Рудообразующие минералы и их роль в хозяйственной деятельности человека

Рудой называют природное минеральное соединение, содержащее один или несколько минералов, в которых концентрация металлов настолько велика, что это делает экономически выгодной их разработку. Рудным минералом называют минерал, заключающий какойлибо металл. Лишь немногие металлы встречаются в элементарной форме в самородном состоянии. В основном это золото, платина и серебро. Но абсолютное большинство металлов встречается в минералах в соединении с другими химическими элементами. Это наблюдается :

• -в сульфидах: галенит (PbS) — руда на свинец, цинк (сфалерит ZnS), ртуть (киноварь HgS), медь (халькопирит CuFeS₂), пирит (железный колчедан FeS₂)
• — в оксидах: гематит Fe2O3, магнетит Fe2+Fe2 3+O4, пиролюзит MnO2, касситерит SnO2, рутилTiO2, хромит FeCr2O4, ильменит FeTiO3, уранинит UO2, а из гидрооксидов — брусит Mg (OH)2, гётит HFеO2, гидрогётит HFeO2 · n H2O, гиббсит Al (OH)3.Они являются важным сырьем для получения металлов.
• -в карбонатах: сидерит (железистый шпат) FeCO₃— руда на железо.

В большинстве руд рудные минералы встречаются с большим количеством пустой и вмещающей породы. Пустая порода-это не представляющее ценности и обычно не содержащие значительной концентрации металла минералы, образовавшиеся вместе с рудой. Вмещающая породаэто порода окружающая руду. Довольно часто руда не имеет четко выраженных границ с вмещающей породой и они постепенно переходят друг в друга. Вследствие этого большой объем вмещающей породы извлекается при разработке вместе с рудой и только затем удаляется в процессе обогащения на горно-обогатительных комбинатах.

Многие руды обладают комплексным характером, так как заключают два и более минералов с разными металлами. Так, в медной руде часто содержится некоторое количество серебра и золота и в значительных количествах железо.

В зависимости от происхождения рудные минералы разделяют на восемь групп (таб.3.3).

Таблица 3.3 Генетические типы руд и рудных минералов [ 4 ].

Магматические полезные ископаемые формируются путем дифференциации выделяющихся из магмы в результате ранней кристаллизации и оседания тяжелых рудных минералов и компонентов. Значительная часть этих полезных ископаемых встречается в основании силлов или дайках. В раннемагматический этап могут формироваться хромовые, платиновые руды в ультраосновных горных породах. К раннемагматическим относятся хромовые, платиновые и медно-никелевые руды в платформенных массивах оливинитов, перидотитов и габбро, эти руды формируются здесь в результате особого процесса — ликвации магмы.

В позднемагматический этап образуются разные руды редких металлов — вольфрама, молибдена, олова, тантала, ниобия и др., которые накапливаются в остаточных расплавах и кристаллизуются на гидротермально-пневматолитовой стадии магматического процесса. На этой стадии происходит формирование жильных пород, обогащенных рудными минералами: молибденитом, вольфрамитом, шеелитом и др.

Пегматиты относятся к продуктам магматической дифференциации, но характеризуется тем, что содержит не тяжелые, а легкие компоненты магмы. Как правило, они представлены крупными кристаллами. В некоторых пегматитах имеются кристаллы турмалина (минерал бора) и апатита с фтором и реже хлором. В некоторых пегматитах имеются крупные скопления драгоценных камней (изумруда, топаза, рубина и др.) Полагают, что присутствие бора, фтора и хлора способствует росту кристаллов до необычайно больших размеров. Водяной пар и другие газы поддерживают магматический расплав в жидком состоянии, облегчая тем самым образование крупных кристаллов. Пегматиты обычно расположены в верхней части батолитов или вблизи нее. Редкометалльные пегматиты. Содержат большое количество четных минералов с Nb, Ta, Ti, Zr, Th, U, Y.

Руды контактного метаморфизма возникают в результате замещения материала вмещающих пород при внедрении интрузии. Замещение происходит при помощи растворов, выделяющихся из магматической интрузии. Руды этого типа встречаются в приконтактовой части магматических и осадочных пород, в особенности в известняках и известковистых глинах. Минералы сульфидов, такие как пирит и халькопирит, оксиды (гематит и магнетит), и нерудные минералы пустой породы формируются одновременно и взаимно прорастают друг в друга.

