Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Минералогия цеолитсодержащих пород Русской платформы на примере Хотынецкого месторождения Орловской области

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Григорьева, Антонина Владимировна

Введение.

1. Глава I. Первый уровень - минерал.

1.1.Первый этап - диагностика и определение количественного содержания цеолита.

1.2.Второй этап - определение форм выделения цеолита во вмещающей породе.

1.3.Третий этап - детальное исследование цеолита методами электронной микроскопии с определением его состава.

1.4. Выводы.

2. Глава II. Второй уровень - горные породы рудовмещающего комплекса.

2.1.Первый этап - рентгенофазовый анализ.

2.2.Второй этап - физико-химические исследования.

2.3.Третий этап - петрографическое изучение шлифов.

2.4.Четвертый этап - ИКС.

2.5. Пятый этап - электронная микроскопия.

2.6. Выводы.

3. Глава III. Третий уровень - месторождения цеолитсодержащих пород.

3.1.Технология построения модели.

3.2.Анализ полученных результатов.

3.3. Выводы.

4. Глава IV. Разработка экспертной системы по использованию природных цеолитов.

4.1.Первый этап - идентификация знаний.

4.2. Второй этап - формализация знаний.

4.3.Третий этап - моделирование ЭС.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Минералогия цеолитсодержащих пород Русской платформы на примере Хотынецкого месторождения Орловской области"

1. Актуальность работы

Цеолиты - минералы, обладающие уникальными адсорбционными [58,66], ионообменными [57] и каталитическими свойствами [7, 26, 47]. В связи с этим, они используются практически во всех областях хозяйственной деятельности: в аграрном комплексе ионообменные свойства цеолитов, их способность удерживать воду послужили основой для создания приемов кондиционирования почв, повышения за счет введения цеолитов воздействия удобрений [5], уменьшения кислотности почв, они являются полезной пищевой добавкой в корм птиц, свиней и других домашних животных [46, 60]; в легкой промышленности - в качестве наполнителей в производстве бумаги, в качестве дезодорирующих компонентов [59]; в тяжелой промышленности - в металлургическом производстве [2]; для разделения газов в газовых смесях [27]; перспективно использование цеолитов для капсулирования в порах цеолитового каркаса и последующего хранения различных газов [42]; в медицине цеолиты используются для очистки плазмы крови от токсичных веществ; в области охраны окружающей среды - в качестве наполнителей фильтров при очистке сточных вод различных производств [53], в защитных сооружениях для извлечения вредных газов из атмосферы, для сбора нефтяной пленки с водной поверхности, и т.д. [4, 11, 30, 38, 41].

Изучению свойств этих минералов посвящено большое количество работ российских и зарубежных исследователей [7, 12, 14, 20, 21, 72, 77]. Существует несколько классификаций цеолитолитов по различным признакам: генетическим [49], технологическим [48], минералогическим [18] и т.д. Экспериментальные и теоретические работы таких исследователей, как Д.Брек [13], Mampton F.A.[73, 74, 75], Coombs D., Barrer P.M.[66], Hay R.L.[70, 71], Сендеров Э.Э.[48], Хитаров Н.Щ49], Челищев Н.Ф.[56] и др. касаются условий образования и существования цеолитов в различных природных обстановках и их синтеза [18, 3 54, 62, 63, 70, 71]. Ионообменным и сорбционным свойствам цеолитов посвящаются ежегодные международные конференции и симпозиумы [30,42,5,46,53,76].

Цеолитсодержащие породы Русской платформы были обнаружены сравнительно недавно и привлекли к себе внимание после 1990-го года [20, 37, 38, 54]. Вследствие этого они изучены недостаточно, а вопросы генезиса цеолитовой минеральной фазы в этих отложениях являются дискуссионными. Между тем правильное понимание условий формирования цеолитов позволит целенаправленно организовать поисковые работы и существенно ускорит оценку выявляемых месторождений этого минерального сырья.

