Промышленные типы месторождений полезных ископаемых

ГЕОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ

В данном модуле на основе мирового практического опыта разведки и эксплуатации месторождений различных видов минерального сырья (модули 4 и 5) рассматриваются их промышленные типы во взаимной связи с геологическими факторами размещения (модуль 2) и генетическими моделями (модуль 3). Знание промышленных типов месторождений, в особенности тех, которые определяют профиль специализации, необходимо бакалавру и горному инженеру в их профессиональной деятельности.

Промышленные типы месторождений металлических полезных ископаемых

Месторождения черных металлов Железные руды

Железо входит в состав железоуглеродистых сплавов (чугун, стать), ферромарганца, феррохрома, феррокремния и других сплавов с вольфрамом, ванадием и ниобием, играющих ведущую роль в технике. Исходным минеральным сырьем для их производства служит железная руда.

Главнейшими железосодержащими минералами, определяющими технологическую и промышленную ценность руд, являются магнетит Fe₃(), (72,4% Fe); гематит Fe₂()._} (70% Fc); сидерит FeC0₃ (48,3% Fc); гидрогетит (лимонит) HFe0₂ (62,9% Fe): гетит Fe0₂ • H₂0 (52,0—62,9% Fe); магномагпетит (Mg, Fe)() • Fe₂()._s (24—38% Fe). Псевдоморфозы гематита по магнетиту называются мартитом, а сам процесс такого замещения — мартитизацией.

По содержанию железа выделяют природно богатые и бедные руды. Их соотношение в товарном производстве составляет 1: 4. Богатые руды идут в плавку без предварительного обогащения и классифицируются на доменные и мартеновские.

Требования металлургов к доменным рудам ниже, чем к мартеновским. Содержание железа в магнетитовых рудах должно быть более 50%, гидрогетитовых — более 45%. Для вредных примесей установлен верхний предел, содержащий: серы и фосфора — 0,3% каждого; меди — 0,2%; мышьяка — 0,07%; цинка и свинца — 0,1%; олова — 0,08%. В мартеновских рудах концентрации железа в магнетитовых, гематитовых, гидрогетитовых и смешанных рудах должны быть более 57%; вредных примесей не более: кремнезема — 5%; серы и фосфора — 0,15% каждого; меди, мышьяка, свинца, цинка, хрома, никеля — 0,04% каждого; марганца — 0,5%.

Для руд регламентируется кусковатость: доменные руды на 70—75% должны быть представлены классами 10—100 мм, а мартеновские на 70% — классами 10—250 мм. Руды, содержащие 80—92% класса 10 мм и не более 8—20% класса 10—20 мм, нуждаются в предварительном окусковании.

Важной характеристикой богатых руд является коэффициент основности (К.О.), представляющий собой отношение СаО + MgO / SiO., + Л1₂0₃. При К. О. 1,1 — к основным. Другим показателем качественных свойств руды служит кремневый модуль Si0₂ / Л1₂0._?, величина которого не должна быть ниже 2.

Бедные железные руды, нуждающиеся в обогащении, подразделяются на легкои труднообогатимые. К легкообогатимым относятся железные руды магнетитового состава, прежде всего магнетитовые кварциты. Труднообогатимыми являются руды со скрытокристаллическими и коллоидальными железистыми образованиями. Магнетитовые руды обогащаются методами сухой и мокрой магнитной сепарации, магнетит-гематитовые — магнитно-флотационным (тонковкрапленные руды) и магнитно-гравитационным (крупновкрапленные руды) методами. При наличии в магнетитовых рудах промышленных концентраций апатита, ильменита, редких и редкоземельных металлов, сульфидов кобальта, меди и цинка, боратов и золота, они могут извлекаться флотацией отходов магнитной сепарации. При этом возможно производство апатитового, ильменитового, медного, кобальт-никелевого, бадделеитового, золотосульфидного и борагового селективных концентратов.

В процессе обогащения железных руд получают концентраты с содержанием железа от 48,0 до 69,5%, агломерат и окатыши. Попутные легирующие металлы (титан и ванадий) подобно полезным примесям (никель, кобальт и марганец), могут переходить в продукты металлургического предела, улучшая их свойства, или извлекаться из отходов.

