Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Краткая геологическая характеристика месторождения им. М.В. Ломоносова .. 10
1.1 Физико-географический очерк 10
1.2 Геологическое строение Архангельской алмазоносной провинции 13
1.3 Особенности размещения магматических объектов Архангельской алмазоносной провинции 20
1.4 Золотицкое кимберлитовое поле 24
1.5 Морфология и внутреннее строение трубки Архангельская 32
1.6 Инженерно-геологические и гидрологические условия района локализации диатремы 39
Глава 2 Методика исследований 43
2.1 Микроскопия 43
2.2 Рентгеноструктурные исследования 44
2.3 ИК-спектроскопия 46
2.4 Компьютерное моделирование 47
Глава 3 Результаты исследований пород трубки Архангельская 50
3.1 Минеральный состав, минералогическая и петрографическая характеристика.. 50
3.2 Объемная модель распространения сапонита и серпентина 61
3.3 Процесс генезиса магнезиальных глин 65
3.4 Минеральный состав хвостов обогащения 83
Глава 4 Экологические и экономические аспекты разработки трубки Архангельская ... 88
4.1 Анализ экологических проблем при разработке месторождения им. М.В. Ломоносова 88
4.2 Сапонит из трубки Архангельская 101
4.3 Способы осаждения глинистой составляющей из вод хвостохранилища 125
4.4 Направления использования, прогнозные ресурсы сапонита трубки Архангельская и повышение экономической эффективности её отработки 132
Заключение 139
Список литературы
- Геологическое строение Архангельской алмазоносной провинции
- Рентгеноструктурные исследования
- Объемная модель распространения сапонита и серпентина
- Сапонит из трубки Архангельская
Введение к работе
Характерной чертой кимберлитовых пород различных регионов Мира является значительная изменчивость их вещественного состава. В результате многолетних исследований специалистами, прежде всего Н.Н. Зинчуком с коллегами (1980, 1994, 2000), было показано, что на сложность и контрастность минералогического облика кимберлитовых пород в значительной мере воздействует и развитие комплекса вторичных минералов, главными из которых являются серпентин и карбонаты, которыми в основном они и сложены. Безусловно, здесь играют свою роль полигенность и гетерохронность компонентов слагающих трубки пород в условиях образования от верхней мантии, через пневматолито-гидротермальную стадию, до гипергенеза.
Одной из отличительных особенностей кимберлитовых пород Архангельской алмазоносной провинции (ААП) является их масштабная сапонитизация, в то время как у кимберлитов Якутии она обычно не проявляется, или масштабы её носят ограниченный характер.
При промышленной отработке запасов алмазов кимберлитовых пород ААП, по причине их масштабной сапонитизации, возникнут дополнительные проблемы отрицательного воздействия на природную, включая геологическую среду. В процессе обогащения кимберлитовых пород легкая фракция (минеральные частицы с удельным весом менее 2,7-2,8 г/см3) в виде пульпы сбрасывается в хвостохранилища. При этом, количество твердой составляющей в сбрасываемой пульпе варьирует в широких пределах, в зависимости от исходного состава пород. Гигроскопический сапонит будет находиться в водной среде в виде суспензии, затрудняя или вообще препятствуя использованию оборотного водоснабжения в процессе обогащения. В конечном итоге это может привести к переполнению хвостохранилищ, прорыву дамб или, даже, к приостановке работ по добыче алмазов и проведению более углубленного изучения кимберлитов с целью совершенствования подходов к технологии их обогащения.
Вместе с тем, сапонит является ценнейшим минеральным сырьем с привлекательными перспективами народно-хозяйственного использования. Сейчас важно доказать, что отходы обогащения кимберлитов месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова можно и нужно рассматривать как техногенные месторождения магнезиальных глин, утилизация которых может привести к существенному повышению рентабельности разработки месторождения в целом. Комплексное использование минерального сырья (алмазы + магнезиальные глины) позволит, прежде всего, сократить затраты на строительство и поддержание хвостохранилищ, а также существенно снизить
4 экологическую нагрузку на окружающую среду в районе работ. В то же время, специальных исследований сапонитов месторождения им. М.В. Ломоносова с позиций масштабности их проявления в кимберлитовых породах, генетической природы, возможного использования в виде полезного ископаемого ранее практически не проводилось, что определяет актуальность выполненных исследований.
С учетом изложенного обозначилась цель работы - на основе изучения процессов вторичной минерализации и состава вторичных минералов трубки Архангельская определить масштабы проявления сапонитизации кимберлитовых пород и выработать рекомендации по возможной попутной добыче и использованию сапонита при комплексном освоении минерального сырья для повышения экономической эффективности отработки месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова, а также по снижению неблагоприятной экологической нагрузки на природную среду.
Для достижения поставленной цели потребовалось комплексно решать ряд взаимосвязанных задач. Главные из них:
1. Основываясь на имеющихся знаниях о геолого-структурном положении
Зимнебережного алмазоносного района, геологическом строении, гидрогеологических и
инженерно-геологических условиях локализации месторождения им. М.В. Ломоносова, а
также с учетом особенностей начала его отработки, разработать оптимальный комплекс
экспресс-методики оценки вторичной минерализации кимберлитов месторождения на
примере трубки Архангельская и на основе полученных результатов смоделировать
масштабы сапонитизации в пределах пород диатремы.
