Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Количественные характеристики рудонакопления на месторождениях медистых песчаников (на примере Джезказгана)

ВАК РФ 04.00.11, Геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат диссертации по теме "Количественные характеристики рудонакопления на месторождениях медистых песчаников (на примере Джезказгана)"

ГОСУДЛРСТВИШЫП КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ имени СЕР Г О ОРДЖОНИКИДЗЕ (МГГА)

На правах рукописи ОД УДК

- АЕУАРАВИЯ

Хасан А-пь-Хуссаейн

КО.ЛИЧЕСТВЕН11ЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУДОНАКОПЛЕНИЯ

НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕДИСТЫХ ПЕСЧАНИКОВ (на примере Джезказгана)

Специальность': 04.00.11 — 'геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, металлогения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата гео.лого-минералогических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре геологии месторождений полезных ископаемых Московской государственной геологоразведочной академии им. Серго Ордконикидзе (МГГА)

Научный руководитель : доктор геолого-минералогических наук,

профессор ¿.И.Кривцов;

Официальные оппоненты: Доктор геолого-минералогических наук,

профессор В.Н.Холодов;

Доктор геолого-минералогических наук, профессор П.А.Игнатов;

Ведущая организация: кафедра полезных ископаемых геологического факультета МГУ.

Зашита диссертации состоится "в" 06. 1995г в " часов на заседании специализированного Совета Д.063.55.06 при Московской государственной - геологоразведочной академии по адресу :117485 г Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, ауд.573

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии Автореферат разослан " 5 " 05.1995г.

Ученый секретарь

специализированного Совета кандидат геолого-минералогических

наук // ^¿^¿¿Л) И.В.Егорова

их /

л и-вл

В8ЕДЕНЕ

Актуальность работы. Седимонтогенные геологические формации вмещают ряд стратиформных рудных месторождений, генезис многих из которых остается дискуссионным. Особый интерес представляют крупные месторождения цветных металлов, локализованные в терригенных толщах красноцветных формаций; происхождение таких месторождений, относимых к типу медистых песчаников, объясняется весьма различными концепциями, нередко противоречащими друг другу. Модели рудона-копления в таких обстановках обычно имеют качественное выражение. Представляется актуальным обобщение имеющихся качественных моделей рудонакопления, их сопоставление и определение количественных характеристик рудонакопления, которые могут быть использованы для прогнозных целей.

Основная цель исследований - определение основных характеристик количественной модели рудонакопления на месторождениях типа медистых песчаников на примере Джезказгана (Казахстан).

Задачи исследований - обобщение результатов ранее выполненных работ, выявление главных показателей рудообразупцей системы, определение количественных характеристик процесса рудонакопления для построения количественной модели.

Фактический материал. В основу диссертации положены материалы полевых, лабораторных и камеральных работ, выполненных автором за время обучения в аспирантуре МГРИ-МГГА в 1991-1995г.г. Необходимый каменный, графический и аналитический материал был собран во время полевых работ на Джезказганском месторождении. В камеральный период в лаборатории кафедры полезных ископаемых МГУ были изучены петро-физические свойства рудовмещагацих пород( 46 образцов)¡данные спектральных анализов( 190 проб), выполненных в ИМГРЭ, были обработаны статистическими методами. Для оценки флюидообеспечения рудо-образующих систем на основе оригинальной программы выполнено количественное компьютерное моделирование процессов обезвоживания и водоотдачи отложений при их погружении и литификации, а также перемещения вод по проницаемым слоям.

- 2В работе использованы опубликованные и фондовые текстовые V грайические материалы ряда российских и зарубежных исследователеГ по геологии и генезису месторождений медистых песчаников.

Научная новизна исследований заключается в определении &лг месторовдений медистых песчаников количественных показателей рудо-накопления, учитывающих поступление, перенос и баланс масс рудоносного флюида и основных рудообразувдих элементов между областями питания и рудоотложения.

Практическая значимость работы определяется возможность! приложения модели рудонакопления для количественной оценки прогнозных ресурсов.

Апробация. Отдельные методические положения работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ШТА в 1991, 1992, 1993 гг. Пс материалам диссертационных исследований, подготовлены две статьи (находятся в пе^чати).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения общим объемом Я? стр. машинописного текста; онг содержит /2 таблиц, /Г рисунков и фотографии и список литературы из 99 наименований.

Во введении обосновывается актуальность работ, намечены цели и основные задачи исследований и охарактеризована методика га решения.

В главе 1 приведена общая характеристика месторождений типе медистых песчаников,рассмотрены литолого-фациальнные особенности рудоносных формаций, охарактеризованы минеральный состав руд и рудная зональность, сопоставлены различные генетические концепции.

