Учебное пособие по курсу «Основы учения о полезных ископаемых»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ж.В. Семинский

ГЕОЛОГИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Учебное пособие по курсу

«Основы учения о полезных ископаемых»

Издательство Иркутского государственного технического университета

2009

УДК 553.2

В первой части пособия рассматриваются общие вопросы строения, состава и образования месторождений полезных ископаемых. Вторая часть содержит описание генетических серий, классов и типов месторождений. При этом схема описания по возможности унифицирована и включает определение каждого типа, его промышленное значение, особенности геологического строения, процессы образования и главные рудные формации. Пособие составлено на основе курсов лекций «Основы учения о месторождениях полезных ископаемых» и «Генетические проблемы рудообразования», которые автор читает более 35 лет в Иркутском государственном техническом университете (политехническом институте).

Пособие может использоваться для студентов, обучающихся по программе специалистов и бакалавров.

Табл. 10, ил. 72, список лит. 8 названий.

и.о. профессора кафедры геологии и геохимии полезных ископаемых ИрГТУ, кандидат геолого-минералогических наук Г.Д. Мальцева

© Иркутский государственный

технический университет, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение……………………………………………………………………… . 4

Часть 1. Общие сведения о месторождениях полезных ископаемых

1. 
   История освоения минеральных богатств России………………. 5
   
2. 
   Понятия о площадях распространения полезных ископаемых… 9
   
3. 
   Формы рудных тел полезных ископаемых………………………. 10
   
4. 
   Вещественный состав руд, их текстуры и структуры…………… 15
   
5. 
   Процессы образования месторождений полезных ископаемых и
   

ЭНДОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ………………………………… 24

1. 
   Общие сведения об эндогенном рудообразовании……………….. 24
   
2. 
   Магматические месторождения…………………………………. 30
   
   0. 
      Кристаллизационные месторождения …………………………… 31
      
   1. 
      Ликвационные месторождения……………………………………. 33
      
3. 
   Пегматитовые месторождения…………………………………… 35
   
4. 
   Карбонатитовые месторождения………………………………… 40
   
5. 
   Альбититовые и грейзеновые месторождения…………………. 45
   
6. 
   Скарновые (контактово-метасоматические) месторождения… 49
   
7. 
   Гидротермальные месторождения………………………………… 56
   
   0. 
      Высокотемпературные гидротермальные месторождения………… 62
      
   1. 
      Среднетемпературные гидротермальные месторождения…………. 64
      
   2. 
      Низкотемпературные гидротермальные месторождения…………. . 66
      
8. 
   Месторождения сложного генезиса………………………………… 67
   
   0. 
      Стратиформные месторождения ……………………… . ………….. 67
      

ЭКЗОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ………………………………….. 72

9. 
   Общие сведения об экзогенном рудообразовании………………. … 72
   
10. 
    Месторождения выветривания ……………………………………. 74
    

Инфильтрационные месторождения…………………………………. 80

11. 
    Осадочные месторождения ………………………………………. 83
    

0. 
   Хемогенные осадочные месторождения…………………………… 90
   

МЕТАМОРФОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ………………………… 96

12. 
    Общие сведения о метаморфогенном рудообразовании…………… 97
    
    0. 
       13. Метаморфизованные месторождения ……………………………. 99
       

В первой части пособия рассматриваются общие вопросы строения, состава и образования месторождений полезных ископаемых. Вторая, большая по объему часть содержит описание генетических серий, классов и типов месторождений. При этом схема описания по возможности унифицирована и включает определение каждого типа, его промышленное значение, особенности геологического строения, процессы образования и главные рудные формации.

Необходимо отметить традиционную дискуссионность генетической классификации месторождений полезных ископаемых, поскольку далеко не все процессы рудообразования являются понятыми до конца. В предлагаемой нами классификации отражаются те типы МПИ, которые признаются подавляющим большинством геологов. В то же время введены месторождения сложного (а может быть неясного) генезиса, формировавшиеся при воздействии эндогенных и экзогенных рудообразующих процессов (полигенные и полихронные). Генетическая классификация МПИ безусловно будет совершенствоваться еще многие годы.