2. Изучить состав отвальных продуктов обогащения кимберлитовых пород трубки
Архангельская и установить особенности их осаждения в местах складирования.
3. С учетом полученных результатов исследований кимберлитов трубки
Архангельская, отвальных продуктов обогащения кимберлитовых пород, а также с
использованием оригинальных данных Ломоносовского горно-обогатительного
комбината (ГОКа) дать оценку воздействия сапонита на окружающую среду при
разработке месторождения им. М.В. Ломоносова.
4. Изучить возможные направления и выработать рекомендации использования
отходов алмазодобывающей промышленности с целью снижения негативного воздействия
на окружающую среду и дать оценку экономической эффективности предлагаемых
способов утилизации сапонита.
В основу диссертационной работы вошли результаты исследований, выполненных автором в период обучения (2003-2007 гг.) в заочной аспирантуре геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также в процессе работы (с 2003 г. по настоящее
5 время) в структурном подразделении АК «АЛРОСА» в г. Архангельске — лаборатории Якутского научно-исследовательского геологоразведочного предприятия ЦНИГРИ. Исследования включали полевые геологические наблюдения, лабораторные работы и анализ полученной геологической информации. Автором использован огромный фактический материал, накопленный за многие годы работ в Юго-Восточном Беломорье, в частности в Зимнебережном алмазоносном районе, как геологами-производственниками, так и представителями науки. Кроме того, была задействована база данных фактического материала структурного подразделения АК «АЛРОСА» в г. Архангельске «АЛРОСА-Поморье». Использован также фактический материал, приведенный в фондовых работах специалистами Северного отдела комплексных исследований ЦНИГРИ, изучавших вторичные минералы пород трубки Архангельская в 1983—1985 годах, а также позаимствованы некоторые результаты исследований к.г.-м.н Гаранина К.В. по щелочно-ультраосновным породам ААП (2006). Материал для исследований отобран автором, в основном, из сохранных образцов керна шести разведочных скважин в разрезе алмазоносной трубки Архангельская в интервале глубин от 24 до 455 м, в том числе по одной скважине до глубины 915 м, а также из бортов карьера на этой трубке. Кроме того, были опробованы отвальные продукты (хвосты) обогащения кимберлитов.
Образцы пород подвергнуты макроскопическому и микроскопическому описанию, затем по ним выполнен рентгенофазовый, рентгеноструктурный и ИК— спектроскопический анализы.
Диагностика разновидностей кимберлитов проводилась в прозрачных шлифах традиционными оптико-микроскопическими методами на микроскопе фирмы «LEICA DMRX» (Германия).
Рентгенофазовый полуколичественный анализ осуществлялся методом порошковой рентгеновской дифрактометрии на дифрактометрах ДРОН-3.0 и ДРОН—4 с использованием СиКа- излучения, с графитовым монохроматором. Для диагностики глинистых минералов проводилось насыщение образцов этиленгликолем и отжиг при 600 С в течение 1 часа.
Изучение ИК-спектров минералов и пород проводилось на спектрофотометре MPS-2000 производства фирмы «SHTMADZU» (Япония), а также на ИК-ФУРЬЕ-спектрометре ФСМ 1201 (ООО «Мониторинг», Россия, Санкт-Петербург). Для отдельных образцов с целью дополнительной диагностики сняты ИК-спектры на спектрометре Specort 75 с запрессовкой таблеток образцов в КВг. Подготовка образцов проводилась в соответствии с требованиями определенного метода исследований.
Трехмерное моделирование (ЗБ-модель) распределения глинистых минералов кимберлитов трубки Архангельская проведено с использованием компьютерной программы MicroMine.
В результате, в основу работы положен следующий достоверный аналитический материал: визуальное обследование 1000 образцов кимберлитовых пород трубки Архангельская; микроскопическое, под бинокулярной лупой, изучение 500 шлифов из 200 образцов; по 250 образцам получено около 500 ИК спектров; более 150 образцов подвергнуто рентгенофазовому анализу; около 30 образцов исследовано рентгеноструктурным анализом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые, с использованием специально разработанного комплекса экспресс-методов изучения минерального вещества, проведены исследования кимберлитовых пород трубки Архангельская и получены новые данные об особенностях их вторичной минерализации.
С использованием аналитических данных по образцам из скважин на трубке Архангельская впервые смоделировано пространственное распределение глинистых минералов, характер которого согласуется с особенностями внутреннего строения диатремы.
Впервые высказано предположение о том, что сапонитизация кимберлитов ААП обусловлена длительным воздействием на них грунтовых вод, в результате чего серпентин был редуцирован в сапонит вследствие гидратации, подтверждением чему являются характерные экзогенные изменения не только кимберлитов, но и индикаторных минералов.
Впервые изучены отходы обогащения пород кратерной части трубки Архангельская в составе хвостохранилища и установлена латеральная и вертикальная зональность распределения их при осаждении.
Основные практические результаты работы заключаются в следующем:
Применение предложенного комплекса экспрессной оценки вторичной минерализации кимберлитов будет способствовать оперативному расчету количества сапонита, поступающего в обогатительный процесс и/или в отвальные продукты обогащения, в хвостохранилище, благодаря чему может достигаться эффективное воздействие на технологические процессы.