В главе 2 дано описание геологического строения месторождения Джезказган, стратиграфии и литологии рудоносных толщ; описано положение и морфология рудных тел, охарактеризовано распределение рудо-образущих элементов в основных разностях пород, приведены из петро$изические характеристики, обобщены данные по составу и зональности рудных тел.

В главе 3 на основе обобщения материалов и результатов личных исследований приводятся итоги определения количественных характеристик гидрогенного ( эксфильтрационно-элизионного) рудонакопления применительно к источникам рудного вещества и транспортирующих агентов, путям транспортировки вещества и областям рудонакопления. Рассмотрены возможности использования количественной модели рудонакопления для прогнозных построений и оценки прогнозных ресурсов.

. В заключении излагаются основные выводы и рекомендации.

Работа выполнена на кафедре месторождений полезных ископаемых МГРИ-МГГА под научным руководствым доктора геолого-минералогических наук профессора А.И.Кривцова, которому автор выражает глубокую признательность. Автор благодарен сотрудникам Дкезказганской геологической партии и ее главному геологу К.Д.Сулейманову за помощь в проведении полевых работ. Постоянное внимание и помощь в работе оказывались автору многими сотрудниками кафедры полезных ископаемых, которым автор выражает искреннюю благодарность. За разностороннее содействие при выполнении работы автор благодарит канд. физ.-мат наук Кашельскую Т.Н. Автор весьма признателен за ценные советы и консультации профессорам В.И.Старостину, М.М.Элланскому и М.П.Исаенко.

Общая характеристика объектов исследования

Месторовдения типа медистых песчаников занимают ведущее положение в запасах и добычи меди. В их число входят уникальные и крупные по запасам объекты, такие как Удоканское месторождение (Россия), Джезказганская группа (Казахстан), Силезская (Польша), Манс-фельдская (Германия), Айнакская (Афганистан), Западно-Африканская (Заир, Замбия). Эти месторождения изучались многими исследователями различных стран мира, что отражено во многих публикациях и ряде монографических описаний. Общие характеристики месторождений типа медистых песчаников изложены в работах И.Ф.Габлиной (1979-1989гг), Л.Б.Густафсона, К.Уильямса (1984), А.М.Лурье (1972-1988гг), Я.Ф.Наркелюна, В.С-.Салихова и А.И.Трубачева (1983,1990гг), З.Н.Щеточкина (1995), Г.А.Андерсена, Р.В.Мак-Квина tG.А.Anderson, R.W.Macqueen (1982r)J, Д.Хэйнеса [D.ff.Haynes (1986-1987Г)] и ряда других исследователей.

Эти месторождения приурочены к амагматичным першфатонным у внутрикратонным седиментационным бассейнам и не обнаруживают отчетливых связей с тектоно-магматическими процессами. Для месторождений медистых песчаников характерна пространственная связь с крестоцветными молассоидаыми формацями. В составе рудоносных формаций участвуют терригенные, карбонатные, терригенно-карбонатные, флишевые и другие толци. На Джезказгане-установлено, что отложения рудоносной формации накапливались в условиях, переходных от морских к континентальным (Л.Ф.Наркелюн и А.И.Трубачев,1989г).

Л.Б.Густафсон и Н.Уильяме (1984г.) относят медистые песчаники к отложениям первой морской трансгрессии, перекрывающим континентальные красноцветные толщ; к толще морских отложений, содержащих красноцветы; к континентальным красноцветным толщам; к толщам с преобладанием морских осадков при отсутствии красноцветов или эвапоритов. Обстановки осадконакопления по-видимому варьировали от мелководной приливной ( мелководная озерная ) до надприливной (сабха). Условия формирования медистых песчаников и сланцев, которые вмещают месторождения Африки, Казахстана, Любина, Мансфельда, отвечают соленому бассейну (или лагуне) с переходами к приливно-отливным песчаным обстановкам или глинистым равнинам. Оруденение развивается в сероцветных отложениях, которые по падению сменяются красноцветными.

Присутствие гипса (или ангидрита) и галита свидетельствует о том, что отложение рудовмещапцих пород происходило в засушливые (аридные) периоды. Медные руды пространственно тесно связаны с красноцветными (пестроцветными) толщами и залегают в основном в сероцветных, зеленовато-серых обломочных породах. Красноцветные отложения (песчаники, алевролиты и аргиллиты) формировались в окислительной обстановке. Красная окраска пород связана с наличием заметных количеств гидрооксидов железа в составе цемента.

Ритмично-цикличное строение рудных горизонтов, в которых породные и рудные комплексы тесно взаимосвязаны и составляют единые медоносные формации, сочетается с тем, что рудные тела в плане образуют залежи в форме извилистых лент, ориентированных согласно с бортами синклинали, а в разрезе представляют собой согласные со слоистостью пластовые, ленточные и лентообразные тела, тяготеющие к бортам палеопрогибов.

