Научное обеспечение горнодобывающей деятельности по освоению алмазных месторождений требует решения широкого спектра научных, методических и технических задач. Эффективность освоения коренных месторождений алмазов и проведения добычных работ зависит от полноты и достоверности данных об источнике кимберлитов и самом кимберлитовом теле, определяемых условиями их формирования, положением в массиве горных пород и внутренним строением. С новой остротой встает и ряд экологических проблем, связанных с увеличением объемов вскрышных пород и необходимостью организации хранилищ твердых и жидких отходов. При этом совершенствование и развитие лабораторно-аналитических методов изучения состава пород и минералов, измерения физических параметров пород становится приоритетным направлением, поскольку эти характеристики являются базовыми для определения свойств, как самих кимберлитов, так и вмещающих пород, в условиях влияния различных физических полей и флюидов, связанных с природными и техногенными воздействиями.
Интенсивное развитие вторичной минерализации отражает постмагматическую стадию изменения кимберлитов, однако указанный фактор в малой степени используется в качестве поисковых признаков кимберлитов и при решении проблем освоения месторождений. Процессы вторичного минералообразования существенно влияют на формирование типа структурных связей в минералах и горных породах и, как следствие, на их физические, механические и электрические свойства. Кроме того, прочностные свойства обломочных сцементированных пород, к которым относится большинство кимберлитов, также определяются количеством и составом вторичных минералов. Изучение пространственного размещения различных типов горных пород и изменения их физико-механических свойств приобретает важное значение для прогнозирования инженерно-геологических условий освоения месторождений и строительства карьеров. В этой связи в перечень параметров, которыми оперирует современная геомеханика, необходимо включать новые показатели, дающие возможность описывать поведение сложных многокомпонентных реологических и пластичных сред, какими являются кимберлитовые породы постмагматического этапа преобразования.
Необходимость выявления новых признаков кимберлитовых трубок и прогнозирования изменения состава и физических свойств пород с глубиной требует внедрения комплексного анализа алмазоносных пород (и не только их), поскольку только совокупность нескольких аналитических методов позволяет провести всесторонний анализ минерального состава связующей массы кимберлитов с целью выяснения факторов их формирования и последующей эволюции.
Весьма актуально комплексное изучение высокоалмазоносных трубок Якутской алмазоносной провинции (ЯАП) и интенсивно измененных кимберлитовых пород в относительно недавно открытой Архангельской алмазоносной провинции (ААП), включающей два месторождения алмазов: им. М. В. Ломоносова и им. В. Гриба. Сравнительная характеристика этих двух контрастных по геологическим условиям отечественных месторождений с кимберлитами Африки позволяет расширить представление о характере и степени вторичных изменений кимберлитов различных алмазоносных провинций. К сожалению, до настоящего времени проведено ограниченное количество подобных исследований, хотя получаемые результаты имеют не только научное, но и прикладное значение, прежде всего, для совершенствования методик изучения свойств горных пород, а также контроля за состоянием их массивов. При разработке кимберлитовых трубок это помогает в определении мест локализации кимберлитов и установлении вертикальной зональности изменения состава и строения кимберлитовых пород по разрезу диатрем. Получаемые данные имеют большое значение для обоснования выбора технологии добычи и переработки алмазосодержащих руд.
До настоящего времени недостаточно проработаны вопросы связи состава кимберлитов с их физическими свойствами, решение которых позволило бы оперативно решать весьма важную задачу экспрессного выделения технологических типов руд на основе петрофизических параметров. Перевод разведочных и добычных работ в районы со сложными горно-геологическими условиями и широкого петрографического разнообразия горных пород показал, что необходимо расширять спектр научных исследований по определению новых индикационных признаков кимберлитов и выбору минералов-индикаторов для шлихо-минералогического метода поисков. В технологической цепочке горногеологического комплекса по поиску и освоению алмазных месторождений все еще остается проблема стыковки геологических, минералогических, геофизических, горнотехнических данных и их интерпретации на базе компьютерной обработки аналитической информации.
Комплексные исследования минерального состава и петрофизических свойств кимберлитов алмазных месторождений позволили установить закономерности пространственной изменчивости свойств горных пород по разрезу кимберлитовых трубоквыявить степень преобразования пород на различных стадиях гипергенезаустановить закономерности формирования их физических свойств при вторичном минералообразованиииразработать методику физико-геологического описания алмазоносных горных пород. Внедрение таких исследований необходимо для проведения прогнозной оценки состава и физических свойств рудных массивов для выбора оптимальных технологий освоения алмазных месторождений.
Работа выполнена в ИПКОН РАН в 2002 — 2004 гг. по теме «Изучение взаимосвязи вещественного состава и физических свойств горных пород.» .
Цель работы — оценка влияния состава и структуры кимберлитов на их физические и технологические свойства.
Идея работы состоит в использовании в одном цикле исследований спектральных, оптических и петрофизических измерений ассоциаций вторичных минералов в основной массе кимберлитов и представления получаемых результатов в цифровом виде, позволяющем применение компьютерной обработки больших объемов данных.