При написании настоящей работы использовались учебники и учебные пособия, которые были созданы известными профессорами вузов – специалистами по геологии месторождений полезных ископаемых и изданные в период с 1970 по 2007 годы, а также методические работы автора, что отражено в библиографическом списке. Наиболее ценный материал учебно-методического характера, обеспечивающий, как нам кажется, преемственность научной школы отечественных геологов в области учения о полезных ископаемых, мы нашли в классических трудах В.Н. Котляра, В.И. Смирнова, С.А. Вахромеева, Ф.И. Вольфсона, П.М. Татаринова, В.М. Крейтера, В.И. Синякова, В.И. Старостина. Из этих и других работ взяты в частности примеры (рисунки) типичных месторождений полезных ископаемых, отдельные определения генетических типов МПИ и другие данные.

Учитывая назначение предлагаемого пособия, автор старался сделать его максимально кратким, доступным для студентов – геологов и горняков, в том числе обучающихся по программе бакалавров.


Часть 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Полезные ископаемые имеют первостепенное значение в жизнедеятельности человеческого общества. Успешное развитие и процветание большинства государств в значительной степени определяется использованием собственной минерально-сырьевой базы или возможностью приобретения минерального сырья за рубежом. Энергетическое сырье: нефть, уголь, газ, а в последние десятилетия и уран; металлы: железо, марганец, никель, свинец, цинк, медь, молибден, вольфрам, олово, золото, серебро, платина; нерудное сырье: соли, асбест, флюорит, графит – это далеко неполный перечень необходимых и наиболее широко используемых полезных ископаемых.

Первый металл, который стал использовать человек за 7 тыс. лет до н. э., это медь, выплавлявшаяся из карбонатной руды на территории современной Турции. Примерно с пятого тысячелетия до н. э. из меди начали изготавливать орудия труда, а золото использовалось для украшения. С третьего тысячелетия до н. э. использовали бронзу – сплав меди с оловом. Железо активно начали получать и использовать в 5 – 4 в. до н.э.

В древней Руси и на близлежащих территориях археологические находки свидетельствуют о развитии горного промысла в каменном, бронзовом и железном веке в Сибири, на Урале, Алтае, Забайкалье – «чудские копи», в Ср. Азии – «китайские», на Кавказе – «греческие» древние выработки. Они датируются поздним неолитом – бронзовым веком (вторая половина У тысячелетие до н. э. – II век н. э.). Так, в Чудской шахте на Урале найдены останки горняка с кожанной сумкой, а рядом остатки плавильных печей с боковыми поддувами и шлаком с древесным углем и каменные ступы для дробления руды. В Минусинской котловине разрабатывалось около 120 месторождений меди и полиметаллов; на Алтае велась добыча олова и россыпного золота. На Русской равнине осуществлялась добыча болотных руд железа. Найдены остатки карьеров размером 120х20м, глубиной до 18м, подземные выработки округлого сечения глубиной до 40м с целиками вдоль рудных тел с креплением каменными столбами. Орудиями труда были медные, каменные топоры, кайлы, кинжалы, деревянные лопаты, ступы, горшки, сумки.

В средние века (III – ХУIII в.в.) разрабатывался широкий круг полезных ископаемых: каменные стройматериалы (блоки), известняк, мрамор, болотные, озерные и более глубокозалегающие лимонитовые и сидеритовые руды (Вологодская, Тульская области), руды Au, Sn, Ag, Sb, Hg, Pb. Цветные металлы привозили из Ср. Азии (Чаткальские и Кураминские горы Карамазара), где в это время был расцвет горного дела, мусковит («московское стекло») добывался в Карелии, янтарь на Днепре, соляные промыслы были в Вычегодском районе (бассейн Камы), бакинская нефть добывалась в колодцах с У1в. В «Книге большого чертежа» (ХУ1 в.) описание Московского государства сопровождается указаниями на разработку многих полезных ископаемых. В 1584 г. при Иване Грозном был организован «Государев приказ каменных дел». В 1635 г. на р. Каме был построен первый государственный медеплавильный завод. В 20-е – 80-е годы ХУ11 в. по следам древних выработок один из охотников открыл на Алтае крупные полиметаллические месторождения с серебром (впоследствие Зыряновское, Риддеровское, Змеиногорское месторождения). В это время были организованы первые правительственные экспедиции, часто по челобитным письмам рудознатцев.

