Типы неметаллических полезных ископаемых и общие сведения о геохимических методах поисков
Среди разнообразных полезных ископаемых большое народнохозяйственное значение и широкое распространение имеет группа неметаллов. К последним относят те виды полезных ископаемых, которые, как правило, не являются сырьем для извлечения металлов. Разделение твердых полезных ископаемых на рудные и нерудные в значительной мере условно. Неметаллические полезные ископаемые используют в промышленности для извлечения из них совершенных минералов (пьезооптических, абразивных, драгоценных), минеральных фаз определенного химического состава (горно-химическое сырье) или употребляют целиком как горную породу или агрегат. Эти месторождения характеризуются различными условиями формирования, разнообразием вещественного состава. Промышленность осваивает новые виды сырья, которые раньше не рассматривались как полезное ископаемое. Широкое применение неметаллических полезных ископаемых в промышленности приводит к значительному росту их добычи и к резкому увеличению их стоимости. В нашей стране и за рубежом проводятся интенсивные работы по поискам и разведке неметаллов. В структуре их стоимости и добычи за последние 25—40 лет произошли резкие изменения. Например, по стоимости сырья в США на первом месте стоит строительный камень (штучный, монументальный, щебенка), на втором — цементное сырье, на третьем — песок, гравий, известь. Отмечается относительное увеличение стоимости добытого из недр горно-химического сырья. Увеличивается добыча природной соды, вермикулита, перлита.
Недостаток металлов и необходимость их замены, резкое увеличение потребностей сельского хозяйства в минеральных удобрениях, рост строительства, в том числе дорожного и гидротехнического, потребности в теплоизоляционных материалах — выдвинули неметаллическое сырье на видное место в промышленности. Изучены научные основы закономерностей образования месторождении неметаллических полезных ископаемых и разработаны методы их поисков. Следует отметить работы П.М. Татаринова, В.П. Петрова, И.И. Бока, А.А. Якжина, А.С. Соколова, В.С. Соболева, Д.С. Коржинского, Б.Я. Меренкова, А.А. Иванова, В.M. Борзунова.
Существуют многочисленные варианты классификации месторождений неметаллических полезных ископаемых: генетическая; по промышленному элементу или группе элементов; по составу вмещающих пород.
По условиям образования неметаллические полезные ископаемые делятся на магматогенные (эндогенные), экзогенные и мета-морфогенные. К первым относятся собственно магматические (алмаз, апатит, графит, драгоценные камни); пегматитовые (мусковит, апатит, полевой шпат, горный хрусталь, кварц, флюорит, драгоценные камни — топаз, берилл, турмалин, гранат, аметист, корунд, сапфир, рубин); карбонатитовые (апатит, флогопит, хризолит); скарновые (бор, графит, флогопит, волластонит, хризотил-асбест, тальк, витерит, кордиерит, кианит, андалузит, драгоценные камни — шпинель, клиногумит, форстерит, корунд, рубин, сапфир, лазурит); альбитит-грейзеновые (берилл, хризоберилл, изумруд, топаз, флюорит); гидротермальные (флюорит, хризотил-асбест, исландский шпат, горный хрусталь, флогопит, графит, барит). Во вторую группу входят месторождения, образованные в результате выветривания (апатит, вермикулит, каолин, бентонит, барит, фосфорит, магнезит, тальк, соли, хризопраз, малахит, азурит, сера, гипс, минеральные пигменты, кварцевый песок); россыпные (алмаз, гранат, корунд, сапфир, шпинель, барит); осадочные и вулканогенно-осадочные (бор, барит, фосфорит, соли, гравий, песок, глины, сланцы, известняки, мел, доломит, мергель, цементное сырье, гипс, яшма, родонит, мергели, диатомиты, трепела, опоки). Группа метаморфогенных месторождений включает собственно метаморфические (амфибол-асбест, графит, корунд, наждак, гранат, апатит, слюды, мрамор, кварциты, кровельные сланцы) и метамор-физованные (апатит, родонит).