На мировом рынке в 2010 г. цена руды с содержанием железа 67,4% составила 1,62 долл, за 1% Fe в 1 т (БИКИ^[1] от 19.03.2011).

Промышленные типы месторождений железа ассоциируют с магматическими, осадочными и метаморфическими формациями и комплексами, которые входят в состав почти всех генетических групп: магматической, карбонатитовой, скарновой, гидротермальной, осадочно-морской и континентальной, коры выветривания и метаморфогенной.

В магматической группе выделяется титано-магиетитовый комплекс, месторождения которого характеризуются в общем виде как кристаллизационные. Представителем карбонатитовой группы является месторождение Ковдор (см. рис. 3.6).

Группа скарновых магнетитовыхместорождений — одна из самых многочисленных. Из них добывают более 50 млн т товарной железной руды.

В качестве примера рассмотрим отрабатываемое карьером Канарское месторождение как самое крупное в Тургайской железорудной провинции (Кустанайская обл. в Казахстане). Месторождение сложено палеозойской вулканогенно-осадочной толщей андезитовых и пироксенплагиоклазовых порфиритов и их пирокластов с прослоями туффитов, известняков, песчаников и покровами базальтов и андезитов (рис. 6.1). Эта толща смята в брахискладки и разбита сбрососдвиговыми нарушениями. В нижней части разреза выявлены небольшие штокообразные тела гранит-порфиров. На контакте с ними, а также с кварцевыми порфирами образовались пироксен-скаполитовые метасоматиты, по которым развились вкрапленные и массивные магнетитовые руды, сформировавшие пластообразные пологие рудные залежи протяженностью по простиранию до 3,5 км, по падению до 1700 м при мощности 60 м и более. В рудной залежи отмечены следующие средние содержания: железо — 44,9%; сера — 0,42%; фосфор — 0,23%; марганец — 0,15%. В повышенных концентрациях присутствует кобальт.

Рис. 6.1. Геологический разрез Канарского месторождения (по Г. С. Поротову):

• 1 — мезокайнозойские отложения платформенного чехла;
• 2—4 — верхнепалеозойские отложения (2 — аргиллиты,
• 3 — конгломераты, 4 — базальты); 5—9 — красноцветные отложения андреевской свиты (С,) (5 — песчаники и гравелиты, 6 — андезитовые афириты, 7 — гилерстенплагиоклазовые порфирита, 8 — вулканические брекчии плагиоклазовых полифировых порфиригов, 9 — пироксснплагиоклазовые порфириты); 10—13 — отложения соколовской свиты (С,) (10 — слоистые туффиты, 11 — известняки,
• 12 — ангидритсодержащие породы, 13 — вулканические туфы); 14—15 — отложения сарбайской свиты © (14 — вулканические брекчии крупновкрапленных порфиритов,
• 15 — андезитовые порфириты); 16 — кварцевые порфириты;
• 17 — фанит-порфириты; 18 — пироксен-скаполит-альбититовые метасоматиты; 19—20 — магнетитовые руды (19 — богатые,
• 20 — бедные); 21 — мартитовые руды; 22 — разрывные нарушения

Группа гидротермальных месторождений включает крупные магномагнетитовые месторождения, ассоциирующие с траппами Сибирской платформы. Они приурочены к субвертикальным трубкам взрыва, с развитием в зонах сочленения глубинных разломов. Трубки выполнены ксенолитами вмещающих пород и субвулканическими телами основного состава.

В плане они имеют эллипсовидную форму с размером 2,3×0,6 км (Коршуновское месторождение) или 2×1 км (Тагарскос).

Наиболее крупным с разведанными запасами в 637 млн т, является Нерюндинское месторождение. Содержание железа в богатых рудах составляет более 45%.

Группа осадочных морских месторождений объединяет разведанные месторождения: сидеритовые комаровозигазинской группы (Южный Урал), гематитовые (НижнеАнгарское), сидерит-лептохлорит-гидрогетитовые (Керченское, Аятское). По прогнозным ресурсам железных руд в Западно-Сибирском железорудном бассейне эта группа месторождений не имеет себе равных. В пределах бассейна на площади в 66 тыс. км² скважинами вскрыт горизонт осадочных руд. На этой площади известны крупные месторождения, например Бакчарское, расположенное в 200 км к северо-западу от г. Томска. Среди песков и алевролитов залегают четыре горизонта оолитовых лептохлорит-гидрогетитовых руд (рис. 6.2). Бакчарский горизонт имеет мощность.

