного сырья 150
6.4 Утилизация отходов переработки кимберлитов и пород вскрыши 152
Выводы 154
Заключение 155
Список использованной литературы 157
Приложение 165
- Основные аналитические методы изучения алмазоносных пород
- Экспресс-анализ кимберлитов и родственных им щелочных ультраосновных пород Зимнего Берега
- Типоморфные признаки рудных минералов из кимберлитов Якутии
- Проектирование горных работ
Введение к работе
Актуальность исследований. Эффективность освоения коренных месторождений алмазов в значительной мере зависит от полноты и достоверности данных о составе и свойствах кимберлитов и строении самого рудного тела, определяемых условиями их формирования и положением в массиве горных пород. С новой остротой встает и ряд экологических проблем, связанных с увеличением объемов вскрышных пород и необходимостью организации хранилищ твердых и жидких отходов. При этом совершенствование и развитие лабораторно-аналитических методов изучения состава пород и минералов, измерения физических параметров пород становится приоритетным направлением, поскольку эти характеристики являются базовыми для определения свойств, как самих кимберлитов, так и вмещающих пород, в условиях влияния различных физических полей и флюидов, связанных с природными и техногенными воздействиями.
Интенсивное развитие вторичной минерализации отражает постмагматическую стадию изменения кимберлитов, однако указанный фактор в малой степени используется в качестве поисковых признаков кимберлитов и при решении проблем освоения месторождений. Процессы вторичного минералообразования существенно влияют на формирование типа структурных связей в минералах и горных породах и, как следствие, на их физические, механические и электрические свойства. Кроме того, прочностные свойства обломочных сцементированных пород, к которым относится большинство кимберлитов, также определяются количеством и составом вторичных минералов. Изучение пространственного размещения различных типов горных пород и изменения их физико-механических свойств приобретает важное значение для прогнозирования инженерно-геологических условий освоения месторождений и строительства карьеров. В этой связи в перечень параметров, которыми оперирует современная геомеханика, необходимо включать новые показатели, дающие возможность описывать поведение сложных многокомпонентных реологических и пластичных сред, какими являются кимберлитовые породы постмагматического этапа преобразования.
Необходимость выявления новых признаков кимберлитовых трубок и прогнозирования изменения состава и физических свойств пород с глубиной требует внедрения комплексного анализа алмазоносных пород (и не только их), нескольку только совокупность
| РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ .
БИБЛИОТЕКА і '
09 ^fmJt/Q J
нескольких аналитических методов позволяет провести всесторонний анализ минерального состава связующей массы кимберлитов с целью выяснения факторов их формирования и последующей эволюции.
Весьма актуально комплексное изучение высокоалмазоносных
трубок Якутской алмазоносной провинции (ЯАП) и интенсивно
измененных кимберлитовых пород в относительно недавно открытой
Архангельской алмазоносной провинции (ААП), включающей два
месторождения алмазов: им. М.В. Ломоносова и им. В. Гриба.
Сравнительная характеристика этих двух контрастных по геологическим
условиям отечественных месторождений с кимберлитами Африки
позволяет расширить представление о характере и степени вторичных
изменений кимберлитов различных алмазоносных провинций. К
сожалению, до настоящего времени проведено ограниченное количество
подобных исследований, хотя получаемые результаты имеют не только
научное, но и прикладное значение, прежде всего, для
совершенствования методик изучения свойств горных пород, а также контроля за состоянием их массивов. При разработке кимберлитовых трубок это помогает в определении мест локализации кимберлитов и установлении вертикальной зональности изменения состава и строения кимберлитовых пород по разрезу диатрем. Получаемые данные имеют большое значение для обоснования выбора технологии добычи и переработки алмазосодержащих руд.
До настоящего времени недостаточно проработаны вопросы связи состава кимберлитов с их физическими свойствами, решение которых позволило бы оперативно решать весьма важную задачу экспрессного выделения технологических типов руд на основе петрофизических параметров. Перевод разведочных и добычных работ в районы со сложными горно-геологическими условиями и широкого петрографического разнообразия горных пород показал, что необходимо расширять спектр научных исследований по определению новых индикационных признаков кимберлитов и выбору минералов-индикаторов для шлихо-минералогического метода поисков. В технологической цепочке горно-геологического комплекса по поиску и освоению алмазных месторождений все еще остается проблема стыковки геологических, минералогических, геофизических, горнотехнических данных и их интерпретации на базе компьютерной обработки аналитической информации.
Комплексные исследования минерального состава и
петрофизических свойств кимберлитов алмазных месторождений
позволили установить закономерности пространственной
изменчивости свойств горных пород по разрезу кимберлитовых трубок; выявить степень преобразования пород на различных стадиях гипергенеза; установить закономерности формирования их физических свойств при вторичном минералообразованиии; разработать методику физико-геологического описания алмазоносных горных пород. Внедрение таких исследований необходимо для проведения прогнозной оценки состава и физических свойств рудных массивов для выбора оптимальных технологий освоения алмазных месторождений.
Работа выполнена в ИПКОН РАН в 2002 - 2004 гг. по теме "Изучение взаимосвязи вещественного состава и физических свойств горных пород."