Установленная зональность в накоплении и распределении сапонита в отходах обогащения позволяет обеспечить его эффективное извлечение непосредственно из
7 суспензии, что будет позитивно воздействовать на объемы хвостохранилищ и способствовать решению ряда других вопросов экологического характера.
3. Разработанный и запатентованный способ переработки отходов алмазодобывающей промышленности предполагает использование сапонита в отраслях народного хозяйства, достигая тем самым уменьшения негативного воздействия на окружающую среду за счет сокращения объемов отвалов (хвостов) и повышения экономической эффективности разработки месторождения.
Защищаемые положения:
Уточнена геолого-литологическая модель алмазоносной трубки Архангельская. С использованием специально разработанного комплекса экспресс-методов диагностики и изучения вторичной минерализации в составе трубки установлены и разграничены зоны вторичной минерализации, которые четко согласуются со слагающими ее текстурно-структурными разновидностями пород: вулканогенно-осадочными породами кратера (туфопесчаники, туфы и туффиты) и магматогенными породами жерла (автолитовые брекчии). Установлено наличие зоны развития кварца в интервале 144-151 м, на границе между породами кратерной и жерловой фаций диатремы. По сравнению с составом пород кратера в жерловой части резко падает количество песчаного материала. Количество минералов группы серпентина (хризотил, лизардит) в трубке до глубины 450 м (предполагаемая глубина карьера) незначительно (в среднем 5-10 %, до 20 % в отдельных зонах) и связано только с породами жерловой фации, а содержание минералов группы смектитов (сапонит- CaMg3OH2*Al[Si40io](H20)) в этом интервале глубин составляет 80-95 %.
Создана объемная компьютерная модель распределения сапонита и серпентина в трубке Архангельская. Обоснован процесс генезиса магнезиальных глин в трубке, образующихся при вторичной минерализации щелочно-ультраосновных пород в низкотемпературных условиях из серпентина под действием постоянно циркулирующих грунтовых вод при интенсивном и длительном промывном режиме, начиная с момента формирования тела (поздний девон).
Состав отходов алмазодобычи трубки Архангельская и выявленные формирующие их основные минеральные фазы (пески, текучие глины и «сапонитовая суспензия») позволили установить латеральную и вертикальную зональность накопления сапонита в хвостохранилище. На основании выявленных закономерностей сделан вывод, что экстрагирование сапонита из хвостохранилища может быть эффективно обеспечено непосредственно из «сапонитовой суспензии» методом осадительной центрифуги. В результате, площадь проектируемых хвостохранилищ, рассчитанная на 68 млн. тонн
8 выведенного сапонита, может быть значительно сокращена, что способствует эффективному решению экологических проблем освоения не только трубки Архангельская, но и всего месторождения им. М.В. Ломоносова.
4. Определение физико-химических особенностей состава сапонита из трубки Архангельская и проведение экспериментального изучения возможностей использования сапонита в различных областях народного хозяйства позволили предложить способ его применения (сырьё для производства керамических и прессованных стеновых материалов, стеклокристаллических материалов, керамзита и пористых наполнителей бетона, высокотемпературной керамики, железорудных окатышей, а также сорбентов и катализаторов). В результате рекомендовано комплексное освоение минеральных ресурсов, с извлечением из руды алмазов и сапонита из хвостов обогащения кимберлитовых пород, позволяющее повысить рентабельность отработки месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова и снизить степень негативного воздействия на окружающую среду при его отработке.
Апробация работы. Материалы по теме диссертации докладывались и обсуждались на: научно-практической конференции «Развитие минерально-сырьевой базы Архангельской области: проблемы, задачи, перспективы» (Архангельск, 2003); XI Международной конференции «Ломоносов» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2004); «Ломоносовских чтениях» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006); научных чтениях им. Г.П. Кудрявцевой (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008).
По теме диссертации опубликовано 6 работ, включая патент на изобретение (2003 г.) новой технологии утилизации отходов алмазодобывающей промышленности для производства широкого спектра промышленных материалов. Из них одна работа - в журнале из перечня ВАК.
Благодарности. Инициатором настоящей работы и первым научным руководителем диссертанта выступила безвременно ушедшая из жизни видный исследователь щелочно-ультраосновного магматизма, знаток алмазной геологии, д.г.-м.н Г.П. Кудрявцева. Автор безмерно благодарна Галине Петровне и выражает надежду, что сумела раскрыть в работе её ценные рекомендации.
Автор выражает благодарность академику АН PC (Я), д.г.-м.н, проф. Н.Н. Зинчуку, поддержавшему выбранную направленность исследований в настоящей работе, за его внимание и полезные советы.
Особая благодарность выражается научному руководителю д.г.-м.н, проф. В.И. Старостину за его понимание и терпение, бесценные советы и консультации, а также к. г.— м.н К.В. Гаранину и д.г.-м.н В.К. Гаранину за ту поддержку и помощь, которую они
9 постоянно оказывали автору при обучении в аспирантуре и подготовке диссертационной работы.
