Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История изучения континентального гипергенеза сульфидных место рождений 14
1.1. Геолого-минералогические исследования 14
1.2. Экспериментальные исследования 20
1.3. Состояние изученности зон окисления сульфидных месторождений на Южном Урале 24
1.4. Использование гидрометаллургических методов переработки окислен
ных руд 28
Глава 2. Палеогеография Южного Урала 31
Глава 3. Геологическая позиция и типы вулканогенных сульфидных месторождений Южного Урала 42
3.1. Районирование Урала, типы и положение сульфидных месторождений в
глобальных структурах 42
3.2. Общая характеристика сульфидных месторождений на Южном Урале 44
3.2.1. Колчеданные месторождения 45
3.2.2. Стратиформные свинцово-цинковые месторождения 55
3.2.3. Эпитермальные месторождения 58
3.2.4. Меднопорфировые месторождения 62
3.2.5. Золото-полиметаллические месторождения 65
3.2.6. Другие типы сульфидных проявлений 66
Глава 4. Характеристика зон окисления главных формационных типов сульфидных месторождений Южного Урала 69
4.1. Колчеданные месторождения 69
4.1.1. «Атлантический» тип: Ишкининское 69
4.1.2. Кипрский тип: Летнее, Осеннее 74
4.1.3. Уральский тип: Западно-Озерное, Юбилейное, Яман-Касы, Блявгтекое, Бакр-Узяк, Узелъгинское 104
4.1.4. Куроко: Джусинское, Александрийское, Бабарыкинское, Контрольное 155
4.2. Стратиформные: Верхне-Аршинское, Амурское, Шаймерден 175
4.3. Эпитермальные: Березняковское 192
4.4. Меднопорфировые: Михеевское, Томинское 199
4.5. Золото-полиметаллические: Ильинское рудное поле 210
4.6. Другие гидротермальные проявления сульфидов в вулканогенных толщах: Красная Жила, Никольское 215
4.7. Основные черты строения зоны окисления сульфидных месторождений Южного Урала 219
Глава 5. Минералогия зон окисления сульфидных месторождений Южного Урала 224
5.1. Простые вещества 224
5.2. Сульфиды и их аналоги 246
5.3. Оксиды и гидроксиды 275
5.4. Карбонаты 288
5.5. Сульфаты, арсенаты, фосфаты 301
5.6. Силикаты 366
5.7. Галогениды 391
5.8. Минеральные ассоциации зоны окисления 394
Глава 6. Оценка условий формирования вторичных минеральных ассоциаций на сульфидных месторождениях Урала 403
6.1. Экспериментальное изучение кинетики окисления сульфидных руд (Западно-Озерное, Летнее, Яман-Касннское месторождения) 403
6.2. Дифференциация металлов в зоне окисления как отражение их электрохимической подвижности 416
6.3. Онтогенические особенности вторичных минералов как отражение механизма их осаждения 419
6.4. Сорбционные процессы в зоне окисления 428
6.5. Оценка физико-химических параметров формирования реперных минеральных ассоциаций 434
6.5.1. Условия образования селенидов в зоне окисления 436
6.5.2. Условия образования водорастворимых сульфатов 446
6.6. Влияние биокосных взаимодействий на вещественный состав зоны окисления (данные о стабильных изотопах серы и углерода) 453
6.6.1. Изотопия серы 455
6.6.2. Изотопия углерода 461
Заключение 467
Литература 474
- Состояние изученности зон окисления сульфидных месторождений на Южном Урале
- Стратиформные свинцово-цинковые месторождения
- Куроко: Джусинское, Александрийское, Бабарыкинское, Контрольное
- Онтогенические особенности вторичных минералов как отражение механизма их осаждения
Введение к работе
Актуальность исследований. В связи с тем, что традиционные источники цветных и благородных металлов в значительной мере истощены, в последние десятилетия в мире возросла роль окисленных и смешанных руд меди и золота, несульфидных месторождений свинца и цинка. Это привело к появлению ряда работ, посвященных геологическому строению и минералогии подобных объектов (Samama, 1986; Bouzari et al., 2002; Boni et al., 2003; Borg, 2003; Borg et al., 2003; Hitzman et al., 2003), поведению отдельных типов руд и групп минералов при гидрометаллургическом переделе (Dutrizak, 1983; 1989; Yannopoulos, 1991; Dutrizak Jambor, 2000; de Wet, 2008; Лодейщиков, 1999; Башлыкова и др., 2005). Сейчас на Урале отрабатываются месторождения окисленных золотоносных руд, готовятся к отработке меднопорфировые месторождения со значимой зоной гипергенного обогащения, что делает актуальным изучение строения их зон окисления и форм нахождения полезных компонентов и потенциальных токсикантов. Пристальное внимание уделяется также техногенным зонам окисления отвалов и хвостов обогащения сульфидных руд как возможным техногенным месторождениям и источникам экологического дисбаланса (Емлин, 1991; Blowes et al., 1991, 1992; Dold, Fontbote, 2001).