Цель работы - оценка влияния состава и структуры кимберлитов на их физические и технологические свойства.
Идея работы состоит в использовании в одном цикле исследований спектральных, оптических и петрофизических измерений ассоциаций вторичных минералов в основной массе кимберлитов и представления получаемых результатов в цифровом виде, позволяющем применение компьютерной обработки больших объемов данных.
Методы исследований
Для проведения исследований автором применен комплексный
подход к изучению минерального сырья, который предусматривает
сравнительный анализ совокупности результатов нескольких
аналитических методов. Определение состава кимберлитов проводилось
методами рентгенофазового анализа (РФА), инфракрасной (ИК) и
ядерной гамма-резонансной (ЯГР) спектроскопии. Основные
определяемые петрофизические параметры: плотность (а), эффективная
пористость (пэф), влагоемкость (W); магнитная восприимчивость (у),
удельное электрическое сопротивление, определяемое в постоянном
электрическом поле (р0), а также относительная диэлектрическая
проницаемость (є/є0) и коэффициент поглощения энергии радиоволн (к"),
измеренные в переменном электрическом поле на частоте 5 МГц. По
разрезам трубок проводилось измерение скорости распространения
продольных волн (Vp) в образцах, вырезанных перпендикулярно оси
керна, в условиях комнатной влажности. Изучение структурно-
текстурных особенностей и петрофафические исследования пород
проведены оптико-микроскопическим методом в сочетании с
автоматизированным анализом изображений. Элементный состав
образцов определялся методами аналитической химии и
рентгенфлуоресцентного анализа. Дополнительно использовались методы: электронной микроскопии, термографии и электронографии. Еще одним направлением комплексных исследований было изучение кристаллохимических и структурных особенностей индикаторных минералов из состава кимберлитов.
Основные защищаемые положения.
-
Экспресс-методика изучения минерального состава и физических свойств кимберлитов, основанная на применении фазового и структурного анализов, петрофизических измерений и оптических исследований, позволяющая проводить комплексный анализ алмазоносных пород.
-
Зональность распределения физических параметров и структурно-текстурных особенностей кимберлитовых пород в зависимости от степени их преобразования в естественных условиях и состава вторичных минералов.
-
Качественные и количественные зависимости между физическими параметрами кимберлитов и содержанием породообразующих вторичных минералов. Новые индикационные признаки рудных и глинистых минералов, содержащихся в кимберлитах.
4. Метод паспортизации кимберлитов для
стандартизации исследований и классификации алмазоносных
пород.
Достоверность результатов исследований подтверждается представительностью аналитического материала, включающего более 600 количественных и качественных рентгенофазовых анализов, более 700 определений различных петрофизических параметров, минералого-петрографических исследований более 300 проб, оптико-микроскопическое описание более 80 шлифов и аншлифов, электронно-микроскопическое изучение более 50 минеральных зерен и их сростков, около 50 определений структуры минералов методом ЯГРС, более 50 анализов ИК-спектров, более 30 электронографических измерений, 150 измерений скорости распространения продольных волн.
Научная новизна работы заключается в:
1. Экспресс-методике изучения кимберлитов на основе использования в едином лабораторно-аналитическом комплексе
фазового и структурного анализов, петрофизических измерений и оптических исследований с последующей обработкой и интерпретацией полученных данных.
-
Впервые проведенной качественной и количественной оценке влияния состава и структуры на физические характеристики кимберлитовых пород Якутской и Архангельской алмазоносных провинций.
-
Результатах комплексных исследований, позволивших выявить последовательность изменения состава и петрофизических параметров кимберлитов при преобразования в естественных условиях, и определить зависимости между ними.
4. Установлении кристаллохимических особенностей
ильменита, магнетита, а также ряда глинистых минералов, позволяющих
использовать указанные минералы в качестве индикаторных для
диагностики кимберлитовых пород.
Практическая значимость
-
Разработана, опробована и внедрена в Якутской и Архангельской алмазоносных провинциях комплексная экспресс-методика качественной и количественной оценки влияния постмагматической минерализации на петрофизические и технологические свойства алмазоносных пород, значительно повышающая информативность известных аналитических исследований и ускоряющей проведение поисково-оценочных работ при изучении месторождений.
-
Установлены зависимости, связывающие минеральный состав и петрофизические характеристики кимберлитов отечественных и зарубежных месторождений, создающие основу для прогноза физических свойств пород по их минеральному составу.
-
Расширен перечень минералов-индикаторов, используемых для идентификации кимберлитового рудопроявления при проведении минералогического картирования перспективных на алмазы территорий.
4. Обосновано, что кимберлиты и родственные им породы с
преобладанием сапонита, как в месторождении им М.В Ломоносова и
в трубке Чидвия, целесообразно использовать не только для добычи
алмазов, но и в качестве остродефицитного сырья - магнезиальных
глин.
5. Разработан методический подход и предложен
компьютерный формат описания и паспортизации кимберлитов на основе
учета их минерального состава, физических параметров и текстурно-
структурных характеристик с целью классификации кимберлитовых пород, а также стандартизации аналитических исследований и формирования межлабораторных баз данных.