Автор признателен также д.г.-м.н В.П. Афанасьеву, д.г.-м.н, проф. М.Г. Губайдуллину, д.г.-м.н, проф. П.А. Игнатову, кандидатам геолого-минералогических наук А.В. Герасимчуку, В.Н. Устинову, В.В. Третяченко, Т.А. Черной за внимание к работе, полезные консультации и помощь; сотрудникам Лаборатории месторождений алмаза Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и более всего Е.Б. Бушуевой за участие в проведении измерений ИК-спектров пород и минералов; сотруднику ИПКОН РАН к.т.н А.В. Подгаецкому, а также сотрудникам компаний ОАО «Севералмаз» - к.т.н Е.П. Валуеву, В.Н. Заостровцеву, А.К. Иванову и «АЛРОСА-Поморье» - В.А. Ларченко, Г.В. Минченко, Р.В. Агафоновой, ДЕ. Горлову, Л.П. Подкуйко и многим другим, кто помогал в сборе информации, проведении исследований, содействовал и морально поддерживал при выполнении работы.
Геологическое строение Архангельской алмазоносной провинции
При написании настоящего раздела автор воспользовался многочисленными публикациями, материалами Архангельского территориального геологического фонда, а также рабочими материалами АК «АЛРОСА» (ЗАО), и в этой связи он носит преимущественно компилятивный характер.
Район проявления магматизма с учетом его структурной позиции и особенностей геологического строения был обозначен как Архангельская алмазоносная провинция (ААП) уже к середине 80-х годов прошлого столетия [96]. Кимберлитовый магматизм и связанные с ним месторождения алмазов на территории ААП следует рассматривать как результат развития регионального щелочного магматизма, охватившего всю северную часть Восточно-Европейской платформы
Первые диатремы раннегерцинских щелочно-ультраосновных магматитов на Зимнем Берегу Белого моря были открыты в начале 80-х годов прошлого столетия. К настоящему времени здесь выявлено и локализовано 68 тел щелочно-ультраосновных пород (кимберлиты, оливиновые мелилититы и базальты), из которых 7 кимберлитовых тел (11 %) относятся к промышленным объектам. Последние сосредоточены преимущественно в пределах Золотицкого поля (месторождение им. М.В. Ломоносова) и только трубка им. В. Гриба - в пределах Верхотинского поля. Трубки и силлы кимберлитов, оливиновых мелилититов и базальтов других полей являются слабоалмазоносными и неалмазоносными.
Геологи подсчитали, что общая площадь распространения известных объектов магматизма Архангельской области составляет менее 20 000 км2 и, в соответствии с применяемой, например, для Якутской алмазоносной провинции (общей площадью около 1 млн км2) классификацией магматических объектов [27] должна рассматриваться как магматический узел. Но, так как масштабы месторождений и М.В. Ломоносова и им. В. Гриба по запасам алмаза сопоставимы с запасами целой провинции, и учитывая петрографическое многообразие магматических пород, исследователи говорят об алмазоносной провинции [10].
Главными структурами фундамента, определяющими размещение проявлений щелочно—ультраосновного магматизма, являются широко распространенные выступы и грабены (рис. 1.4). Большинство проявлений кимберлитового магматизма приурочены к Товскому выступу. Значительную роль в формировании магматических тел имеют также тектонические структуры более низкого порядка - Золотицкое и Верхотинское поднятия. Простирание всех структур и общее погружение поверхности фундамента с северо-запада на юго-восток, находится в соответствии с общим планом Балтийского щита. Глубина до поверхности фундамента на выступах (горстах, поднятиях) в пределах структур щита 0,5-1,2 км, в прогибах (грабенах) до 3 км, в Мезенской синеклизе соответственно 2,5-3 км и до 5 км. На отдельных выступах скважинами вскрыты породы нижнего архея: биотитовые, биотит-плагиоклазовые, биотит-роговообманковые гнейсы, амфиболиты, гранат-содержащие гранито-гнейсы, в Керецком грабене и во впадинах Товского и Ручьевского выступов вскрыты породы верхнего рифея: красноцветные и сероцветные толщи переслаивания аргиллитов, алевролитов и песчаников с прослоями мергелей.
Фрагмент геологического разреза по линии 1-І к геологической карте Зимнего Берега Белого моря (см. рис. 1.2). Условные обозначения см. на стр. 15-17 В результате тектонической перестройки на рубеже рифея и венда по разломам северо-восточного простирания, произошло заложение вендского бассейна седиментации. Вендские осадки, общей мощностью до 1 км, с размывом и стратиграфическим несогласием, перекрывают породы рифея и кристаллического фундамента. В нижней части разреза преобладают аргиллиты, переслаивающиеся с алевролитами и песчаниками, в верхней части разреза преобладают алевролиты и песчаники с подчиненными прослоями аргиллитов.
В частности, Головин Н.Н., на основе классического определения рудного поля [26]: «поле щелочно-ультраосновных и основных пород определяется как площадь распространения пространственно сближенных тел этих пород, близких по возрасту, сравнительно однородных по составу, приуроченных к локальным тектоническим структурам и сформировавшихся в условиях единого магматического очага», выделил на территории Зимнебережного района 8 полей щелочно-ультраосновных пород: в пределах структур Балтийского щита - Верхотинское, Золотицко-Кепинское, Ижмозерское, Ненокское, Пинежское, а также прогнозируемые - Ручьевское, в пределах Мезенской синеклизы - Чидвийское и Полтозерское. Каждое из этих полей обладает характерным, обособленным набором признаков и критериев. При этом кимберлитовые трубки с промышленной алмазоносностью находятся только в пределах выступов Балтийского щита с повышенными значениями интенсивности магнитного поля, что обусловлено аномальным глубинным строением этих участков земной коры [29].