Технология горных работ была довольно высокой, особенно на месторождениях солей и железа. Скважины глубиной до 250м бурились ударно-вращательным способом деревянными трубами с железными наконечниками. Соляной раствор выкачивался и поступал в солеварни. Даже шведы обманным путем вызнали эту технологию. Железо плавили сыродувным способом при температуре 980-1200⁰. Искали железо в болотах при помощи березовой коры, которая при наличии руды в воде разъедалась. В Вятской волости работало более 100 домниц. Каждая из них давала 500-1600 кг железа за сезон. В это время и позже Русь вывозила его за границу, особенно в Англию, где своего железа не было.

Толчком для развития горно-геологического дела послужили походы первопроходцев на Урал, в Зауралье и Сибирь, особенно П. Бекетова, Я. Похабова, В. Пояркова, С. Дежнева и др. Через 60 лет после походов Ермака Россия «вышла» к Тихому океану. В Сибири соляные копи по рекам Куте и Илиму начали работать в 1636г. Здесь в 1639г. Ерофей Хабаров основал соляные варницы. Усольский солезавод начал функционировать с 1642г. В 1636г. кузнец Шестачка Коршунов нашел в окрестностях Илимского острога железную руду и организовал маленький железоделательный завод. В 1640г. Алексей Жилин нашел слюду по р. Тасеевой в Вост. Саяне, а в 1650г. казак Сидор Васильев открыл мусковит в Витимо-Патомском нагорье (впоследствие Мамский слюдоносный район). Добычу организовали в 1689г. купцы Лыткин и Творогов.

Реформирование страны, начатое Петром 1, потребовало развития промышленности, а значит, в первую очередь – горно-металлургической отрасли. Была создана Берг-коллегия, на Урале открыты горные школы, а затем Горное училище (1723г.) в Екатеринбурге, преобразованное позже в знаменитый Горный институт. В 1718 г. был принят «закон о горных привилегиях», в котором предусматривались, с одной стороны, полная свобода поиска полезных ископаемых, с другой, наказание за утаивание открытий.

В 1721- 22 г.г. были открыты угольные месторождения на Дону (Донбасс) и в Подмосковье (Подмосковный бассейн). К 1837 году Россия по выплавке чугуна обогнала Германию, Великобританию и Францию. В конце Х1Х века Россия вступила в полосу промышленного подъема, что привело и к подъему горно-добывающей промышленности. Был образован Геологический комитет, который организовал составление геологических карт и поиски полезных ископаемых, в том числе вдоль линии Транссибирской железнодорожной магистрали. С этого времени в России начало активно развиваться учение о геологии месторождений полезных ископаемых (Е.С. Федоров, Н.К. Высоцкий, В.А. Обручев, позднее А.Е. Ферсман, А.Н. Заварицкий). Однако Россия до Октябрьской революции тратила на геологические работы меньше, чем Канада в 60 раз, чем США в 20 раз.

После революции 1917г. была поставлена задача самостоятельно снабдить страну всеми видами минерального сырья за счет собственных месторождений. Нефть и газ в промышленных масштабах добывались только на Кавказе в Грозненском и Майкопском районах. В 1918 г. нефть и газ были объявлены государственной собственностью. Начались активные поиски в Поволжье, особенно после открытия здесь нефти в 1929г. Прогноз на нефть в Волго-Уральской провинции был сделан И.М. Губкиным. Нефтяной фонтан забил в 1932 г. в районе Ишимбаево. До 1937г. были открыты Краснокамская, Туймазинская, Бугурусланская и др. площади на больших территориях Татарии, Башкирии, Самарской, Пермской областей. В 40-60-х годах Волго-Уральская провинция стала основной нефтяной базой страны (1400 нефтяных и газов залежей). Крупнейший Западно-Сибирский нефтегазоносный район также был предсказан И.Н. Губкиным. В 1953-61г.г. были открыты месторождения газа Березовское, Уренгойское, Ямбурское, Заполярное, нефти Мегионское, Шаимское, Самотлорское, Федоровское. Новая провинция - Восточно-Сибирская - создается начиная с 60-х годов (Марковское, Ярактинское, Ковыктинское и др. месторождения). Сейчас строится газопровода Восточная Сибирь-Дальний Восток.