Главные рудообразущие минералы месторождений медистых песчаников представлены халькозином, борнитом, халькопиритом и пиритом. Они образуют зональный ряд: безрудная зона (гематит)-* халькозин-> борнит--»- халькопирит-* пирит (Л.Густафсон и Н.Уильяме,1984г). Согласно данным М.К.Сатпаевой, И.Ф.Габлиной, А.М.Лурье и др. на Джезказганском месторождении зональность выражена в закономерном увеличении сернистости сульфидных минералов в ряду халькозин- (Си^) джарлеит-(Си19вЗг), дигенит-(Си1 832),

борнит- (Си^еБ^), халькопирит (СиРе32), галенит- (РЪБ), сфалерит-(гпБ), пирит-(ГеБ.,). Этот ряд наблюдается в рудных залежах от центра прогиба- снизу вверх по восстанию пластов.

Вопросы генезиса медистых песчаников остаются предметом дискуссий. Некоторые исследователи считают их гидротермальными-телетермальными (И.С.Яковлев, К.И.Сатпаев и др.), другие относят к собственно седиментогенным (Д.Г.Сапожников, Н.М.Страхов, И.П.Дружинин и др.). Рядом исследователей развивается гидрогенная концепция (А.И.Перельман, А.И.Германов и др.), в последние годы работами Я.М.Кислякова и В.Н.Щеточкина, получившая элизионно-эксфильтрационное выражение.

ОСНОВНЫЕ ЗД1ЩДАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Первое тезисное положение. Закономерности размещения и условия залегания рудных тел Джезказганского месторождения удовлетворительно объясняются гидрогенной моделью рудонакопления, которое осуществляется за счет транспортировки металлов из внутренних частей бассейна седиментогенными (элизионными) водами с отложением рудного вещества в краевых зонах прогиба на геохимических барьерах различной природы.

Материалы, обосновывающие это положение, содержатся в разделах 1.2, 2.3, 2.6, 3.3 и 3.4 работы.

Месторождения меди Джезказгана приурочены к бортам одноименный синклинали. Рудовмещаюцие породы представлены континентальной срасноцветной формацией среднего и верхнего карбона, состоящей из эитмично переслаивающихся красно- и сероцветных осадочных пород, соторые перекрываются пестроцветными соленосными образованиями

Рудные тела залегают исключительно в серых разностях песчаников, которые по падению сменяются красноцветными разностями. Серой окраской обладают примущественно грубозернистые (проницаемые) разности пород , которые развиты на флангах синклинали вблизи палео-выступов ее основания. Рудные тела не имеют четких границ с безрудными песчаниками, что объясняется постепенным рассеиванием концентрации оруденения. Наиболее богатые руда преимущественно приурочены к крыльям синклинальных структур. Обычно здесь же наблюдаются и максимальные мощности рудных тел.

Рудные тела обычно группируются в залежи, которые имеют форму извилистых лент, ориентированных согласно с бортами синклинали, а в разрезе представляют собой пластовые, линзовидные, ленточные и лентообразные тела, протягивающиеся непрерывно или разрозненной цепью на несколько км. при ширине от 0.4 до 1.0 км. Для рудовме-щакщих пород характерно последовательное изменение окраски от центра к бортам депрессии, в центре синклинали распространены бурые а у бортов серые разности. Переход от одной зоны к другой происходит через промежуточные разностей смешанных окрасок. При многоэтажном и эшелонированном размещении рудных залежей наиболее глубокие из них располагаются относительно вышележащих с отступлением к центру прогиба.

Цемент красноцветных песчаников образуют гидроокислы железа, гидрослюда с кальцитом. Количественно преобладают гидроокислы железа. Цемент сероцветных песчаников образуют кальцит, гидрослюда, хлорит, сульфиды. Акцессорные обломочные минералы представлены ильменитом, магнетитом, гематитом и др. По данным Т.Тажибаевой, В.Д.Шутова и И.Ф.Габлиной их количество увеличивается снизу вверх по разрезу рудоносной свиты.

Первичные руды Джезказганского месторождения, образованы сульфидами халькозинового ряда , разноокрашенными борнитами, халькопиритом, галенитом, сфалеритом, пиритом и др. К.И.Сатпаевым, И.С.Яковлевым и др., формирование руд месторождения связывалось с воздействием на джезказганскую толщу глубинных гидротермальных растворов. По представлениям И.П.Дружинина (1973г.) оруденение осадочное, оно приурочено к фации подводной дельты, отгороженной от моря песчаными барами, которые препятствовали выносу вещества в открытое море.

