Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Концентрационные неоднородности в оловорудных телах

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Кирьяков, Георгий Артурович, Санкт-Петербург

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова (технический университет)

На правах рукописи

Кирьяков Георгий Артурович

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В ОЛОВОРУДНЫХ ТЕЛАХ.

Специальность: 04.00.11 - Геология, поиски и разведка рудных и нерудных

месторождений; металлогения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель д.г.-м.н., проф. Ю.В.Лир

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ НЕОДНОРОДНОСТИ В РУДНЫХ ТЕЛАХ........................................................10

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУДНЫХ ТЕЛ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАССИТЕРИТ-СИЛИКАТНО-СУЛЬФИДНОЙ ФОРМАЦИИ..............................................................................................................22

2.1. Геотектоническая позиция месторождений..........................................22

2.2. Характеристика месторождений...............................................................25

ГЛАВА 3. ГЕОМЕТРИЗАЦИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ...........................................................................................'.51

3.1 Общие соображения.....................................................................................57

3.2. Особенности выделения и практического представления

концентрационных неоднородностей.............................................................57

3.3. Основные факторы локализации концентрационных

неоднородностей..................................................................................................61

ГЛАВА 4. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСОВ ОЛОВА В НЕДРАХ................................................................................85

4.1. Введение..........................................................................................................85

4.1.1. Свойства логистической функции.......................................................85

4.1.2. Общие соображения относительно возможности применения логистической функции в геологических исследованиях.........................87

4.2. Анализ соответствия распределения запасов олова логистической функции на различных масштабных уровнях................................................90

4.3. Выводы............................................................... .....................................109

ГЛАВА 5. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ИЗУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ...........................................110

5.1. Теоретические основы..............................................................................но

5.1.1. Самоорганизация в динамических неравновесных системах.....110

5.1.2. Понятие сложной системы. Информационный подход к изучению сложных систем...............................................................................................114

5.1.3. Теоретические основы фрактальной геометрии.......................117

5.2. Описание применяемого алгоритма.......................................................120

5.2.1. Методика расчета величины относительной информационной энтропии............................................................................................................120

5.2.2. Методика изучения закономерностей изменчивости информационной энтропии...........................................................................121

5.2.3. Методика измерения величины фрактальной размерности контуров и распределения запасов в жилах...................................................................122

5.3. Описание результатов изучения явлений самоорганизации в рудных

телах.......................................................................................................................125

5.3.1. Фрактальный анализ закономерностей распределения полезного компонента в рудных телах (на примере оловорудных жил)................125

5.3.2. Анализ закономерностей изменчивости величины информационной энтропии...........................................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................159

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ работы определяется тем, что во многих месторождениях полезных ископаемых большая часть запасов (до 2/3 и более) содержится в участках, которые в совокупности занимают весьма незначительную часть рудного тела (ок. 10-15% объема). Выявление уже на стадии разведки факторов, определяющих локализацию таких участков, называемых рудными столбами, позволяет избежать погрешностей при оценке запасов рудных объектов.

Традиционно рудные столбы принято представлять на продольных проекциях рудных тел в виде областей, ограниченных изолиниями содержания полезного компонента. Использование для оконтуривания рудных столбов метропроцента - показателя, характеризующего как степень концентрации металла, так и объем рудной массы, на которую распространяется данное содержание, позволяет более объективно представить распределение полезного компонента в объеме рудного тела.

Разработка критериев, с помощью которых возможно оценить достоверность данных разведки, позволяет избежать пропуска участков обладающих как повышенной, так и пониженной рудонасыщенностью (концентрационных неоднородностей). Использование логистической функции для аппроксимации распределения значений метропроцента дает в руки исследователю простой и, вместе с тем, довольно мощный инструмент для решения этой проблемы.

Рассмотрение геологических объектов с позиций синергетики привело некоторых видных геологов к выводу, что многие крупные месторождения с богатыми рудами являются результатом длительной самоорганизации. Использование аппарата синергетики для рассмотрения месторождений и рудных тел позволяет подняться на новый уровень генерализации таких систем, что дает возможность описания их состояния с помощью небольшого количества управляющих параметров.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Цели, решаемые данной работой, формулируются следующим образом:

1. Определение факторов, влияющих на локализацию концентрационных неоднородностей;

2. Изучение возможности применения логистической функции для решения геологических задач;

3. Изучение явлений самоорганизации в рудных системах.

Для достижения указанных целей был определен соответствующий круг

задач:

1. Сопоставление результатов геометризации концентрационных неоднородностей по данным эксплуатации и по данным разведки.