Металлические руды, сформированные в условиях высокой температуры (300−500) на большой глубине, залегают вокруг гранитных штоков и батолитов. Некоторые руды заполняют трещины или замещают избирательно вмещающие породы (рис. 3.6).

Другая группа образуется при умеренных температурах (200−300) и на умеренной глубине (1−2 км). Ассоциированные с такими минералами вмещающие породы подвергнуты полной гидротермальной переработке и превращены в метаморфические породы.

Рис. 3.6 Разрез рудной залежи контактово-метаморфического происхождения [1]

Руды, выделяющиеся из низкотемпературных магматических растворов (100−200) на глубине около 1 км и менее, как правило, распространены в областях молодого в геологическом смысле вулканизма. Примыкающие к этим рудам породы сильно изменены. Руды залегают в форме жил или систем жил либо замещают породы.

Некоторые руды металлов образуются из гидротермальных растворов на небольшой глубине и при низкой температуре, но при этом на значительном удалении от предполагаемого магматического очага. Частично они выделяются из прохладных ювениальных вод. В гидротермальных месторождениях распространены минералы таких важнейших для промышленности элементов как цветные металлы — Cu, Pb, Zn; редкие металлы — W, Sn, Mo, Ni, Co, Bi, As, Sb, Hg, Te; благородные металлы — Au и Ag; радиоактивные металлы — U; отчасти редкие земли и иногда черные металлы — Fe и Mn. Главная масса металлогенных элементов концентрируется в виде сульфидов, арсенидов, в меньшей степени в виде самородных металлов (Ag, Au, Bi, Cu, As, Sb, Te), отчасти в виде кислородных соединений (Sn, W, Fe, Mn и др.). Гидротермальные рудные месторождения характеризуются широким разнообразием минеральных ассоциаций, которые зависят, в первую очередь от состава гидротермальных растворов и состава вмещающих пород.

Рассмотрим наиболее распространенные типичные гидротермальные месторождения.

Золотосодержащие кварцевые жилы чаще всего не содержат примесей других минералов, хотя в некоторых случаях (как, например, Березовское месторождение, Ю. Урал) содержат сульфиды — пирит, галенит, халькопирит, арсенопирит и др.

Гидротермальные месторождения сульфидных руд являются наиболее распространенными (Урал). По своему минеральному составу они весьма разнообразны и различаются по промышленному содержанию в них того или иного металла: медные, свинцово-цинковые, полиметаллические, мышьяковые, ртутные, сурьмяные и др.

Флюоритовые месторождения являются типично гидротермальными (Забайкалье). Флюорит как спутник встречается во многих гидротермальных и метасоматических месторождениях, однако в некоторых случаях при низкотемпературном гидротермальном процессе флюорит может образовывать самостоятельные месторождения. В ассоциации с флюоритом в небольших количествах может присутствовать пирит, марказит, халькопирит, галенит, кварц, кальцит, иногда гематит, барит, халцедон, адуляр и др.

Баритовые гидротермальные месторождения образуются не глубоко вблизи поверхности в условиях низких температур (месторождения Грузии). Наряду с преобладающим баритом могут присутствовать сульфиды (пирит, галенит, халькопирит, сфалерит и др.), сидерит, кварц, цеолиты, а иногда окислы железа — гематит.

Руды урана и ванадия являются породами осадочного происхождения, которые приурочены к линзам песчаников и конгломератов. Эти металлы тонко рассеяны и инкрустируют трещины и плоскости напластования. Они встречаются также в виде удлиненных прожилков и нередко замещают ископаемые остатки древесины и материал окаменевших костей позвоночных.

Концентрация рудных минералов, связанных с осадочными породами и осадочными процессами, может быть объяснена:

• -накоплением остаточных продуктов выветривания, которые располагаются в верхних горизонтах кор выветривания;
• -приуроченность к россыпям;
• -хемогенным осадконакоплением.