Реализация результатов работы Разработанная методика комплексного экспресс-анализа кимберлитов внедрена в практику текущих и прогнозных работ горнообогатительных и геологоразведочных предприятий АК «АЛРОСА», ОАО «Архангельскгеолдобыча» и ЗАО «Архангельскгеолразвведка», о чем имеется заключение указанных предприятий. Апробация работы
Изложенные в диссертации результаты докладывались на конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2002, 2003), 1-й Всероссийской конференции «Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых и современное состояние научных исследований в России» (Москва, 2003), Международной научной конференции «Глины и глинистые минералы» (Воронеж, 2004).
Отдельные материалы вошли в состав тематических сборников: «Геология, закономерности размещения, методы прогнозирования и поисков месторождений алмазов» (Мирный, 1998), «Проблемы алмазной геологии и некоторые пути их решения» (Воронеж, 2001), «Проблемы прогнозирования, поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге XXI века» (Воронеж, 2003), «Проблемы комплексного освоения суперкрупных рудных месторождений» (Москва, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, 11 из которых в реферируемых периодических изданиях.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 6-ти основных глав и заключения. Общий объем работы 167 страниц текста, включая 42 рисунка, 27 таблиц Список литературы включает 73 наименования отечественных и зарубежных авторов.
Основные аналитические методы изучения алмазоносных пород
В настоящее время для изучения кимберлитов, как основного алмазосодержащего сырья, используется широкий спектр геофизических, минералого-петрографических и аналитических методов. Вместе с тем высокая информативность рентгеноструктурных, спектроскопических и оптических методов анализа еще до конца не реализована в практике горных и геологических работ на алмазоносных территориях.
На стадии прогнозно-поисковых и добычных работ от лабораторно-аналитических исследований требуется достоверная и полная информацию о ценности алмазоносного сырья, экономической перспективности разработки месторождения, совершенствование известных и выделения новых поисковых признаков кимберлитовых пород, прогнозирования изменения их состава и физических свойств на отдельных горизонтах или участках разрабатываемых тел. Достоверность оценки в значительной степени определяется полнотой изучения состава и точности определения наиболее значимых параметров.
К наиболее значимым аналитическим характеристикам относят минеральный и химический состав, петрофизические и текстурно-структурные особенности, а так же морфометрические характеристики главных породобразующих минералов. При этом следует отметить, что текстурно-структурные и морфометрические параметры - наиболее динамичный показатель, изменяющийся в широких пределах в процессе метаморфической переработки кимберлитов.
В отличие от исследований, проводимых одним аналитическим методом, комплексный подход к изучению минерального сырья позволил получать не один результат, а совокупность данных, благодаря чему в одном цикле измерений суммируются сведения о минеральном составе, структуре и петрофизических свойствах горных пород. Сочетание нескольких методов позволяет провести всесторонний анализ состава и структуры, как основной массы кимберлитов, так и отдельных минералов.
С помощью комплекса современных инструментальных методов автором проведены исследования по определению факторов сопутствующих эволюции кимберлитовых пород, в том числе их гидротермальных и гипергенных изменений. Одновременно изучались типоморфные признаки ряда минералов, которые можно использовать в качестве индикаторов кимберлитового материала. Прежде всего, это слоистые силикаты и оксиды (магнетит, ильменит).
Необходимость углубления знаний о минералогическом составе руд появляется как в связи с проблемами горнотехнического сопровождения открытой и подземной добычи алмазосодержащих руд, так и совершенствованием процессов обогащения и переработки кимберлитов.
Основу комплекса составляют две основные группы аналитических методов. Первая - изучение минерального состава и структурно - текстурных особенностей пород, проводимые в тесной увязке с измерениями петрофизических характеристик последних, на одних и тех же пробах, сразу после измерения физических параметров в полевых или лабораторных условиях. Вторая - изучение кристаллохимических и структурных особенностей отдельных минералов.
Для определения наиболее значимых параметров первой группы используются фазовый анализ, петрофизические измерения, оптическая микроскопия, химический (элементный) анализ, дополняемые термическим анализом, электронной микроскопией, ИК- и ЯГР-спектроскопией, и рядом других методов.
Для изучения структуры отдельных минералов использовался рентгеноструктурный анализ и электронография.
Задачей фазового анализа является:
качественная диагностика минеральных фаз в пробе, руде, технологическом продукте;
количественное определение породообразующих и рудных фаз.
Ввиду большого видового разнообразия и изменчивости состава кимберлитов, для выполнения полного фазового анализа, как правило, приходится применять связку из нескольких взаимодополняющих методов.
Ниже приведена краткая характеристика основных аналитических методов, использованных в работе.
Рентгенографический анализ
Метод рентгеновской дифрактометрии широко используется в практике поисков, разведки и эксплуатации алмазных месторождений в комплексе с другими методами изучения состава пород и руд. Особенно эффективно применение рентгенографического анализа для изучения гипергенных превращений минералов кимберлитов, поскольку это один из немногих методов, позволяющих проводить диагностику минералов в тонкокристаллическом и дисперсном состоянии.
С помощью рентгеновского количественного фазового анализа (РКФА) можно:
а) диагностировать все раскристаллизованные минеральные фазы;
б) количественно оценивать их содержание.