2. Анализ факторов, определяющих размещение, форму и ориентировку рудных столбов в оловорудных жилах месторождений касситерит-силикатно-сульфидной формации.

3. Проверка соответствия распределения значений метропроцента логистической функции.

4. Расчет параметров логистического распределения и анализ связей между ними и показателем рудонасьпценности.

5. Разработка методики определения относительной информационной энтропии по данным разведочного опробования.

6. Исследование связи величины рудонасьпценности и степени самоорганизации системы.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. В качестве исходных данных для выполнения

данной работы были использованы следующие материалы:

1. Опубликованные данные по геологическому строению ряда оловорудных месторождений Северо-Востока Якутии, а также аналогичные сведения, содержащиеся в диссертации Ю.В.Лира на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук [132] (рассмотрено 7 рудных тел 6 месторождений).

2. Комплект графических материалов, включавший в себя продольные вертикальные проекции некоторых рудных тел масштаба 1:1000 и 1:2000, планы

горных выработок масштаба 1:200 с вынесенными на них данными опробования (рассмотрено 12 рудных тел 8 месторождений, было использовано более 6000 проб).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Постановка указанных выше задач определила комплекс используемых при этом методов:

1. Анализ данных документации горных выработок.

2. Математическое и компьютерное моделирование.

3. Анализ изменчивости степени самоорганизации рудных систем с привлечением результатов фрактального анализа.

4. Геологическая интерпретация полученных данных.

Обработка исходных данных проводилась с использованием современной электронно-вычислительной техники ПЭВМ IBM - 486, Pentium и дигитайзера GRAPHTEC KD 4300. Автором данной работы был разработан программный комплекс для анализа данных, причем его использование возможно на любом IBM-совместимом компьютере с процессором не ниже 286, с установленным математическим сопроцессором и видеоадаптером VGA, поддерживающим разрешение 640*480 пикселей при 16-цветовой палитре. ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Концентрационные неоднородности в оловорудных жилах, выделяемые на основе определения значений метропроцента, могут быть детально геометризованы только на основе данных эксплуатации. Тем не менее, материалы разведки позволяют определить главные черты их локализации и пространственной ориентации на основе выявления ведущих факторов, определяющих распределение металла в области рудообразования, прежде всего, положения линии пересечения и сочленения рудоконтролирующих разрывов, горизонтов «благоприятных» пород, характера предрудных смещений вдоль пространственно искривленных поверхностей сместите ля.

2. Распределение запасов олова на различных масштабных уровнях строения рудных объектов уверенно аппроксимируется логистической функцией. Факт соответствия эмпирического распределения значений метропроцента логистической функции может рассматриваться в качестве необходимого критерия достаточной степени разве данности оловорудного объекта.

3. Величина информационной энтропии как показатель степени самоорганизации связана с продуктивностью рудного тела. В некотором оптимальном интервале значений величины продуктивности рост рудонасьпценности сопровождается увеличением степени самоорганизации рудной системы. Ниже этого интервала увеличение количества привнесенного вещества не ведет к повышению степени самоорганизации системы. После превышения величиной продуктивности верхнего порогового значения начинается деструктурирование рудной системы. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Традиционно в качестве ключевой характеристики при выделении рудных столбов используется величина содержания полезного компонента в руде. Предлагается использовать для этих целей величину метропроцента - показателя, характеризующего не только степень концентрации

металла, но и объем рудной массы, на которую она распространяется.

(

Геометризация концентрационных неоднородностей выполняется методом линейной интерполяции. Специфика разведки оловорудных месторождений заключается в том, что их вскрытие и прослеживание осуществляется горизонтальными выработками на нескольких горизонтах при минимальном количестве восстающих. При этом расстояние между пунктами опробования в пределах горизонта составляет ок. 2м, тогда как расстояние между горизонтами превышает эту величину минимум на порядок. Таким образом, сделан вывод о принципиальной невозможности детальной геометризации рудных столбов, опираясь на данные разведки.

Впервые в геологической практике предложено использовать логистическую функцию для аппроксимации распределения значений метропроцента, которая предоставляет возможность удобного и компактного его описания.

В геологических исследованиях известны лишь единичные примеры изучения явлений самоорганизации. В результате проведенных исследований впервые выявлена зависимость между степенью самоорганизации рудной системы и величиной продуктивности на иерархическом уровне рудных тел и концентрационных неоднородностей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в том, что изложенные в ней идеи и методические приемы создают реальную основу для решения многих важных в практическом отношении задач изучения рудных месторождений, в числе которых отметим следующие.