Процесс выветривания — типично экзогенное явление, приводящее к образованию тонкодисперсных минеральных образований, которые возникают в результате сложных реакций с O₂, CO₂, воздухом и H₂O, а также в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Все эти реакции приводят к разложению минералов до кашеобразного (пылеобразного) состояния. В первую очередь разлагаются те минералы, которые содержат в своем составе элементы в низших степенях валентности (Fe²⁺ в сидерите и пироксене, S²⁺ в сульфидах, др.), или элемент, способные давать с СО2 легкорастворимые бикарбонаты (например, Na и К в плагиоклазе, Mg²⁺ в оливине, серпентине и др.). При окислении происходит гидролиз растворимых солей с выпадением гидроокислов сильно поляризующих катионов с малыми размерами ионных радиусов (Fe³⁺, Al³⁺, Si⁴⁺, Mn⁴⁺ и др.).

В медно-сульфидных месторождениях богатых притом, халькопиритом и другими сульфидами меди, в зоне окисления образуются нерастворимые гидроксиды железа — лимонит, гётит (железная шляпа). Медь же в виде легкорастворимого сульфата мигрирует к уровню грунтовых вод. Следовательно зона окисления сильно обедняется медью. Наоборот, в зоне вторичного сульфидного обогащения происходит накопление меди в рудах за счет образования вторичных, богатых медью сульфидов — ковеллина, халькозина, иногда борнита, возникших на месте первичных сульфидов в результате реакций их с медьсодержащими растворами. Таким образом, если в железной шляпе наблюдаются хотя бы признаки кислородных соединений меди — малахита, азурита, хризоколлы и др., то можно быть уверенным в том, что ниже уровня грунтовых вод будет располагаться обогащенная медью зона вторичных сульфидов. В районах с жарким и сухим климатом при малом выпадении осадков окисление руд происходит медленнее.

В случае окисления бедных серой халькозиновых руд образуются куприт и самородная медь. Иногда сульфаты меди — халькантит, брошантит, силикаты меди — диоптаз (ашарит), хризоколла. В жарком и сухом климате образуются ярозит, мелантерит.

В свинцово-цинковых месторождениях, богатых сфалеритом и галенитом, кроме лимонита, который образуется за счет вездесущего пирита, присутствуют вторичные минералы свинца: англезит (PbSO₄) образуется за счет галенита, иногда тонкой пленкой обволакивая остатки чистого галенита. Иногда образуется церуссит, пироморфит, ванадинит, крокоит и др. Крупноразмерный ион свинца дает устойчивые соединения с крупными комплексными анионами — SO₄, PO₄, AsO₄, VO₄, CrO₄ и др.

Цинк ведет себя по-другому — он в виде растворимого в воде сульфата почти полностью выносится из зоны окисления. Если в нижних горизонтах или боковых зонах встречаются известняки, то образуются смитсонитовые руды Zn (CO₃). Если нижние горизонты и боковые породы сложены сланцами или другими неактивными в химическом отношении породами, то цинк с растворами достигает грунтовых вод и уходит за пределы месторождения. Иногда в зоне окисления встречаются силикаты Zn — каламин, виллемит, изредка фосфаты, арсенаты и др. Таким образом свинец и цинк тесно связанные друг с другом в эндогенном минералообразовании в виде сульфидов, в коре выветривания разобщаются.

По иному ведет себя и серебро, часто присутствующее в виде примеси в галените. В нижних частях зоны окисления оно встречается в самородном виде вместе с аргентитом. В странах с жарким и сухим климатом переходит в галоидные соединения — кераргирит и др.

Одним из главных руд, образующихся при выветривании, являются бокситыосновное алюминиевое сырье. Часть бокситов является конечным продуктом выветривания алюмосиликатных магматических и метаморфических горных пород. Это значительной мощности своеобразные пластылатеритные покровы. Часть бокситов образуется путем химического преобразованиямедленного выщелачивания и изменения глинистых продуктов в карстовых воронках, а частьпредставлена в форме делювиальных и коллювиальных образований и располагается недалеко от мощной коры выветривания. Бокситоносные латеритные почвы и латеритные покровы широко распространены в странах с тропическим климатом — Гвинея, Гвиана, Суринам, Ямайка. Однако это вовсе не означает, что они образовались в настоящее время. Они стали формироваться с позднемелового времени, и основной пик образования латеритных покровов пришелся на эоценовую эпоху. С тех пор покровы сохранились благодаря существовавшему длительное время тропическому климату.

Все рудные минералы с высоким удельным весом и плохо растворимые в воде в современных физико-географических условиях способны легко накапливаться в россыпях механическим путем. В пределах россыпей концентрируются алмазы (см рис), золото, платина, рутил, титаномагнетит, ильменит и другие минералы.

