ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РУДНЫХ ТЕЛАХ И МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Полезные ископаемые используются либо в естественном состоянии (высококачественный уголь, кварцевый песок), либо после предварительной обработки путем сортировки, дробления, обогащения.

По характеру использования различают три вида полезных ископаемых: рудные (металлические), неметаллические и горючие.

Руда – природное или техногенное образование, содержащее полезный компонент в таких концентрациях и количествах, которые определяют его рентабельную добычу из недр. В настоящее время рудами называют и некоторые нерудные, неметаллические полезные ископаемые. Например, говорят: «асбестовая руда», «апатитовая руда», «графитовая руда» и др.

Неметаллическое полезное ископаемое – минеральное неметаллическое вещество, которое по качеству и количеству пригодно для использования в естественном или переработанном виде в практической деятельности человека.

Горючее полезное ископаемое – это минеральное вещество, извлекаемое из недр Земли в массовом количестве и используемое в естественном или переработанном виде как энергетическое топливо или служащее сырьем для металлургической и химической промышленности.

Для твердых полезных ископаемых наиболее характерны три морфлогических типа тел полезных ископаемых: 1) изометричные, 2) плоские, 3) вытянутые по одному направлению.

Тела полезных ископаемых, вытянутые по одной оси называются трубами, трубками или трубообразующими залежами. Такая форма залегания характерна для коренных месторождений алмазов.

В зависимости от масштабов проявления и распространения полезных ископаемых выделяются следующие таксономические единицы: провинция, область (пояс, бассейн), район (узел), поле, месторождение, рудное тело. Такое иерархическое подразделение является общепризнанным и излагается во всех классических учебниках (В. И. Смирнов, П. М. Татаринов, С. А.Вахромеев, В. И. Старостин, П. А. Игнатов и др.).

Знание минерального состава руд позволяет определять их качество, выяснять содержание в них полезных и вредных примесей. Не менее важно для научных и практических целей определение закономерностей распределения компонентов в рудном теле, что позволяет рационально проводить разведочные и эксплуатационные работы на месторождении. Знание вещественного состава и структуры руд помогает выбирать наиболее оптимальные методы их механического обогащения, металлургической плавки и химической переработки.

Для неметаллических полезных ископаемых кроме минерального и химического состава необходимо знать физические свойства сырья, например прочность и длину волокна асбеста, прозрачность слюды, электросопротивление мрамора, огнеупорность глин, полевого шпата, кварцита и т. д.

В рудах различают и нерудные минералы. Рудные минералы содержат ряд металлов, используемые в промышленности, например магнетит содержит железо, халькопирит – медь, сфалерит – цинк, галенит – свинец и т.д.

По составу преобладающей части рудных минералов выделяются следующие главнейшие типы руд: 1) оксидные – в форме оксидов и гидроксидов, характерные для многих месторождений железа, марганца, хрома, урана, алюминия и др.; 2) силикатные – наиболее типичные для неметаллических полезных ископаемых (асбест, тальк, слюда и др.); 3) сернистые – в виде сульфидов, арсенидов, антимонидов, реже в форме соединений висмута, теллура и селена, к которым принадлежит большинство руд цветных металлов; 4) карбонатные, свойственные некоторым месторождениям железа, марганца, свинца, цинка, меди; 5) сульфатные, к которым относятся месторождения бария, стронция и других элементов; 6) фосфатные, охватывающие месторождения фосфора и связанных с ними соединений; 7) галоидные, характерные для месторождений солей и флюорита; 8) самородные, представленные металлами и сплавами (золото, платина, медь).

Фосфористые руды раньше также не использовались для плавки. В 1879 г. инженер Томас разработал метод плавки на основном поде, так называемый метод томасирования, позволивший из фосфорсодержащих чугунов выплавлять кондиционную сталь. Получаемый при этом так называемый томасов шлак — фосфористый продукт — идет на получение фосфатных удобрений.

К числу нежелательных примесей в железных рудах относится цинк. Содержание цинка порядка 0,2 % очень вредно потому, что цинк при плавке образует летучие соединения, которые разрушают кладку доменной печи. Нежелательной примесью такого же рода в железных рудах являются свинец и мышьяк.