Диагностика фаз основана на индивидуальности дифракционного спектра каждой минеральной фазы. Полученная дифракгограмма интерпретируется исследователем на ЭВМ. РКФА имеет следующие достоинства: автоматическое снятие экспериментальных данных и обработка их на ЭВМ по разработанным программам; он эффективен как при геолого-технологическом картировании, так и при контроле технологического процесса переработки минерального сырья. В режиме стандартного массового анализа основной массы кимберлитов погрешность определения межплоскостных расстояний ±0,01 А. Основной объем РФ А выполнен на дифрактометрах ДРОН-3,0 и ДРОН-УМ-1.
Фазовый анализ минералов проводился по программе "X-ray" (авторы А.Ю.Сасов, В.А. Булычев и В.Д.Харитонов, МГУ). Для количественного подсчета содержания минералов в кимберлитах по указанной программе была создана внутрилабораторная эталонная коллекция. Условиями создания коллекции является наличие мономинерального вещества и строгая стандартизация процессов приготовления и съемки препаратов. Эталон снимается не менее трех раз и обязательно с вращением образца в собственной плоскости.
Большим преимуществом рентгенометрического анализа в изучении кимберлитов является то, что одновременно с определением состава основной массы пород, с его помощью определяются характерные особенности структуры минералов. Такая возможность использовалась для выявления типоморфных признаков минералов - индикаторов кимберлитового материала.
Кроме того, рентгеновская дифрактометрия является основным методом изучения вторичных глинистых образований кимберлитов. Идентификация минералов глин, оценка их количественного содержания, диагностика и изучение разбухающих и смешанослойных фаз проводилась съемкой ориентированных препаратов, насыщенных органическими наполнителями — этиленгликолем и глицерином, а также прокаленных в течение 1,5 - 2 ч при 550 — 600 С.
Вследствие того, что серпентинизация, сапонизация и хлоритизация являются характерными процессами постмагматического преобразования кимберлитов, при проведении рентгенометрических исследований невозможно полностью избежать совмещения дифрактометрических спектров указанных фаз и, вызванного этим, наложения их диагностических рефлексов. В таких случаях качественное определение состава серпентина проводилось по показателю содержанию хризотила I202 / Iooi[Лисковая, 2003. ].
Инфракрасная спектроскопия (ИКС) или молекулярная спектроскопия так же позволяет решать задачи определения и анализа минеральных фаз. Диагностика основана на индивидуальности ИК-спектра каждой фазы, дальнейшая выборка идет с помощью эталонных атласов и каталогов. Благодаря тому, что объектами ИКС могут быть твердые фазы как раскристаллизованные, так и аморфные, она использовалась совместно с РФА для уточнения состава глинистых минералов.
Экспресс-анализ кимберлитов и родственных им щелочных ультраосновных пород Зимнего Берега
В настоящее время в освоении Зимнебережнего района Архангельской алмазоносной провинции (ААП) наметился переход от преимущественно геологоразведочных работ к горно-техническим мероприятиям по вскрытию и отработке открытых кимберлитовых тел. В этой связи большую актуальность приобретают исследования, направленные на детальное изучение состава и физико-механических свойств алмазоносных пород.
Как известно, на территории Архангельской алмазоносной провинции открыты два типа месторождений алмазов кимберлитового генезиса: им. М.В. Ломоносова (Золотицкое поле) и им. В. Гриба (Верхотинское поле) резко отличающихся по содержанию и подбору минералов - спутников алмаза и морфологическим особенностям последнего. Наряду с кимберлитами на территории Зимнебережнего района встречаются и другие разновидности щелочных ультраосновных пород: оливиновые мелилититы, пикриты и щелочные базальты. Петрографические и минералогические данные показывают, что кимберлитовые породы представлены в основном автолитовыми брекчиями, туфобрекчиями и порфировыми кимберлитами. Главные породообразующие минералы кимберлитов: оливин, пироксен, флогопит в результате постмагматических изменений практически полностью замещены вторичными минералами, преимущественно сапонитом, на глубину до 300-400 м. В числе прочих минералов отмечены: серпентин, гидрослюды, хлорит, ильменит, магнетит, шпинелиды и др.[ Гаранин и др. 2001; Кротков и др. 2001].
Определение фазового состава усредненных проб кимберлитов проведенное методом рентгеновской дифрактометрии, с уточнением по данным ИК-спектроскопии, показало что изученные породы по составу породообразующих минералов разделяются на два типа: сапонитовые и серпентиновые (табл. 3.7, рис. 3.8) К первому типу, среди изученных пород, относятся автолитовые кимберлитовые брекчии (АКБ) трубок Архангельская и им. Ломоносова, а так же оливиновые мелилититы (ОМ) трубки Чидвия (рис. 3.8., б - г), ко второй - порфировые кимберлиты (ПК) трубки им. Гриба (рис. 3.8., а). Сапонит составляет до 95% кимберлитовых брекчий и туфобрекчий. Для ПК месторождения им. В. Гриба преобладающим вторичным минералом является серпентин ( до 99% ). Последнее сближает порфировые кимберлиты трубки им. Гриба с классическими кимберлитами Якутской провинции. Следует отметить, что кимберлиты аналогичные по составу обоим вышеописанным типам, встречены и среди алмазоносных пород Южно-Африканской платформы [Архангельская алмазоносная провинция..., 1999; К ротков и др. 2001].