Методы исследований.
Для проведения исследований автором применен комплексный подход к изучению минерального сырья, который предусматривает сравнительный анализ совокупности результатов нескольких аналитических методов. Определение состава кимберлитов проводилось методами рентгенофазового анализа (РФА), инфракрасной (ИК) и ядерной гамма-резонансной (ЯГР) спектроскопии. Основные определяемые петрофизические параметры: плотность (а), эффективная пористость (пЭф), влагоемкость (W) — магнитная восприимчивость (%), удельное электрическое сопротивление, определяемое в постоянном электрическом поле (р0), а также относительная диэлектрическая проницаемость (е/е0) и коэффициент поглощения энергии радиоволн (к"), измеренные в переменном электрическом поле на частоте 5 МГц. По разрезам трубок проводилось измерение скорости распространения продольных волн (Vp) в образцах, вырезанных перпендикулярно оси керна, в условиях комнатной влажности. Изучение структурно-текстурных особенностей и петрографические исследования пород проведены оптико-микроскопическим методом в сочетании с автоматизированным анализом изображений. Элементный состав образцов определялся методами аналитической химии и рентгенфлуоресцентного анализа. Дополнительно использовались методы: электронной микроскопии, термографии и электронографии. Еще одним направлением комплексных исследований было изучение кристаллохимических и структурных особенностей индикаторных минералов из состава кимберлитов.
Основные защищаемые положения.
1. Экспресс-методика изучения минерального состава и физических свойств кимберлитов, основанная на применении фазового и структурного анализов, петрофизических измерений и оптических исследований, позволяющая проводить комплексный анализ алмазоносных пород.
2. Зональность распределения физических параметров и структурно-текстурных особенностей кимберлитовых пород в зависимости от степени их преобразования в естественных условиях и состава вторичных минералов.
3. Качественные и количественные зависимости меиеду физическими параметрами кимберлитов и содержанием породообразующих вторичных минералов. Новые индикационные признаки рудных и глинистых минералов, содержащихся в кимберлитах.
4. Метод паспортизации кимберлитов для стандартизации исследований и классификации алмазоносных пород.
Достоверность результатов исследований подтверждается представительностью аналитического материала, включающего более 600 количественных и качественных рентгенофазовых анализов, более 700 определений различных петрофизических параметров, минералого-петрографических исследований более 300 проб, оптико-микроскопическое описание более 80 шлифов и аншлифов, электронно-микроскопическое изучение более 50 минеральных зерен и их сростков, около 50 определений структуры минералов методом ЯГРС, более 50 анализов ИК-спектров, более 30 электронографических измерений, 150 измерений скорости распространения продольных волн.
Научная новизна работы заключается в:
1. Экспресс-методике изучения кимберлитов на основе использования в едином лабораторно-аналитическом комплексе фазового и структурного анализов, петрофизических измерений и оптических исследований с последующей обработкой и интерпретацией полученных данных.
2. Впервые проведенной качественной и количественной оценке влияния состава и структуры на физические характеристики кимберлитовых пород Якутской и Архангельской алмазоносных провинций.
3. Результатах комплексных исследований, позволивших выявить последовательность изменения состава и петрофизических параметров кимберлитов при преобразования в естественных условиях, и определить зависимости между ними.
4. Установлении кристаллохимических особенностей ильменита, магнетита, а также ряда глинистых минералов, позволяющих использовать указанные минералы в качестве индикаторных для диагностики кимберлитовых пород.
Практическая значимость.
1. Разработана, опробована и внедрена в Якутской и Архангельской алмазоносных провинциях комплексная экспресс-методика качественной и количественной оценки влияния постмагматической минерализации на петрофизические и технологические свойства алмазоносных пород, значительно повышающая информативность известных аналитических исследований и ускоряющей проведение поисково-оценочных работ при изучении месторождений.
2. Установлены зависимости, связывающие минеральный состав и петрофизические характеристики кимберлитов отечественных и зарубежных месторождений, создающие основу для прогноза физических свойств пород по их минеральному составу.
3. Расширен перечень минералов-индикаторов, используемых для идентификации кимберлитового рудопроявления при проведении минералогического картирования перспективных на алмазы территорий.
4. Обосновано, что кимберлиты и родственные им породы с преобладанием сапонита, как в месторождении им. М. В. Ломоносова и в трубке Чидвия, целесообразно использовать не только для добычи алмазов, но и в качестве остродефицитного сырья — магнезиальных глин.
5. Разработан методический подход и предложен компьютерный формат описания и паспортизации кимберлитов на основе учета их минерального состава, физических параметров и текстурно-структурных характеристик с целью классификации кимберлитовых пород, а также стандартизации аналитических исследований и формирования межлабораторных баз данных.
Реализация результатов работы.
Разработанная методика комплексного экспресс-анализа кимберлитов внедрена в практику текущих и прогнозных работ горнообогатительных и геологоразведочных предприятий АК «АЛРОСА», ОАО «Архангельскгеолдобыча» и ЗАО «Архангельскгеолразвведка», о чем имеется заключение указанных предприятий.