В железных рудах нередко присутствует и ряд ценных примесей. Полезной примесью является марганец, в тех или иных количествах содержащийся во всех железных рудах. Он улучшает свойства чугуна и стали — увеличивает их твердость и вязкость и парализует вредное влияние серы.

Ванадий — ценная примесь титаномагнетитовых руд и бурых железняков в осадочных месторождениях. Содержание его, изме­ряемое сотыми долями процента, уже является промышленным. Ванадийсодержащая сталь идет на изготовление ответственных частей авиационных и автомобильных моторов.

Никель содержится в составе силикатных минералов в месторождениях бурых железняков коры выветривания. Он легко восстанавливается и почти целиком переходит при плавке в чугун. Никель улучшает механические свойства металла и делает его более стойким по отношению к окислению. Содержание его в руде, измеряемое десятыми долями процента, является промышленным.

Полезными примесями в железных рудах являются кобальт, медь, титан и хром, однако содержание трех последних элементов не должно быть выше определенной нормы. Иногда в железных рудах (бурых железняках) встречается золото; если содержание последнего значительное, то руда добывается не на железо, а на золото.

В рудах цветных металлов при современной технологии производства почти не существует вредных примесей; все составляющие их компоненты могут быть использованы. Переработка руд с применением составляющих их полезных элементов называется комплексной. Вопросу комплексной переработки руд уделяется в настоящее время большое внимание как в СНГ, так и в странах дальнего зарубежья. Из руд колчеданных месторождений Урала, полиметаллических месторождений Алтая, медно-никелевых месторождений Монче-Тундры и Норильска, золоторудных месторождений Урала, Сибири могут быть извлечены при комплексной переработке попутно с основными компонентами редкие металлы, рассеянные элементы, а также железо и сера в большом количестве.

В месторождениях полезных ископаемых часто наблюдаются закономерные ассоциации химических элементов и минералов, называемые соответственно парагенезисом элементов и минералов. Большое внимание парагенезису уделяли В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман, А. Г. Бетехтин уточнил и развил это понятие, предложив под парагенезисами минералов понимать не просто ассоциации всех совместно находящихся минералов, а определенные группы совместно образовавшихся минералов.

В современной минералогии и геохимии термин парагенезис означает «совместное нахождение минералов или химических элементов, связанных генетически» (Геологический словарь. Т. 2. М., 1973. с. 70). Парагенезис элементов и минералов, слагающих руды, имеет большое значение для поисково-разведочных работ и оценки месторождений полезных ископаемых. Если в дунитах, например, встречены шлиры хромита, то возможно нахождение в них и платины. Если габбро содержат пирротин и халькопирит, то в них может присутствовать и никельсодержащий сульфид — пентландит. В гранитных пегматитах, содержащих кристаллы сподумена, следует искать касситерит. В месторождениях прожилково-вкрапленных руд наряду с сульфидами меди может находиться в промышленных количествах и молибденит. В колчеданных пиритных рудах кроме основных промышленных элементов (Сu, Au, Ag, Pt) постоянно присутствуют и другие элементы, поэтому необходима комплексная переработка таких руд. Для латеритов характерно наличие в железной руде ценных примесей — никеля и хрома, позволяющих использовать их как природно-легированные руды.

Парагенетические соотношения в рудах, по А. Г. Бетехтину

А. Г. Бетехтин доказал (1950–1955 гг.), какое большое значение для познания процессов рудообразования имеет изучение закономерных парагенетических ассоциаций в рудах.

В качестве примера рассмотрим физико-химические условия образования сульфидов и оксидов железа. Парагенетические ассоциации минералов в рудах зависят от температуры и состава растворов. Температура оказывает существенное влияние на устойчивость оксидов и сульфидов железа. В воздухе, т. е. в условиях высокого парциального давления кислорода при температуре свыше 800° С, происходит термическая диссоциация гематита с переходом его в магнетит. ЗFe₂О_з=2FeзO₄+O.