Главными рудами минералов, которые образуются в результате химического выпадения из растворов, являются руды железа и марганца.

Большим распространением пользуются железные руды известные под названием джаспилитов. Они распространенны в пределах знаменитой Курской магнитной аномалии и в районе оз. Верхнего в США. Запасы железных руд исчисляются многими десятками млрд т. Возникли эти залежы на рубеже архея и протерозоя в результате первичного осаждения из морских вод кремнезем, сидерита, водных силикатов железа и оксида железа в восстановительных условиях. В результате гипергенных процессов часть железа окислялась и содержание его увеличилось до 50%. В настоящее время разработаны рациональные методы обогащения рудного концентрата, благодаря чему используются и руды с низким содержанием железа. Эти железные окатыши и брикеты применяют для доменной плавки железа. Разработка железных руд на КМА ведется открытым способом в огромных карьерах.

В Беларуси известны рудопроявления и месторождение черных, цветных, редких и благородных металлов, приуроченные преимущественно к кристаллическому фундаменту.

Так, в нем выявлено месторождение железных рудОколовское и Новоселовское. В первом железные кварциты представлены плагиогнейсами, кристаллическими сланцами, амфиболитами. Главный рудный минералмагнетит, изредка встречаются пирит, пирротин, халькопирит, а в слаборазвитой зоне окисления мартит, гематит, лимонит.

Новоселовское месторождение представлено метагабброидами кореличского магматического комплекса. Руды ильменит-магнетитовые, диоксида-титана.

Цветные металлы представлены колчеданными рудопроявлениями в центральной и западной частях БеларусиМир, Унихова, Рудьма, Раевщина, Рубежевичи и др.

Обнаружены два молибденмедных рудопроявленияШнипки и Лашевичи. Главные рудные минералыпирит и халькопирит, второстепенныемарказит, молибденит, магнетит, гематит, галенит, сфалерит и др.

В Столбцовском районе обнаружено медно-никелевое рудопроявление. Главными рудными минералами здесь являются халькопирит и пирротин, второстепеннымипентландит и кубанит.

Редкометальное оруденение выявлено в пределах МикашевичскоЖитковичского выступа кристаллического фундамента. Здесь разведано редкометальное месторождение Диабазовое, на котором продуктивной является формация бериллиевых полевошпатовых метасоматитов.

Исходя из геологических предпосылок и анализа геолого-геохимических данных, в Беларуси возможно обнаружение месторождений золота в породах кристаллического фундамента и в осадочном чехле, в северном, южном и центральных районах Беларуси [6].

Минералы в хозяйственной деятельности человека играют очень важную роль. Многие минералы обладают большой эстетической привлекательностью не только тогда, когда они обработаны как драгоценные камни, но и в натуральном виде. Коллекционный материал.

Многие минералы имеют ценность как рудное сырье. Это качество минералов заключено в их химическом составе, так как именно химический состав определяет, какие элементы могут быть извлечены из минерала посредством плавления или разрушения его структуры другим способом. Такой ценностью обладают, например, халькозин, галенит и сфалерит (сульфиды меди, свинца и цинка), касситерит (оксид олова) и многие другие минералы.

Другой особенностью минералов является наличие у них уникальных свойств, связанных с кристаллической структурой. Алмаз и графит представляют собой различные кристаллические формы чистого углерода, а весьма значительные отличия в их физических свойствах обусловлены только способом, по которому атомы углерода расположены в пространстве и объединены в кристаллы. Алмаз самый твердый минерал используется как абразив, а графит один из самых мягких минералов — смазочный материал или карандашный грифель. Особенности минералов — это не только их твердость, оптические характеристики, но и пьезоэлектрические и магнитные свойства. Например, кварц, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, применяется при изготовлении часов, манометров, сложных приборов, используемых в военном деле.

Еще одна особенность минералов — их ассоциации, которые образуют горные породы и позволяют получать информацию о геологических процессах. Петрография, занимающаяся изучением минеральных агрегатов или пород, неизбежно связана с минералогией, и весьма трудно провести границу, разделяющую описание минералов и оценку петрологических обстановок их образования. Проведя эксперименты и поняв, как меняются структура и состав минералов при изменении температуры и давления, мы получаем основу для построения теорий эволюции земной коры, а также можем судить о строении и составе глубоких недр Земли.