Анализ литературных и оригинальных материалов показывает, что, многие данные по строению, зональности и минералогии гипергенеза конкретных сульфидных месторождений не вписываются в классическую схему, основы которой были разработаны В. Эммонсом и С.С. Смирновым (Emmons, 1917; Shneiderhehn, 1924; Смирнов, 1936, 1951, 1955). Минералы зон окисления, особенно ее нижней части, чрезвычайно мелкие и, зачастую, неустойчивые, что делает практически невозможной ревизию музейных коллекций и обуславливает необходимость изучения in situ или применения специальных методов консервации объектов, разработанных только в последнее время. Мониторинг зон окисления в процессе разведки и отработки месторождений, реализованный автором для ряда южноуральских объектов, позволил идентифицировать мета-стабильные в атмосферных условиях селениды, сульфиды и водорастворимые сульфаты и выявить закономерности их распространения в гипергенном профиле. Среди стабильных диагностированы свинец-содержащие члены семейства ярозита, присутствие которых значительно меняет технологические свойства окисленных руд.
Известно, что в процессах окисления сульфидов и формировании вторичной минеральной зональности большую роль играют микроорганизмы (Яхонтова, Грудев, 1987; Silitoe et al., 1996; Fortin, Beaveridge, 1997; Rainbow et al., 2006; Enders et al., 2006). Это находит применение в разработке технологий биовыщелачивания металлов из сульфидных руд (Лодейщиков, 1999; Башлыкова и др., 2005). Основным подходом для оценки роли бактерий в гипергенезе были микробиологические исследования рудничных вод (Яхонтова, Нестеро-вич, 1983; Fortin, Beveridge, 1997; Enders et al., 2006) и непосредственные на-
блюдения псевдоморфоз минералов по бактериальным телам (Амосов, Васин, 1993; Sillitoe et al, 1996). Однако, отражением активности тиобактерий может также служить изотопный состав серы (Мехтиева, 1964; Kaplan, Rittenberg, 1964; Гриненко, Гриненко, 1974; Hoefs, 1997; Seal, 2006). Биогенная сульфат-редукция, приводящая к значительному изотопному облегчению серы, хорошо изучена для современных океанических осадков (Kohn et al., 1998). Для зон окисления эти процессы изучены хуже, предлагаемая работа частично восполняет имеющийся пробел.
Актуальность исследований также определяется тем, что процессы окисления в природных и техногенных системах происходят по сходным законам и данные, полученные для природных зон окисления, могут быть с успехом перенесены на техногенные объекты - лежалые хвосты обогащения сульфидных руд, отвалы и целики бедных и забалансовых руд для прогноза их поведения при хранении.
В связи с изложенным главная цель предлагаемой работы состояла в изучении строения, минерального состава и условий образования зон окисления, сформировавшихся над сульфидными месторождениями различной фор-мационной принадлежности в условиях семиаридного климата Южного Урала. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Выявить черты сходства и различия зон окисления колчеданных, страти-формных свинцо во-цинковых, медно-порфировых, эпитермальных, золото-полиметаллических и сульфидных гидротермальных месторождений Южного Урала на базе гео лого-минералогического картирования разведуемых и эксплуатируемых месторождений в карьерах, подземных горных выработках и керне скважин.
-
Установить зависимость строения гипергенного профиля от геоморфологического положения, вещественного состава вмещающих пород и руд.
-
Выделить типоморфные минеральные ассоциации зон окисления для различных групп сульфидных месторождений Южного Урала и различных частей гипергенного профиля.
-
Изучить экспериментально динамику окисления сплопшых сульфидных руд различных текстурных типов.
-
Оценить с позиций термодинамики закономерность локализации халькоге-нидов цветных металлов в нижней части гипергенного профиля и установить условия, определяющие возможность образования специализированного горизонта вторичных селенидов.
-
Изучить изотопный состав серы и углерода для оценки роли биокосных взаимодействий в формировании гипергенных минеральных парагенезисов.
Практическая значимость работы определяется 1) необходимостью разработки минералогических критериев раздельного извлечения и предварительной рудоподготовки для гидрометаллургической переработки окисленных руд различного минералогического состава в целях извлечения золота и серебра; 2) задачей комплексного и полного использования богатых окисленных руд
на меднопорфировых и колчеданных месторождениях; 3) требованиями прогноза поведения сульфидных хвостов обогащения и отвалов забалансовых сульфидных руд; 4) усовершенствованием критериев поиска сульфидных месторождений слепого залегания. Научная новизна
-
Впервые для сульфидных месторождений, залегающих в условиях семи-аридного климатического пояса, разработана типизация зон окисления.
-
Среди гипергенных минералов высокосульфидных месторождений впервые установлены селениды и доказано их закономерное положение в нижней части гипергенного профиля. Показано широкое разнообразие вторичных халькогенидов металлов, включая сульфиды селениды - пирротин, пирит, галенит, сфалерит, ряд пирит-джаркенит, клаусталит, науманнит, тиманнит, селенистые сульфосоли.
-
Впервые в мире в зонах окисления установлены природный амальгамид серебра в ассоциации с высокопробным золотом, впервые в России - корона-дит, кобальткизерит, биберит, впервые на Урале - халькофанит, осаризаваит, кронштедтит в ассоциации с гизингеритом, гетитом и гематитом.
-
На основании изучения изотопного состава серы показана важная роль биологического фактора в формировании вторичных халькогенидных параге-незисов.
-
На основании изотопного состава углерода показано участие эпигенетических процессов в преобразовании погребенной «железной шляпы».
Работа основана на материале, собранном и обработанном автором в период с 1996 по 2008 гг. более чем на 25 месторождениях Южного Урала и сопредельных территорий Казахстана. Для сравнения привлекались образцы из коллекции Естественно-научного музея Ильменского государственного заповедника, а также коллекций окисленных сульфидных руд других регионов.
В работе использовались следующие методы и подходы:
-
Гео лого-минералогическое картирование месторождений.
