ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ
"РАЗВЕДКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ"
ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ "ГОРНОЕ ДЕЛО" (I КУРС)
Лекция 1
Общие сведения о месторождениях полезных ископаемых
Основные понятия.
Морфология и элементы залегания тел полезных ископаемых
Вещественный состав, структуры и текстуры руд.
Влияния морфологии тел, состава, структуры и текстуры на технологию разработки и переработки полезных ископаемых.
Основные понятия
Полезное ископаемое – это естественное скопление на поверхности континентов, дне морей и океанов или в недрах природного минерального образования в твердом, жидком или газообразном состоянии. В процессе геологоразведочных работ выявляют их пространственные очертания, формы, размеры, количественную и качественную характеристики, и при экономической их значимости они могут стать минеральными ресурсами.
По технологическим особенностям, обусловливающим области использования полезных ископаемых, их разделяют на металлические, неметаллические, горючие (каустобиолиты) и гидроминеральные. В геологической литературе металлические полезные ископаемые традиционно отождествляют с рудными, а неметаллические, ошибочно, с нерудными полезными ископаемыми. В действительности как металлические, так и частично неметаллические полезные ископаемые являются рудными образованиями. Понятие "неметаллические" лишь отрицает принадлежность к металлическим образованиям, поэтому к ним часто добавляют определение "твердые", поскольку они, как и металлические полезные ископаемые, находятся, за редким исключением, в твердом состоянии.
Горючие и гидроминеральные полезные ископаемые могут быть в твердой, жидкой или газообразной фазах.
Металлические и некоторые твердые неметаллические полезные ископаемые извлекаются из руд. Рудой называется горная минеральная масса, содержащая один или более ценных компонентов в количестве, обеспечивающем возмещение затрат на их извлечение.
Часть минеральных ресурсов в результате разведочных работ трансформируется в запасы, переходящие в процессе их разработки в минеральное сырье. Запасы обладают стоимостью возникшей в процессе их поисков и разведки. Ее реализация осуществляется в процессе их эксплуатации и включается в стоимость минерального сырья, которая выражается в оптовых ценах.
Твердое минеральное сырье, предназначенное для технологической переработки, называется товарной рудой. Часть неметаллического минерального сырья и твердых каустобиолитов, подобно жидкому и газообразному сырью, используется без предварительной переработки.
Размещение минеральных ресурсов контролируется локальными и региональными структурами. Минеральные ресурсы приуроченные к локальным структурам, концентрируются в месторождения. Другими словами, месторождение представляет собой скопление полезного ископаемого, занимающее определенное пространственное положение в локальной геологической структуре и характеризующееся практически значимыми качественными и количественными показателями. Месторождение может быть промышленным, если, согласно утвержденным кондициям, оно имеет балансовые запасы, и непромышленным, если использование его запасов в настоящее время экономически нецелесообразно или технически и технологически невозможно.
Тела, или залежи, представляют собой продуктивные части месторождения, имеющие природные геолого-структурные границы или условные контуры, устанавливаемые по результатам опробования и соответствующим кондиционным параметрам. Их внутреннее строение характеризуется неоднородностью слагающих элементов. Встречаются участки повышенных концентраций полезных компонентов и участки, практически лишенные их. При достаточно высокой плотности участков повышенных концентраций тело становится рудным телом. Близким по значению является понятие рудная залежь.
Рудное тело характеризуется рудонасыщенностью или рудоносностью, рудная залежь – продуктивностью.
На месторождении может быть одно-два, чаще несколько рудных тел или залежей.
Небольшие скопления рудных образований в локальных геологических структурах называют рудопроявлениями. Незначительное по размерам рудопроявление называют рудной, или минерализованной, точкой.
Площадь распространения сближенных в общей локальной геологической структуре генетически связанных месторождений или рудопроявлений представляет собой рудное поле.