Гипотеза гидрогенного рудообразования была выдвинута А.И.Перельманом, А.И.Германовым, В.Н.Холодовым и др. Согласно этой гипотезе медь и сопутствующие металлы выносились из отложений красноцветных формаций подземными (седименгационными) водами и осаждались на сингенетичных (в илах) или эпигенетичных (в породах) сероводородных барьерах. В центральной части впадины создается избыточное давление, а отжимающиеся из глин растворы обычно мигрируют от центра к периферии бассейна, обогащаясь медью и другими металлами при выщелачивании их из вмещающих красноцветных пород.

Для реконструкции палеогидрогеологических условий возникновения руд по гидрогенной модели принципиальное значение имеют исследования составов рудообразующих растворов и возможных температур рудоотложения.

Растворы, переносящие металлы, отлагают металлы в литифициро-ванной осадочной толще или на границе осадочная порода-вода. Первичный перенос включает высвобождение металлов из материнских пород и их перемещение внутри системы по капиллярам. Металлосодержащее вещество из материнского пласта проникает сквозь поры более проницаемых пород.

О природе этих растворов известно мало, но последние исследования жидких включений (G.A.Anderson, 1982), стабильных изотопов руд месторождений типа Миссиссипи (D.W.Haynes, 1986-1987гг) показали, что они имели низкую температуру (85-160°С), высокую соленость и низкое содержание серы (C.M.Bethke, 1986). По данным С.Р.Крайнева, Л.И.Матвеевой и др.(1984), существуют два основных геохимических типа поровых вод, к которым наиболее часто приурочены повышенные концентрации рудных элементов. Первый тип- это Cl-Na-Ca-и С1-Са рассолы; второй- Cl-Na-Mg и С1-Са рассолы. Рудообразупцие рассолы месторождений медистых песчаников и сланцев скорее всего Зыли хлоридными и сульфато-хлоридно-натриевыми (В.Н.Холодов, М.Лурье, G.M.Anderson, E.W.Macqueen и др.) и в среднем с минера-пизаций до 30-40 г/кг . В.Н.Холодов считает, что с глубиной общая линерализация вод обычно возрастает, сульфатные и карбонатные воды вменяются хлоридными.

Погружение осадочных пород сопровождается постепенным увеличе-шем температуры. По данным Г.М.Андерсена и др. исследователей для )тих условий типичны геотермальные градиенты порядка 25-30° С/км, :.е. средняя температура вмещающих пород ниже 100-150°С. Согласно

С.М.Ве11тке флюидные включения в диагенетических цементах из неглубоких (глубина менее 450м) миссисипских пластов имеют температуру в пределах 85-109° С. Эти данные согласуются с температурами, вычисленными по изотопным исследованиям состава сульфидных минералов. В.И.Попов, В.Н.Холодов, Г.А.Голева, Л.Г.Богашова и др. считают, что температура рудообразования отвечает 25-100° С И.Ф.Габлина утверждает, что если в рудах встречаются выделения джарлеита вне срастаний с дигенитом или халькозином, то можно полагать, что температура образования минералов не превышала 93 ±2°С.

В целом.закономерности размещения рудных тел (структурная зональность), условия их залегания (морфологическая зональность), последовательность минералообразования (минеральная зональность), состав рудообразующих рассолов и температуры рудообразования Джезказганского месторождения удовлетворительно объясняются ализионно-эксфильтрационный моделью рудонакопления.

Второе тезисное положение. Изменения окраски пород рудовмеща-пцих толщ, связываемые с фильтрацией через них элизионных вод, сопровождаются выносом основных рудообразующих элементов из бурых (исходных) разностей пород и их значительным накоплением в серых разностях песчаников, а также изменениями физико-механических свойств пород.

Материалы, обосновывающие это положение, базируются на результатах статистической обработки спектральных анализов и изложены в главе 2 (разделы 2.4 и 2.5).

По распределению элементов меяоду разноокращенными разностями пород устанавливается две их группы, к первой из которых принадлежат элементи с ростом содержаний от бурых к серым разностям, а ко второй- с уменьшением концентраций.

В алевролитах первую группу образуют: медь, серебро, свинец, цинк, никель, титан, барий, стронций и марганец. Их содержания при переходе от бурых к серым разностям возрастают: меди, свинца, бария- более чем в семь раз, стронция в четыре раза, остальных элементов в два раза. Во вторую группу входят кобальт, ванадий и

молибден. Содержания ванадия и молибдена в серых разностях примерно в два раза меньше, чем в бурых разностях. Кобальт присутствует во всех разностях в изменчивых содержанях.

В песчаниках рост содержаний характерен для меди, серебра, свинца, цинка, никеля, молибдена, титана и бария. Часть этих элементов- медь, серебро, свинец и цинк концентрируется в серых разностях со значительным ростом (от 3 до 10 и более раз ) против содержания в бурых и переходных разностях. Вторая группа элементов обладает наибольшими концентрацими в бурых ( кобальт , ванадий и стронций) и переходных разностях (марганец).