-
Диагностика минералов с использованием комплекса оптических, рентге-нофазовых (более 500 определений, автоматизированный ДРОН-2.0, УРС-2, Shimadzu-6000, ИМин УрО РАН), термогравиметрических (более 50 определений, автоматизированный дериватограф Q1500, ИМин УрО РАН), электронно-микроскопических (более 500 определений, РЭММА-202М с ЭДА, ИМин УрО РАН; SEM Phillips 501В с EDAX 9100 и WDX-2A, СПбГУ; GEOL-JXA-8900RL6 Фрайбергская Горная Академия; SEM GEOL JSM-5900LV, Музей Естественной Истории, Лондон; SEM Camscan-4DV с LZ Link-analytical AN-10000, "РС+" LTD, Санкт-Петербург; SEM LEO-420 с микроанализатором RON-TEC, Институт гидродинамики СО РАН), спектроскопических (UR-2 и ИК Фурье-спектрометр NEXUS, Nicolet; ЯГР-спектрометр СМ-2201 с источником излучения Со, ИМин УрО РАН)
-
Химический анализ: классический силикатный, атомно-адсорбционный (Perkin-Elmer-ЗПО) и фазовый химический анализ меди и цинка (ИМин УрО
РАН), эмиссионный спектральный (Новосинеглазовская комплексная лаборатория ФГУП «Геосъемка»), рентгенофлюоресцентный с синхротронным излучением (ИЯФ СО РАН), атомно-адсорбционный и пробирный анализ золота и серебра (ОАО НПФ БЗДК), рентгенофлюоресцентный (портативный РФ-анализатор Innov-X, ИМин УрО РАН).
-
Расчетно-термодинамическая оценка полей устойчивости минералов, наблюдаемых в реальных парагенезисах (совместно с В.А. Яковлевой, СПбГУ) и кинетики растворения сульфидов и минеральной фиксации некоторых элементов-токсикантов путем адсорбции и кристаллизации собственных минеральных фаз (совместно с О.Л. Гаськовой, ИГ СО РАН).
-
Эксперименты по окислению сульфидных руд колчеданных месторождений были поставлены в ИМин УрО РАН совместно с М.Н. Маляренок и в Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН с Д.В. Макаровым.
Работа является составной частью госбюджетных тем лаборатории минералогии рудогенеза ИМин УрО РАН «Эволюция процессов минералообразо-вания в колчеданоносных палеоокеанических структурах» (№ 0.20.0001589), «Гидротермальные и гипергенные факторы формирования и преобразования месторождений полезных ископаемых в складчатых поясах» (№01.200.202519), была поддержана грантами РФФИ (98-05-64819, 07-05-00824 - рук., 04-05-96014, 01-05-65329 исп.), Университеты России (1999, 2001, 2003 рук.), MinU-rals INCO Copernicus ICA2-CT-2000-10011 (исп.), ФЦП Интеграция (№ 326.67, Э0364/729, исп.), Министерства науки и образования РФ (РНП 2.1.1.1840, исп.), грантом НИР ЮУрГУ, проектом УрО - СО РАН «Геохимия окружающей среды горнопромышленных ландшафтов Сибири и Урала» (исп.).
Структура работы. Работа состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 274 стр. текста, 96 табл., 204 рис. и 6 приложений. Список литературы включает 506 наименований, 44 источника - фондовые.
Апробация: по теме диссертации опубликовано 79 научных работ, включая 4 монографии, 8 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 39 статей в тематических сборниках, 26 тезисов докладов и 3 путеводителя геологических экскурсий. Автор принимала участие в поисковых работах на медноколчеданное оруденение в Александрийском рудном районе и многочисленных хоздоговорных работах, посвященных минералогическому анализу окисленных руд, результаты которых вошли в 6 производственных отчетов, прошедших экспертизу в ГКЗ РФ и ТКЗ Челябинской области.
Результаты работ докладывались на 17 конгрессе международной минералогической ассоциации IMA-98 (Торонто, Канада, 1998), XVIII Международном Конгрессе по прикладной минералогии ICAM-2004 (2004, Сан-Пауло, Бразилия), международной конференции «Metals in the weathering environment» (2000, London), XII симпозиуме IAGOD «Undrstanding the genesis of ore deposits to meet the demand of the 21st century» (2006, Москва), рабочих заседаниях IGCP-486 (Румыния, 2004; Болгария, 2005; Турция, 2006), ESF Explorary Workshop
«Non-Sulphide Zn-Pb Ores» (Iglesias, Sardinia, Italy, 2005), международном симпозиуме «Минералогические Музеи» (Санкт-Петербург, 1995, 1998, 2000, 2002, 2005), всероссийском совещании «Минералогия Урала» (1998, 2003, 2007), IV Уральском металлогеническом совещании «Рудные месторождения - вопросы происхождения и эволюции» (Миасс, 2005), международной научно-практической конференции «Проблемы рудных месторождений и повышения эффективности геологоразведочных работ» (Ташкент, 2003), 11-й конференции «Environmental and mineral processing» (Prague, 2007), международной конференции «Рудогенез» (Миасс, 2008), региональных научно-практических конференциях (Челябинск, 2006, 2007; Уфа, 2008), Горно-геологическом деловом форуме Майнекс-2007 (Миасс, 2007), международном совещании «Спектроскопия и кристаллохимия минералов» (Екатеринбург, 2007), XVI Международном совещании по кристаллохимии и рентгенографии минералов (Миасс, 2007), научном семинаре «Минералогия техногенеза» (Миасс, 2004, 2006), научной студенческой школе «Металлогения древних и современных океанов» (ежегодно с 1997 г.) и других конференциях.