Из приведенных данных видно, что большинство неметаллических полезных ископаемых имеет полигенное происхождение. Для рационального использования геохимических методов наиболее удобной является группировка неметаллических полезных ископаемых, предложенная В.П. Петровым. К первой группе относят месторождения, использование которых определяется совершенством кристаллов, состоящих из углерода, кремния, кальция, магния, алюминия, калия, бериллия. За исключением последнего, эти элементы широко распространены в земной коре и применение их в качестве индикаторов затруднено. По этим элементам продуктивные тела, содержащие минералы, незначительно отличаются от состава вмещающих пород. В качестве индикаторов при геохимических методах поисков можно использовать элементы-спутники, прежде всего хлор, фтор, ртуть и щелочные элементы. При поисково-разведочных работах на неметаллы важную роль играет оценка качества сырья (наличие чистых, бездефектных кристаллов, волокон определенного размера). Ко второй группе относятся полезные ископаемые, в которых используются образования конкретного химического состава, содержащие такие элементы как фосфор, фтор, бор, калий, йод, сера (горно-химическое сырье). Для этого типа сырья в качестве эффективных элементов-индикаторов при геохимических методах поисков выступают элементы, входящие в качестве основного компонента руд. Это сближает их с металлическими полезными ископаемыми. К третьей группе относят агрегатное сырье, использование которого определяется химическим составом и физическими свойствами или только последними. К этой группе, наряду с мономинеральными (например магнезит, волластонит и др.), относят полиминеральные образования (нефрит, изверженные и метаморфические породы). Большинства объектов этой группы имеет широкое площадное распространение и выявляется обычными геологическими методами. В качестве индикаторов при геохимических методах поисков месторождений этой группы выступают фтор (вермикулит, волластонит), цезий, рубидий (вулканическое стекло, перлит), хлор (нефрит). Важное значение при оценке сырья имеют химический состав (отсутствие вредных примесей) и физические свойства (прочность, трещиноватость). При поисках агрегатного сырья целесообразно сочетание геофизических и геохимических методов.
Геохимические методы поисков неметаллических полезных ископаемых — это часть комплекса геологоразведочных работ, направленных на выявление и оценку перспектив определенных районов. Они основаны на изучении пространственных закономерностей размещения концентраций химических элементов. Теоретической основой геохимических методов поисков является учение В. И. Вернадского и А.Е. Ферсмана о миграции, рассеянии и концентрации химических элементов в земной коре. Значительный вклад в разработку и применение геохимических методов внесли А.П. Виноградов, Н.И. Сафронов, Е.А. Сергеев, С.Д. Миллер, A.П. Соловов, А.А. Сауков, Д.П. Малюга, Н.Н. Сочеванов, B.И. Красников, И. И. Гинзбург, С.В. Григорян, Е.М. Квятковский, В.В. Поликарпочкин, Л.В. Таусон, Л.Н. Овчинников, А.А. Беус, А.Н. Еремеев, А.И. Перельман, М.Г. Валяшко.
Геохимические закономерности устанавливают на основе изучения распределения химических элементов в различных типах горных пород, почвах, природных водах и растениях. Средние содержания химических элементов, характеризующие состав различных горных пород земной коры в целом (литосфера), а также состав других геосфер (гидросфера, атмосфера), по предложению А.Е. Ферсмана, получили название кларков. Особенности распределения химических элементов в породах, не затронутых деятельностью каких-либо процессов, когда пространственное изменение количественных характеристик имеет систематический характер, определяют местный геохимический фон. В результате проявления геологических процессов, связанных с магматической, гидротермальной и другой деятельностью, происходит перераспределение элементов в локальных участках (зонах) пород, подвергшихся воздействию растворов, сопровождающемуся привносом и выносом химических элементов. В локальных зонах с резко отличным содержанием элементов по сравнению с геохимическим фоном образуются эндогенные геохимические аномалии. При этом количественные показатели содержаний элементов-индикаторов заметно отличаются от фоновых. Участки рыхлых образований и почв с аномальным распределением химических элементов по сравнению с геохимическим фоном образуют экзогенные геохимические аномалии. Характеристика вещественного состава месторождений (совокупность элементов), присутствующих в продуктивных зонах, представляет его геохимический спектр.