Размещение рудных полей районов (узлов), зон, поясов и провинций, а также бассейнов различной минерально-сырьевой специализации контролируется региональными структурами в совокупности с другими геологическими факторами. Изучением этих вопросов занимается специальная наука – металлогения, или минерагения.
Для познания геологических закономерностей размещения месторождений полезных ископаемых важными являются понятия о геологических формациях, фациях, рудных формациях и комплексах. Отметим лишь те характеристики этих понятий, которые будут необходимы для рассмотрения рудопродуктивных структурно-формационных комплексов.
Из разнообразия геологических формаций рассмотрим магматические, осадочные и метаморфические. Эти формации объединяют близкие по составу и происхождению сообщества (парагенезы) горных пород, образующие геологические тела в определенных структурных элементах земной коры, С такими парагенетическими ассоциациями горных пород связаны конкретные рудные формации.
Рудная формация объединяет близкие по происхождению минеральному составу, набору основных и сопутствующих полезных компонентов рудообразования генетически или парагенетически связанные с определенными (магматические, осадочные или метаморфические) формациями.
По Ю.А. Билибину, рудный комплекс является как бы синонимом рудной формации. С технолого-экономических позиций рудными комплексами являются парагенетические ассоциации в месторождениях основных и сопутствующих полезных компонентов, при соотношении их промышленной ценности от паритета до минимума, обеспечивающего техническую возможность и экономическую целесообразность комплексного использования руд.
Фации указывают на общность геологических условий формирования определенных рудопродуктивных формационных комплексов. Они будут рассмотрены в следующей главе.
Число месторождений, отличающихся по вещественному составу, условиям образования и локализации, во всем мире достигает многих десятков тысяч и продолжает непрерывно увеличиваться. Только месторождений металлических руд выявлено более 20 тыс. Поэтому необходимо совершенствование их систематизации, имеющей большое практическое значение для повышения эффективности поисков, разведки, геолого-экономической оценки, технологии добычи и переработки минерального сырья. При этом учитываются как отдельные признаки так и их совокупности.
Универсальное значение имеют генетические, промышленные и структурно-морфологические модели месторождений, учитывающие совокупность определяющих их признаков, или факторов.
Генетические модели составлены по факторам, позволяющим реконструировать общие условия и процессы образования. Их составляют для магматогенной, экзогенной и метаморфогенной групп месторождений. Магматогенная группа объединяет магматический, карбонатитовый, пегматитовый, скарновый, альбитит-грейзеновый и гидротермальный классы месторождений. К экзогенной группе откосятся месторождения выветривания и осадочные. Осадочные подразделены на обломочные и россыпные, биогенные, хемогенные и вулканогенно-осадочные. Наряду с ними выделяют стратиформные месторождения. Метаморфогенные делятся на метаморфизованные и метаморфические.
На основе генетических моделей можно выделить одноименные промышленные типы месторождений. Иногда внутри таких промышленных генетических группировок выделяют рудные формации.
При формировании общих моделей промышленных типов учитывают минералого-геохимические и технологические характеристики и области использования полезных ископаемых. Их подразделяют на металлические, неметаллические и горючие, или каустобиолитовые.
Металлические полезные ископаемые – подразделены на черные (Fe, Мп, Сг) легирующие тугоплавкие (Ті, V, W, Mo, Ni, Со), цветные (Al, Си, Pb, Zn, Mg, Sn, ВІ, Sb, Hg), драгоценные (Au, Ag, платиноиды) и металлы радиоэлектроники и ядер но-космической техники, включающие редкие литофильные (Be, Zr, Lit Nb, Та, Cs, Rb, Hf и Sr), в том числе и редкоземельные (TR), халькофильные (Cd, Са, Ge, In, Re, Ті, Те, Se), сидерофильный Se, а также радиоактивные (U, Th).
Неметаллические полезные ископаемые объединяют индустриальное, химическое и строительное сырье; каустобиолиты – ископаемые угли, горючие сланцы, нефть и твердые битумы, природные горючие
Каждый вид металлических и неметаллических полезных ископаемых характеризуется определенными структурно-морфологическими параметрами рудных тел, или залежей и условиями залегания.
