Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследований 11
1.1 Минеральный состав 12
1.2 Гранулометрический состав 13
1.3 Химический состав 15
1.4 Микроскопическое изучение 17
1.5 Методика построения фациальных карт 18
1.6 Дешифрирование космоснимков 22
2. Геологическое строение района работ 24
2.1 Кристаллический фундамент 25
2.2 Осадочный чехол 29
2.2.1 Каменноугольные отложения 29
2.2.2 Юрские отложения 31
2.2.3 Меловые отложения 33
2.2.4 Неогеновые отложения 34
2.2.5 Четвертичные отложения 37
2.3 Полезные ископаемые 41
3. Литология, палеогеография и фации верхнеюрских и нижнемеловых отложений 46
3.1 Литолого-палеографическая характеристика оксфордских отложений 50
3.2 Литолого-палеографическая характеристика титонских отложений 53
3.3 Литолого-палеографическая характеристика валанжинских отложений 55
3.4 Литолого-палеографическая характеристика готерив-барремских отложений 58
3.5 Фациальный анализ 62
3.5.1 Фациальный анализ титонских отложений 62
3.5.2 Фациальный анализ валанжинских отложений 66
4. Прогноз площадей перспективных для проведения поисково разведочных работ 72
4.1 Выделение площадей распространения толщ стекольных песков 74
4.2 Выделение участков, доступных для проведения геологоразведочных работ, с подсчетом ресурсов 75
5. Гранулометрическая и вещественная характеристика верхнеюрских и нижнемеловых отложений 81
5.1 Гранулометрический состав 81
5.2 Минеральный состав 89
5.3 Химический состав 99
6. Зависимость технологических свойств кварцевых песков от их вещественного состава и выбор технологии обогащения 104
6.1 Требования промышленности к кварцевому сырью 105
6.2 Характеристика вредных примесей в стекольных песках района работ 111
6.3 Технологии обогащения кварцевых песков Чулковского месторождения 117
6.3.1 Общее описание схемы обогащения 117
6.4 Оценка возможности получения титан-цирконевого концентрата из песков титонского и валанжинского ярусов 119
Заключение 122
Список литературы 125
Принятые сокращения 138
Приложения 139
- Каменноугольные отложения
- Литолого-палеографическая характеристика готерив-барремских отложений
- Гранулометрический состав
- Характеристика вредных примесей в стекольных песках района работ
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день имеются проблемы, связанные с дефицитом кварцевых песков. В первую очередь это обусловлено развитием строительной индустрии и производством тары для пищевой промышленности, которые являются основными потребителями стекольного сырья различных марок. На современном рынке высоким спросом пользуются пески невысоких марок - Т, ВС-050, С-070, одновременно растет спрос на пески для производства листового стекла, используемого в пластиковых стеклопакетах. Сейчас имеется 305 заводов по производству различных видов стекла, в том числе 102- листового, 40- технического и 16- светотехнического, 147 по выпуску тары. В 2005 году в России произведено более 110 млн м плоского стекла и около 7 млрд штук стеклянной тары или 7% мирового выпуска (4 место в мире). При этом из общего объема производства стекла экспортировалось 30%, что составляет около 1,3 % мировой торговли (18 место в мире) [1]. Бурное развитие стеклоиндустрии и недостаточная обеспеченность минерально-сырьевой базы стекольного сырья, составляющего 1% от общей стоимости недр ЦФО, привело к увеличению интереса к месторождениям стекольного сырья со стороны государства.
В Московской области имеется ряд месторождений стекольных песков, расположенных в юго-восточной её части (Люберецкое, Егановское, Чулковское, Вишняковское, Константиновское) и приуроченных к верхнеюрским и нижнемеловым отложениям. Однако первые два из них в значительной мере выработаны, часть их площадей попало под городские застройки, последние два недоразведа-ны. Наиболее интересно Чулковское месторождение стекольных песков, которое в 1957-58 годах было изучено при проведении поисковых работ на стекольные пески в Московской области. Затем оно доразведовалось в 1959-60 годах, доизу-чалось в 1962 году и в 1978-1982 годах. По результатам работ запасы стекольных песков были подсчитаны по категории Сг в количестве 9,5 млн т и формовочных песков марки IK02 по категории Сі - 30 млн т.