Веричевым Е.М., по характеру пространственного размещения магматических тел и особенностям вещественного состава, вьщеляются Золотицкое и Мельское поля развития кимберлитов, Верхотинское и Кепинское поля кимберлитов и мелилититов, Ижмозерское и Ненокское - мелилититов, Турьинское, Полтинское, Пинежское -базальтов [17].
Коллектив авторов геологоразведочной экспедиции № 17 выделяет в ранге полей территориально сближенные сообщества тел с присущими им типоморфными признаками. Это Золотицкое, Кепинское, Верхотинское, Мельское, Чидвинское, Ненокское поля.
Одним из наиболее удачных и востребованных примеров районирования полей может служить схема, предложенная В.В. Третяченко (рис. 1.5) [74].
Наиболее распространенной и популярной является схема районирования, приведенная в монографии «Архангельская алмазоносная провинция» [10], где авторами выделены Золотицкое, Кепинское, Верхотинское, Мельское, Ижмозерское, Турьинское, Полтинское и Пинежское поля.
Различными исследователями в пределах Зимнебережного района выделяются два минеральных типа кимберлитовых пород [21] и отмечается отчетливая зональность в распределении кимберлитов, оливиновых мелилититов и базальтоидов с запада на восток; в указанном направлении (ряду) снижается и алмазоносность. К первому типу отнесены породы высокоалмазоносной трубки им. В. Гриба и большинства трубок Кепинского поля, ко второму - породы трубок Золотицкого поля, куда входит промышленное месторождение алмазов им. М.В. Ломоносова, трубки Шочинской группы тел Кепинского поля и др. (табл. 1.1).
Рентгеноструктурные исследования
Обычно для точной диагностики многих минералов-новообразований в кимберлитах и родственных им породах, наряду с петрографическими исследованиями, используются тонкие современные методы исследований. Наиболее важное место здесь отводится рентгеноструктурным исследованиям в комплексе с дериватографией и ИК— спектроскопией, которые позволяют оперативно провести точную идентификацию тех или иных минеральных фаз.
Дифракционные методы исследования структуры вещества основаны на изучении углового распределения интенсивности рассеяния исследуемым веществом рентгеновского излучения. Первичный, чаще всего монохроматический, пучок направляют на исследуемый объект и анализируют картину рассеяния. Рассеянное излучение регистрируется с помощью счетчиков. Поскольку длина волны излучения составляет обычно не более 0,2 нм, то есть, соизмерима с расстояниями между атомами в веществе (0,1-0,4 нм), то рассеяние падающей волны представляет собой дифракцию на атомах. Дифракционная картина является своеобразным «паспортом» химического соединения, его «дактилоскопическим отпечатком», по которому можно установить, какому из уже известных ранее соединений соответствует полученная рентгенограмма. Конкретный вид и особенности дифракционной картины определяются разными характеристиками атомов, поскольку взаимодействие разного рода излучений с веществом имеет разную физическую природу.
Рентгенографический анализ был одним из основных методов исследования состава и структуры пород трубки Архангельская, изучаемых в настоящей работе. В ряде случаев он давал уникальную информацию о фазовом составе и строении веществ, чего не могло быть получено с помощью других аналитических методов, и, как правило, позволявших установить лишь элементный состав исследуемых веществ.
Рентгенофазовый анализ образцов кимберлитовых пород из керна шести скважин жерловой и кратерной фаций кимберлитовой трубки Архангельская выполнен на рентгеновском дифрактометре ДРОН—4 и ДРОН-3 методом порошковой рентгеновской дифрактометрии с использованием СиКд- излучения, с графитовым монохроматором и им охарактеризовано порядка 150 образцов. Для диагностики глинистых минералов проводилось насыщение образцов этиленгликолем и отжиг при 600 С в течение 1 часа.
Принадлежность смектитов к триоктаэдрической серии установлена по величине do6o (1,53 А). Как известно, для различия ди- и триоктаэдрических смектитов обычно используются do6o: У диоктаэдрических разностей do6o=l, 453-1,503 А, у триоктаэдрических- 1,503-1,543 А [60].
Дифрактометрические исследования позволили среди разнообразия смектитов выделить в образцах триоктаэдрический смектит (сапонит) и диоктаэдрический смектит (монтмориллонит), то есть определить структуру минерала, а также уточнить и подтвердить полученную ранее диагностику, тем более, что одно и то же вещество может находиться в различных кристаллических модификациях, что также устанавливалось по рентгенограмме.
Инфракрасная (ИК) спектроскопия - это один из физических методов изучения состава и строения вещества, суть которого заключается в исследовании взаимодействия между веществом и электромагнитным излучением (в ИК-диапазоне), при котором резонансные колебательные движения в молекуле, сложном ионе или другой строительной единице вещества, сопровождаются изменением энергии поля излучения [58].