Морфология и элементы залегания тел полезных ископаемых
Месторождения по запасам минеральных ресурсов подразделяются на уникальные, крупные, средние и мелкие; по площади они могут быть мелкими, средними и большими, иногда в десятки километров. Это зависит от морфологии тел и условий их залегания факторов, влияющих на выбор разведочных систем, формы и плотности сети горных выработок и скважин, способа вскрытия и системы разработки.
Морфология (морфо-форма) тел полезных ископаемых определяется их очертаниями в различных плоскостях. Приняв за основу очертания тел в трех системах плоскостей (разрезов), взаимопересекающихся под прямыми углами, можно получить приближенные модели их объемной конфигурации в пространстве. Чем меньше расстояния между разрезами в каждой системе, тем точнее объемная модель отражает форму тел.
Форма тел полезных ископаемых тесно связана с условиями их образования и во многом определяется структурными факторами. По времени образования относительно вмещающих пород тела полезных ископаемых разделяются на сингенетические, образовавшиеся с ними одновременно, и эпигенетические, возникшие позднее.
Форма тел полезных ископаемых может быть самой разнообразной. Однако учитывая специфику их отработки и применяемые при этом технические средства, отмечают общую тенденцию к упрощению форм при оконтуривании. Обычно они приводятся к объемам, ограниченным плоскими поверхностями.
По соотношению площадей рудных контуров в трех системах разрезов выделяются изометричные, плоские и вытянутые вдоль одной оси тела. В изометричных телах рудоносные площади во всех системах плоскостей приблизительно равновелики, К ним относятся штокверки, штоки, гнезда и шлиры.
Штокверки – это большеобъёмные (от сотых долей до n · 1км3) блоковые структуры, сложной формы, насыщенные жилами, прожилками и участками вкрапленной рудной минерализации, пригодными для валовой отработки. Они могут быть изотропными, если величина изменчивости по всем трем системам разрезов одинаковая, или анизотропными при различной степени изменчивости. Анизотропное строение чаще всего обусловлено развитием разноориентированных систем трещин с рудной минерализацией (рис. 8).
Рис. 8. Блок-диаграмма рудного штокверка, По В.И. Смирнову: 1 – граниты; 2 – рассеянная рудная минерализация; 3 – рудные жилы и прожилки
Шток характеризуется значительными размерами концентрацией полезных компонентов. В рудном штоке бывают интенсивно проявлены метасоматические процессы, приводящие к образованию свинцово-цинковых залежей. Известны штоки метаморфизованных железных руд, например, месторождения Кривого Рога. Нередко отмечается секущее положение штока, Например, соляной диапир в Прикаспийской впадине.
Гнездо в отличие от штока имеет меньшие размеры, изометричную форму и слабоволнистые контуры. Гнездовое оруденение характерно для сурьмяных, и в особенности ртутных, месторождений.
Шлиры – это небольших размеров минеральные обособления, не имеющие резких переходов во вмещающие их изверженные породы.
Плоские тела также моделируют в трех взаимно ортогональных системах разрезов в соответствии с направлениями анизотропии. Направление максимальной изменчивости совпадает с мощностью, а минимальное и промежуточное – соответственно с простиранием и падением (шириной) тела. Последние два, наиболее протяженные направления находятся в продольной плоскости. Поперечным плоскостям соответствуют одно короткое измерение (мощность) и другое – либо по простиранию, либо по падению. К плоским тепам относятся простые и сложные пласты и жилы. Их проецируют при пологом залегании на горизонтальную, а при крутом падении на вертикальную плоскости. Эти проекции, удобные в практическом отношении, используются при проектировании разведочных и эксплуатационных горных выработок и скважин, подсчете запасов. Проекции, поперечные к простиранию, – разрезы – и падению – погоризонтные планы, являются наиболее информативными моделями глубинной структуры месторождения, морфологии и внутреннего строения его рудных тел и вмещающих пород.