Уголь в начале ХХ в. добывался в Донецком, Кузнецком и Иркутском бассейнах. Были расширены перспективы старых угольных бассейнов и выявлены новые: Печерский, Канско-Ачинский, Южно-Якутский и др.

Новые районы золотодобычи в ХХ в. были открыты на Северо-Востоке, на Алдане, на Дальнем Востоке, а новые месторождения золота – в Ленском районе, в Забайкалье, в Алтае-Саянской области. Крупный рудный район – Норильский с сульфидной медно-никелевой и платиноидной минерализацией был открыт на севере Сибири. В 50-е годы была выявлена крупнейшая в мире Якутская алмазоносная провинция, а урановорудная провинция установлена в Забайкалье. Успехи в открытии новых месторождений, рудных районов и провинций были обусловлены тем, что в бывшем Советском Союзе была создана мощнейшая в мире разветвленная государственная геологическая служба, в которой в 70-е годы работало более 500 000 человек.

За советский период страна вышли на 1-3 места в мире по добыче многих полезных ископаемых.

Параллельно с открытиями месторождений и добычей полезных ископаемых развивалась геологическая наука. Первыми «учеными» в области геологии полезных ископаемых были древние рудознатцы и горщики, владевшие навыками поисков и эксплуатации полезных ископаемых. Одним из первых трудов по геологии, написанным за 2000 лет до н.э., является работа китайского ученого Сай-Хей-Дина «Древние сказания о горах и морях». Первые научные идеи появились в эпоху Возраждения, в частности, в трудах Георгия Бауэра (Агриколы), который работал в Германии, в Рудных горах. В капитальном 12-томном труде «О горном деле и металлургии» он объяснял образование рудных тел как процесс загустения в трещинах горячих растворов, насыщенных металлами. Французский ученый Рене Декарт считал, что частицы рудных минералов приносятся к поверхности из ядра Земли. Вопросы формирования месторождений полезных ископаемых отражены в трудах М.В. Ломоносова, который поддерживал эндогенную теорию рудообразования, рассмотренную в трудах «Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных» и др. (всего более 20 работ по геологии и горному делу).

К началу Х1Х в. относится развитие теории магматогенного рудообразования и установление связи месторождений определенных металлов с определенными типами магматических пород. Во второй половине этого столетия для объяснения геологических процессов начали привлекать законы физики и химии - Эли де Бомон, Л. Де Лонэ, В. Линдгрен. Последний предложил генетическую классификацию месторождений полезных ископаемых.

В России во второй половине Х1Х в. – первой половине ХХ в. важное значение для развития учения о полезных ископаемых имели работы В.М. Севергина, А.П. Карпинского, описавшего месторождения Урала, А.Е. Ферсмана, изучавшего пегматитовые и др. месторождения, А.Н. Заварицкого, создавшего стройную теорию магматогенного рудообразования. Большой вклад в открытие и изучение месторождений нефти внес И.М. Губкин. Основы изучения закономерностей формирования и локализации месторождений полезных ископаемых и, соответственно, новой науки металлогении, заложили С.С. Смирнов и Ю.А. Билибин. Далее учение о полезных ископаемых развивалось в России благодаря трудам известных ученых А.Г. Бетехтина, В.М. Крейтера, В.И. Смирнова, Ф.И. Вольфсона, А.Д. Щеглова, Д.В. Рундквиста и других.