Известно, что молекула представляет собой систему, состоящую из атомов, находящихся в постоянном колебательном движении. Частота этого колебания определяется видом химической связи. Существуют два вида колебаний молекул: валентные, при которых атомы совершают колебания вдоль оси валентной связи, сближаясь и удаляясь, и деформационные, при которых атомы отклоняются от оси валентной связи. Каждому виду связи определенного вида атомов соответствуют колебания определенной частоты. Если на молекулу падает свет той же частоты, происходит поглощение энергии, которая вновь выделяется, когда молекула возвращается из возбужденного состояния в исходное С помощью ИК-спектрофотометров регистрируются спектры, анализ которых и дает информацию о строении и составе вещества. Наиболее информативными для решения многих задач геологии являются ИК— спектры поглощения. В сочетании с другими методами, например с рентгенофазовым, ИК-спектроскопия дает наиболее полную характеристику объекта изучения. Это и было использовано в работе.
Индивидуальность характера спектра минерала (количество полос, их положение по шкале частот и интенсивности) позволяет легко диагностировать не только чистый минеральный индивид, но и смеси таких минералов, у которых области характеристических полос поглощения сложных ионов не совпадают (не наблюдается «конфликтное поглощение»).
Автором исследовано более 250 образцов кимберлитовых пород с получением около 500 ИК-спектров из керна 5-ти скважин, пройденным по породам жерловой и кратерной фаций кимберлитовой трубки Архангельская. Регистрация ИК-спектров поглощения осуществлялась на ИК — ФУРЬЕ - спектрометре ФСМ 1201 (ООО «Мониторинг», Россия, Санкт-Петербург) в интервале волновых чисел (у) 400—4000 см-1. Препараты к исследованию готовились методом пасты в вазелиновом масле: навеска (около 1 мг вещества) растиралась в капле масла, полученная суспензия наносилась на подложку КВг. Для отдельных образцов с целью дополнительной диагностики сняты ИК-спектры на спектрометре Specort 75 с запрессовкой таблеток образцов в КВг на геологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.
Результаты исследований по данным рентгенофазового анализа и инфракрасной спектроскопии свидетельствуют об их, условно, взаимозаменяемости, но легкость и скорость получения инфракрасных спектров на относительно более доступной и дешевой аппаратуре делают этот метод особенно ценным при массовом анализе минералов и их смесей.
Процесс проектирования открытых горных работ на сегодняшний день в значительной степени компьютеризован и предполагает создание совокупности геоинформационных моделей, обеспечивающих выполнение требуемых проектных решений.
MicroMine (Майкромайн) - многофункциональный программный продукт для горной и геологоразведочной промышленности, предназначен для обработки результатов геологоразведочных и горных работ. Модульный формат программы обеспечивает решение таких трудоемких и сложных задач, как интерпретация данных, построение трехмерных моделей, подсчет запасов и дизайн горного предприятия. Обладает всеми функциональными возможностями необходимыми геологу, маркшейдеру и горному инженеру при решении глобальных и повседневных задач. Основными его особенностями являются гибкость, простота управления и высококачественный продукт на выходе.
Объемная модель распространения сапонита и серпентина
Результаты аналитических рентгеноструктурных исследований и инфракрасной спектроскопии образцов кимберлитов, отобранных по разрезам 6 разведочных скважин на трубке Архангельская, использованы как база данных для построения с применением программы MicroMine трехмерной модели распределения глинистых минералов в её составе [24]. В качестве исходной модели задействовано ранее отстроенное специалистами АК «АЛРОСА» с помощью программы MicroMine объемное отображение геологической модели трубки Архангельская.
Формирование блочной модели распространения глинистых пород в объеме трубки было осуществлено с использованием метода обратных расстояний, с последующим отображением содержаний в цвете в трехмерной среде. Как следствие, создана трехмерная компьютерная модель распределения сапонита и серпентина в составе трубки Архангельская .
Приведенные на рисунках 3.3 и 3.4 объемные модели наглядно иллюстрируют особенности распространения глинистых минералов в трехмерной среде. Очевидно, что программа MicroMine успешно справилась с поставленной задачей, распространяя, в общем-то, статистически слабо представленную базу данных на объем трубки. При произвольно заданном шаге изменения концентраций глинистых минералов в кимберлитовых породах отражение этих параметров уже в объеме трубки позволило отметить некоторую зональность (рис. 3.4 (I), 3.4 (3)), Очевидно, что именно с учетом её наличия отчетливо фиксируется пограничное положение жерловой и кратерной частей трубки (рис. 3.4 (2)\ соответствующее таковой по геологоразведочным данным. В кратерной части, через особенности распространения глинистых минералов, передана информация о её трехчленном строении, что согласуется со слагающими кратер пачками вулканогенно-осадочных пород.
Кроме того, из рисунков видно, что в кратерной части трубки содержания сапонита колеблются в пределах от первых и до 60 процентов. Количество сапонита в жерловой части трубки достигает до 99 %, при этом его концентрации на уровне не ниже 80 % распространяются на всю глубину изучения.