Пластовые залежи характерны для экзогенных, некоторых позднекристаллизационных магматических и вулканогенных гидротермальных месторождений, а пластообразные для ликвационио-магматических, скарновых и альбитит-грейзеновых месторождений. Пластовые тела большей частью сингенетичные с осадочными и вулканогеннo-осадочными формациями и иногда занимают большие территории.
Тела жильной формы распространены: почти во всех эндогенных месторождениях, особенно в гидротермальных. Жильные тела могут быть секущими или согласными.
Известны разнообразные формы жил (рис, 9, а, в, г, д, е), Простые жилы имеют форму плит. Сложные жилы могут быть ветвящимися, линзовидными, четковидными, камерными, лестничными. Ответвления и прожилки, отходящие от жил во вмещающие боковые породы, называются апофизами. Последние могут быть значительных размеров и даже разрабатываться. По взаимному расположению жилы делятся: на радиальные, кулисообразные, параллельные и другие, а также прожилковые зоны. Они избирательно приурочены к определенным структурно-формационым комплексам.
Тела, линейно вытянутые по одной оси, имеют трубчатую или удлиненную призматическую форму. Для них информативной является система разрезов (сечений), ортогональных к оси тела, совпадающей с единственным направлением анизотропии, поскольку в плоскости кругового сечения тело практически изотропно. Трубчатые тела характерны для магматических, карбонатитовых и скарновых месторождений (см.рис. б, в, е).
Рис. 9. Секущие жильные и трубчатые рудные тела. По А.В. Королеву, П.А. Шехтману:
а – жила; б – рудный столб; в – трубчатая жила сплошная; г – сплошная жила; д – лестничные жилы; е – трубчатая жила кольцевая.
Залегание тел полезных ископаемых по отношению к вмещающим слоистым породам может быть секущим (см.рис. 9) или согласным (рис. 10), а по отношению к интрудирующим магматическим породам выделяют контактовые рудные тела (рис. 11).
Элементы залегания тел полезных ископаемых определяются в градусах относительно географических координат (это азимуты простирания и падения, от 0 до 360о) и горизонта (угол падения, от 0 до 90о) (рис, 12, а, б). Азимут простирания – это угол, образованный между линией пересечения тела с горизонтальной плоскостью и географическим меридианом. Азимут падения
указывает направление падения относительно стран света (СВ, ЮВ, ЮЗ, ЮВ), отличаясь от азимута простирания на 900.
По величине угла падения рудных тел различают залегание: субгоризонтальное (до 5°), пологое (5-25°), наклонное (25-45о), крутое (45-85°) и субвертикальное (>85о).
Рис. 11. Контактовые рудные тепа. По А.Б. Королеву, П.А. Шехтману:
а – пластообразная рудная залежь; б – линзовидная рудная залежь; в – линза.
Кроме того, к элементам залегания относятся углы склонения и ныряния, характерные соответственно для жилообразных и трубчатых тел. Угол склонения образуется между направлением наибольшей вытянутости тела в плоскости падения и линией простирания (см. рис. 12, б). Угол ныряния, или скатывания, трубчатых тел замеряется между осью тела и ее горизонтальной проекцией (рис. 13).
Рис. 12. Элементы залегания жильной зоны и ее рудных столбов:
а – план; б – продольный разрез или проекция на вертикальную плоскость; в – поперечный разрез; 1 – гранодиорит-порфиры; 2 – участки "пережимов" и выклинивания на флангах жильной зоны; 3 – участки "раздувов" (на проекции – рудные столбы) жильной зоны; 4 – ось рудного столба; 5 – направление азимута падения и угол падения; 6 – горизонтальная линия.
α1, α2, α3 – углы склонения рудных столбов; β – угол падения жильной зоны