Полученные данные используются при чтении автором курсов «Минералогия» (с 1999 г.) и «Технологическая минералогия» (с 2005 г.) на геологическом факультете филиала ЮУрГУ в г. Миассе.
Благодарности. Автор глубоко признателен своим учителям - научному
консультанту профессору В.Г. Кривовичеву, профессорам В.В. Зайкову и
В.В. Масленникову. Особая благодарность многолетним соратникам и оппо
нентам - к.г.-м.н. К.А. Новоселову и к.г.-м.н. Е.П. Щербаковой. При обсужде
нии работы чрезвычайно полезными были дискуссии с директором Института
минералогии УрО РАН, чл.-корр. РАН В.Н. Анфилоговым и д.г.-м.н.
В.Н. Быковым. В течение многих лет автор пользовалась консультациями д.г.-
м.н. В.А. Попова, к.г.-м.н. В.Н. Удачина и зарубежных коллег - Р. Херрингтона
(Музей Естественной истории, Лондон) и М. Бони (Университет г. Неаполя).
Экспериментальные и расчетные работы никогда бы не были осуществлены без
взаимодействия с д.т.н. Д.В. Макаровым и д.г.-м.н. О.Л. Гаськовой. Без содей
ствия специалистов из производственных организаций - В.И. Баля, Б.И. Агее
ва, И.И. Григорьева, В.В. Козлова, И.Б. Купцова, В.М. Мосейчука, Е.С. Овча-
ровой, Т.Н. Сурина, И.Б. Фадиной, Б.М. Шаргородского работа навсегда оста
лась бы в стенах лаборатории. Аналитики К. Беккер, Т. Гринвуд, Е.Д. Зенович,
В.Е. Еремяшев, В.А. Котляров, Г.Ф. Лонщакова, Я.Л. Лукьянов, Н. Максимова,
М.Н. Маляренок, А.Б. Миронов, А.Р. Нестеров, Н.К. Никандрова,
Т.М. Рябухина, С.А. Садыков, Т.В. Семенова, Б. Спиро, А.Т. Титов, П.В. Хворов, Л.Г. Удачина пособствовали решению поставленных задач. Всем перечисленным специалистам автор выражает искреннюю благодарность.
Большое спасибо за творческую поддержку также коллективам лаборатории минералогии рудогенеза ИМин УрО РАН Е.В. Зайковой, И.Г. Жукову, СП. Масленниковой, И.Ю. Мелекесцевой, Н.П. Сафиной и кафедры минералогии СПбГУ А.А. Антонову, А.И. Брусницыну, А.А. Золотареву, А.Н. Зайцеву,
Е.Н. Перовой, и особо за помощь в оформлении работы на завершающем этапе - Н.Р. Аюповой, О.Л. Бусловской и Р.З. Садыковой. Все эти годы источником нестандартных идей служили студенты и аспиранты - В.А. Яковлева, А.А. Белоусова, У.В. Будько, И.А. Блинов, О.С. Ермолина, Е.Е. Паленова, М.В. Мурдасова.
Состояние изученности зон окисления сульфидных месторождений на Южном Урале
Основы, гидрометаллургических методов получения металлов были разработаны еще в XIX - начале XX веках. Поскольку основными полезными компонентами южноуральских окисленных руд являются золото, серебро, медь и, крайне редко - цинк, ниже будут рассмотрены только эти элементы.
Технология выщелачивания меди была разработана, испытана и внедрена в промышленное производство в Центральном Казахстане еще в XIX в. (http://centmedra.karaganda.kz/publications/).
В 1871 г. горный мастер В. Бернер писал, что увеличение производительности Спасского медеплавильного завода могло быть достигнуто за счет обработки мокрым путем значительного количества окисленных медных руд. Лабораторные опыты по извлечению меди этим способом были проведены в 1880 г. горным инженером И.А. Антиповым на окисленных рудах Шоптыкольского, Валентиновского и Айдарлинского (Беркаринско-го) месторождений. Результаты этих опытов были весьма обнадеживающими. В зависимости от применяемого реагента извлечение меди колебалось от 56.1 % до 90.3 %. В 1889 г. в пределах горного отвода Макарьевского (Шоптыкольского) медно-серебряного рудника, входившего в состав Коктас-Джартасской группы рудников, был построен Шоп-тыкольский опытный завод. Однако, из-за некредитоспособности товарищества, занимав шегося исследованиями, в 1890 г. завод был брошен. В 1905 г. Коктас-Джартасская группа рудников была куплена горнопромышленником К. Л. Вахтером, который построил новый гидрометаллургический завод, работавший по технологии инженера Лащинского. Работы на заводе продолжались до 1913 г.