Территория Московской области полностью покрыта геологической съемкой масштаба 1:200 000, проведенной в период с 1957 по 1964 год. Все геологические карты изданы вместе с объяснительными записками. Однако, несмотря на
4 большое количество проведенных работ, доизучение площадей данной
территории на современном уровне не проводилось много лет, что обусловлено не только отсутствием средств, но и высоким уровнем урбанизации, не позволяющем проводить наземные работы. Всё это вместе взятое обусловило необходимость постановки проведенных исследований.
Цели и задачи работы. Основной целью настоящей работы является установление особенностей распространения, вещественного состава и генезиса верхнеюрских и нижнемеловых отложений для прогноза поисков месторождений кварцевых песков на юго-востоке Московской области. Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить следующие задачи:
Изучить особенности распространения верхнеюрских и нижнемеловых отложений;
Составить литолого-палеогеографические карты для выявления площадей развития кварцевых песков различных стратиграфических подразделений;
Составить фациальные карты для этих подразделений на территории юго-востока Московской области;
Выявить фациальные зоны, благоприятные для формирования кварцевых песков рассматриваемого района в качестве стекольных и формовочных;
Выявить территории, доступные для проведения геологоразведочных работ по данным дешифрирования космоснимков;
Выделить участки для постановки геологоразведочных пород на стекольные и формовочные пески;
Исследовать гранулометрический состав песков;
Изучить минеральный и химический состав песков;
Провести исследование примесей, загрязняющих кварцевые пески;
Установить влияние вещественного состава кварцевых песков на их технологические свойства для выбора оптимальных схем обогащения.
Фактический материал и методика исследования. Геологические материалы, положенные в основу работы, получены в процессе проведения полевых работ 2003-2006 гг. Были изучены обнажения Чулковского и Егановского карье-
5 ров, отобрано 12 проб из карьеров и 23 по скважинам, которые далее были изучены. Для составления литолого-палеогеографических и фациальных карт по ГИС технологиям были использованы полевые наблюдения и фондовый материал геолого-съемочных и поисковых работ по 187 скважинам и 18 обнажениям. Построение карт проводилось по методикам, описанным в Атласах литолого-палеогеографических карт СССР и фациальных карт Воронежской антеклизы. Литолого-палеогеографические карты составлялись в масштабе 1:1000000, фациальные - 1:200000. При выделении прогнозных участков на стекольные и формовочные пески проводилось дешифрирование космических снимков с целью выявления площадей, доступных для геологоразведочных работ
При изучении вещественного состава кварцевых песков применен комплекс методов. Выполнены химический и гранулометрический анализы проб из керна 132 скважин, анализы 15 валовых проб (на стекольное сырье). Использованы данные определений БегОз по 1140 пробам, кремнезёма - по 205 пробам (в том числе 98 из верхнетитонских, 56 из верхневаланжинских, 48 из нижневаланжин-ских, 3 из четвертичных песков). Минеральный состав зерен кварца и примесей исследовался под бинокуляром и иммерсионным методом.
Научная новизна работы. Проведенными исследованиями выявлены ли-тологические типы титонских и валанжинских глинисто-песчаных пород, установлено их распределение в разрезах и по площади. Впервые построены литолого-палеогеографические и фациальные карты изученной территории, на которых показаны поля развития песков различного возраста, в том числе и стекольных. Исследование вещественного состава песков позволило выявить особенности их состава и морфологические особенности зерен кварца в верхнеюрских и нижнемеловых породах. Дан научный прогноз поисков стекольных песков на изученной территории
Практическая значимость работы. Территория Московской области имеет высокий уровень урбанизации и дефицит земель для проведения геологоразведочных работ. В то же время существует потребность в наращивании минерально-сырьевой базы стекольного сырья. Полученные результаты позволили вы-
6 брать участки с наибольшей вероятностью нахождения кварцевых
песков и доступных для изучения. Установлены типы загрязняющих примесей в песках различных по возрасту и положению на латерали толщ, что позволяет выбрать технологические схемы обогащения стекольного сырья на разных участках.