В генетическом плане отсутствие сапонита в порфировых кимберлитах трубки месторождения алмазов им. Гриба ( Верхотинское поле) и его широкая распространенность в кимберлитовых трубках месторождения им. М.В. Ломоносова (Золотицкое поле) и трубке оливиновых мелилититов Чидвия (Ижмозерское поле) объясняется различиями тектонической позицией трубок этих полей, теплового и флюидного режима их формирования [Еременко и др., 2002].
Просмотр под бинокулярной лупой образцов из трубки Чидвия показал, что в них преобладают крупные фрагменты зеленого и серого цвета. Различаются отдельные зерна кварца, карбонатов, слюды, гидрооксидов железа и темноцветных рудных минералов, диопсида а также частицы тонкой глинистой фракции. ИКС-спектры, полученные с отдельных зерен минералов, подтвердили присутствие в пробах кроме сапонита кварца, кальцита, диопсида, магнетита, флогопита. Кривая спектра усредненной пробы из трубки им. Гриба соответствует спектру серпентина.
Сравнение кимберлитов из трубок им. В. Гриба и Ботуобинская (Якутия) показало, что они близки как по составу, так и по петрофизическим свойствам. Так, в породах с одинаковым содержанием серпентина ( 70,3% в трубке им. В. Гриба и 70,5%) в трубке Ботуобинская), значения пЭф составили 6,2 и 7,0%; W- 3,0 и 3,0%, а х-18 и 12 х 10"5ед.СИ соответственно. Совпадает и тип структуры обеих пород: плотный, мелкозернистый. Следовательно, несмотря на различную геологическую историю сравниваемых кимберлитов, их физико-механические и прочностные свойства близки и "количественно" определяются минеральным составом и структурой пород.
Более подробно взаимосвязь минерального состава и петрофизических характеристик кимберлитов ААП изучалась на образцах Золотицкого поля из трубок Архангельская (скважины LDDH 1 и LDDH 2) и им. Карпинского-1 (скважины LDDH 5 и LDDH 6). Кимберлиты сложены преимущественно смектитами и серпентином, вплоть до горизонтов относящихся к кристаллическому фундаменту, от которого они резко отличаются по составу (рис. 3.9.) Установлено, что серпентин представлен лизардитом, а смектиты смесью нескольких политипных модификаций при преобладании сапонита. Диапазон значений межплоскостного расстояния рефлекса 001 от 12,5 до 15,3А указывает на переменный состав обменного комплекса изученных смектитов: Na, Са, Mg-Fe.
Наиболее однородный минеральный состав проб отмечен в скважине LDDH 1 (табл. 3.8). В верхней части разреза преобладают доломит и кварц, а с глубины 180м - Са-сапонит (dooi=15,3A) с незначительной примесью серпентина. Сравнительно простой фазовый состав позволил проследить влияние породообразующих минералов на петрофизические параметры кимберлитов. Увеличение содержания сапонита приводит к снижению удельного веса и росту пористости, в результате чего снижается электрическое сопротивление пород (рис. 3.10). При этом магнитная восприимчивость плавно возрастает. Увеличение количества карбонатов (в основном доломита) и кварца способствует росту о и ро, но снижает %.
Кимберлиты остальных скважин имеют более сложный минеральный состав, затрудняющий выявление индивидуальных зависимостей петрофизических свойств от каждого породообразующего минерала [Жердев и др., 1989]. Так, в скважине LDDH 2 такими минералами являются смектиты и серпентин, содержание которых в породе находится в обратной зависимости (табл.3.9 рис. 3.11). Причем по разрезу смектиты представлены не только Са-сапонитом, а смесью ди- и триоктаэдрических разностей с различным составом обменных катионов.
Особенно следует отметить полученные результаты, свидетельствующие о прямой зависимости остаточной влажности пород (W0CT) от содержания смектитов (рис. 3.12) и отсутствие ее корреляции с содержанием серпентина и других минералов. Это доказывает, что ряд вторичных минералов, обладающих абсорбционными свойствами (монтмориллонит, сапонит, различные смешанослойные образования и др.) способен в разной степени накапливать влагу в отдельных блоках кимберлитов и тем самым воздействовать на прочностные и адгезионные свойства алмазоносных пород.
Для всех без исключения изученных профилей ААП характерна обратная зависимость содержания смектитов и серпентина, а также величин пЭф и ро- Последнее свидетельствует о том, что сопротивление кимберлитов определяется в первую очередь объемом формируемого в процессе вторичного минералообразования порового пространства. Серпентин увеличивает удельный вес, снижает пористость и, за счет уменьшения объема пор, повышает электрическое сопротивление кимберлитов смектит -серпентинового состава, преобладающих на территории ААП. Исключение составляют породы из трубки Карпинского-1, в которых, не смотря на снижение пэф, значения ро падают. Магнитная восприимчивость напрямую связана с содержанием серпентина в большинстве разрезов. Следовательно, в основном на % влияет мелкодисперсный магнетит, который, как было показано выше при изучении кимберлитов Якутии, сопровождает образование лизардита. Влияние сапонита на физические свойства носит противоположный характер: его присутствие повышает пористость, снижая при этом удельный вес и сопротивление пород.