Геохимические методы поисков основаны на выявлении аномалий, связанных с явлением первичной концентрации или вторичного рассеяния химических элементов, путем проведения специального опробования природных образований. При этом могут решаться следующие задачи:
1) выявление геологических образований, в пределах которых возможно обнаружение месторождений;
2) поиски скрытых продуктивных тел, геохимические аномалии которых выходят на эрозионную поверхность, фиксируются в горных выработках или буровых скважинах.
Главной целью геохимических поисков является выявление аномалий, связанных с рудными телами в гетерогенном геохимическом поле, представляющем собой форму пространственного распределения элементов. В отличие от фиктивных (ложных) аномалий, обусловленных случайными колебаниями региональной составляющей поля, продуктивная геохимическая аномалия приурочивается к благоприятным геологическим структурам. Для последних характерна коррелируемость повышенных или пониженных значений по сравнению с фоновыми по нескольким (не менее трех) точкам на профиле или смежным поисковым профилям (разрезам). Вокруг рудных тел месторождений неметаллических полезных ископаемых наблюдаются аномалии привноса и выноса элементов. Последние обладают небольшими размерами, но их сочетание (стык) с аномалиями привноса, как правило, указывает на эпицентры рудных тел. При типизации аномалий следует учитывать их характер, контрастность, комплексность. Контрастность характеризует отношение максимальных или минимальных значений химических элементов в пределах данной аномалии к фоновым. Коэффициент минерализации — это отношение числа проб с аномальными содержаниями к общему числу проб на опробованном интервале. Для усиления слабых ореолов и установления эпицентра максимальной минерализации применяются аддитивные (среднеарифметическое суммирование в каждой пробе содержаний элементов, нормированных в единицах среднефоновых содержаний) и мультипликативные (перемножение содержаний) показатели. Количественная характеристика первичных ореолов заключается также в оценке кларков, коэффициентов концентрации и суммарных содержаний элементов по геохимическим разрезам. Кларк концентрации — отношение содержания элемента в конкретном геологическом теле к кларковому содержанию индикатора. Коэффициент аномальности Ka — отношение содержания химического элемента в пределах определенного сечения ореола Cа к его фоновому содержанию: Ка = Са/Сф. Для сравнения результатов анализов проб, отобранных в пределах рудной зоны, используется коэффициент концентрации Кк — отношение содержания элемента в околорудных породах (или рудных телах) к нижнеаномальному значению: Кк = Сх/Са. Для определения относительного привноса (или выноса) элементов в околорудных породах определяют суммарное содержание металла M и продуктивность ореола. Суммарное содержание металла в данном сечении ореола (линейная продуктивность) определяется как сумма произведений шагов пробоотбора (l1, l2,..., ln) на аномальные концентрации элемента (Cl, C2, ..., Cn) по данному профилю за вычетом величины «местного» фона (метропроцент):
или при равноинтервальном опробовании М = Ax(EСi—nСф), где Ax шаг опробования; п — число точек опробования; Сф — фоновое содержание элемента. Если содержание элемента выражать в единицах геохимического фона (коэффициент аномальности), то размерность параметра — метргеофон (мгф).
Эти параметры позволяют получить общую оценку привноса рудо- и ореолообразующих элементов и могут быть использованы для оценки аномалий.