Присутствие большого количества минералов группы цеолита в осадочном чехле Русской платформы, сравнительная дешевизна эксплуатации выявленных месторождений данного вида сырья, обусловленная развитой инфраструктурой Центральных районов России, возможность открытой разработки таких месторождений определяют актуальность детальных исследований цеолитовой минерализации этого района для повышения эффективности поисков и оценки месторождений цеолитолитов на территории Европейской части России. Для разработки поисковых критериев цеолитовых месторождений необходимо выявить условия образования цеолитсодержащих фаций и определить соответствующие этим условиям парагенетические ассоциации. По мнению большинства исследователей [62, 63, 37, 25, 32, 64], в кремнисто - карбонатных отложениях Европейской части России цеолиты образуются на различных стадиях диагенеза или путем прямой кристаллизации из щелочных растворов, или при замещении кремниевых (но не вулканогенных) матриц, или же путем литификации и цеолитизации кремниевых гелей. Принципиально другой точки зрения придерживается В.И.Муравьев [39], по мнению которого образование цеолитов в этом регионе связано с поствулканической гидротермальной деятельностью.

Цеолитовая минерализация отмечается практически во всех верхнемеловых отложениях Русской платформы и приурочена к кремнисто-карбонатной формации [39]. Проявления и крупные месторождения цеолитолитов выявлены в пределах Орловской, Брянской, Воронежской, Курской областей. Адсорбционные, ионообменные и другие технологические характеристики цеолитолитов месторождений Русской платформы изучались в различных научно-исследовательских институтах, таких как ГЕОХИ, ЦНИИГеолнеруд, ГИАП, ВНИИТИХИМ и др. [21, 23, 36]. По сравнению с цеолитолитами ряда промышленных месторождений, где содержание цеолита колеблется в пределах от 60 до 90%, в осадочных породах Европейской России содержания цеолитов не превышают 50%. Однако, по своим технологическим характеристикам и прежде всего таким, как адсорбционная способность и ионообменная емкость, они превосходят руды многих месторождений вулканогенного типа за счет комплексности сырья (присутствия в нем ряда других полезных минералов).

Автором изучалась минералогия цеолитсодержащих пород Русской платформы на примере Хотынецкого месторождения Орловской области, которое является самым крупным на Русской платформе и довольно характерным представителем месторождений цеолитов подобного типа. Отличительной особенностью слагающих его пород по сравнению с разрабатываемыми цеолитовыми рудами других регионов России является наличие в них целого ряда минералов - сорбентов, определяющих полифункциональность свойств этого сырья.

Хотынецкое месторождение цеолитолитов является легко доступным для разработки, расположено в районе с развитой инфраструктурой и при сохранении благоприятной экономической обстановки в регионе в скором времени может быть вовлечено в эксплуатацию - поэтому изучение вещественного состава и прежде всего минералогии слагающих их пород является актуальной задачей.

2. Цель и задачи работы

Целью работы является наиболее полное изучение вещественного состава цеолитсодержащих пород применительно к решению задач генезиса данного геологического объекта с элементами оценки его практической значимости на основе использования современных аппаратурных и методических возможностей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: а) проведение точной диагностики, определение количественного содержания и изучение минеральных видов цеолитов в продуктивных отложениях; б) изучение парагенетических ассоциаций и разработка классификации цеолитсодержащих пород Хотынецкого месторождения; в) построение объемной модели продуктивного пласта одного из участков Хотынецкого месторождения; г) создание прототипа экспертной системы по использованию природных цеолитов для получения оперативной информации об областях применения цеолитов, рыночной конъюнктуре в отношении данного вида сырья и т.д.;

Для выполнения поставленных задач необходимо было:

1) комплексом методов установить распространенные на месторождении минеральные ассоциации. При этом использовались следующие методы: петрографическое изучение пород, рентгенографический, термический, химический и спектральный анализы;

2) провести статистическую обработку полученных аналитических данных с целью разработки классификации изучаемых пород;

3) разработать экспресс-методику РКФА для количественного определения содержаний цеолитовой фазы применительно к данному типу пород;

4) провести электронно-микроскопические исследования цеолитсодержащих пород с использованием энергодисперсионной приставки Link-sistem для выявления и изучения ультратонкодисперсных минеральных фаз;

5) выполнить формализацию геологических и минералогических данных для построения цифровой объемной модели месторождения, а также создать такую методику построения модели геологического объекта, в которой учитывается ее непротиворечивость геологическим представлениям;

6) провести экспертизу имеющихся аналитических данных по цеолитам Русской платформы с целью подготовки базы данных для создания прототипа экспертной системы «Цеолит», формализовать полученные унифицированные данные для введения их в компьютерную программу «GURU», на основе которой был разработан прототип экспертной системы.

