Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. Выявление скрытой зональности и прогноз оруденения эндогенных месторождений, а также решение частных геолого-минералогических задач для этих целей в значительной степени связаны с развитием физических, электрофизических, физико-химических методов исследования горных пород, руд и минералов. В последние годы в развитии наук, изучающих геологическое вещество и рудные месторождения, произошли существенные изменения, связанные с современными достижениями минералогии, физики минералов, кристал-лохимии и особенно – с развитием новых физических методов исследований, которые позволили поднять изучение минералов и горных пород на принципиально новый уровень.
Минералы тонко реагируют на изменения внешних физико-химичес-ких условий. При этом в их составе, строении и свойствах отражаются все сведения об условиях их образования и последующей истории. Зависимости свойств реальных кристаллов минералов от геологических условий их образования, доступные для изучения, являются основой учения о типоморфизме минералов, а также основой их широкого применения в минерагенических исследованиях.
Сведения, получаемые в результате исследований минералов совре-менными методами, могут быть использованы в различных целях – для оценки физико-химической обстановки образования минералов и руд, выявления новых поисковых и оценочных критериев, основанных на специфических особенностях минералов и их ассоциаций, выращивании кристаллов с заданными свойствами и др.
Важнейшим этапом освоения месторождения является оценка его продуктивности. Поскольку концентрирование вещества в рудном теле зависит от физико-химических условий среды минералообразования и, в частности, термоградиента, то их пространственно-временная изменчивость находит отражение в зональности различных уровней (минерала, рудного тела, месторождения, рудного поля, рудного узла). В поисковой и геологоразведочной практике для расшифровки закономерностей зонального развития минерализации и надежной оценки перспективности рудопроявлений и месторождений используются структурные, структурно-минералогические, геофизические, геохимические и др. региональные и локальные критерии.
Одними из современных эффективных критериев, позволяющих выя-вить рудную зональность, являются критерии, основанные на электрофизи-ческих свойствах сквозных рудных сульфидных минералов, отражающих изменчивость их электронной структуры в зависимости от условий процесса рудообразования. Как показал накопленный опыт исследования этих сво-йств, наиболее информативными из них являются термоэлектрические, электропроводность, фотоэлектрические и др. В исследовательской и производственной практике решения геолого-минералогических задач наибольшее распространение получили исследования термоЭДС и электропроводности рудных сульфидных минералов, причем более обширную информацию дают исследования этих свойств в режиме непрерывно повышающейся температуры образца минерала или его локальной зоны, так называемые температурные исследования.
В связи со сказанным актуальность исследования определяется, как ми-нимум, тремя аспектами. Во-первых, это привлечение электрофизических ме-тодов исследования, которые, обеспечивая проникновение на микроуровень строения минералов, способствуют получению качественно новой информации об изменчивости среды формирования минерализации.
Во-вторых, оно способствует выявлению таких параметров минералов, которые наиболее контрастно изменяются в пространстве рудных объектов и контрастно отображают изменения минералообразующей среды, что в конечном итоге позволит разработать более достоверные критерии выявления зональности и оценки рудных объектов.
Третьим аспектом является адаптация этих методов и параметров к массовой практике геолого-минералогических исследований, т.е. разработка экспрессных методов и лабораторно-полевого аппаратурного комплекса, обе-спечивающих необходимую достоверность выявления зональности и прогнозных оценок рудных объектов. Реализация этого направления предопределяет создание автоматизированных информационных систем сбора и обработки геолого-минералогической информации.
Таким образом, в изложенной постановке этот комплекс задач является весьма актуальной научно-технической проблемой современной минерагении.
Объектом исследований являются сульфидные минералы рудных ме-сторождений Восточного Забайкалья.
Предмет исследований – температурные параметры термоЭДС и эле-ктропроводности сквозных сульфидных минералов, их изменчивость на уровне отдельных минералов, парагенетических ассоциаций, рудных тел и месторождений, аппаратурно-методические комплексы и автоматизированные информационные системы для исследования термоЭДС и электропроводности минералов.
Основная идея работы состоит в обосновании возможности использования температурных параметров термоЭДС и электропроводности скво-зных сульфидных минералов в целях выявления зональности рудных объектов для оценки их продуктивности и прогноза, а также решения других сопутствующих геологических задач. Предпосылкой такой возможности являются установленные причинно-следственные связи в системе «условия образования-состав-свойства» этих минералов.
Целью диссертационной работы является разработка научно-мето-дических основ и технических средств использования температурных параметров термоЭДС и электропроводности сульфидных минералов для выявления зональности и прогноза оруденения в эндогенных месторождениях, а также решения ряда сопутствующих геолого-минералогических задач.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.
1. Обоснование принципиальной возможности использования температурных исследований термоЭДС и электропроводности сквозных рудных минералов для решения прогнозно-поисковых задач.