В целом, серые рудоносные песчаники обогащены такими элементами как Си,А£,РЬ,2п,Ы1,Т1,Ва и Мп; бурые разности алевролитов обеднены Си,А£,РЬ,2п,Ш.,Т1,Ва15г и Мп . Это объясняется заимствованием элементов из бурых разностей пород и их накоплением в серых разностях, сменяющих бурые и красные по восстанию пластов (слоев).

С целью установления ассоциаций элементов, сопутств упцих основному рудообразуицему элементу- меди, данные о содержаниях микроэлементов обработаны методами корреляционного анализа. Анализы были объединены в 6 групп по диалогическому составу пород (алевролиты и песчаники) и их окраске (бурые переходные и серые).

Алевролиты отличаются весьма малым числом парных связей элементов , устанавливаемых премущественно в переходных разностях этих пород. Во целом, во всех разностях алевролитов отсутствует большинство возможных парных связей между рудообразующими элементами. Отмеченные особенности могут быть объяснены тем, что высокая дисперсность первичных глинистых отложений и их ранние преобразования сопровождаются разрывом связей между микроэлементами, возможно, изначально существовавших в продуктах размыва. Процессы диа- и катагенеза пород, сопровождающиеся появлением переходных разностей, триводят к возникновению отдельных парных связей, которые не сохра-1яются при более интенсивной переработке с возникновением евронотов. .

Для всех разновидностей песчаников характерно весьма значите-шное число парных связей почти всех элементов при господстве таких ;вязей в серых разностях.

Геохимические особенности песчаников, отражающиеся в данных корреляционного анализа, выражены в практическом отсутствии парных связей в бурых разностях, эпизодическом их появлении в промежуточных разностях пород и широком спектре парных связей (премуществе-нно положительных) в серых песчаниках. Эти особенности могут обяс-няться тем, что при процессах преобразования пород, выражающихся в переходах от бурой к серой окраске, имеет место перемещение микроэлементов с возникновением устойчивых соединений. Серые разности песчаников отличаются не только наибольшими концентрациями микроэлементов, но и максимальным их набором.

По корреляционным связям с медью выделена следугациая ассоциация рудообразупцих элементов: Си-А^-РЬ-Со-ГЛ-У-Мо-Ва-Мп. Эта ассоциация весьма близка к минеральному составу руд, она отвечает выносу элементов из бурых разностей и их привнесу в серые, что подтверждает модель гидрогенного рудообразования.

Разноокрашенные породы различаются по петрофизическим характеристикам -плотности, проницаемости, модулю Юнга, модулю сдвига и коэффщенту Пуассона, определенным на 46 образцах алевролитов и песчаников.

Плотность алевролитов меняется от 2.79 до 2.84 т/мэ с падением от бурых к переходным разностям и ростом к серым.Плотности песчаников возрастают незначительно: бурые разности - 2.65 т/мэ , переходные 2.67 т/м3 , серые 2.69 т/м3. Проницаемость алевролитов и песчаников убывает от бурых к серым разностям, что может отражать как общее уплотнение пород, так и занятие порового пространства новообразованными минералами (кольматация). Модуль Юнга увеличивается при переходе от бурых к серым разностям. В алевролитах модуль Енга имеет следующие значения (М.бар); бурые 0.58, переходные 0.51 и серые 0.71; в песчаниках - бурые 0.46 , переходные 0.55 и серые 0.60. Модуль сдвига во всех разностях алевролитов имеет практически одинаковые значения 0.26 - 0.27 М.бар. В песчаниках модуль сдвига увеличивается при переходе к серым разностям и имеет следующие значения (М.бар): бурые 0.16 , переходные 0.14 и серые 0.22. Коэффицент Пуассона во всех разностях алевролитов составляет 0.17; в песчаниках убывает к серым разностям (соответственно, 0.40, 0.37 и 0.34 ).

В целом, установленные различия в петрофизических характеристиках разноокращенных алевролитов и песчаников могут рассматриваться как следствие их преобразований теми процессами, которые вызывают изменения окраски пород и сопровождаются перегруппировкой рудного вещества и его значительным накоплением в серых разностях песчаников.

Третье тезисное положение. Массы элизионных вод и гидродинамические характеристики их потоков, переносящих рудное вещество, зависят от площадей распространения слоев уплотняющихся пород, их мощности, глубины и интенсивности погружения, а также от геометрии проводящих слоев, что отражено в количественной модели водообеспече-ния рудообразупцей системы.

Материалы, обосновывающие это положение, содержатся в главе 3 работы.