В мировой практике широкое внедрение в промышленность гидрометаллургических методов (выщелачивания) началось в 60-е годы XX в. Наиболее активно выщелачиванием отрабатываются руды урана, меди, золота, в последнее время - цинка. Ведутся технологические исследования по гидрометаллургии марганца, молибдена и других металлов (Лисовский и др., 1982). На сегодня выщелачивание металлов представляет собой технологию, которая успешно конкурирует с другими способами добычи и экстракции металлов. Около 15 % мировой продукции меди связано с кучным выщелачиванием окисленных и смешанных руд. Большая часть добычи приходится на Чили, Аризону и Австралию (Peacey et al., http://www.hatch.ca/non ferrous/articles/). Конкурентоспособность гидрометаллургических технологий обусловлена, во-первых, низкой себестоимостью и трудозатратами и, второе - возможностью вовлечения в эксплуатацию бедных руд. В мировом объеме производства доля экстракционной меди, получаемой по гидрометаллургической технологии SX-EW (жидкостная экстракция — электролиз) за период 1994-1998 гг. увеличилось с 886,4 до 2050 тыс. т. В США, Чили — главных продуцентах меди в мире, удельный вес такой добычи превышает 30 % от общего ее производства. К 1998 г. экстракционная добыча была освоена в 14 странах. Годовая производительность гидрометаллургических установок типа SX-EW достигает 200-250 тыс. т меди (Маренси в США, Чу-кикамата и Эль-Абра в Чили). В США применяют четыре способа выщелачивания полезного компонента: из отвалов некондиционных руд на поверхности земли, из потерянных руд в виде рудной мелочи и целиков после отработки месторождений подземным или открытым (из бортов карьеров) способом, и из рудных месторождений, специально подготовленных к выщелачиванию.
Эксплуатация первого в России комплекса добычи меди из окисленных руд с помощью подземного выщелачивания руды была начата «Русской медной компанией» на месторождении Гумешевское в конце 2005 г. Созданное в Свердловской области производство меди состоит из двух участков: геотехнологического поля, где идет подземный процесс насыщения водного раствора меди, и комплекса экстракции и электровининга, где из полученного раствора получают высококачественные медные катоды марки М00К. В создании экспериментального производства участвовали специалисты ЗАО «Уралги-дромедь» (дочернее предприятие «Русской медной компании») совместно с компанией SNC-Lavalin Europe Ltd (Великобритания). Нужно заметить, что подземное бактериальное окисление сульфидных руд с последующим осаждением меди из растворов на железную стружку успешно применялось при отработке Блявинского и Дегтярского месторождений (Емлин, 1991).
Существуют теоретические предпосылки извлечения меди из техногенных сульфатных вод, возникающих при отработке высокосульфидных месторождений. Однако, эти разработки пока не апробированы. Для карьерных озер некоторых месторождений оценивались ресурсы содержащихся в них металлов. В частности, для месторождения Кабан V запасы меди составляют 274 т при концентрации 0.14 г/л (Емлин, 1991). Созданы опышые приборы для электролитического получения катодной меди, но в силу сложностей экономического характера, в производство эти методы пока не внедрены.
В 50-е - 60-е годы XX века, в эпоху открытия крупнейших южноуральских колчеданных месторождений, извлечение золота из «железных шляп», в основном, проводилось методом амальгамации. Методика цианирования была внедрена на Семеновской ЗИФ -перерабатывались «железные шляпы» месторождений Баймакского рудного района и прилегающих территорий - Семеновского, Тубакаин, Лбей-Саз и др. В настоящее время чановое и кучное выщелачивание методом цианирования производится компанией «Южуралзолото» (Пласшвская ЗИФ), научно-производственной фирмой «Башкирская золото-добывающая компания». На опытной площадке НПФ БЗДК начато опытное бактериальное окисление сульфидных золотоносных руд месторождения Муртыкты. Промышленные штаммы бактерий были созданы на основе полученных из природно-окисленных руд в лаборатории обогащения при МИСИС под руководством Т.В. Башлыковой.
В основе эффекшвного применения любых гидрометаллургических технологий лежит знание минерального состава руд и организация раздельного извлечения и предварительной рудоподготовки, что делает исключительно важным тщательное геолого-минералогическое изучение месторождений окисленных руд.
Стратиформные свинцово-цинковые месторождения
Возраст кор выветривания. В настоящее время господствующей точкой зрения относительно продолжительности и количества эпох корообразования на Урале является точка зрения И.И.Гинзбурга (1947). Им выделяется несколько разновозрастных кор выветривания.
Достоверно в Челябинском и Убоганском угольных бассейнах фиксируется триасовая (дорэтекая или долейасовая) кора выветривания. На Юбилейном месторождении на основании проведенных ранее съемочных работ возраст погребенной коры выветривания оценивается как триасовый (Татарко и др., 1996ф). Это наиболее древний доказанный возрас г зоны окисления сульфидного месторождения на южном Урале.
С начала юрского и до конца мелового периода на территории Урала отмечалась морская трансгрессия, с которой связано захоронение триасовых кор выветривания (Юбилейное, Гайское месторождения), с одной стороны, и формирование каолиновых кор выветривания на поднятиях — с другой (Кушмурунское буроугольное месторождение). Меловыми осадками была перекрыта зона окисления Блявинского месторождения (Шадлун, 1948).
Площадь моря, значительно сократившаяся к верхнему палеоцену, вновь возросла в олигоцене. Однако на повышенных участках и в этот период формировалась кора каолинового типа. Наконец, с плиоцена на Урале исчезают морские бассейны и возрастает роль физического выветривания {Сигов, 1969). На основании геоморфологических реконструкций можно предположить, что на большинстве изученных сульфидных месторождений сульфидные руды были выведены в гипергенную сферу лишь в четвертичную эпоху.
Грунтовые воды сульфидных месторождений отражают геоморфологическое положение и особенности химизма вмещающих их пород. Поровые воды сульфидных месторождений отличаются от фоновых, прежде всего, содержанием микроэлементов. Застойные гидродинамические условия способствуют формированию более концентрированных, кислотных и насыщенных бактериями грунтовых вод.