2. Выявление и экспериментальное обоснование контрастных температурных параметров термоЭДС и электропроводности сквозного пирита для картирования зональности рудных объектов и на их основе разработка экспрессных методов ее выявления.
3. Проверка эффективности установленных критериев выявления зональности на известных месторождениях, путем сопоставления полученной зональности с зональностью распределения продуктивных рудных ассоциаций.
4. Экспериментальное обоснование возможности использования температурных параметров термоЭДС и электропроводности для расшифровки стадийности процесса рудообразования и генетической принадлежности рудных минералов.
5. Разработка методики экспрессных автоматизированных измерений температурных параметров термоЭДС и электропроводности рудных минералов, а также аппаратурно-технического комплекса, обеспечивающего определение значений этих параметров в полевых и стационарных лабораторных условиях.
6. Разработка и практическая реализация структурной схемы автоматизированного рабочего места на основе ПК, обеспечивающего автоматизированные измерения электрофизических и других параметров рудных минералов, формализацию и ввод описательной геолого-минералогической информации, статистическую обработку данных, получение данных для формирования моделей рудных объектов.
Методы исследований. Использован комплекс основных методов: анализ и обобщение ранее выполненных исследований в рассматриваемой области; теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на фундаментальных достижениях экспериментальной минералогии, физики твердого тела (теории электропроводности и термоЭДС минералов-полупроводников), физики минералов. Фактурологической основой обобщений и выводов явились фондовые и опубликованные материалы по месторождениям Восточного Забайкалья, а также собственные экспериментальные исследования, включающие более 3000 зондовых измерений термоЭДС и 200 – электропроводности минералов, более 400 измерений интегральной зависимости термоЭДС и 300 – температурной зависимости электропроводности, а также данные других авторов: 27 определений ЭДС Холла, выполненных В.М. Лапушковым, анализы 30 аншлифов на электронном микроскопе В.Н. Аношкина и Н.А. Вьюновой. В работе использовались образцы минералов из коллекций Г.А. Юргенсона, В.И. Красникова, В.А. Суматохина, П.М. Аносова, В.Ф. Атрошкина, А.В. Рогова, Н.И. Ванина, О.И. Широкого, которым автор выражает искреннюю благодарность.
Автором также использованы лабораторные и полевые минералогические и геологические методы исследования рудных минералов; микроскопические методы диагностики минералов, методы статистической обработки результатов экспериментов, методы автоматизации эксперимента и построения автоматизированных рабочих мест.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Основой практического использования электрофизических параметров сульфидных минералов является теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная их взаимосвязь с основными факторами минералообразования, определяющими вещественный состав минералов, соотношение матричных компонентов, состав и содержание в них изоморфных примесей.
2. Для рудных месторождений со сквозным пиритом только дырочного типа проводимости контрастным индикатором рудной зональности являются значения температурных приращений коэффициента термоЭДС, а для месторождений с пиритом электронного типа проводимости – величины температурного коэффициента электропроводности. Установленная зональность в изменении этих параметров коррелируется с зональностью в распространении минеральных ассоциаций.
3. Температурные исследования термоЭДС и электропроводности сквозных сульфидных минералов, отобранных в пределах рудных объектов, позволили получить значения электрофизических параметров этих минералов, установить векторы их изменений и рассчитать значения градиентов, отражающих физико-химические изменения минералообразующей среды. Они служат индикаторами рудно-геохимической зональности и предлагаются в качестве критериев оценки глубины распространения оруденения и его эрозионного среза.
4. Установленные различия в температурных параметрах термоЭДС и электропроводности одних и тех же сульфидных минералов, образовавшихся на различных этапах и стадиях рудообразования, позволяют использовать их при расшифровке стадийности формирования месторождения, а также разделять рудные минералы по генетической принадлежности, а различных рудных минералов – для диагностических целей и их типизации по критерию «характер зависимости s(Т)».
5. Разработанные технические средства для определения электрофизических параметров рудных минералов непосредственно в обнажениях и горных выработках, а также лабораторные автоматизированные системы для температурных исследований термоЭДС и электропроводности рудных минералов представляют оптимизированный аппаратурно-методи-ческий комплекс, позволяющий экспрессно получать информацию об изменчивости значений электрофизических параметров на уровне отдельных минералов и их агрегатов, рудных тел и месторождений.
Экспрессность температурных параметрических измерений достигается за счет использования нестационарного теплового режима измерений, при этом управление экспериментом, сбор данных и их статистическая обработка, представление результатов в графическом виде осуществляются автоматизированной системой на основе ПК.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается результатами удовлетворительной сходимости теоретических положений физики минералов с результатами лабораторных и большим объемом экспериментальных исследований; положительным эффектом внедрения результатов исследований в научных и производственных организациях. В плане решения прогнозно-оценочных задач на основных стадиях геолого-раз-ведочных работ достоверность обеспечивается корректным научным обоснованием выявленных закономерностей, а также положительными результатами практического использования исследований электрофизических параметров рудных минералов с подтверждением их экономической эффективности.