бакность роли вод осадочных бассейнов в рудообразовании показали, в частности, У.Файф, Н.Прайс, А.Томпсон , В.Н.Холодов, В.И.Смирнов, Ю.В.Мухин, М.С.Бурштар, А.А.Карцев, Е.А.Басков, В.Н.Щеточкин, Д.Хзйнс и М.Блум и др. Тем не менее, пока не создана единая концепция, увязывающая процессы рудообразования, динамику подземных вод и миграцию рудообразующих элементов.

Осадочное заполнение бассейнов седиментации по мере накопления отложений и погружения на глубину испытывает процессы уплотнения, что сопровождается весьма значительным обезвоживанием литогенного материала, выжиманием воды из порового пространства. Объем отжатых (элизионных) вод зависит в основном от степени уплотнения (глубины погружения) и литологического состава пород.

Для получения количественных характеристик модели рудонако-пления принципиальное значение имеет определение масс отжимаемых и мигрирующих вод, чему посвящена часть исследований автора.

В модели водоотдачи автором рассматривается проницаемый песчаный пласт между водонасыщенными глинистыми породами, которые под нагрузкий вышележащих пород уплотняются, что приводит к отхатию из них вод с поступлением в песчаный пласт и фильтрации по нему. Глинистые слои обладают некоторой определенной мощностью и могут отдавать воду как в выше-, так и нижележащие песчаные пласты. Если система пластов наклонена к горизонту под некотором углом а, то их деформации в различных точках будут

различнн. Соответственно, расход жидкости, поступающей в высокопроницаемый пласт, является функцией координат точки пласта. Будем считать, что мощность песчаного пласта постоянна и движение водной фазы происходит в направлении восстания пласта (в область наименьшего давления). Также предположим, что влияние глинистого слоя на песчаный пласт проявляется только в наличии расхода отжимаемой из глин жидкости в вертикальном направлении на границе соприкосновения пластов. При этом количественно величина расхода описывается экспоненциально затухающей во времени функцией. Введем декартову систему координат Х.У, в который ось X проходит по подошве песчаного пласта и ее направление совпадает с восстанием этого песчаного пласта- . Система уравнений, описывающих

процесс фильтрации в высоко проницаемом пласте, имеет вид:

а(ркп) з(рук) - + - +

at

ах

•(Р«у)

= ч

1

нг

av

at

ар

pax

v (X

о k

' П

- g slna

(3.1)

i *Р

----=----+ g cosa

Kn at pay p fcnp

где p - плотность жидкости, кг/м ;

ц - динамическая вязкость жидкости, кг/м-с; кп - пористость пласта, в долях объема породы; fcnp - проницаемость песчаного пласта, м2; р - давление, кг/м-с2;

q - количество поступающих отжатых вод в единицу объема в

единицу времени, кг/м3-с; wx, иу - компоненты вектора скорости фильтрации,м/с; g - ускорение свободного падения, 9,8 м/сг; a - угол наклона, град.

Будем считать, что жидкость несжимаема и р = const, а пористость является функцией давления, тогда;

ак ак ар ар

_ А

~ П

ар а! п »£

ак

где р = —2— - коэффицент осЗъемного сжатия песчаного пласта,

г . аР

м-с /кг.

Тогда первое уравнение системы (3.1) сводится к выражению

*Р аг

1

тп

аи

ах

аи

°У

Без ограничения общности для такого рода задач можно считать справедливым выполнение закона Дарси. Тогда с учетом закона Дарси система уравнений (3.1) может быть сведена к одному дифференциальному уравнению упругого режима фильтрации в песчаном пласте, которое имеет вид

а

ах

вУ

ар *У

= Ря

аг

РРп

(3.2)

I

где р - приведенное давление,'т.е давление в жидкости на глубине залегания пласта, кг/м-с2.

Постановку задачи нельзя считать законченной, пока не определены граничные условия для уравнений, входящих в математическую модель. На нижней и верхней границах песчаного пласта задается расход жидкости. Если предположить, что жидкость поступает только

из нижнего глинистого слоя, то

кР и п

q^X.Y.t)=—--щр е /(у) , (3.3)

- 14-

где U - изменение мощности глинистого пласта, м;

Е - коэффициент, определяющий скорость затухания потока

жидкости из глинистого пласта во времен™, с-1; к - безразмерный коэффициент;

р - коэффициент объемного сжатия глинистого пласта, м с2/кг. С помощью функции f(x) задается изменение расхода по толщине песчаного пласта в направлении оси У. Мы считаем, что /(у) = y/h. Безразмерный коэффициент к и коэффициент Е в формуле (3.3) определяются из условия:

ос

JdtJJ<7(JM\t )dx dy = ULp , (3.4)

о

где L - длина исследуемого пласта, м.

