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 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 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 дифракгометрии на дифракгометрах ДРОН-З.О и ДРОН—4 с использованием СиКаизлучения, с графитовым монохроматором. Для диагностики глинистых минералов проводилось насыщение образцов этиленгликолем и отжиг при 600 °C в течение 1 часа.
Изучение ИК-спектров минералов и пород проводилось на спектрофотометре MPS-2000 производства фирмы «SHIMADZU» (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 Архангельскаямикроскопическое, под бинокулярной лупой, изучение 500 шлифов из 200 образцовпо 250 образцам получено около 500 ИК спектровболее 150 образцов подвергнуто рентгенофазовому анализуоколо 30 образцов исследовано рентгеноструктурным анализом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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:
1. 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.
2. Установленная зональность в накоплении и распределении сапонита в отходах обогащения позволяет обеспечить его эффективное извлечение непосредственно из 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:
1. 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 8095%.
2. 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).
3. 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 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 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 помощьсотрудникам 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 минераловсотруднику 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, Д. Е. Горлову, Л. П. Подкуйко и многим другим, кто помогал в сборе информации, проведении исследований, содействовал и морально поддерживал при выполнении работы.
Основные выводы диссертационной работы:
1. Доказана эффективность применения экспресс-методики для изучения минерального состава и оценки вторичной минерализации на примере исследований кимберлитов трубки Архангельская месторождения им. М. В. Ломоносова.
2. Изучение минерального состава образцов из скважин трубки Архангельская, а также отвальных продуктов обогащения кимберлитов показало наличие в них сапонита в количестве до 99%.
3. Содержание твердой составляющей в отвальных продуктах обогащения кимберлитов (пульпе) непостоянно, массовая доля меняется от 20% до 80%, что можно объяснить качеством (составом) исходной руды.
4. Выведенный в хвостохранилище сапонит образует трудно осаждаемую «сапонитовую суспензию», решение проблем регенерации которого будет благоприятно воздействовать на снижение экологической нагрузки и может положительно воздействовать на экономику Ломоносовского ГОКа.
5. В качестве одного из наиболее эффективных и экономически целесообразных способов осаждения пульпы может являться метод с использованием осадительной центрифуги. При обработке «сапонитовой суспензии» для повышения её фильтрационных качеств и эффективности предполагается использовать песчаный наполнитель из отвалов пустых пород.
6. Намечены основные направления использования кимберлитового сапонита как нового вида минерального сырья многоотраслевого потребления. Рекомендуется разработка специальной программы исследования сапонитов для прикладных целей.
7. Исследования в направлении поиска наиболее эффективного и наименее затратного способа обезвоживания пульпы (суспензии), в составе которой содержится сапонит, следует продолжить.
Автор берет на себя смелость признать, что время обучения в аспирантуре геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и подготовки представленной работы, было не простым и очень напряженным. Из всей проведенной работы, сформулированных выводов и заключений следует, что пройденный этап не может считаться завершающим. Наоборот, он открывает новые перспективы разноплановых исследований. И какая бы не была их направленность (геология, экология или экономика), в основе будут находиться углубленные геолого-минералогические исследования, которые помогут или наметить, или найти нужные практические решения. В этой связи автору будет интересно продолжить начатые исследования с тем, чтобы при разработке месторождения алмазов им. М. В. Ломоносова в возможно короткие сроки было начато комплексное использование минерального сырья (алмазы + высокомагнезиальные глины).
Полученные в процессе настоящих исследований результаты и приведенные рекомендации могут быть учтены в практической работе Ломоносовского ГОКа. Кроме того, они могут быть использованы преподавателями, аспирантами и студентами геологической и экологической специализации.
Заключение
.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы, отражающие научную новизну и практическую значимость работы и позволяющие раскрыть основные тезисы защищаемых положений. В частности:
I. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. 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.
2. С использованием аналитических данных по образцам из скважин на трубке Архангельская впервые смоделировано пространственное распределение глинистых минералов, характер которого согласуется с особенностями минерального состава и внутреннего строения трубки.
3. Впервые высказано предположение о том, что сапонитизация кимберлитов ААП обусловлена длительным воздействием на эти породы 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.
4. Впервые изучены отходы обогащения пород кратерной части трубки Архангельская в составе хвостохранилища и установлена латеральная и вертикальная зональность распределения их при осаждении.
П. Практические и прикладные результаты работ сводятся к следующему:
1. 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.
2. Установленная зональность в накоплении и распределении сапонита в отходах обогащения позволяет обеспечить его эффективное извлечение непосредственно из 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 хвостов обогащения и отвалов пустых пород, а также повышения экономической эффективности разработки месторождения за счет комплексного использования минерального сырья.