Публикации и апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались: на Всероссийской научно-практической юбилейной конференции «Неметаллические полезные ископаемые и их роль в развитии экономики России», г. Казань 2005 г; на «Международной конференции «Природные и техногенные россыпи», г. Симферополь 2006 г; на 4-м Всероссийском литологиче-ском совещании «Осадочные процессы: седиментогенез, литогенез, рудогенез», Москва 2006 г.; на совещании «Титан-цирконевые месторождения России и перспективы их освоения», Москва 2006 г.; на ежегодных научных сессиях ВГУ 2001-2006 гг. Основные положения диссертации опубликованы в 8 работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 135 наименований. Она содержит 143 страницы, 18 таблиц, 41 рисунок и 5 текстовых приложений.
Каменноугольные отложения
Каменноугольная система развита повсеместно, но полные ее разрезы установлены только на севере области. В южном направлении наблюдается последовательное выпадение верхних горизонтов карбона в результате предъюрского и кайнозойского размывов.
Нижний отдел, мощность которого возрастает в юго-западном направлении от 124 до 149 м, в основном сложен чередующимися известняками и глинами купавнинской свиты малевского горизонта, сменяющимися вверх по разрезу преимущественно чистыми известняками упинского горизонта. Перечисленные подразделения образуют турнейский ярус. Вышележащий визейский ярус залегает на подстилающих образованиях с глубоким размывом. В его составе последовательно прослеживаются чистые мелко-тонкозернистые кварцевые пески, сухарные глины, ритмично чередующиеся между собой пески, алевриты, глины и угли (бобриковский горизонт), кварцевые пески (в том числе и стекольные), алевриты, глины и известняки (тульский горизонт), известняки с прослоями глин (алексинский, Михайловский и веневский горизонты).
В смежных с юга областях карбонатные породы широко используются в качестве стройматериалов, цементного сырья и для других целей. На юге области в глинистых прослоях верхневизейского возраста отмечаются повышенные концентрации радиоактивных элементов. Следует отметить, что бобриковский горизонт развит лишь на юго-западе области. Нижний карбон заканчивается серпуховским ярусом, в котором выделяются темноцветные органогенные известняки тарусского горизонта; глины стешевского горизонта - и пестроцветные высокомагнезиальные, используемые соответственно для производства керамзита и глинопорошка для буровых растворов; известняки протвинского горизонта, используемые для строительных целей.
Отложения среднего карбона в пределах области распространены практически повсеместно, за исключением долин рек на ее юге и юго-западе. В основании среднего карбона с глубоким размывом на породах визейского и серпуховского ярусов залегает азовская свита башкирского яруса, представленная песками с прослоями глин. В песках среди акцессорных минералов были встречены пиропы. Породы азовской свиты выполняют палеодолину, имеющую субширотное простирание с незначительным отклонением на запад-юго-запад, прослеженную в пределах Московской области в районе г. Серпухова и пос. Серебряные пруды.
Образования московского яруса трансгрессивно залегают на нижнекаменноугольных или на азовских. В основании яруса прослеживаются глины верейского горизонта с подчиненными прослоями песков, алевритов и известняков. ВышезалегающиЙ каширский горизонт сложен чередованием известняков, доломитов, мергелей и глин. Известняки и доломиты в нижней части каширского горизонта содержат мелкие кристаллы флюорита, а глины и мергели - ратовскит. Карбонатные породы описываемого района ограниченно пригодны для строительных целей и известкования кислых почв. Верхняя часть яруса (подольский и мячковский горизонты) сложена известняками и доломитами, которые широко используются для производства цемента, извести и известняковой муки.