Согласно оценкам А.Я. Гаева (1989) воды подземного стока рек Южного Урала носят гидрокарбонатный, гидрокарбонатно-сульфатный или гидрокарбонатно-хлоридный характер (рис. 2.2). В пределах Магнитогорско-Орского гидрохимического района развиты три типа гидрогеохимических разрезов. Первый распространен среди пород, отмытых от морских солей, и представлен пресными гидрокарбонатно-кальциево-натриевыми водами. Второй гидрогеохимический тип развит среди юрских и неогеновых осадков, иногда загипсованных. Этот тип представлен солоноватыми до соленых водами хлоридно-натриевого и сульфатно-хлоридно-натриевого состава. Третий тип связан с известняками, имеет локальное распространение и представлен минерализованными сульфатно-натриевыми и карбонатными водами.Кислотность (рН) фоновых подземных вод колеблеіся от 6.3 до 8.2. Близповерхно-стные горизонты имеют слабо-кислую реакцию, а более глубокие, в зависимости от состава породы, - от слабокислой до слабощелочной (в присутствии карбонатов) (Гаев, 1989).
Приведенные составы являются базовыми, на фоне которых в пределах сульфидных месторождений формируются природные, а после вскрытия техногенные гидрогеохимические аномалии, связанные с увеличением роли сульфат-иона и металлов. Наблюдается вертикальная и латеральная зональность химического состава подземных вод, которые можно разделить на рудничные и ореольные. Ореольные воды по составу макрокомпонентов близки к грунтовым данной местности. Рудничные воды более кислые, концентрированные, обогащены SC 42\ мышьяком и рудными элементами, в их составе появляются Fe3+, NH4+ (Emmons, 1917; Смирнов, 1955; Хромова, 1980; Гаев, 1989 и др.). Среди анионов при преобладании SO4 " могут также обнаруживаться НСОз" и СГ. Катионный макрокомплекс чаще всего характеризуется преобладанием Са и Na . Микрокомпонентный состав варьирует в широких пределах. Чем выше кислотность вод, тем больше в ней находится растворенных металлов в ионной и сульфатной формах. В ореольных водах преобладающая форма нахождения металлов — карбонатная (Андреев, Черняев, 1975).
Анализ состава рудничных вод для большого количества колчеданных месторождений Урала был проведен Н.Б. Сергеевым (1996) (рис. 2.3). Была установлена зависимость общей минерализованности вод от степени «пиритности» месторождений, т.е. от количества растворенной серной кислоты и рН. Наши данные о составе вод эксплуатируемых месторождений Летнее, Осеннее, Березняковское с высоким дебитом показывают, что минерализованность трещинных вод в значительной степени зависит от динамики водотока (приложение 2) — чем интенсивнее приток, тем меньше в водах растворенных сульфатов металлов и выше роль литофильных элементов.
Наиболее минерализованы кислые воды бессточных карьерных озер и подотваль-ных мочажин. Именно в этом типе вод зафиксированы самые высокие содержания хлора (приложение 2). Нужно отметить, что содержания хлора повышены в молодых карьерных озерах, а также в рудничных и подотвальных водах. В старых карьерных озерах содержания хлора уменьшаются (рис. 2.4 а, г), одновременно понижается также содержание сульфат-иона, халькофильных элементов и общая минерализованность, а состав вод приближается к фоновому для данной территории. Доля гидрокарбонат-иона среди анионов зависит, прежде всего, от вмещающих пород, хотя тенденция снижения количество НСОз" по мере «старения» карьера сохраняется (рис. 2.4 б). В рудничных и подотвальных водах до ля карбонатов ничтожна, поэтому данный тип вод не приведен на рис. 2.4 б. Сульфатные воды более кислые и характеризуются повышенным Eh по сравнению с карбонатными (рис. 2.5).
Куроко: Джусинское, Александрийское, Бабарыкинское, Контрольное
В группе свинцово-цинковых месторождений, ассоциирующих с терригенными И терригенпо-карбонатными породами, в насюящее время рассматриваются типы SEDEX (седимснтационно-эксгалятивные), MVT (инфильтрационные миссурийского типа), се-ребро-свинцово-цинковые месторождения типа «манто», медь-свинцово-цинковые месторождения шпа Кипуши. Из перечисленных на Южном Урале можно вьщелить близкие к SEDEX и MVT (Контарь, Либарова, 1997).
Месторождения SEDEX имеют преимущественно свинец-цинковую с серебром геохимическую специализацию. Так же, как и колчеданные, они сформировались на морском дне и связаны с гидротермальной активностью на фоне восстановительных осадочных бассейнов. Тип SEDEX включает в себя три подтипа — месторождения, сформированные «на» (собственно седиментационно-эксгалятивные) и «под» (хотя и близко) поверхностью морского дна (так называемый ирландский подтип - Irishype), а также подтип ВНТ (Broken Hillype). Первые два залегают в карбонатных породах и могут иметь черты как сингенетического, так и эпигенетического (типичного для стра- тиформных свинцово-цинковых месторождений миссурийского типа) рудоотложения. Предполагается, что ирландский подтип сходен с MVT, но так как карбонатная матрица легко растворима в умеренно кислых рудоносных растворах, руды здесь связаны с гидротермокарстом, одновременным или близким по времени к седиментации. Месторождения ВНТ высоко метаморфизованы, характеризуются высоким отношением цветных металлов к сере, пространственно ассоциируют с Fe-Si-Mn окисными эксгалитами, а вмещающие породы относятся к контрастным сериям вулканогенно-осадочных пород.