Достоверность параметрических измерений подтверждается результатами специальных исследований погрешностей измерения параметров, проведенных в рамках НИР отраслевого уровня.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Установлены параметры температурных зависимостей термоЭДС и электропроводности рудных минералов, контрастно отражающие изменения минералообразующей среды.
2. Обоснована возможность использования значений и векторов изме-нений температурных параметров термоЭДС и электропроводности для выявления физико-химической зональности среды формирования минералов в процессах рудогенезеза, на основе этой зональности предложены критерии оценки прогнозных параметров рудных объектов.
3. Для рудных объектов, на которых сквозной пирит представлен только одним типом проводимости, установлена коррелируемость выявленной зональности электрофизических свойств с зональностью распределения продуктивных минеральных ассоциаций.
4. Обоснована возможность использования контрастных температурных параметров термоЭДС и электропроводности одних и тех же минералов, образовавшихся на различных этапах и стадиях минералообразования в пределах одного месторождения, для расшифровки стадийности процессов рудообразования и генезиса руд.
5. Разработан экспрессный способ определения пробности самородного золота на основе его температурных параметров термоЭДС.
6. Разработана методика экспрессных измерений температурных параметров термоЭДС и электропроводности сульфидных минералов и автоматизированный лабораторно-полевой аппаратурный комплекс для таких измерений, что позволяет минимизировать затраты временных ресурсов, повысить достоверность получаемых данных и на этой основе повысить эффективность изучения рудного объекта.
7. Разработано, практически реализовано и апробировано двухуровневое профессионально-ориентированное автоматизированное рабочее место для электрофизических и других исследований минералов и горных пород.
Личный творческий вклад автора заключается в следующем:
– на уровне изобретений разработаны методики экспериментальных исследований и интерпретации результатов определения температурных параметров термоЭДС и электропроводности сульфидных минералов в нестационарном тепловом режиме;
– на уровне изобретений разработаны два способа выявления зональности рудных месторождений, основанных на пространственно-временной изменчивости температурных параметров термоЭДС и электропроводности сквозного пирита на примерах Сорского медно-молибденового (пирит n-типа проводимости) и Уконикского золоторудного (пирит р-типа) месторождений;
– установлены электрофизические критерии отличия гидротермального жильного арсенопирита от метасоматического Средне-Голготайского золоторудного месторождения, позволившие использовать их при расшифровке стадийности процессов рудообразования;
– выявлены критерии различия пиритов осадочно-диагенетического и гидротермального генезиса, позволившие использовать их при оценке продуктивности золотоносных россыпей Берелехского золотоносного района;
– разработана методика определения пробности самородного золота на основе измерения его температурной зависимости термоЭДС;
– участие в разработке экспрессного автоматизированного на основе ПК измерительного аппаратурного комплекса и его адаптации для исследования электрофизических параметров рудных минералов;
– на уровне изобретений созданы полевые приборы для определения термоэлектрических параметров сульфидных минералов;
– осуществлена адаптация автоматизированной системы обработки и анализа изображений к решению геолого-минералогических задач;
– участие в разработке экспресс-метода определения качественного элементного состава образцов руд;
– разработана концепция построения двухуровневого автоматизированного рабочего места для исследований электрофизических и других свойств минералов, разработаны его базовые компоненты: информационный, технический и программный;
– внедрены методика и аппаратура для реализации электрофизичес-ких исследований в производственные и научно-исследовательские организации геологической отрасли.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке методико-аппаратурного автоматизированного комплекса для исследований сульфидных минералов, созданного в виде профессионально-ориентированного автоматизированного рабочего места.
Комплекс ориентирован на реализацию исследований электрофизических свойств минералов для решения прикладных геолого-минералогических задач: выявления зональности рудных объектов и оценки их продуктивности; расшифровки стадийности процесса рудообразования, идентификации рудных минералов различного генезиса и т.п. Комплекс оснащен экспресс-ме-тодом определения качественного элементного состава образца, а также монохроматическим устройством обработки и анализа изображений, способствующих решению названных задач.
Он может также использоваться и для решения других задач горно-геологической отрасли: геофизических, минералогических, технолого-мине-ралогических применительно к практике обогащения руд, например, использование взаимосвязи флотационных и электрофизических свойств минералов для оценки технологических показателей руд и др.
Идеи, методы, технические решения, изложенные в диссертации, имеют практическую значимость в учебном и научно-исследовательском процессах при обучении по направлениям «Геология рудных месторождений», «Минералогия», «Геофизика», «Обогащение полезных ископаемых».