Верхний карбон развит в северо-восточной части Московской области, южная граница его распространения ограничена линией Волоколамск-Москва-Воскресенск-Спас-Клепики. Нижняя половина разреза сложена чередованием известняков, мергелей и глин касимовского яруса. Отмечаются постепенные переходы одной литологической разности в другую. Чистые известняки редки и имеют малую мощность. Вышележащий гжельский ярус в основном представлен известняками и доломитами нижнеречицкой подсвиты, которые используются для строительных целей и оценены для производства минеральной ваты. Перекрывающие их верхнеречицкие (щелковские) глины пригодны для изготовления грубой керамики. Венчают разрез гжельского яруса преимущественно доломитово-известняковые породы добрятинского, павлово-посадского и ногинского горизонтов. Доломиты последнего используются в металлургической промышленности.
Литолого-палеографическая характеристика готерив-барремских отложений
К верхнеготеривскому-барремскому стратиграфическому интервалу приурочены как заведомо верхнеготеривские, так и условно отнесенные к баррему отложения, обособленные во владимирский горизонт. Наиболее полные его разрезы установлены в северной половине области. В Москве на ростовской свите с размывом залегают серовато-зеленые песчаные глауконитовые глины, местами переходящие в мелко-тонкозернистые пески, которые Б.М. Даныпин относил к валанжину. Они объединены в дьяковскую толщу, мощность которой не превышает 7 м.
Севернее в виде узкой субширотной полосы, протягивающейся от Клина через Сергеев-Посад к Красноармейску, прослеживаются буровато-серые разнозернистые кварцевые пески собинской свиты, которая фациально замещает дьяковскую толщу. В песках отмечаются прослои песчаников с известковистым и глинисто-фосфатно-сидеритовым цементом. Мощность стратона до 17 м (скв. у д. Ворохобино). Над дьяковской толщей или собинской свитой располагаются темно-серые алевритовые глины и глинистые алевриты савельевской свиты, для которых характерна текстура типа «рябца», обусловленная неравномерным кулисообразным распределением в породе темного глинистого и светлого алевритового материала. Мощность стратона - до 11 м.
Савельевская свита вверх по разрезу постепенно сменяется гремячевской свитой, которая имеет несколько большее, по сравнению с первой, латеральное распространение и сложена тонкозернистыми темно- или коричневато-серыми песками, которые при приближении к ее кровле сменяются крупнозернистыми и даже гравелитами. В песках отмечаются прослои песчаников с фосфатно-сидеритовым цементом, включающих остатки позднеготеривской фауны. Еще большее площадное развитие имеет котельниковская свита, которая с четким литологическим контактом обычно перекрывает либо гремячевские, либо ростовские пески, и представлена темно-серыми алевритистыми глинами (до 8 м) с характерными тонкими горизонтальными штрихпунктирными присыпками и прослойками светлосерого алеврита.
К барремскому ярусу условно отнесены бутовская (до 10 м.) и галыгинская (до 12 м) толщи. Первая развита в южной половине области, где согласно перекрывает породы котельниковской свиты, и представлена лиловыми и сиреневыми с различными оттенками в неравной степени глинистыми тонкогоризонтальнослоистыми алевритами и тонкозернистыми песками. Алевритовые породы преобладают в низах толщи, а песчаные в ее верхах. Среди акцессорных минералов для бутовских песков и алевритов характерна высокая концентрация турмалина. В северной половине области развита галыгинская толща, являющаяся фациальным аналогом бутовской. Она также согласно перекрывает котельниковские глины, но в ее основании прослеживается пласт мощностью до 1,8 м кварц-оолит-глауконитового песчаника с сидерит-фосфатным цементом. Представлена чередованием серых с лиловым оттенком неравномерно глинистых алевритов и песков с гранат-эпидотовой ассоциацией акцессорных минералов при повышенной концентрации турмалина.
В готерив-барреме меняется источник сноса, а соответственно и направление сноса материала, теперь это запад, отмечается изменение глинистости отложений и мощности на восток от г. Москва. За долготой Костромы существенно увеличивается глинистость, при незначительных изменениях мощности отсутствует глауконит, что позволяют сделать вывод об увеличение глубины бассейна в восточном направлении. Следовательно, данная зона является мелководно-морской с переменной гидродинамикой (ІІАБ), На рассматриваемой территории готерив-барремские отложения имеют крайне ограниченное распространение на севере и в небольших участках на крайнем юго-востоке и западе (рис.3.8).