1. Использование значений метропроцента для выделения рудных столбов позволяет выявлять и изучать размещение именно повышенного количества рудного вещества, а не повышенных концентраций, которые могут быть связаны, например, с очень маломощными прожилками, состоящими целиком из рудного минерала.

2. Возможность оценить достоверность данных разведки.

3. Возможность предотвратить ошибки при оценке запасов, связанные с пропуском концентрационных неоднородностей, возможно содержащих значительные количества полезного компонента и оценить величину удельного линейного запаса по объекту в этом случае.

4. Возможность на основании изучения явлений самоорганизации в рудных телах предположить наличие невскрытых концентрационных неоднородностей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Результаты работы докладывались на Ежегодной научных конференциях молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 1996, 1998), а также на Научной студенческой школе «Металлогения древних и современных океанов» в г.Миасс (1996 г). По теме диссертации опубликовано 3 научные работы, еще одна находится в печати.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем текстовой части - 172 страницы. Внутритекстовые приложения содержат 96 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований, в том числе 12 - на иностранном языке.

В первой главе дается краткий исторический обзор изучения рудных столбов, определяется используемая терминология. Во второй главе рассматривается геологическое строение ряда месторождений касситерит-силикатно-сульфидной формации. В третьей главе рассматриваются примеры концентрационных неоднородностей в оловорудных телах, исследования факторов,

определяющих их локализацию и примеры геометризации рудных столбов; обосновывается первое защищаемое положение. В четвертой главе выполнено исследование возможностей применения логистической функции для описания распределения значений метропроцента на различных иерархических уровнях строения оловорудных объектов; обосновывается второе защищаемое положение. В пятой главе выполнено изучение явлений самоорганизации в рудных телах; обосновывается третье защищаемое положение.

БЛАГОДАРНОСТИ. Диссертация написана под научным руководством д.г.-м.н., профессора Ю.В.Лира на кафедре Геологии и разведки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета). Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, в первую очередь за бесконечную терпеливость .и доброжелательность, а также за предоставленные материалы, полезные и своевременные советы. Автор также благодарен коллективу кафедры геологии месторождений полезных ископаемых СПГГИ за предоставленную возможность повышения квалификации и всестороннее содействие. Отдельную благодарность автор выражает к.г.-м.н.И.А.Карякину за консультации полученные в ходе проведения исследований, а также к.г.-м.н.И.Г.Савиной за всестороннюю поддержку и дружеское участие.

Глава 1. Общие представления о концентрационных неоднородностях в рудных телах

В соответствии с принципом относительной элементарности, который лежит в основе научного исследования материального мира, участки недр с рудной минерализацией могут рассматриваться как сложные системы, состоящие из множества условно неделимых элементов, объединенных между собой совокупностью внутренних связей. Выявление характера этих взаимосвязей и пространственных взаимоотношений элементов неоднородности обеспечивает понимание структуры системы как способа организации слагающих ее элементов.

Относительность неделимости элементов состоит в том, что каждый объект материального мира может рассматриваться как элемент более крупной системы. В то же время на более глубоком уровне строения любой элемент сам выступает в качестве системы, состоящей из дискретного множества более мелких элементов. Таким образом, концепция относительной элементарности приводит к представлению об иерархии структурных уровней материи с условно неделимыми элементами на каждом уровне.

Элементарность геологических объектов, в том числе рудных тел, определяется не только природой объекта, но также задачами проводимых исследований, и степенью детальности наблюдений. Например, рудное тело, представляющее собой единый геологический объект определенного уровня рассмотрения, можно расчленить на участки, различающиеся по концентрации полезных компонентов. Такие участки представляют собой условно однородные элементы более высокого уровня. Эта операция основана на давно подмеченной геологами специфической черте рудных образований, заключающейся в неравномерном распределении в пространстве ценных компонентов, что нашло свое отражение в формулировке понятия «рудный столб» [12, 94, 127, 130].

Рудными столбами принято именовать участки богатых руд внутри рудных тел, часто (но не всегда) они имеют действительно столбообразную форму [94]. Этот термин нельзя считать удачным, при его использовании необходимо уточнение - идет ли речь о рудном столбе в вышеприведенном смысле или о рудном теле столбообразной формы.

Хотя, по мнению В.Линдгрена, [41, 125] рудные столбы - явление универсальное, распространенное в осадочных, магматических, гид