Рис. 6.2. Геологический разрез Бакчарского месторождения (по А. Бодину, И. Зальцману):

• 1 — пески, суглинки, галечники; 2 — пески; 3 — пески с гравием; 4 — алевриты; 5 — глины; 6 — глины пестроцветные; 7 — глины известковистые; 8 — бурые угли, лигниты; 9 — руда глауконитсидеритовая; 10 — песчаники, алевролиты; 11 — песчаники рудные; 12 — руды оолитовые; 13 — кварцевые кератофиры
• 26 м на площади 700 км², среднее содержание руд следующее: железо — 37,4%; фосфор — 0,38—0,69%; ванадий — 0,13%. Запасы оцениваются в 28 млрд т. Мощность перекрывающих пород изменяется от 155 до 275 м. В них вскрыто пять водоносных горизонтов. Горно-геологические, гидро-геологические и географо-экономические условия на этом месторождении неблагоприятны для его освоения.

Другими условиями характеризуется месторождение Аятское (Казахстан). Здесь на небольшой глубине залегает выдержанный по простиранию и мощности пласт оолитовых лептохлорит-сидеритовых руд. Среднее содержание в рудах составляет: железо — 37,1%; оксид марганца — 0,5— 5,0%; сера — 0,36%; фосфор — 0,4%. Группа осадочных континентальных железорудных месторождений по запасам и промышленной значимости значительно уступает рассмотренной группе месторождений морских осадков. Примером скарнового-титано-магнетитового оруденения служит месторождение Малый Куйбас (рис. 6.3), расположенное в пределах Магнитогорского рудного поля. Оруденение представлено мощными крутопадающими жилами, окруженными орелом богатых вкрапленных ильминитсодержащих магнетитовых руд. В рудах содержится большое количество пирротина и титаномагнетита.

В группу коры выветривания входят бурожелезняковые зоны окисления месторождений — осадочных сидеритовых (Бакальское, Южный Урал), скарновых (Высокогорское, Средний Урал), мартитовых (КМА). Значительную промышленную ценность представляют мартитовые руды в железистых кварцитах. Технологически сложными являются руды месторождения коры выветривания ультраосновных пород.

Группа метаморфогенных железорудных месторождений. Стойленское месторождение магнетитовых кварцитов зеленосланцевой фации метаморфизма сложено архейскими гнейсами и мигматитами, протерозойскими кварцевыми порфирами, амфиболитами михайловской и кварцито-сланцами курской серий (рис. 6.4). В составе последней выделяют три свиты — нижнюю, среднюю и верхнюю. Железистые кварциты приурочены к средней свите. На неровной поверхности железистых кварцитов развиты горизонтально залегающие плащеобразные залежи богатых магнетит-мартитовых и мартитовых остаточных руд. Их средняя мощность составляет 5—15 м. Запасы двух наиболее крупных.

Рис. 63. Геологический разрез через месторождение Малый Куйбас (по В. М. Масейчуку):

• 1 — скарново-магнетитовые руды; 2 — плагиоклазовые и биотитамфибол-плагиоклазовые метасоматиты; 3 — граниты;
• 4 — габбро; 5 — субщелочные базальты;
• 6 — дайки основного состава

залежей оцениваются в 153 млн т, среднее содержание железа — 55%. Запасы железистых кварцитов достигают 2,3 млрд т при среднем содержании железа 35,2%.