В результате, исходя из вида (3.12) функции q(x,y,t), соотношение между коэффициентами к и Б определяется формулой:

к UlfiMp

где 1я = |и(х)йг и 1у = |ЛУ)<ЗУ •

В том случае, когда объект состоит из п песчаных пластов, математическая модель (3.2) относится к каждому пласту и решается численным методом.

Скорость фильтрации жидкости в песчаном пласте, отжатой из

глинистого пласта, определяется по формуле Дарси :

к

пр

V =--(3.5)

И

Соответственно для компонент скорости по восстанию и простиранию пласта имеются равенства

- 15 -

к Пр ар

М- ах

к пр

И *У

Полученных по данной модели параметров достаточно для вычисления потока жидкости на выходе песчаного пласта на поверхность. Поскольку давление изменяется по протяженности песчаного пласта, то и поток на выходе будет являться функцией координаты у.

Разработанная модель дает возможность получить распределение расхода жидкости по мощности песчаного пласта. Значение расхода может быть определено по формуле

к N N Р(1,х) - Р(1,х )

пр У* 1 » » 4 ' пх '

ОШ ---(3.18)

ц Ь

где (3(у. ) - объем фильтрирущихся вод в единицу времени, м3/с;

¡¡¡^ ^ - 1-ая точка по координате У при дискретном описании области простирания пласта, точка Х4 соответствует началу выбранной оси X, хпх= I;

И% - мощность пласта, условно равная единице. Соответственно суммарный расход жидкости, выводимой на поверхность (.<Зподубудет равен

"У

= ]Г<КУ4>

1=1

Рассмотренная математическая модель описывает динамику фильтрации отжатых вод в песчаном пласте. При выходе песчаного пласта ¡а поверхность он будет терять поступавшую в него воду. Данная юдель позволяет составить баланс между поступавшими в песчаный шаст отжатыми водами и вытекающими из него в процессе миграции, ужно отметить, что такой баланс составляется в рамках разработа-ной модели, которая не учитывает переход части поступавшей жидко-ти в связанное состояние, и процессов сорбции, что особенно хара

ктерно для неоднородных песчаников, содержащих глинистый цемент.

По этой программе было проведено расчетное обоснование количественной модели водообеспечения рудообразующей системы, что стрижено на рис.1, 2.

Четвертое тезисное положение. Количественные модели рудо-накопления, основанные на расчетах масс отжимаемых вод и переносимых ими основных рудообразующих элементов, отвечают реальным масштабам рудных тел Джезказганского месторождения.

Количественные оценки рудонакопления основываются на балансе масс, взаимодействующих в тех или иных рудообразуицих системах (А.И.Кривцов, 1989, и др.).В соответствующих расчетах используются зависимости между массами источников рудного вещества (Ми- красно-цветные породы), массами транспортирующих агентов (Мт- массы отжимаемых вод, которые оценены в предшествующих разделах), массой РУД -(Мр)и соответствующими содержаниями металла (Си, Ст, Ср.) В расчетах используются значения вынесенных из источника концентрация металла (Св). Из баланса масс вытекают следующие зависмости:

Ср Мт Ср Ми Ст Ми

^- = у —— — | = ———

Ст Мр Св Мр Св Мт

Масса источника (Ми) может быть определена из геометрии соответствующего пласта, масса отжатых вод (Мт)- по рассмотренной выше программе, масса руды (Мр)- по запасам меди в условном рудном теле (100 тыс.т) с Ср= 1%. Соответственно, необходимо определение значений Си, Св, и Ст. Вынесенные содержания (Св) могут быть оценены через остаточные, известные по данным геохимического опробования (Св = Си - Со), исходное содержание металла в красноцветах (Си) может быть оценено по литературным данным. По данным Густафсона и Уильямса (1984) оно составляет от 1С до 2000 г/т Си, А.М.Лурье (1988) считает, что красноцветы могут содержать 100 г/т Си. С.Гославска и В.Войцеховский оценивают это содержание от 20 до 55 г/т, Л.Г.Богашовой показано, что при 27,3г/т. концентрацию! меди в глинах поровые растворы содержат 29,7г/т этого металла. Соответственно, по данным Л.Г.Богашовой в растворы выводится около половины исходного содержания меди, которое оценивается в 57 г/т.

Рис.1 Зависимости объемов вод, отнимаемых из нижнего (I) и верхнего (2) глинистых слоев от глубины их погружения (Н,м); 3-интегральный объем отжатых вод

140 120 100 80

60

40 20

О

Ь ,м

Рис.2 Водоотдача из верхнего и нижнего глинистых слоев по длине (I. ,м) при различных глубинах погружения (цифры у графиков)

- 18В предшествующих разделах было показано, что остаточные содержания меди в красноцветах в среднем составляют (по данным геохимических исследований) в алевролитах 13 г/т, а в песчаниках 25.г/т. С учетом данных Л.Б.Богашовой вынесенные содержания для песчаников определяются в 25-30 г/т.