В последние десятилетия к наиболее важным направлениям в изучении месторождений полезных ископаемых можно отнести установление новых генетических типов месторождений: карбонатитового, альбитит-грейзенового, стратиформного. Получила распространение концепция длительного многоэтапного развития ряда месторождений, которые рассматриваются теперь как полигенные и полихронные. Такой подход к теории рудообразования позволяет в ряде случаев примирить концепции «нептунистов» и «плутонистов».

Теория гидротермального рудообразования продвинулась благодаря изучению современных гидротермальных систем в областях вулканизма в срединно-океанических хребтах, на Камчатке, Курилах и в других районах.

Большое значение для теории и практики геолого-разведочных работ имело развитие науки о процессах формирования и закономерностях размещения месторождений полезных ископаемых - металлогении (минерагении) и составление прогнозно-металлогенических карт на территории большинства рудных районов бывшего СССР.

В настоящее время в учение о месторождениях полезных ископаемых активно «внедряется» концепция тектоники плит, отраженная примененительно к рудообразованию в трудах А. Митчелла, М. Гарсона, А.А. Ковалева, Л.П. Зоненшайна и других исследователей.
2. Понятия о площадях распространения полезных ископаемых
Полезное ископаемое – природное или техногенное минеральное образование, которое в естественном или переработанном виде используется в практической деятельности человека. Без переработки используются такие полезные ископаемые как вода, песок, глина, гравий и другие. Большинство полезных ископаемых перед использованием подвергается переработке. Так, природные скопления металлов подвергаются обогащению (концентрированию) путем применения гравитационной, магнитной сепарации, флотации и других процессов.

Полезные ископаемые разделяются на твердые (уголь, железо, медь, фосфориты и др.), жидкие (нефть, вода, рассолы) и газообразные (природные горючие газы). Кроме того, различают металлические, неметаллические и горючие полезные ископаемые.

Участки земной коры, содержащие руду, относятся к рудоносным площадям. В зависимости от масштабов этих площадей выделяют рудное тело, месторождение, рудное поле, рудный район, рудный пояс, рудную (металлогеническую) провинцию. Определим некоторые из них.

Для месторождений металлов примерные запасы и содержания полезных компонентов приведены в табл. 1.

Часто встречаются скопления полезных ископаемых, отвечающие требованиям промышленности по качеству руды, но не имеющие необходимого для эксплуатации ее количества; они называются рудопроявлениями.

Более крупные рудные подразделения – минерагенические провинции - изучаются специальной наукой - минерагенией (металлогенией).

Формы тел полезных ископаемых определяются тектоническими и литологическими особенностями участков земной коры, где происходит образование месторождений полезных ископаемых. На рудных полях выделяются дорудные, внутрирудные и пострудные тектонические нарушения. Дорудные разломы, складки и магматические тела, в которых локализуются руды, определяют формы залегания и размеры скоплений полезных ископаемых и, конечно, условия и способы их отработки. Внутрирудные разломы и складки развиваются в период рудообразования и также влияют на морфологию оруденения, а пострудные тектонические нарушения приводят к нарушению первичного залегания рудных тел.

Среди форм рудных тел полезных ископаемых выделяются четыре группы [7,8]: изометричные, плитообразные (уплощенные), столбообразные (вытянутые в одном направлении), сложные (рис. 1).

1. Изометричные рудные тела, имеющие приблизительно одинаковые размеры в различных направлениях.

Шток

2. Плитообразные рудные тела, вытянутые в двух направления.

3. Столбообразные рудные тела, вытянутые в одном направлении.

Разломы, особенно сбросы, смещают рудные жилы и пласты (рис. 10). При этом амплитуды смещений могут достигать нескольких десятков и даже сотен метров, что часто не дает возможности отыскать смещенное крыло рудной залежи. Характерны также малоамплитудные перемещения по мелким тектоническим швам (рис. 11, а). Вблизи пострудных разрывов наблюдаются загибы рудных тел, «растаскивание» обломков руды по зоне разлома, полировка рудных минералов и другие изменения (рис. 12).