Месторождения железных руд по морфологии рудных тел, изменчивости их параметров и качеству руд соответствуют 1—3 группам классификации РФ. Разведка месторождений черных металлов ведется системами скважин. Основное промышленное значение имеют месторождения 1-й и 2-й групп. Месторождения 1-й группы (Керченское, Лиса;

Рис. 6.4. Схема геологического строения и разрез Стойленского месторождения (по Н. Голивкину):

• 1 — терригенные отложения фансрозоя; 2 — диориты;
• 3 — габбродиориты; 4—8— породы курской серии (4 — сланцы верхней свиты, 5 — железистые кварциты средней свиты,
• 6 — сланцы средней свиты, 7 — сланцы нижней свиты,
• 8 — песчаники и конгломераты нижней свиты); 9 — кварцевые порфириты, сланцы и амфиболиты михайловской серии;
• 10 — гнейсы и мигматиты архея; И — богатые железные руды; 12 — тектонические нарушения

ковское, Аятское) представлены крупными горизонтально и полого залегающими пластовыми залежами с выдержанными мощностью и качеством руд. Скважины располагаются по квадратной сети со стороной: для категории запасов А — 200 м, В — 400 м, С[ — 800 м. Рудные тела месторождений 2-й группы (КМА, Кривбасс) дислоцированы, расстояния между скважинами сокращаются в 2—4 раза.

В рудах определяют содержание Fe, FeO, Fe магнетита, Si0₂, MgO, CaO, Mn, P₂0₅, S, As и др.

Хромиты

В промышленных концентрациях хром находится в природных скоплениях минералов группы хромшпинелидов, образующих сплошные и густовкрапленные руды. Хромшпинелиды, выражающиеся пятикомпонентной системой (Mg, Fe)²⁺ (Al, Cr, Fe)|⁺0₄, характеризуются изоморфизмом входящих в нее металлических элементов. От этого зависит состав хромшпинелидов.

Основными минералами группы хромшпинелидов являются следующие минеральные виды: магнохромит MgFcCr₂0₄ (Cr₂O_s — 50—65%), хромпикотит (35—55%) и алюмохромит (Mg, Fe)(CrAl)₂0₄ (35—50%). Визуально они не различимы и называются хромитами.

Качественный состав хромшпинелидов и их содержание в руде обусловливают технологию ее переработки и области использования. Руды с низкими концентрациями хромшпинелидов или вредными примесями (СаО, Р) нуждаются в обогащении. Руды с содержанием Сг₂0₃ > 45% и Si0₂ < 10% при отношении Cr₂0₃/Fe0 > 2,5 относят к металлургическим сортам. Их используют для производства феррохрома. Высокоглиноземистые руды с содержанием Сг₂0₃ — 32—45%, А1₂0₃ > 15% и СаО < 1% служат для изготовления огнеупоров.

В странах СНГ 95% запасов хромитов в основном металлургических сортов сосредоточено в кемпирсайской группе месторождений (Южный Урал, Казахстан), 5% высокоглиноземистых — на Сарановском месторождении (Средний Урал). По запасам хромитов Казахстан занимает 1-е место и экспортирует руды металлургических сортов. Мировые запасы хромитов оцениваются в 3,5 млрд т, добыча — более чем в 13 млн т, из них 60% приходится на Казахстан, ЮАР и Зимбабве, остальные — на Турцию, Филиппины и Индию. Цена 1 т хромитовой руды металлургических сортов составляет 185−250 долл., для огнеупоров — 370−450. Цена 1 т хрома составляет 13−14 тыс. долл. (ВИКИ от 17.03.2011). Промышленные типы хромитовых месторождений ассоциируют с офиолитовыми габбро-анортозит-пироксеновым и протоплатформенным расслоенным мафит-ультрамафитовым (базальтоидным) комплексами. Кроме того, известны незначительные по запасам хромитов элювиальные и элювиально-делювиальные россыпи.

Среди офиолитового комплекса по многочисленности месторождений хромитов металлургических сортов выделяется Кемпирсайский массив (Южный Урал, Казахстан). Из 160 месторождений массива 17 являются промышленными, из которых широко известно Алмаз-Жемчужина (рис. 6.5).

Высокохромистые руды локализованы в дунитовых обособлениях среди гарцбургитов глубоких горизонтов Центрального рудного поля. Высокоглиноземистые руды залегают в других рудных полях массива, в мелких дунитовых телах среди гарцбургитов более высоких стратиграфических горизонтов. Рудные тела имеют залегание, близкое к горизонтальному, и наклонное (до 50°) на восток. Часть этих тел склоняется на север, другие — на юг. Жилообразные, реже шлирообразные тела с четкими контактами имеют размеры по протяженности от десятков метров до 1,5 км при мощности до 180 м. Они разделяются обособлениями дунитов, иногда перидотитов и субширотными разрывными нарушениями разбиты на отдельные перемещенные блоки.