Апробация работы.
Изложенные в диссертации результаты докладывались на конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2002, 2003), 1-й Всероссийской конференции «Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых и современное состояние научных исследований в России» (Москва, 2003), Международной научной конференции «Глины и глинистые минералы» (Воронеж, 2004).
Отдельные материалы вошли в состав тематических сборников: «Геология, закономерности размещения, методы прогнозирования и поисков месторождений алмазов» (Мирный, 1998), «Проблемы алмазной геологии и некоторые пути их решения» (Воронеж, 2001), «Проблемы прогнозирования, поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге XXI века» (Воронеж, 2003), «Проблемы комплексного освоения суперкрупных рудных месторождений» (Москва, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, 11 из которых в реферируемых периодических изданиях.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 6-ти основных глав и заключения. Общий объем работы 167 страниц текста, включая 42 рисунка, 27 таблиц.
Список литературы
включает 73 наименования отечественных и зарубежных авторов.
Выводы.
Приведенные примеры практического использования результатов комплексного анализа кимберлитов показывают, что систематизированные исследования по комплексному изучению вещественного состава алмазоносных пород способствуют накоплению данных, необходимых для выбора оптимальных способов отработки месторождений. Сильное влияние вторичной минерализации требует детального изучения тонких физических, химических и структурных свойств кимберлитов.
Заключение
.
Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной для горно-геологической отрасли задачи оценки влияния состава и структуры кимберлитов на их физические и технологические свойства. Разработка рациональной методики комплексных измерений позволила получить большой объем новых данных о кимберлитах Якутской и Архангельской алмазоносных провинций.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. На базе методов спектрального анализа, оптической микроскопии и измерений петрофизических параметров создан единый измерительный комплекс для изучения постмагматической эволюции в естественных условиях кимберлитовых пород и создания физико-геологических моделей рудных тел.
2. Показано, что комплекс физических свойств кимберлитов во многом определяется составом вторичных минералов. При определении связи между петрофизическими свойствами пород и их минеральным составом детально исследовано влияние основных процессов вторичной минерализации — серпентинизация и сапонитизация, что позволяет оптимизировать выбор технологических решений по извлечению и обогащению алмазоносного сырья.
3. Получены зависимости, связывающие минеральный и химический состав, а также степень метасоматических преобразований с электрическими, магнитными, и физическими характеристиками кимберлитов. Для месторождений Якутии, Зимнего Берега и Африки построены модели распределения минерального состава и петрофизических характеристик по разрезу изученных трубок.
4. Установлено, что динамика процессов постмагматического минералообразования в зоне гипергенеза изученных трубок Якутии развивается в направлении диссоциации карбонатов и обогащения пород слоистыми силикатами, преимущественно серпентином и хлоритом. При этом происходит замена кристаллохимических разновидностей и политипов указанных минералов на устойчивые в гипергенных условиях.
5. Определены кристаллографические особенности породообразующих и индикаторных минералов алмазоносных полей Якутской, Архангельской и Африканской алмазоносных провинций. Предложено использовать новые типоморфные признаки индикаторных (глинистых и рудных) минералов для идентификации и выделения отложений, связанных с кимберлитами.
6. Разработан метод паспортизации кимберлитов для их описания и классификации, а также стандартизации исследований алмазоносных пород. Создан унифицированный электронный формат данных для компактной записи минералогических, геологических, геофизических и геохимических данных о кимберлитах с целью достижения информационной сопоставимости результатов измерений и формирования межлабораторных баз данных о кимберлитовых трубках алмазоносных провинций.
7. Подтверждена целесообразность комплексного освоения кимберлитовых трубок месторождения им. М. В. Ломоносова с малой мощностью перекрывающих отложений и высоким содержанием сапонита как техногенного месторождения магнезиальных глин.
В целом, комплексный подход к анализу минерального сырья переводит аналитические исследования в области горных наук на интенсивный путь развития и позволяет, при рациональном выборе методов, сделать его универсальным для широкого спектра природных и техногенных полезных ископаемых. Минералого-аналитические исследования остаются основной составной частью изучения и оценки месторождений алмазов на любой стадии их освоения:
• при детализации положения рудных тел в массиве;
• при определении состава и технологических свойств алмазоносных пород, в том числе и для оценки экологической безопасности.
По мере необходимости в базовый комплекс аналитических методов включают дополнительные виды анализа, «настраивая» его на конкретный геологический объект или задачу.
При таком подходе появляется основа для системного формирования банка данных о составе и свойствах алмазоносного сырья известных рудных тел и работы с большими выборками качественных и количественных параметров, применяя статистические методы обработке информации.
Получаемая в результате комплексного экспресс-анализа совокупность данных позволяет проводить идентификацию, типизацию и паспортизацию месторождений и кимберлитовых проявлений, а также принимать обоснованные технологические решения по их отработке.