Серпентин в кратерной части отсутствует (рис. 3.3, 3.4, 3.5), а в жерловой части его содержание крайне незначительно - в среднем 5-Ю %, до 20 % в отдельных интервалах. Проведенные исследования вторичной минерализации кимберлитовых пород трубки Архангельская, результаты которых будут рассмотрены подробно в этой и следующей главах, позволили установить основные её типы и доказать масштабность такого явления как сапонитизация. Таким образом, применение компьютерного моделирования трубки позволило достичь визуализации ее структуры и внутреннего строения ещё и по содержанию сапонита и серпентина. 3.3. Процесс генезиса магнезиальных глин
Название сапонит от латинского sapo - мыло, по моющим свойствам минерала. Идеализированная формула: M RMg, Fe2+)j. (Al, Fe3+)J+x[(Si Al ,)"yOio] (ОН)2-иН20. Минерал из подкласса слоистых силикатов. Относится к триоктаэдрическим смектитам, группе сапонита. Во влажном состоянии скопления на ощупь мягкие и жирные, в сухом -плотные, хрупкие. Цвет белый, желтоватый, голубоватый, зеленоватый, красноватый. Твердость сапонита (сухого) по минералогической шкале 2,5; плотность 2240-2300 кг/м3 [60].
Состав этого минерала колеблется в широких пределах. Теоретически это чисто магнезиальный смектит. В природе встречаются разности, в которых часть магния в октаэдрических позициях замещена окисным или закисным железом, алюминием или марганцем. В тетраэдрических позициях структуры часть кремния (около 1/8) может замещаться алюминием, что сопровождается вхождением в минерал соответствующих количеств обменных оснований - щелочных и щелочноземельных металлов. Минерал считается относительно мало распространенным. Образуется при выветривании темноцветных (магниевых) минералов ультраосновных пород (серпентинитов), как правило, в щелочной или близкой к нейтральной среде. Наиболее широко развит сапонит, представляющий продукты выветривания или гидротермальной переработки магматических и метаморфических пород основного или ультраосновного состава [60, 94].
Сапонит как продукт выветривания или гидротермальной переработки магматических пород основного, ультраосновного, реже среднего и кислого состава, имеет в природе достаточно широкое развитие. Этот минерал встречается на разных континентах в различных геологических условиях, например, в корах выветривания оливинитов, габбро, лабрадоритов, серпентинитов. Он часто образует псевдоморфозы по оливину, серпентину, гроссуляру, диопсиду, сепиолиту, цеолитам. Проявляется в виде прожилков, жил, жеод и плотных землистых агрегатов. Известен сапонит (в западной Австралии, близ Марчаги), который образовался по агрегатам кальцита, кварца и доломита [87, 93]. Найден осадочный сапонит, образовавшийся при температуре около 5 градусов [85]. Описан сапонит, входящий в состав тефры горы Св. Елены (США), но он не является собственно вулканическим, а образовался в результате низкотемпературных изменений андезитов и базальтов конуса вулкана, обломки которых были выброшены во время извержения [66, 95]. Кроме того, сапонит, как продукт изменения подводных базальтов, исследован в средней части крутого склона Восточно-Индийского хребта (на глубине 3600-3700 м) и в Атлантическом океане [61, 72, 84].
В промышленных масштабах сапонит известен в Украине. Сапониты Ташковского месторождения (Хмельницкая область) представляют собой метаморфизованные базальтовые туфы [31], а Гостищевского месторождения (вблизи дер. Щелоково, Киевская область) - продукт гидротермальной переработки магматических пород и гипергенного изменения известняков и других карбонатных пород. Ещё одним примером может служить месторождение вблизи Балларата (Калифорния, США), сформировавшееся за счет гидротермальной переработки диопсид- и тремолитсодержащих метаморфизованных доломитовых известняков [90].
Сапонит в составе кимберлитовых пород одной из первых упоминается Э.А. Шамшиной [80], проводившей детальные исследования кор выветривания кимберлитов Якутской алмазоносной провинции. По её мнению, среди продуктов выветривания серпентина наиболее широко развиты минералы группы монтмориллонита, среди которых ранее других образуется сапонит [80].
Как важнейший минерал измененного кимберлита трубки Финш (Южная Африка) исследователь A. Ruotsala отметил другой минерал из группы смектита - монтмориллонит [92]. Затем, другими исследователями, этот минерал отмечался в основной массе кимберлитов разных районов Африки [42-47] обычно в приповерхностных горизонтах трубок, но иногда упоминается и на глубинах 100 метров и более.
Как одну из отличительных особенностей пород щелочно-ультраосновного состава Архангельской алмазоносной провинции нужно обозначить их масштабную и повсеместную сапонитизацию. При этом сапонит в кимберлитах ААП практически полностью замещает серпентин на глубину 300 и более метров, а такой важнейший минерал кимберлитов как оливин, по которому происходит развитие серпентина, в неизмененном виде встречается очень редко и на существенных глубинах, что совсем не характерно, например, для кимберлитов Якутии.
Сапонит из трубки Архангельская
Среди пород щелочно-ультраосновного состава Архангельской алмазоносной провинции (ААП) масштабы проявления сапонитизации кимберлитов повсеместны, тогда как совсем не характерны, например, для кимберлитов Якутии. Исследования вторичной минерализации кимберлитов Якутской алмазоносной провинции ранее касались, в основном, процесса серпентинизации пород; незначительные скопления сапонита отмечались редко [33, 39, 66].