3. Научная новизна а) установлен минеральный состав цеолитсодержащих пород Хотынецкого месторождения; б) разработана, опробована и внедрена новая экспресс-методика РКФА для количественного определения содержания цеолита в полиминеральных пробах; в) создана классификация типов цеолитсодержащих осадочных пород кремнисто-карбонатной формации Русской платформы и выделены наиболее продуктивные из них; г) с помощью электронно-микроскопических исследований определен минеральный вид цеолита в породе и рассчитана его стехиометрическая формула на основе данных спектроанализатора; при этом впервые обнаружено уникальное образование углеводородов, законсервированное в камерах микрофоссилий фораминифер и радиолярий; д) впервые для месторождений подобного типа с использованием компьютерных технологий построена объемная математическая модель геологического объекта; е) предложен прототип экспертной системы для определения возможности создания оперативной связи: производитель-потребитель.

4. Практическое значение а) особенности минерального состава руд Хотынецкого месторожднния являются основой при разработке оценочных критериев для аналогичных типов пород платформенных отложений; б) разработанная методика РКФА может быть использована для других месторождений цеолитолитов кремнисто-карбонатной формации Русской платформы; в) построенная по данным изучения минерального состава модель продуктивной части пласта дает возможность при дальнейшей детализации минералогических данных определить контуры кондиционных руд на изучаемом участке месторождения, решить задачи типизации руд и их распределения в пространстве для более точного подсчета запасов. Модель представлена в распоряжение ОАО "Орелгеология"; г) созданный прототип экспертной системы "Цеолит" является основой для разработки многоцелевых компьютерных программ - как для производителей, так и для потребителей цеолитового сырья.

5. Фактический материал

В основу диссертации положены материалы, полученные автором за время работы на месторождении в период с 1994 по 2000 г., что нашло отражение в отчетах Центральной лаборатории "Центргеология" и в ряде публикаций.

- Выполнено более 500 определений РКФА проб цеолитолитов Орловской, Брянской, Курской областей;

- Проведены микрофаунистические исследования образцов известковистого трепела изучаемого месторождения, хорошая сохранность органогенных остатков которых обеспечила определение геологического возраста осадка;

Проведены комплексные минералогические и физико-химические исследования 36 проб руд на базе Центральной лаборатории ГГП "Центргеология". В них изучены: минеральный состав, химический состав, определены содержания микроэлементов, выявлены токсичные и радиоактивные компоненты, изучен гранулометрический состав.

Измерены: объемная масса, плотность, пористость, влагоемкость, коэффициент фильтрации, водостойкость и механическая прочность.

Проведено петрографическое изучение 63-х шлифов; изучено методом ИКС четыре пробы цеолитсодержащих трепелов с разной глубины; проведено электронно-микроскопическое исследование образцов известковистого трепела с определением химического состава цеолита.

6. Построение и объем работы

Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения. Объем диссертации составляет 86стр., 35рисунков, 8таблиц, 2 приложения. При построении работы использовался методологический прием, заключающийся в применении иерархического подхода к решению проблемы: исследования проводились от рассмотрения частных представлений об объекте к более общим:

Заключение Диссертация по теме "Минералогия, кристаллография", Григорьева, Антонина Владимировна

3.3. Выводы

Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что над известняковыми куполами происходит «уплотнение» цеолитовых залежей (увеличение их продуктивности), а над впадинами - разрежение, что также отражается в рельефе дневной поверхности. Это позволяет сформулировать двойной критерий поисков и оценки богатых цеолитовых руд.

Первым критерием обогащенных участков месторождений цеолита являются положительные формы рельефа дневной поверхности (здесь, как правило, наблюдается увеличение содержаний цеолита в продуктивном слое).

Вторым критерием повышенной продуктивности цеолита (увеличение содержаний цеолита на фоне раздува мощности залежи) является понижение рельефа подошвы на фоне повышения рельефа кровли продуктивной залежи.