Большинством исследователей признается существование ряда между месторождениями типов SEDEX и VHMS с одной стороны и SEDEX и MVT с другой стороны. Как SEDEX, так и MVT месюрождения локализованы внутри или в основании осадочной толщи и образуются при миграции, часто значительной, рудоносного флюида от источника. Осаждение сульфидов цинка и свинца провоцируется изменением окислительно-восстановительных свойств среды при переходе от фоновых силикатных осадков, характерных для вулканических зон, к углерод- и карбонат-содержащим.
Вмещающие породы месторождений типа SEDEX представлены гемипелагически-ми морскими тонкозернистыми осадочными породами - глинистыми, углеродисто-глинистыми, черными сланцами, а также известняками и доломитами. Руды образуют стратиформные залежи с высоким отношением латеральной протяженности к максимальной стратиграфической мощности, морфология рудных тел ли сто- и линзообразная с мощностью первые десятки метров и протяженностью более километра. Геометрия залежи зависит от того, насколько она удалена от зоны истечения флюида на морское дно и от морфологии дна бассейна, во впадинах которого гидротермальный флюид формирует металлоносный рассол, подобно впадинам Атлантис II и Дискавери в Красном море.
Внутреннее строение рудных тел контролируется близостью к зоне разгрузки флюида В строении месторождений, расположенных вблизи зоны разгрузки, выделяется четыре фации: 1) рудоподводящий комплекс, состоящий из секущих жил сульфидов, карбонатов и силикатов и их вкрапленности, 2) комплекс истечения, 3) слоистые сульфидные руды, содержащие прослои терригенного материала, 4) удаленные гидротермальные осадки, зачастую включающие оксидные минералы.
Руды зоны истечения массивные, в них развиты структуры замещения, жилы и вкрапленность гидротермальных сульфидов, карбонатов и силикатов. Минеральная ассоциация включает пирит, пирротин, галенит, сфалерит, карбонаты железа, доломит, кварц, турмалин, реже мусковит, хлорит, халькопирит, арсенопирит, сульфосоли.
Слоистые фации месторождений SEDEX и MVT состоят из сульфидов, других гидротермальных продуктов, таких как карбонаты, барит, а также обломочных, хемогенных и биогенных осадочных пород. Преобладающим сульфидным минералом является пирит, иногда пирротин. Главными коммерческими минералами являются сфалерит и галенит, реже халькопирит. Отношение сульфидов железа к сульфидам цветных металлов варьирует от менее 1:1 до более чем 5:1. Барит может занимать более 25 % объема гидротермального продукта.
Выклинки рудных тел обычно представляют собой стратифицированные терриген-ные и гидротермальные осадки и содержат ламеллярный пирит и пирротин, карбонаты марганца, железа и кальция, оксиды железа, барит, фосфаты. Контакт между стратифицированными рудными фациями и фоновыми осадками постепенный.
По сравнению с колчеданными месторождениями, рудоподводящая зона и ассоциирующие изменения на месторождениях SEDEX проявлены слабее из-за низких содержаний сульфидов, меньшей реактивности кремнистых осадков по сравнению со стекловатыми вулканическим породами и ограниченным просачиванием морской воды через ге-мипелагические илы. Природа и протяженность гидротермальных изменений и минерализации в зоне питания зависит от минералогии и физических свойсів пород лежачего бока, температуры и химического состава флюида и гидростатического давления морской воды. На Южном Урале стратиформное свинцово-цинковое оруденение обнаружено в породах Западно-Уральской мегазоны, вулканогено-осадочных комплексах іМагнитогор-ской палеоостроводужной системы и в пределах Восточно-Уральского поднятия.
К рифейским іерригенно-карбонатньїм комплексам Западно-Уральской мегазоны приурочено множество мелких месторождений и проявлений свинцово-цинковых руд, которые протягиваются в виде узкой прерывистой полосы на 300 км (Контарь и др., 2001). В основании разреза вмещающих комплексов лежат песчанистые отложения, выше они сменяются аргиллитовыми и карбонатными породами (Широбокова и др., 1986) Оруденение представлено небольшими согласными рудными телами и относительно выдержанными по простиранию горизонтами пород, обогащенных сульфидами. В значительной части ру-допроявлений, наряду с сульфидной, присутствует баритовая минерализации.
На отрезке от Кусы до Бакала протяженностью менее 100 км, известно 14 проявлений, включая Злоказовское, Медведевское и др. В южной части, на широте г. Верхний Ав I зян, локализованы мелкие месторождения и проявления южного рудного узла (Беркутов скос, Балта-Юртовское, Кужинское). В районе нос. Верхне-Аршинский расположены месторождения одноименной групы (Верхне-Аршинское, Аршинское, Северо-Аршинское и др.), представляющих собой ряд линз, залегающих субсогласно с вмещающими доломитами (Осетров, 1959).
Онтогенические особенности вторичных минералов как отражение механизма их осаждения
К медно-порфнровым месторождениям относят скопления вкрапленных, прожил-ково-вкрапленных и прожилковых руд медного и молибденово-медного состава, ассоциирующих с гранитоидными интрузивными образованиями, как правило, обладающих порфировым сложением (Кривцов и др., 1986). Порфировые месторождения весьма разнообразны. Между собой их роднит генетическая связь с малоглубинными гранитоидными интрузивами. Как правило, помимо меди, медно-порфировые месторождения характеризуются повышенными концентрациями молибдена и золота. Сульфиды порфировых месторождений образуют вкрапленность и штокверки. Интрузивы, рудоносные штокверки и продукты гидротермальных изменений составляют единую, близодновременно возникающую порфировую систему.