Анализ фазового состава пород трубок трубок Архангельская и им. Карпинского-1 показал, что при наличии в составе пород значительного количества серпентина и смектитов, последние представлены не одним видом, а образуют смесь нескольких политипных модификаций. На основании этого можно сделать вывод о том, что развитие вторичной минерализации в гипергенных условиях ААП происходит в последовательности: лизардит - лизардит-смектитовое смешаннослойное образование - и до сапонита, наиболее устойчивой в данных термобарических условиях фазы.
Типоморфные признаки рудных минералов из кимберлитов Якутии
Основным методом определения кимберлитовых тел и их алмазоносности по - прежнему остается шлихо - минералогический, основанный на идентификации индикаторных минералов кимберлитов (ИМК): ильменита (пикроильменита), пиропа, хромшпинелидов, оливина и некоторых других. Однако, при работах на закрытых территориях, где диатремы и связанные с их размывом россыпи перекрыты осадочными и изверженными породами ( например, траппами), выход на кимберлиты по ИМК существенно затруднен. Кроме того, в погребенных первичных коллекторах индикаторные минералы подвергаются сильной трансформации и частичному уничтожению. В случае перекрытия траппами идентификация осложняется тем, что в тяжелой фракции последних также присутствуют ильменит и другие рудные минералы. В этой связи появляется необходимость поиска типоморфных признаков ИМК. Достижение поставленной задачи возможно по двум направлениям: выявление новых типоморфных признаков (ТП) уже известных минералов - индикаторов и использование свойств тех минералов, которые до сих пор в качестве индикаторов не рассматривались.
Особенность выбора индикаторных минералов в шлиховых ореолах состоит в том, что с одной стороны они должны отражать термобарические условия среды магматического минералообразования, а с другой -гидрохимическую обстановку и интенсивность вторичных преобразований. К первичным минералам кимберлитов относятся разновидности глубинных ксенолитов, ультрабазитов и эклогиов: гранат, оливин, ильменит, пироксен и другие, а к вторичным - серпентин, вермикулит, хлорит, магнетит, и ряд других минералов глин, карбонатов, оксидов и сульфидов. Следовательно, для расширения возможностей поиска кимберлитовых тел по индикаторным минералам, необходимо в число ИМК включить как первичные, так и вторичные минералы. Это позволяет идентифицировать кимберлитовые породы независимо от стадии постмагматического преобразования. С учетом изложенного, проведено изучение двух рудных минералов различного генезиса имеющих широкое распространение в кимберлитах Якутии: ильменита (первичный минерал) и магнетита (вторичный). Минералы кимберлитов, как правило, несут следы наложенных изменений, степень и характер которых можно определить только тонкими структурными исследованиями. Поэтому, при комплексном анализе кимберлитов Якутии, основной блок аналитических методов был дополнен ядерной гамма -резонансной спектроскопиеей (ЯГРС), наиболее эффективной при изучении структуры железосодержащих минералов. Элементный состав определен на электронно-зондовом анализаторе.
Изученные образцы ильменита отобраны из мономинеральных желваков (I группа), ильменит-диопсидовых пород (II группа), серпентинитов (III группа) и гранат-ильменитовых перидотитов (IV группа). Образцы I, II и IV групп относятся к трубке Мир, а III - к трубке Сытыканская.
Рентгенофазовый анализ показал, что в I группе представлены мономинеральные разности с высокой степенью совершенства структуры минерала (рис. 4.1, а). II группа также состоит из хорошо окристаллизованного ильменита с небольшой примесью диопсида, хлорита и серпентина рис. 4.1, б). Для III группы характерна низкая степень окристаллизованности основной (ильменит) и примесных (серпентин и магнетит) фаз. Постоянной примесью ильменитов IV группы является серпентин (рис. 4.1, в).