Рис. 6.5. Продольный разрез хромитового месторождения Алмаз-Жемчужина (по М. Ф. Шульгину и др.):

• 1 — дуниты; 2 — гарцбургиты; 3 — дунит-гарцбургиты;
• 4 — хромитовые руды; 5 — отработанная часть рудного тела;
• 6 — разрывные нарушения; 7 — контур карьера

Текстура руд преимущественно вкрапленная, массивная и нодулярная. Среди вкрапленных руд по насыщенности вкрапленниками выделяют густо-, среднеи редковкрапленные, а по размерам зерен хромшпинелидов — мелко- (до 1 мм), среднеи крупнозернистые (> 3 мм).

На месторождении Алмаз-Жемчужина содержание Сг₂0₃ в сплошных рудах составляет 58%, густовкрапленных — 50—57%, средневкрапленных — 37—49% и редковкрапленных — 28—36% при следующих средних содержаниях: Сг₂0₃ — 49,05%; Si0₂ — 8,1%; СаО — 0,42%; Р — 0,002%.

Примером смешанных бедных и богатых высокохромистых руд служит месторождение Центральное, расположенное в массиве Рай-Из на полярном Урале. Месторождение залегает в краевой части крупного дунитового тела и гарцбургитов, насыщенных шлирово-полосчатыми выделениями дунитов, и представляет собой хромитоносную зону протяженностью до 1700 м, шириной 400—450 м (рис. 6.6).

Месторождения дифференцированных базалътоидных интрузивов протоплатформ сосредоточены на юге Африки в Бушвельдском дополите, имеющем площадь 20 тыс. км² и мощность 7,5 км, и в Великой Дайке, протягивающейся в близмеридиональном направлении более чем на 500 км при мощности 3—10 км. В Бушвельдском расслоенном интрузиве в вертикальном разрезе выделяют несколько зон. Одна из них, Критическая, мощностью около 1 км, сложена норитами с прослоями пироксенитов, анортозитов и перидотитов, в которых сосредоточены страгиформные залежи хромитов.

В норитах распространены ликвационные платиноносные медно-никелевые месторождения (горизонт Меренского). Залегающие выше Критической зоны габбронориты и анортозиты Главной зоны мощностью от 0,2 до 1,8 м прослеживаются на многие километры. Качество руд низкое. Отношение Сг₂О_э к FeO изменяется от 1,5 до 2,0. Запасы хромитов оценены в 500 млн т при содержании Сг₂0₃ 50%.

Месторождения хромовых руд соответствуют 2-й и 3-й группам классификации ГКЗ РФ. Ко 2-й группе относятся месторождения (Алмаз-Жемчужина) с крупными линзои жилообразными залежами протяженностью по простиранию более 300 м. Скважины располагаются по следующей сети: 40—80 ^х 20—60 м для запасов категории В; 80—120×40—80 м для запасов категории С,. В рудах определяют содержания Cr₂0₃, FeO, Si0₂, СаО, Р₂0₃. Предельно допустимые относительные среднеквадратичные погрешности анализов (Р) Сг₂0₃ по классам содержаний 40—60, 20—40, 10—20 и 5—10% соответственно составляют 1,2, 1,8, 2,5 и 3,0%, т. е. чем выше содержание, тем меньше Р_тчх.

Рис. 6.6. Геологический план (а) и разрезы (б)месторождения Центральное, массив Рай-Из (по Б. В. Перевозчикову):

• 1 — дуниты; 2 — гарцбургиты со шлирово-полосчатыми выделениями дунитов (а — до 10%, б — 10—30%, в — 30—50%, г — свыше 50%); 3 — хромитовые тела и их номера;
• 4 — диабазы; 5 — талькиты; 6 — геологические границы;
• 7 — зона Полойшорского разрыва; 8 — тектонические разрывы и их номера; 9 — полосчатость гарцбургитов; 10 — склонение хромитовых и дунитовых тел с указанием угла (градус);
• 11 — линии геологических разрезов

• [1] БИКИ — Бюллетень иностранной коммерческой информации.