Как отдельный минерал в кимберлитах ААП сапонит обычно ранее не изучался и не рассматривался. При изучении кимберлитов исследовались вторичные минералы из трубок, развивающиеся по первичным минералам кимберлитовых вкрапленников. На то, что в кимберлитовых телах Зимнебережного района сапонит широко развит, обратили внимание специалисты ПГО «Архангельскгеология» (Соболев В.К, 1988, Скрипниченко В.А., 1989; и др.) и ученые ЦНИГРИ (Францессон Е.В., Левин В.И., Жердев П.Ю., Колодько А.А., Зинчук Н.Н. и др.). Согласно полученным ими данным [34, 35, 39, 41, 76, 97] сапонит образует две характерные формы макровыделений." удлиненно-пластинчатую, приуроченную к псевдоморфозам по оливину, и мелкочешуйчатую, слагающую значительную часть основной массы породы. Взаимоотношения сапонита с серпентином имеют разный характер. В частности, отмечалось развитие сапонита по предварительно серпентинизированной породе (реликты серпентина сохраняются внутри агрегатов сапонита). Большая же часть сапонита образовалась непосредственно по первичным компонентам кимберлитов: оливину, основной массе и другим составляющим брекчии, как, например, ксенозернам кварца, полевых шпатов, обломкам кварцитов, песчаников и гнейсов. При этом указывается, что сапонит распространен в широком интервале глубин — от поверхности до 700 м и более.
По результатам проводившихся ранее исследований было дано краткое описание сапонита в кимберлитовых трубках Архангельской провинции, но одна из главных их целей была направлена на совершенствование поисковых методов. [35, 36, 96, 97, 103].
На фоне реализуемых мероприятий по подготовке к промышленному освоению месторождения им. М.В. Ломоносова в регионе со сложной экологической обстановкой, в условиях высокой степени обводненности пород осадочного чехла и территории местоположения месторождения, с учетом особенностей ландшафта, напрашивалась постановка и решение задач хранения и утилизации отходов алмазодобывающей промышленности. В этой связи архангельскими геологами совместно с учеными Московского государственного университета [14, 52] была выполнена предварительная оценка состава и свойств сапонита из месторождения им. М.В. Ломоносова, замещающего в виде псевдоморфоз породы верхней части жерловой фации.
По данным проведенных петрографических исследований следовало, что в процессе постэруптивных изменений в верхних частях трубок месторождения им. М.В. Ломоносова, сложенных ксенотуфобрекчиями и автолитовым кимберлитом, произошло практически полное замещение первичных породообразующих минералов - оливина, пироксена, флогопита, а также серпентина и обломков вмещающих пород (песчаников, аргиллитов и алевролитов) псевдоморфно. При этом какой-либо зональности (химизм, зернистость, цвет) в строении псевдоморфоз не установлено. Сохраняется окраска обломков красноцветных вмещающих пород, и даже тонкие структуры более раннего замещения оливина серпентином. В целом, измененные кимберлиты состоят из сапонита (до 90 %, редко более) и содержат карбонаты (до 5 %), а также флогопит и рудные минералы. Вмещающие породы на контактах с трубками практически не затронуты сапонитизацией. Было также установлено, что сапонит в кимберлитах ААП содержится в количестве до 95 %, практически полностью замещает серпентин на глубину 300 и более метров, а такой важнейший минерал кимберлитов как оливин, по которому происходит развитие серпентина, в неизмененном виде встречается очень редко и на существенных глубинах [14, 52].
Результаты выполненной предварительной оценки состава и свойств сапонита из месторождения им. М.В. Ломоносова послужили основанием для патентования способа переработки отходов алмазодобывающей промышленности и сопутствующих руд [8]. Тем более, что практический интерес к изучению сапонита определялся ещё и дефицитом магнезиальных глин не только в России, но и других странах Мира, что связано с возрастающими потребностями в этом виде сырья в различных отраслях промышленности (сорбенты, строительные материалы, высокотемпературная керамика, кормовые добавки и др.).
Продолжая развивать начатые ранее исследования, нами, для изучения особенностей проявления процессов вторичной минерализации и характера распределения вторичных минералов в породах трубки Архангельская по разрезу и по латерали, произведен отбор образцов из керна разведочных скважин. Схема расположения скважин с отражением мест отбора образцов показана на рисунке 4.3, исходной основой которого служит объемная геологическая модель изучаемой трубки (по данным ОАО «Севералмаз»). - сапонит вкрапленников и крупных кристаллокластов (псевоморфоз по оливину); - сапонит основной массы литокластов; - сапонит связующей массы брекчии.
Сапонит псевдоморфоз по оливину представлен агрегатом пластинчато-чешуйчатых частиц и псевдопластинчатых образований (рис. 4.4), развивающимся непосредственно по серпентину; в подчиненном количестве присутствует и тонкочешуйчатый сапонит. Минерал светло-зеленовато-серый, буроватый, реже бесцветный, хорошо отличается от более темного серпентина. Замещение серпентина сапонитом идет как по периферии, так и изнутри псевдоморфоз (в последнем случае развивается тонкочешуйчатый сапонит). В зависимости от степени сапонитизации, серпентин в псевдоморфозах может находиться в виде монолитных ядер, окруженных сапонитовой каймой, либо в виде разобщенных реликтовых островков или же вообще отсутствует Часто отмечаются тальк-сапонит-серпентиновые псевдоморфозы; при этом заметно, что тальк по времени образования наиболее поздний, так как развивается и по сапониту, и по серпентину.