С точки зрения глобальной металлогении месторождения меднопорфирового типа связаны с окраинно-континентальным и островодужным андезитоидным или андезито-базалыовым вулканизмом (Попов 1977, Кривцов и др., 1986).
Для Урала месторождения меднопорфирового типа нетрадиционны. Их классификация и генетическая интерпретация разработаны явно недостаточно. Впервые месторождения, которые можно отнести к меднопорфировому типу, были систематизированы В.Н. Сазоновым и Е.С. Контарем (1983), затем - Е.С. Контарем и Л. Е. Либаровой (1997) и А.И. Грабежевьш и А.Е. Белгородским (1992). Согласно этим авторам, по палеотектони-ческой позиции, приуроченности к субвулканическим гранитоидным интрузиям, составу руд и продуктивных метасоматитов и, наконец, форме рудных тел и запасам, эти месторождения сопоставимы с типичными эвгеосинклинальными (в современных терминах — энсиматическими островодужными), вторичными эвгеосинклинальными (энсиаличсскими островодужными или, возможно, окраинно-континентальными) объектами. Возраст уральских медно-порфировых месторождений, в основном, позднепалеозойский — верхний девон — нижний (средний) карбон, т.е. совпадающий с завершающими стадиями развития уральского палеоокеана. Следует отметить, что А.И. Грабежев, вслед за Е.С. Контарем, относит к порфировым месторождениям также зоны прожилково-вкрапленной минерализации в орогенньгх гранитоидах.
На Южном Урале выделяют две металлогенические зоны, в которых распространены медно-порфировые месторождения (см. рис. 3.5): 1. Магнитогорская зона, состоящая из Восточно- и Западно-Магнитогорских па-леоостроводужных систем, междугового и задугового бассейнов. Верхние структурные этажи палеоостровных дуг сложены породами андезит-базальтовой формации, и содержат многочисленные синвулканические мелкие дайковые и штоковые тела андезитов, реже — диоритов. С этими телами-связаны бедные прожилковые и прожилково-вкрапленные руды, сопровождаемые типичными гидротермальными метасоматитами. Типичными представителями меднопорфирового оруденения этой зоны являются: Салаватское, Вознесен-ское, Верхнеуральское месторождения, Сабановское рудопроявление. 2. Восточно-Уральская зона сложена, преимущественно, вулканитами непрерывной базальт-андезит-дацит-риолитовой формации, прорванными крупными батолитовыми телами гранитоидов и многофазным комплексом даек. В последнее время зону сопоставляют с Валерьяновской энсиалической островодужной системой раннекарбонового возраста (Пучков, 2000; Herrington et al, 2005). В южной части Восточно-Уральской зоны выделяется две крупные структуры, вмещающих медно-норфировые месторождения — Биргильдин-ская и Новониколаевско-Тарутинская. К Биргильдинской зоне относится Биргильдинская группа медно-порфировых проявлений, включающая месторождения Биргильдинское, Томинское, Мичуринское, Зелёный Дол. К Новониколаевско-Тарутинской структуре приурочены Михеевское, Северо-Бенкалинское, Тахталымское и Повониколаевское месторождения. (Грабежев 1992).
Рудные тела меднопрофировых месторождении имеют, как правило, сложную форму. Их контуры определяются на основании данных опробования и принятого бортового содержания. Оруденение приурочено как к метасоматически измененным порфири-там, так и к вмещающим породам. Для меднопорфировых месторождений характерна ги-погенная латеральная зональность: центральная часть месторождения представлена бор-нитсодержащими пирит-халькопиритовыми рудами, промежуточная зона — халькопирит-пиритовыми рудами, краевая зона — пиритовыми, изредка с повышенным содержанием золота. Иногда в центральной части рудного ш гокверка проявлено так называемое пиритовое ядро. Зональности распределения меди соответствует, хотя и не строго, зональность гидротермальных изменений.
В текстурно-структурном плане гипогенные руды медно-порфировых месторождений разделяются на вкрапленные, прожилковые и прожилково-вкраплепные, которые и составляют основной объем руд. Сульфиды во вкрапленных разностях мелкозернистые, характеризуются простыми взаимными границами, хотя границы с силикатными минералами, особенно - слоистыми (хлоритом, серицитом) могут быть сложными за счет послойного замещения силикатов сульфидами и наоборот. Прожилки очень разнообразны по мощности, форме и минеральному составу. Сульфиды в них также чаще всего образуют выделения простой формы и достаточно больших размеров - десятые доли мм - первые мм и более. С точки зрения рудно-фациального анализа, все руды медно-порфировых месторождений представлены гидротермально-метасоматической фацией, которую можно разбить на субфации замещения (собственно метасоматическую) и субфацию выполнения открытых трещин.
В минеральном составе преобладают пирит и халькопирит, реже магнетит, гематит, молибденит. Акцессорный состав беден (табл. 3.5). Нерудные минералы представлены полевым шпатом (как правило, альбитом, реже — реликтовыми плагиоклазами более высокой основности и совсем редко — калиевым полевым шпатом), кварцем, серицитом, изредка - парагонитом, хлоритом, эпидотом, цоизитом, клиноцоизитом, кальцитом, доломитом. Характерно присутствие рут ила и лейкоксена.