В земной коре с глубиной по мере понижения концентрации кислорода это превращение наступает при еще более низких температурах. Поэтому в парагенетических ассоциациях минералов, образующихся в глубинных условиях, гематит не встречается как ранний высокотемпературный минерал. На глубине образуется высокотемпературный магнетит в парагенезисе с пироксеном и гранатом. Однако из этого не следует, что магнетит всегда является высокотемпературным минералом. Известны случаи нахождения низкотемпературного магнетита как в гидротермальных месторождениях в парагенезисе с сульфидами, так и в неметаморфизованных или слабометаморфизованных месторождениях железа типа коры выветривания в ассоциации с сидеритом и хлоритом (месторожде­ния Халилово, Малкинское в России, месторождения на о. Куба).

Таким образом, для магнетита в зависимости от температуры его образования возможны три парагенетические ассоциации:

1. 
   высокотемпературный магнетит в скарновых месторождениях в ассоциации с пироксеном и гранатом;
   
2. 
   среднетемпературный магнетит гидротермальных месторождений в парагенезисе с сульфидами и гематитом;
   
3. 
   низкотемпературный магнетит в месторождениях коры выветривания, ассоциирующий с сидеритом и хлоритом.
   

Следовательно, в зависимости от температуры растворов парагенетические ассоциации минералов различны, поэтому нельзя по одному характерному минералу (в данном случае по магнетиту или пирротину) судить о температуре образования руды. Лишь определенная парагенетическая ассоциация минералов может быть надежным температурным критерием.

Еще большее значение для последовательности выделения различных оксидов и сульфидов железа имеет изменение состава растворов и, в частности, вариации соотношений концентраций кислорода и серы в процессе рудообразования.

Изученные парагенезисы и последовательности образования минералов, относящиеся к системе Fе—S—О, А. Г. Бетехтин сводит в определенные группы парагенетических рядов (табл. 3.1.).

магнетит гематит

1. 
   Fе₃0₄ → Fе₂0₃;
   

пирротин магнетит гематит

2. 
   FеS → >Fе_з0₄ → (Fе₂0_з);
   

пирротин пирит магнетит гематит

3. 
   FеS → FеS₂ → (Fе₃0₄ → Fе₂0₃);
   

прит магнетит гематит

4. 
   FеS₂ → Fе₃0₄ → Fе₂0₃;
   

пирит гематит

5. 
   FеS₂ → Fе₂0₃.
   

Ряд 1. В условиях очень низкого давления сероводорода при повышении концентрации кислорода в растворе вместо магнетита будет выделяться гематит, как, например, на Чатахском гидротермальном месторождении (Грузия). Во многих железорудных месторождениях в этих условиях происходит мартитизация магнетита.

Ряд 2. При повышении концентрации сероводорода вначале образуется пирротин, который затем по мере увеличения концентрации кислорода в растворе замещается магнетитом. Такая последовательность наблюдается в жильных месторождениях медно-никелевых руд. Магнетит после полного исчезновения пирротина иногда замещается более поздним гематитом.

Ряд 3. В условиях более повышенного давления сероводорода пирротин при повышении кислородного потенциала в растворах замещается пиритом или марказитом. Замещение пирротина вторичным пиритом — широко распространенное явление. Реже встречаются псевдоморфозы по пирротину пирита с магнетитом, а иногда и с более поздним гематитом.

Ряд 4. При еще более повышенном давлении сероводорода первоначально выкристаллизовавшийся пирит в случае повышения концентрации кислорода замещается магнетитом. Такие взаимоотношения пирита с магнетитом наблюдаются в колчеданных рудах Карпушинского месторождения на Урале.

Ряд 5. При высоком давлении сероводорода вначале выпадает пирит, а после него при условии резкого повышения концентрации кислорода — гематит. Таковы, например, случаи выделения гематита после пирита в некоторых гидротермальных месторождениях Средней Азии, расположенных неглубоко.

По данным А. Г. Бетехтина, рудоотложение представляет собой сложный процесс, который сопровождается неоднократным изменением в растворах режима серы и кислорода. Поэтому последовательность выделения минералов в рудах обусловлена не столько падением температуры, сколько изменением соотношений концентраций компонентов в растворах в процессе рудоотложения. Этим объясняется тот факт, что большинство минералов, особенно в рудах гидротермального происхождения, имеют несколько генераций.