В результате объёмного геокомпьютерного моделирования на рисунке 3.13 визуализирован образ Образцовского участка Хотынецкого месторождения с разрезом со стороны юго-западного фланга. Промежуточными результатами построения модели явились карты и разрезы в морфометрических параметрах продуктивностого пласта по каждому полезному компоненту и кальциту в отдельности.

Полученная модель дает возможность обосновать кондиционные контуры участка, подсчитать запасы полезных компонентов, выделить сорта руд с учетом вредных примесей и сформулировать прогнозно-оценочные критерии для объектов подобного генетического типа.

Полученные результаты дают возможность сформулировать третье защищаемое положение: на основе минералогических данных с применением компьютерных технологий разработана и построена объемная модель продуктивного пласта одного из участков Хотынецкого месторождения, которая позволила дифференцировать осадочную толщу, выделить в ее пределах различные типы руд и является основой для подсчета запасов этих РУД

4. ГЛАВА IV РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВ.

В результате значительного расширения сырьевой базы цеолитов и успехов в изучении их свойств становится все более актуальной задача оптимального выбора цеолитсодержащей горной породы и типа цеолита для определенной области применения. К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по изучению конкретных свойств минералов этой группы. В связи с этим возникла необходимость эффективного использования накопленной информации для конкретных практических целей.

Для решения задач по выбору месторождения, областей рационального использования цеолитов целесообразно привлечение компьютерезированых информационных технологий и, в частности, аппарата так называемых экспертных систем (ЭС), которые являются ярким примером практического применения достижений в области создания компьютерных технологий. Это обеспечивается, в первую очередь, успешным соединением мощности автоматизированных логических сетей и баз знаний, содержащих опыт многих экспертов для решения прикладных задач на основе современных ЭВМ.

Работа по созданию целевой ЭС, названной "ЦЕОЛИТ", была проведена автором совместно с доцентом Саратовского университета Большаковым А. А. Разработка этой ЭС состояла из ряда взаимосвязанных этапов.

4.1. Первый этап - идентификация знаний

На этом этапе формулировались задачи, которые подлежат решению, выявлялись цели разработки ЭС, определялась ресурсная база полезного ископаемого и определялся круг экспертов, которые способных заполнить базы данных ЭС, а также категории пользователей.

Основной задачей ЭС ЦЕОЛИТ, является генерация рекомендаций по ряду типовых запросов пользователя. Упрощенно эти рекомендации можно разделить на две категории. Первая - связана с выбором месторождений и пород, содержащих цеолиты, которые удовлетворяли бы заданному комплексу характеристик. Перечень этих требований формируется, исходя из предполагаемой практической области применения минералов [11, 16, 14].

Вторая категория связана с определением предпочтительных областей использования конкретных цеолитов, добываемых из определенных месторождений, и характеризуемых определенным набором физико-химических и технологических свойств [2, 4, 7, 27, 30].

Эти две категории задач по своей сущности можно условно отнести к прямым и обратным, то есть выявить имеющиеся месторождения конкретных цеолитов, с одной стороны, и ответить на запрос потребителей на цеолиты с конкретными свойствами, с другой.

В качестве экспертов для создания базы знаний были привлечены специалисты из научно-исследовательских институтов ГИН РАН, ГЕОХИ РАН , ВИМС им. Н.М. Федоровского, ИГЕМ РАН, связанные с исследованием свойств цеолитов, а также сотрудники производственных организаций, работающие на конкретных месторождениях цеолитов.

Предполагается, что пользователями разрабатываемой ЭС ЦЕОЛИТ могут быть сотрудники НИИ соответствующего профиля, разработчики месторождений, содержащих породы с цеолитом, а также работники различных отраслей промышленности и сельского хозяйства, заинтересованные в использовании цеолитов различных типов.

4.2. Второй этап - формализация знаний

На этом этапе были определены способы представления основных видов знаний, формализованы основные понятия, определены способы машинной интерпретации знаний. Кроме этого, проведено необходимое моделирование основных аспектов работы системы для оценки степени ее адекватности заявленным целям, сформулированным понятиям, а также средствам представления и манипулирования знаниями [15].

Предметная область, охватываемая ЭС, характеризуется следующими понятиями:

• состав и структура минералов;

• генетический тип месторождений;

• физико-химические свойства сырья;

• тип сырья;

• адсорбционные свойства минералов;

• состав обменных катионов минералов;

• области применения.