В зависимости от вида опробуемого материала и целевого задания различают литогеохимические, гидрогеохимические, биогеохимические и атмогеохимические методы поисков. Первые основаны на выявлении вторичных ореолов и потоков рассеяния, а также первичных ореолов месторождений. Вторичные ореолы рассеяния (гипергенные литохимические аномалии) формируются в поверхностных образованиях (почвах, элювии, делювии) при гипергенном изменении месторождений. Потоки рассеяния — область повышенных содержаний химических элементов в отложениях временной или постоянной гидросети, образованная в результате гипергенного разрушения месторождений и их первичных ореолов. По фазовому состоянию вторичные ореолы рассеяния делятся на механические и солевые. В первом случае минеральные фазы присутствуют в твердом состоянии в виде устойчивых в зоне гипергенеза первичных или вторичных минералов, перемещение которых происходит механическим путем. В солевом ореоле элементы присутствуют в форме растворенных соединений. Различают остаточные ореолы рассеяния, т. е. образующиеся в зоне гипергенеза ранее существовавшего рудного тела или его первичного ореола, и наложенные, в контурах которых до развития вторичных процессов рассеяния первичная минерализация отсутствовала. В зависимости от возможностей опробования выделяют открытые (выходящие на дневную поверхность) и закрытые или погребенные ореолы рассеяния (локализующиеся на некоторой глубине от поверхности в представительном горизонте). Последние выявляются при бурении неглубоких скважин до уровня представительного горизонта. Предложена следующая классификация вторичных ореолов рассеяния.
I. Остаточные открытые, веерообразной формы, образующиеся в интенсивно денудируемых районах в современных элювиально-делювиальных образованиях.
II. Наложенные открытые диффузионные, характерные для условий аккумулятивно-денудационных равнин в аридных и умеренно-влажных областях.
III. Наложенные открытые аккумулятивные, связанные с процессами солевого накопления элементов.
IV. Близкие к III типу, но формирующиеся при отсутствии ал-лохтонного покрова и смещенные в сторону современного стока.
V. Выщелоченные и предельно разубоженные, образующиеся в элювиально-делювиальных отложениях гумидных областей.
VI. Погребенные остаточные, характерные для закрытых районов с двухъярусным строением.
VII. Погребенные наложенные.
Потоки рассеяния по фазовому состоянию мигрирующих компонентов делятся на механические, солевые, а по доступности обнаружения — на открытые и закрытые. В открытой гидросети активно денудируемых районов месторождений основная часть элементов образует механические потоки рассеяния. Солевые потоки характерны для районов, в которых развиваются выщелоченные с поверхности вторичные ореолы и скрытые продуктивные тела. Для характеристики ореолов и потоков рассеяния используют показатель продуктивности, прямо пропорциональный содержанию элемента и размеру ореола.
Первичный геохимический ореол элемента представляет собой околорудное пространство, обогащенное или обедненное им в результате перераспределения при образовании месторождений. Многокомпонентный состав химических элементов в первичных ореолах определяется характером вмещающих пород, типом неметаллов и условиями их формирования. Вокруг месторождений развиваются изометричные (пологие залежи) и симметричные (крутопадающие зоны) ореолы. Важнейшими особенностями первичных ореолов являются их размеры, существенно превосходящие продуктивные залежи, вокруг которых они развиты, и зональность строения. Крупным месторождениям соответствуют максимальные по размерам, составу и интенсивности геохимические ореолы. Эта закономерность позволяет прогнозировать масштаб оруденения. Геохимическая зональность ореолов особенно четко проявляется в изменении отношения суммы (или произведений) содержаний элементов в надрудных частях ореолов к элементам подрудных частей. С целью сравнительной оценки зональности ореолов наиболее целесообразно использование показателя зональности элемента-индикатора — отношение продуктивности ореола одного элемента к сумме продуктивностей ореолов всех элементов-индикаторов.