Таким образом, можно с уверенностью сказать о том, что породы позднеюрского и раннемелового возраста формировались в прибрежно-морских и мелководно-морских условиях с постепенным уменьшением глубины бассейна. Наличие брахиопод и аммонитов свидетельствует о нормальной солености моря. Изменялись источники сноса, первоначально два (западный и восточный), затем один (западный). Общий разрез отражает несколько циклов осадконакопления, по времени соответствующих векам, когда формировались толщи в объёмах ярусов.
Литолого-палеогеографический анализ отложений территории Московской и прилегающих областей показал, что наиболее перспективными площадями распространения кварцевых песков являются юго-восточные районы Московской области, где развиты неглубоко залегающие титонские и валанжинские отложения. Поэтому следующим этапом работ должно быть составление более крупномасштабных фациальных карт как основы для прогноза стекольного и формовочного сырья.
Гранулометрический состав
За период изучения качества песков Чулковского месторождения полные гранулометрические анализы производились на наборе формовочных сит, сокращенные - на наборе сит для стекольных песков (3 сита). Всего было проанализировано около 300 проб в рамках выполненных ревизионных работ.
Рассматриваемые пески относятся преимущественно к мелкозернистым с примесью среднезернистого материала. Пределы колебаний содержаний отдельных фракций в песках различных стратиграфических горизонтов отображены в таблице 5.1. О хорошей сортированности песков можно судить по диаграммам на рис 5.1-5.3. Из них видно, что основной объём песков сосредоточен в двух фракциях -0,63-0,4 и 0,16-0,1 мм. Во всех песках преобладает фракция 0,2-0,16. Сверху вниз по разрезу размер зерен несколько уменьшается и возрастает глинистость. Четвертичные пески отличаются от мезозойских гораздо худшей сортировкой (см. табл. 5.1).
Отмеченная тенденция к уменьшению размерности зерен и повышению глинистости мезозойских песков с возрастом более ярко прослежена по результатам расчета средневзвешенного гранулометрического состава (таблица 5.2, рис. 5.4, 5.5).
Рассев всех технологических проб на стекольное сырье проводился в мокрую с определением качества рассева по выходу класса -0,1 за контрольное время. В табл. 5.3 приведены гранулометрические характеристики всех технологических проб.
Графическая характеристика распределения окиси железа в зависимости от гранулометрического состава по фракциям показана на рисунках 5.6-5.7. Распределение Fe203 по валовым пробам четко сопоставляются с данными минеральных и химических анализов. Максимальное количество железа уходит в пелитовую фракцию, представленную в основном глинистыми минералами, с которыми и железа в отмытом материале, по отношению к исходному продукту, снижается с 0, 2 -0,5 до 0,07 -0,17 %, т.е. более чем в три раза.
Характеристика вредных примесей в стекольных песках района работ
Переработку кварцевого песка производят с целью удаления различных примесей и фракционирования обогащенных продуктов. Вредные примеси и влияние их на качество получаемой продукции приведены в табл. 6.5.
Обогащение кварцевого сырья для получения стекольных, литейных и ряда других песков означает удаление примесей - железоносителей. Примеси в этих песках разделены на следующие группы минералов-железоносителей:
-глинистые дисперсные частицы, комочки и примазки на поверхности зерен кварца;
-отдельные (рудные и нерудные) минералы тяжелой фракции;
-пленки гидрооксидов железа;
силикаты легкой фракции;
-включения железосодержащих минералов в зернах.
Особенно следует отметить большие колебания содержания окислов железа:
а) в составе минералов алевритопелитовой размерности - от 10-15% до 65-70% от общего количества его в песках;
б) связанных с минералами и обломками горных пород крупной песчаной фракции (условно 0,84 мм) - обычно 5—20%;
в) в средней и мелкой фракциях песков (0,84 - 0,1 мм) тяжелые минералы несут до 50%, соединения железа; легкие минералы и примеси к кварцу - до 15%; пленка на зернах кварца - 5-7%; кварц без примесей- 0,5-2% (включения в зерна).