ГЛАВА 4. ТЕКСТУРЫ И СТРУКТУРЫ РУД
4.1. Основные понятия

Изучение формы рудных зерен, их размеров и строения, расположения минеральных агрегатов позволяет выбрать наиболее рациональный метод обогащения руды, а также получить ценные данные для определения условий образования руд и, следовательно, генезиса месторождения.

Изучение текстур и структур руд производится различными методами: наблюдения в естественных или искусственных обнажениях и зарисовки строения руд; макроскопическое или с помощью лупы изучение штуфов руд и образцов керна из скважин; изучение и фотографирование приполированных штуфов руд; микроскопическое исследование полированных шлифов в отраженном свете, сопровождающееся иногда травлением и выполнением микрофотографий.

Текстура руды (горной породы) – это совокупность признаков, обусловленных ориентировкой и относительным расположением и распределением составных частей руды. Морфологической единицей текстурного рисунка является агрегат минералов.

Структура руды определяется формой, размерами и расположением зерен минералов. Морфологической единицей структурного рисунка является кристаллическое зерно.

В понятие структуры и текстуры руды, А. Г. Бетехтин вкладывает определенный генетический смысл. Различные текстуры руд формируются при разных геологических процессах, при этом особое значение для формирования текстурного рисунка имеет способ отложения минерального вещества. Так, при кристаллизации магмы, инъекции магматических расплавов, при процессах метасоматического замещения вмещающих пород, выполнения рудоносными растворами открытых трещин или полостей, выпадения минеральных масс из водных растворов и осаждения их на дне водного бассейна образуются различные текстуры руд, характерные лишь для данного геологического процесса.

Текстуры руд А. Г. Бетехтин, В. И. Смирнов, С. А. Юшко разделяют на 10 групп, с разным количеством их видов внутри каждой группы: массивная, пятнистая, полосчатая, прожилковая, сфероидальная, почковидная, дробления, пустотная, каркасная, рыхлая (рис. 4.1.).

На метаморфогенных месторождениях известны руды массивной текстуры, образовавшиеся в результате переотложения и перекристаллизации ранее отложенных рудных масс.

Полосчатость может возникнуть в результате ритмичных отложений минерального вещества. Таковы, например, так называемые бурундучные руды Кадаинского свинцово-цинкового месторождения в Восточном Забайкалье.

Как разновидность полосчатой текстуры можно отметить псевдослоистую, образующуюся путем избирательного метасоматического замещения тонкослоистых осадочных пород, Псевдослоистая текстура наблюдается, например, на полиметаллическом свинцово-иинковом месторождении Текели в Средней Азии.

Жильные текстуры, или текстуры пересечений, характерны для руд, в которых развиты секущие поперечные или диагональные прожилки, сложенные различным минеральным веществом. Такие прожилки, образованные преимущественно халькопиритом, теннантитом и сфалеритом, наблюдаются в колчеданных рудах Урала.

Крустификационные текстуры образуются в рудах при заполнении минеральным веществом открытых трещин. Нередко эти текстуры обладают симметричной полосчатостью, т. е. в лежачем и висячем боках жилы наблюдаются одни и те же минеральные вещества, располагающиеся послойно, согласно с очертанием других слоев руды. Крустификационные текстуры характерны для постмагматических- (гидротермальных) месторождений. Поскольку крустификационные текстуры образуются путем выполнения открытых трещин, они являются показателем отложения руд на небольшой глубине и при малом давлении.

Частный случай крустификационной текстуры — текстура гребенчатая, в которой отдельные полоски имеют столбчатое или шестоватое строение, причем эти столбики или шестики располагаются перпендикулярно зальбандам жилы. Такое гребенчатое строение могут иметь кварц, кальцит и некоторые рудные минералы (сфалерит и др.)

По мнению А. Н. Заварицкого, полосчатые колчеданные руды уральских месторождений образовались в результате одностороннего сжатия рудных масс, причем минералы, обладающие большей пластичностью (халькопирит, сфалерит), оказались податливыми, текучими и расположились в виде полос вдоль рудного тела согласно с его контактами.