Согласно рентгеновским данным, разделение по размерам элементарных ячеек оказалось малоэффективным. Это связано с тем, что на величину параметров элементарной ячейки а0 и с0 ильменитов из кимберлитов большое влияние оказывают изоморфные примеси [ Алымова и др., 2004]. Ильменит имеет структуру типа корунда (гематита). Как установлено В.К. Гараниным и Г.П. Кудрявцевой [ Гаранин и др., 1984;. Кудрявцева, 1988], ильменит в кимберлитах относится к серии твердых растворов FeTiC 3 - MgTi03 - Fe203 со значительными колебаниями гематитовой компоненты. Как правило, ферримагнитными свойствами при нормальных условиях они не обладают. Уточнение кристаллографических особенностей ильменитов из различных пород показало, что ЯГР-спектры образцов I и II групп близки к спектрам идеальных ильменитов (рис. 4.1). Для ильменитов из желваков и диопсидовых пород характерно среднее содержание Сг20з составляет 0,3 a MgO - 8-Ю мас. % В III группе содержание Сг20з повышается до 2,7, a MgO до 11-12 мае. % Однако, несмотря на вариации в количестве примесей, минералы перечисленных групп имеют одинаковую корундовую структуру. В отличие от этого, разновидности минерала из перидотитов( IV группа) характеризуется увеличением содержания Сг203 до 3-4, a MgO до 13-14 мае. % Такое изменение состава ильменита рассматриваемой группы приводит к преобразованию кристаллической решетки минерала. Так, согласно значению химического сдвига (8 = 0,45±0,04мм/с) для ионов Fe3+ ильмениты IV группы, в отличие от I и III групп, представляет собой разновидность с большей упорядоченностью катионов, что приводит к изменению группы симметрии: переходу структуры корунда в структуру псевдобрукита [Войтковский и др., 1986; 1991; Зинчук и др., 1986]. Благодаря более упорядоченному расположению катионов во вновь образующейся структуре, возникают подрешетки, которые являются необходимой предпосылкой для появления минерала ферримагнитных свойств. Это подтверждается наличием в мессбауэровских спектрах образцов этой группы линий магнитного расщепления (рис.4.1). Кроме того, магнитные разности ильменита отличаются от немагнитных повышенным количеством Fe3+ [Кудрявцева и др. 1982; Кудрявцева, 1988].
Появление псевдобрукитовой структуры и новых физических свойств (ферримагнитизма) позволяет считать, что ильменит четвертой и остальных трех групп имеют разный генезис, а установленные кристаллографические особенности генетических разновидностей ильменита могут быть использованы в качестве типоморфных признаков.
Вторичный магнетит РеО-БегОз широко распространен в кимберлитах многих районов Якутии, превалируя в магнитной фракции. Образование вторичного магнетита связано с процессами метаморфизма кимберлитов и происходит в окислительно-восстановительной среде характерной для гипергенных условий, как например при серпентинизации оливинов.
По морфологическим признакам и условиям локализации в породе изученные магнетиты подразделяются на несколько групп (табл. 4.1). По данным комплексных рентгенографических, ЯГРС и микрозондовых исследований для всех изученных магнетитов характерно развитие когерентно связанного с ним, т.е. родственного по структуре и составу, маггемита. Маггемит, или у - FejOi, идентифицируется по появлению рефлексов со значениями 2, 51; 2,087 и 1,607А на дифрактограммах и по ЯГР - спектрам.
Магнетиты, первой группы (рис. 4.2, а), локализующиеся в породе в виде крупных выделений, характеризуется хорошей окристаллизованностыо и отсутствием признаков частичного перехода в маггемит, т.е. в целом, очень низкой степенью окисленности первичной фазы. Указанная особенность магнетита этой группы подчеркивается небольшим разбросом значений d/n и ао и наименьшими значениями полуширины рефлексов. Ко второй группе (рис. 4.2, б) относятся мелкокристаллические магнетиты, встреченные либо в виде скоплений (гнезд и линз), либо в виде равномерно распределенных в основной массе породы зерен. Спектры этих минералов указывают на ухудшение окристаллизованности и степени окисленности. Однако, по рентгеновским данным, в них не отмечается обособления отдельной фазы маггемитизированного магнетита. Третья группа охватывает разновидности пылевидных выделений магнетита, почти равномерно «пропитывающего» кимберлитовую породу. Разности этой группы (рис. 4.2, в) характеризуются настолько сильным замещение исходного минерала маггемитом, что на дифрактограммах становится заметным расщепление пиков магнетита 422, 511 и других, а также появляются рефлексы, характерные для у - Fe203- Различия первой и третьей групп выделенных минералов особенно наглядно устанавливается по параметру а0 их элементарной ячейки.
Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод, что магнетиту из кимберлитов свойственны следующие кристаллохимические особенности, совокупность которых можно считать типоморфными признаками:
отсутствие изоморфного замещения Fe2+ в структуре минерала;
развитие различной степени нестехиометрии;
наличие стабильной маггемитовой компоненты, образующей изоморфный ряд магнетит - маггемит.
Проектирование горных работ
Как известно [Ржевский, Новик, 1973; Ржевский, 1975], проектирование производства горных работ предусматривает:
- выбор способа и порядка развития горных работ - способа вскрытия горизонтов, направления развития фронта горных работ, местоположения и числа выработок, скорости подвигания забоев, управления горным давлением, производственной мощности предприятия по этапам его развития;
- выбор применяемого горного оборудования и крепи, транспортных схем, и других процессов;
Все проектные решения определяются конкретными природными особенностями каждого месторождения, и в первую очередь физико-техническими свойствами разрабатываемых пород.
Как показали проведенные автором исследования для большинства кимберлитовых пород Якутской и, особенно, Архангельской провинций, характерна высокая пористость, влагоемкость и содержание глинистых минералов (до 95%), что значительно снижает их прочность и устойчивость. Из-за ограниченности числа систематически учитываемых физико-технических параметров пород и недостаточной экспрессности методов их определения, эти данные все еще слабо используются при решении проектных задач поиска оптимальных вариантов систем разработок, способов вскрытия, сооружения и устойчивости выработок, насыпей, и т. п.