Особый интерес для оценки обогащаемости песков, используемых для стекольного и металлургического производства, представляет распределение тяжелых минералов, в первую очередь рудных. За счет этих примесей пески содержат основное количество красителей и серы. Такие минералы, как циркон, корунд, являются нежелательными в песках. Они медленно растворяются в стекломассе и образуют «камни» в стекле и т. д.
Железо, содержащееся в пленке, в свою очередь подразделяется на:
1) входящее в состав той части пленки, которая легко удаляется механическим путем;
2) переходящее в раствор при обработке песков щавелевой кислотой;
3) почти не удаляемое механическим путем, но переходящее в раствор под действием сильных кислот.
Пески позднетитонского и ранневаланжинского возраста в наиболее перспективной фациальной зоне ШВ содержат небольшое количество примесей. В верхней и нижней частях толщи верхнетитонских песков встречаются трещиноватые зерна, причем углубления иногда заполнены железисто-глинистой массой. В этих же частях толщи часть зерен кварца покрыта железистой пленкой иногда очень плотной, иногда тонкой. Хорошо они видны на фотографиях рис. 4.8.-4.9. К средней части толщи количество ожелезненных зерен, как правило, уменьшается, и само ожелезнение чаще всего имеет пятнистый характер.
В меловых песках наблюдаются маломощные линзы ожелезненных песков, неравномерно распределенные в толще. Кроме того, иногда на поверхности зерен кварца наблюдается каолинит. По сравнению с верхнетитонскими песками меловые содержат несколько больше ильменита, лейкоксена, слюды и полевого шпата.
Встречаются единичные зерна, содержащие включения других минералов, такие включения не поддаются обогащению. Часто ожелезнение связанно с пористостью породы, которая во многом определяется окатаностью зерен. Так же в коррозионных полостях зерен накапливаются глинистые и железистые примеси. Отмечено, что на участках сложенных преимущественно окатанными зернами пески лучше промыты, ниже общий химический фон окислов железа, что видно на стенках карьера (рис 6.1.)
Кроме того, толща юрских отложений обводнена, воды имеют кислый характер, что приводит к увеличению подвижности железа и тем самым к обогащению им песков в зоне водоупора. Следует отметить, что данное месторождение находится в зоне с относительно повышенным содержанием железа в грунтовых водах [43].
Зная состав и количество вредных примесей возможно смоделировать общую схему обогащения. Его для кварцевых песков производят сухими и мокрыми способами. Сухими способами обогащают пески с низким содержанием глинистых и илистых включений (до 1%), так как при сухом рассеве они остаются в классе -0.1 мм.
Наиболее простые мокрые схемы включают только промывку и классификацию по крупности. Их применяют для обогащения глинистых песков, в которых вредные рудные примеси концентрируются в тонких фракциях. Пески, в которых железо связано с глинистыми минералами и пленками гидрооксидов железа, обогащают по схеме, включающей промывку, классификацию по крупности и механическую оттирку.
Для песков, где присутствуют все три группы железоносителей (глинистые минералы, зернистые минеральные примеси и пленочные образования), применяют схемы обогащения, включающие промывку, классификацию по крупности, механическую оттирку и флотацию, концентрацию на столах или магнитную и электрическую сепарации. Наиболее широко распространены флотационные схемы. Подавляющее большинство фабрик применяют флотацию в кислой среде с собирателями типа сульфонатов. При доводке кварцевых концентратов для оптического сырья их подвергают химической обработке, тонкому измельчению и магнитной сепарации.
При высоких содержаниях оксидов железа в пленках и налетах самый простой способ применяемый для обогащения- это вскрытие кровли толщи в летний период и оставление месторождения в таком виде до следующего лета. Важным фактором в такой системе обогащения является наличие хорошего дренажа. По истечении года содержания железа падают в два- три раза.
Сухое обогащение кварцевых песков посредством магнитной сепарации является заключительной технологической операцией очистки кварцевого концентрата в сепараторах. В процессе магнитной сепарации из обогащенного кварцевого песка удаляется натертое аппаратное железо, а также остаточные парамагнитные тяжелые минералы, содержащие примесные элементы: Fe,Ti, Cr, А1 и т.д.