Гидрогеохимические методы поисков применяются для выявления и оконтуривания аномалий в подземных и поверхностных водах. Сущность биогеохимических методов поисков заключается в изучении распределения химических элементов в травяной и древесной растительности и торфе. Сложность пробоотбора и зависимость содержания элементов от времени года и вида растений ограничивают применение этого метода. Атмогеохимический (газовый) метод поисков используется для изучения и выявления аномалий в подпочвенном воздухе и приповерхностной атмосфере» связанных с продуктивными залежами. При поисках полезных ископаемых выявляют ореолы гелия (стабильный продукт радиоактивного распада), ртути (перекрытых месторождений) и радона.
В рыхлых отложениях обнаруживаются ореолы рассеяния твердых минеральных фаз или их ассоциаций, входящих в состав неметаллических полезных ископаемых. Для выявления и оконтуривания ореолов и потоков рассеяния мелкой фракции минералов полезных ископаемых в аллювиальных и пролювиальных отложениях применяют шлиховой и шлихо-декрептофонический (ореолы пропаривания) методы поисков. Ореолы пропаривания, представленные вторичными газово-жидкими включениями, сопровождают разнообразные неметаллические полезные ископаемые (слюды в пегматитах, хрусталеносные жилы, флюорит). Ореолы пропаривания выявляют по шлихам, отмываемым из аллювиальных и делювиальных отложений или из протолочек горных пород. При этом легкую фракцию шлихов подвергают декрептофоническому изучению, заключающемуся в подсчете общего числа разрывов (импульсов) газово-жидких включений при нагревании проб. Сравнительную оценку выявленных декрепитационных аномалий проводят путем вычисления интенсивности пропаривания I, отнесенной к данному сечению или площади. На близость рудных залежей указывает декрепитационная активность проб, превышающая фон в десять раз.
Шлихо-геохимическое опробование аллювиальных и коренных пород в целью выявления вторичных и первичных ореолов заключается в изучении распределения минералов и химических элементов в шлихах. Изучение минерального состава отмытых шлихов и их геохимических особенностей помогает при разбраковке аномалий, выяснении характера коренного источника сноса, что также усиливает контрастность ореолов. Вопрос о том, какую из фракций анализировать, решается в зависимости от типа месторождения и его ориентировочного минерального состава. Широкие возможности шлиховой съемки определяются тем, что она изучает конкретную минеральную форму элементов, а также увеличивает представительность опробования. Результаты геохимического анализа шлихов изображают в виде шлихо-геохимических карт, погоризонтных планов и разрезов.
Для поисков неметаллических полезных ископаемых эффективно применение методов термографии и термолюминесценции. В первом случае определяют потери при прокаливании, а во втором — интенсивность термосвечения пород при нагревании. Обычно при приближении к продуктивным залежам интенсивность термолюминесценции (за счет увеличения числа минералов-активаторов) и потери массы (ввиду наличия воды в минералах) увеличиваются. В комплексе с геохимическими методами весьма эффективно применение методов гамма-облучения (кварц, исландский шпат, флюорит), инфракрасной спектроскопии (ИКС), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) (алмаз, кварц). Эти методы позволяют оценивать качество сырья и степень эрозионного среза продуктивных тел. Взаимодействие быстрых частиц жестких квантов с минералами представляет собой сложный каскадный процесс, сопровождаемый ионизацией и структурными изменениями в кристаллической решетке кристаллов. В связи с тем что в природных условиях мы имеет дело не с самими процессами, а их результатами, строение минералов, выявляемое облучением, позволяет получить важную геохимическую информацию об изменении состава растворов и их физико-химических параметрах. Методы ЭПР и ИКС позволяют выявить относительное содержание элементов-индикаторов и природу водородсодержащих дефектов, определить их концентрацию и, тем самым, судить о геохимических условиях образования месторождений и качестве сырья.
Сочетание различных методов позволяет проводить поиски месторождений, определять перспективы глубоких горизонтов и флангов месторождений, а также оценивать качество полезных ископаемых.