По областям применения были выделены: промышленность, сельское хозяйство, бытовое применение, медицина, экологическая сфера.

Для области охраны окружающей среды применение цеолитов например, было обозначено: для обезвреживания отходящих газов от оксидов азота и углекислого газа, паров аммония, ртути, серной кислоты; для очистки городских, промышленных и сельскохозяйственных сточных вод от аммиака, меди, свинца, цинка, кадмия, смазочных масел, нефтепродуктов, капролактама, трихлорэтилена и других вредных примесей, для очистки природных сред от радионуклидов, для дезактивации почв и природных вод, для извлечения цезия и стронция из отходов функционирования атомных реакторов [59, 66, 78].

В медицине применение цеолитов в ЭС было запрограммировано для изготовления лекарственных препаратов, например, таких, как биокорректоры и биостимуляторы иммунной системы. В настоящее время подобные препараты, использующие катионообменные и каталитические свойства цеолитов, уже опробованы на животных и дали хорошие результаты. На практике применяются также лекарственные препараты, содержащие кальциевые цеолиты для подпитки животных кальцием, а также для выведения из организма токсичных металлов [60, 77].

Структура предметной области экспертной системы ЦЕОЛИТ представлена на рис. 4.1. В соответствии с ней выполнена организация имеющихся баз данных.

Классификации цеолитов

Паспортные данные по месторождениям

БДЗ

Области применения

Рис. 4.1. Структура предметной области экспертной системы ЦЕОЛИТ.

Информация о свойствах цеолитов и месторождениях хранится в базах данных на расширяющихся файлах, каждый из которых содержит полную информацию по каждому пункту. Например, каждому месторождению соответствует своя электронная таблица, в которой содержатся паспортные данные по месторождению и в частности сведения о стоимости сырья. Выбор данного типа баз обусловлен их широкой распространенностью, простотой организации, легкостью модификации и наличием универсального языка запросов, широко используемого в различных приложениях [15].

ЭС «ЦЕОЛИТ»

КЛАССИФИКАЦИИ И СВОЙСТВА МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТЕХНИЧЕСКИЕ

УСЛОВИЯ

СЫРЬЯ

ПО ОБЛАСТЯМ ПРИМЕНЕНИЯ

ЭКОЛОГИЯ

МЕДИЦИНА

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Рис. 4.2. Продукционная модель ЭС.

Анализ преобразования информации о процессе выбора цеолитов показал, что большинство рекомендаций носят продукционный характер, то есть они могут быть описаны в форме "ЕСЛИ" - "ТО". Например, "ЕСЛИ" "в сточных водах присутствует большое количество аммиака", "ТО" "реакция является катионообменной". Или: "ЕСЛИ" "порода является высококремнистой (Si02 / А1203 > 7), "ТО" "ряд селективности будет следующим: Cs > Rb > К > NH4 > Pb > Ва > Na > Sr > Са > Li > Cd > Си > Zn". Поэтому разработка ЭС "Цеолит" базируется на продукционной модели знаний. В зависимости от характера задач используются схемы логического вывода с прямой или обратной аргументацией.

4.3.Третий этап - моделирование ЭС

На этом этапе было произведено первичное наполнение экспертами баз данных системы. Эвристический характер привлеченных знаний обусловил значительную трудоемкость процесса их аккумуляции.

Задача выбора цеолита с требуемыми характеристиками по критериям, определяющим особенности конкретного технологического процесса, является в общем случае многокритериальной, характеризуется неполнотой и неравноценностью достоверности информации. Поэтому применение предполагаемой ЭС для выработки рекомендаций по конкретному подбору использования цеолитсодержащего сырья привлекательна потому, что в ней есть возможность учета наличия неопределенностей, всегда связанных с природными объектами. Так, например, на адсорбционные свойства исследуемого вещества могут влиять такие различающиеся факторы, как количественное содержание минерала группы цеолитов в породе, сопутствующие ему минеральные ассоциации, структура и текстура породы.

Распределение этих характеристик внутри продуктивного объекта в пространстве практически не подлежит точному учету, они могут значительно варьировать по глубине и по площади. Для учета всех этих факторов в системе предусмотрено применение коэффициента достоверности и соответствующих нечетких алгебр.