Руды колломорфной текстуры образовались из коллоидных растворов. По представлениям Д. П. Григорьева (1953), колломорфные текстуры не являются обязательным критерием отложения минерального вещества из коллоидных растворов. Подобные текстуры могут образовываться и в процессе кристаллизации из истинных растворов. Обычно колломорфные текстуры наблюдаются под микроскопом, хотя в некоторых случаях их можно различить и невооруженным глазом. Они встречаются среди сульфидных руд, образовавшихся на малой или умеренной глубине, но особенно характерны для окисленных руд месторождений выветривания.

Текстуры с неправильными и сложными формами развиты в рудах эндогенных и экзогенных месторождений.

К этой же подгруппе текстур относятся колломорфные текстуры, представляющие собой сложнопетельчатые и пятнистые агрегаты. Эти текстуры наблюдаются главным образом в сульфидных рудах гидротермального происхождения. Примером может служить колломорфная текстура золотоносного кварца с сульфидами Балейского месторождения Восточного Забайкалья.

Среди месторождений выветривания так же широко распространены неправильные, сложные текстуры, например корковая и натечная, представляющие собой корки или натеки минерального вещества в рудах, образующихся при поверхностных процессах (лимонитовые руды, малахит, смитсонит и др.).

Жеодовые текстуры образуются в результате выполнения минеральным веществом полостей в рудах и горных породах. Жеоды имеют концентрически-зональное, послойное строение. Иногда они достигают огромных размеров.

4.3. Структуры руд

Выделяется большое разнообразие структур, которые В. И. Смирнов объединил в тринадцать важнейших групп: 1) равномернозернистая, 2) неравномернозернистая, 3) пластинчатая, 4) волокнистая, 5) зональная, 6) кристаллографически-ориентированная, 7) тесного срастания, 8) окаймления, 9) замещения, 10) дробления, 11) колломорфная, 12) сферолитовая, 13) обломочная. В бывшем СССР был издан ряд атласов, в которых обобщена и систематизирована обширная информация, отражающая все разнообразие структурных и текстурных признаков горных пород и руд: 1) «Атлас текстур и структур осадочных пород. Часть 1. Обломочные и глинистые породы», М., 1962; 2) «Атлас текстур и структур осадочных пород. Часть 2. Карбонатные породы». М., 1969; 3) «Атлас структур и текстур галогенных пород СССР». Л., 1974 и др.

Ниже приведены фотографии шлифов, заимствованные из этих атласов и учебного пособия В. В. Авдонина и Н. Е. Сергеевой «Текстуры и структуры руд». М., 1998.

4.4. Генетическое значение текстур руд

Самое существенное в изучении текстур руд — это не определение названия текстурного типа, а анализ возрастных взаимоотношений минеральных агрегатов, вскрывающих сущность генетического процесса. Это довольно трудная задача, осложняющаяся тем, что руды различного генезиса могут иметь текстуры с одинаковыми морфологическими особенностями. Например, полосчатые текстуры могут наблюдаться в магматических, гидротермальных и метаморфизованных месторождениях, друзовая текстура — в скарновых, гидротермальных и экзогенных месторождениях. Поэтому изучение только текстур недостаточно для определения генезиса месторождения. Текстура руды в совокупности с морфологическими, минералогическими и геологическими критериями позволяет решать сложный и важный вопрос происхождения месторождения.

Очень важное значение для познания генезиса месторождений имеет установление возрастных взаимоотношений минералов и их агрегатов. Критерии, определяющие последовательность выделения минералов, весьма разнообразны.

Форма зерен – хорошо образованные идиоморфные кристаллы часто (но не всегда) выделяются первыми. Исключение представляют метакристаллы, которые возникают вследствие весьма значительной силы кристаллизации; они моложе окружающих их минералов.

Коррозия и замещение одного минерала другим являются надежным возрастным критерием: замещающий минерал моложе минерала замещаемого.

Секущие жилки — наиболее надежный возрастной признак. Минералы, слагающие жилки, моложе окружающего минерального вещества. Взаимные пересечения жилок разного состава могут указывать на несколько стадий минерализации.