Реализация результатов работы. Разработанные методики и аппаратура для исследования электрофизических параметров минералов испо-льзованы при решении геологоразведочных, минералогических, технологических и др. задач в 14-ти производственных и научных организациях: Хасынской геофизической экспедиции ПГО «Севвостгеология», Красноярском отделении СНИИГГИМСа, геолого-съемочной экспедиции ПГО «Иркутскгеология», ЦНИГРИ, ВИМСе, Ленинградском горном институте, КТЭ ПГО «Красноярскгеология», ЦНИИОлово, ВНИИЯГГЕ и др.
На основе изобретений, созданных при участии диссертанта, специальным опытно-конструкторским технологическим институтом АН АССР выпущена и внедрена в производство опытная серия прибора «ЗНАК-1» (бронзовая медаль ВДНХ СССР), в ЗабНИИ МГ СССР – опытная серия измерителей термоЭДС «ИТ-4» (бронзовая медаль ВДНХ СССР).
Экспрессная методика исследований электрофизических свойств су-льфидных минералов использована при исследовании искусственных полупроводниковых соединений в лаборатории термоэлектричества искусственных полупроводников при ЗабГГПУ (акт внедрения 2009 г.).
Методика и аппаратура для экспрессного определения пробности са-мородного золота на основе измерения интегральной термоЭДС внедрены в ОАО «Артель старателей Бальджа» (2008 г.).
Автоматизированная система для измерения электрических параметров рудных минералов как составная часть автоматизированного рабочего места внедрена в производственные геологические объединения «Севвостгеология» и «Красноярскгеология».
Комплекс аппаратуры для измерения электропроводности минералов использовался автором на лабораторных занятиях при чтении курса «Электрические методы обогащения» на кафедре обогащения ЧитГУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и республиканских научных конференциях и семинарах: всероссийской научно-практической конференции «Физические явления в конденсированном состоянии вещества» (Чита, 2009 г.), научных симпозиумах «Неделя горняка – 2008, 2007, 2006, 2005» (Москва, ИПКОН РАН-МГГУ); XIII Международной конференции «Технологии, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» (Москва, МГГУ-Ассоциация «Недра»-НТО Строителей, 2008); Четвертой Международной научной конференции «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, ГИ ДВГТУ, 2006); V Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (Москва, РГГРУ, 2006); Международной научно-прак-тической конференции «Проблемы комплексного освоения минерального сырья Дальнего Востока» (Хабаровск, ИГД ДВО РАН, 2005); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы ко-мплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны» (Якутск, Институт Горного дела Севера СО РАН, 2005); Международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья (Плаксинские чтения)», (Чита, ЧитГУ, 2002); Юбилейной международной конференции «Наука и образование на рубеже тысячелетий», (Чита, ЧитГТУ, 1999); Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление», (Чита, ЧПИ, 1997); Международной выставке «НАУКА-83»; 27-м Международном геологическом конгрессе (Москва, 1984); Международной выставке «ГЕОЭКСПО – 84», (Москва, Мингео СССР, 1984).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на совместном заседании геологического научного центра (ГНЦ), кафедр геофизики, открытых горных работ, ОПИВС ЧитГУ и ИПРЕК СО РАН в 2009 г., Геологическом институте СО РАН (Улан-Удэ) – 20010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 монографий (3 в соавторстве) и 28 научных статей (11 в изданиях, рекомендованных ВАК), новизна методических и технических разработок защищена 9-ю авторскими свидетельствами на изобретения (5 в соавторстве).
Объем и структура работы. Диссертация объемом 250 с. состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Библиографического списка из 252 наименований, Приложений (акты внедрения), содержит 61 рисунок, 56 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность научным консультантам Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору, чл.-корр. НАН Кыргызской Республики Г.В. Секисову и Заслуженному деятелю науки РФ, доктору геолого-минералогических наук, профессору Г.А. Юргенсону за внимание к работе и полезные советы и рекомендации; признателен сотрудникам лаборатории физики минералов ЗабНИИ, в которой автор проработал 22 года, – А.С. Гурьевичу, В.М. Лапушкову, Г.А. Комову, В.А. Суматохину, В.А. Фаворову, Э.Д. Зезюлиной, В.Ф. Атрошкину, П.М. Аносову, О.И. Широкому, А.С. Платову; ученым ЧитГУ – докторам наук, профессорам А.И. Трубачеву, В.А. Овсейчуку, Ю.В. Павленко, В.П. Мязину, Ю.М. Овешникову, Е.Т. Воронову за ценные советы и замечания, ректору ЧитГУ, Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Ю.Н. Резнику – за поддержку при работе над диссертацией и при ее подготовке к защите.