Содержания меди в растворах различными исследователями определяются в широком диапазоне. Д.Хэйнесом (О.Наупез,1986) показано, что хлоридные растворы в зависимости от состава обломочных пород могут содержать 3,5 , 100 и даже 800 г/т меди. Л.Г.Богашова оценивает содержание меди в поровых растворах-рассолах примерно равным остаточному. Соответственно, для условий Джезказгана Ст может достигать 25 г/т.

Примем для последующих расчетов Ст=25г/т; Ср=1% (10 ОООг/т), Мр=1.107т (что эквивалентно запасам меди 1.105т). Из баланса масс руда-раствор при этих условиях и допущениях получаем значение Мт=4.109т (что значительно меньше расчетного данных водообеспече-ния). Если принять, что эта величина составляет около половины массы исходного осадка, то Ми=8.109т , что примерно эквивалентно объему 4.109мэ. При мощности слоев источников металла, равном 100м, они должны занимать площадь 4x10км, что сопоставлимо с размерами питающей рудонакопление части Джезказганского прогиба, которыйимеет ширину 10-12км при протяженности по длинной оси до 30км.

Таким образом, при принятой растворимости меди в седиментогенных водах массы пород области питания и отжимаемых из них вод оказываются достаточными для накопления меди в рудном теле с запасами 100 тыс.т металла, что близко масштабам отдельных залежей Джезказгана.

Подобный прием может быть использован для оценки масштабов меденакопления в зонах разгрузки седиментогенных вод всей Джезказганской синклинали. Объем рудоносной джезказганской серии, слагающий конусоведное тело с эллиптическим основанием, при максимальной мощности (высоте конуса) 1,5км составляет около 1,4.1011мэ, что эквивалентно массе 3,5.1011т. Если принять, что масса области питания составляет 0,5 последней величины, то масса вод, транспортирующих медь (25 г/т), оценивается по крайней мере в 1,75.1011!. Соответственно, масса вынесенного металла должна превышать 4.106т, что сопоставимо с опубликованными данными о запасах ведущих медоносных бассейнов.

Соответствувдие расчеты, учитывающие реальные объемы красно-цветных переходных и сэроцветных разностей пород, могут быть использованы при прогнозных построениях и оценке прогнозных ресурсов потенциально медоносных седиментогенных формаций.

Заключение

Проведенные исследования автору позволили получить следующие основные выводы.

1.Анализ геологических данных по месторождениям медистых песчаников мира и Джезказганского рудного района позволил подтвердить концепцию элизионно-эксфильтрационного рудообразования. Рудоносные растворы в соответствующих рудообразуюцих системах формировались за счет отжатая седиментационных вод из красноцветных (пре-мущественно глинистых) толщ, и перенасыщались по высокопроницаемым (песчаным) слоям. Рудоносные рассолы, вероятно, обладали хлоридным и сульфатно-хлоридно-натриевым составом и температурой около 100°С. Рудонакопление реализовывалось в зонах разгрузки вод на бортах впадин при взаимодействии с сероводородными геохимическими барьерами.

2.Отжатие и миграция вод сопровождались перераспределением рудогенных компонентов во вмещающих породах и изменениями их физико-механических свойств. При этом установлен значительный вынос рудообразущих элементов из бурых разностей пород с накоплением в сероцветных песчаниках Это положение подтверждается результатами статистической обработки данных геохимического опробования и корреляционного анализа содержаний в разноокращенных разностях пород.

3.Результаты математического моделирования водообеспечения эудообразувдей системы не противоречат геологической сетуации, геометрии и др. характеристикам Джезказганской синклинали. В «атематической модели проанализированы зависимости гидродинами-1еских показателей от размеров уплотняющихся пластов и глубины' их югружения.

4.Оценка масштабов возможного меденакопления на основе математического моделирования водоотдачи размеров областей питания ] возможного содержания меди в отжимаемых водах, позволили получит] величины запасов сопоставимые с реальными запасами меденосных районов Джезказганского типа.

5.Разработанная автором методика оценки водообеспечеюн элизионно-эксфильтрационных рудообразующих систем и приемы оценю масштабов возможной меденосности могут быть использованы пр! прогнозных построениях в районах развития потенциально рудоносны; седиментогенных формаций.

Работы, автора по теме диссертации

Геохимические особенности рудоносных толщ Джезказганского месторождения. Изв. ВУЗов,Геол. и разв., (в печати).

Количественная модель расчета объема отжатых вод элизионныг бассейнов. Изв. ВУЗов,Геол. и разв., (в печати).

•3ак.№663. от 03.05.95г. Тир.ЮО экз. АО'Ш'КОР