Однако, в последнее время, появились примеры разработки проектов перевода на подземную добычу продуктивных трубок Якутии, в которых выбор эффективных технологий добычи кимберлитов проводился в тесной увязке с составом и свойствами кимберлитовых пород. [Проблемы комплексного освоения..., 2004].
Выбор способа ведения горных работ на трубке «Интернациональная»
Присутствие во вмещающих породах мощных пластов галогенных пород и засоление кимберлитов, низкие прочностные характеристики пород, их высокая структурная нарушенность - вот те факторы из-за которых собственная устойчивость обнажений кимберлита этой трубки мала настолько, что не позволяет отработать запасы без предварительного крепления очистных выработок. Поэтому был предложен переход на нисходящие системы разработки с ведением работ под искусственной кровлей, хотя это связано со значительным удорожанием работ и снижением интенсивности выемки руды. Низкие прочностные и деформационные характеристики руды и вмещающих пород, обуславливают технологию комбайновой выемки, обеспечивающую минимизацию развития деформационных процессов на всех этапах отработки подземного рудника.
Освоение Ломоносовского месторождения ААП
Наглядный пример влияния свойств пород на стратегию освоения месторождений показывает разработка проекта вскрытия трубок Архангельской провинции.
Существующий в настоящее время проект на отработку Ломоносовского месторождения предусматривает первоочередную отработку открытыми горными работами трубок Архангельская, Карпинская-1 и Карпинская-2.
В результате комплексной оценки физико-механических характеристик руды и вмещающих пород, геологической, гидрогеологической и горнотехнической обстановки на месторождении, в качестве альтернативы открытому способу разработки, институтами ИПКОН РАН и «Гипроникель» были рассмотрены варианты подземной отработки трех (Архангельской и им. Карпинскго -1 и 2) трубок.
Причины следующие. Низкая прочность вмещающих пород по всему вертикальному разрезу трубок Ломоносовского месторождения, их невысокие водопрочностные свойства из-за высокого содержания глинистых минералов, большая обводненность Падунской свиты, расположение месторождения в зоне избыточного атмосферного увлажнения - все это создает неблагоприятные условия для обеспечения устойчивости бортов карьеров и отвалов, способствует возникновению оползней, вызывает необходимость строительства карьера с широкими рабочими бермами, способными противостоять динамическим нагрузкам от использования большегрузного автотранспортного и погрузочного оборудования. В результате это приводит к необходимости выполаживания борта карьера до 20-25 и соответствующего, резкого (в 1,5-2 раза) увеличений, против заложенных в проекте, объемов вскрышных пород. Завышение генерального угла наклона бортов карьеров делает невыгодным применение открытых работ в масштабах предусмотренных проектом и, ввиду преимущества по основным технико-экономическим показателям, предпочтение необходимо отдать подземному способу [Проблемы комплексного освоения..., 2004].
Примеры двух основных алмазных провинций России, Якутской и Архангельской, позволяют сделать вывод о необходимости своевременного получения достоверных сведений о составе и свойствах кимберлитов и вмещающих пород для выбора технологии горных работ при эксплуатации алмазосодержащих месторождений
Систематическое и широкое использование результатов комплексных исследований позволяют получить перечень минимально необходимых инженерных характеристик пород, необходимых для проектирования горных работ и планирования процессов горного производства.
Выбор элементов систем разработки
Производительность средств карьерного транспорта зависит от физико-технических характеристик перевозимых пород. Одним из важных факторов, способным влиять на выбор транспортных средств, является прогнозируемая трудность разгрузки породы, связанная с налипанием и примерзанием к рабочим поверхностям транспортных средств. Решающее влияние тут оказывают содержание глинистых частиц и влажность породы. В качестве физико-технической основы сопоставления пород по сопротивлению перемещению (зависящему только от свойств пород) при выборе средств карьерного транспорта и для последующих технологических и экономических расчетов принимается относительный показатель трудности транспортирования породы Пт [Ржевский, 1975]. Пт определяется из эмпирического выражения Пт = 0,6а + 5 d Cp А + 20WnBC, где а - объемный вес породы в образце, d Cp.— средний размер кусков породы в транспортном сосуде, А = 1 + 0,01 асдв; ссдв - сопротивление породы сдвигу (в образце); W -влажность перевозимой породы; п - содержание в породе глинистых частиц (в долях единицы); В = 1 + lg(T-l); Т- продолжительность транспортирования породы; С =1 - 0,025 t; t - температура воздуха, (учитывается только при t О С). При выполнении комплексных исследований, значения а и W для расчета этого параметра берутся прямо из паспорта изучаемых кимберлитов. Параметры стсдв и п могут определятся по номограмммам, составленным для пород с высоким содержанием глинистых минералов (ссдв как функция W, п как функция содержания глинистых минералов). Возможность построения таких номограмм подтверждается наличием прямых зависимостей между величиной предела прочности глинистых пород на сдвиг и влажностью [Ржевский, 1975].
Таким образом, паспортные данные могут быть использованы для прогноза значений Пт на закладываемых карьерах.
Введение показателя Пт позволяет упорядочить и облегчить выбор вида транспорта и технологические его расчеты. Соответственно прогнозируемым значениям Пт, выбирается оптимальный состав транспортных средств.