Характеристики, задаваемые пользователями ЭС, описывают свойства цеолитов при их применении в качестве селективных ионообменных материалов, катализаторов, адсорбентов и биостимуляторов. Так, например, БД III (использование цеолита в промышленности в качестве сорбента) включает следующие направления поиска необходимого варианта:

Ионообменные процессы

1.Без чистка сбросных вод от органических регенерации веществ.

1 47

1.2. очистка сбросных вод от Cs и Sr90 с последующим захоронением.

1.3. очистка бытовых стоков от NH4 с последующим использованием в качестве удобрения.

1.4. очистка сбросных вод от цветных металлов с использованием цеолитов в качестве флюса.

2. С саморегенерацией 2.1. использование цеолитовых туфов в качестве фильтрующего материала при водоподготовке.

2.2. внесение в почву с целью повышения длительности действия удобрений.

3. С регенерацией 3.1. концентрирование и разделение растворами противоионов щелочных металлов из технологических растворов и природных вод.

3.2. концентрирование Sr из сбросных и природных вод.

3.3. концентрирование цветных металлов из технологических растворов, сбросных и природных вод(Си, Zn, Pb, Cd, Ag).

Наиболее полное использование практически полезных свойств цеолитов в значительной мере зависит от степени соответствия их адсорбционно-ионных характеристик параметрам технологического процесса. ЭС "Цеолит" позволяет автоматизировать процесс формирования рекомендаций пользователю в каждом конкретном случае. Целесообразность выбора ЭС для решения данной задачи обусловливается тем, что знания в данной области носят, в основном, качественный (в лучшем случае полуколичественный) характер.

Процесс работы с ЭС заключается в следующем. Из предлагаемого системой меню выбирается сфера применения цеолитов, например, медицинское приложение, или очистка промышленных продуктов (отходов). Далее в диалоговом режиме уточняются требования к физико-химическим свойствам данного минерала. В основном данные требования формируются в виде интервальных ограничений (диапазон) на допустимые значения параметров. При этом используется система последовательности поиска (рис. 4.3):

Области применения

Концентрирование и выделение из цветных металлов рис. 4.3. Дерево поиска.

Затем с помощью встроенного в систему механизма логического вывода организуется поиск решений, удовлетворяющих принятым ограничениям. Получаемая при этом цепочка логических выводов может быть просмотрена с помощью встроенного интерфейса (системы объяснения).

На рис. 4.4 приведен фрагмент логического вывода в задаче определения месторождения для использования его цеолитсодержащей породы в некоторой конкретной практической области применения.

Полученный список допустимых решений упорядочивается в соответствии с выбранным пользователем одним или несколькими критериями. i

Рис. 4.4 Фрагмент работы механизма логического вывода.

Для реализации прототипа ЭС ЦЕОЛИТ выбрано инструментальное средство GURU (адаптированный вариант ИНТЕР-ЭКСПЕРТ), которое функционирует на IBM-совместимых компьютерах, начиная даже от 286 модели в среде MS DOS. Выбор данного программного средства обусловлен наличием в нем необходимых компонент для разработки ЭС ЦЕОЛИТ, которая в сущности является гибридной, т.к. наряду с наличием баз данных, знаний и встроенного механизма логического вывода GURU в нем также использовался внутренний язык программирования IV поколения. Кроме этого, GURU обладает возможностью работы с электронными таблицами, а также средствами создания диалогового интерфейса. Эти качества существенно ускорили разработку прототипа ЭС «ЦЕОЛИТ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании принятых уровней иерархии изучения объекта получено целостное представление о геологическом объекте [33], каковым является Образцовский участок Хотынецкого месторождения цеолитсодержащих трепелов.

Первый уровень-минерал. Основным полезным компонентом объекта является минерал группы цеолита с приближенной формулой:

Са2,57, Mgo,84, Fe0,l2, К0,3б)3,89[А13,09, Si3i,83, 072]xnH20 В соответствии с новой номенклатурой 1998года [80] его минеральный вид можно определить, как кальциевый клиноптилолит (Clinoptilolite-Ca).

Характер морфологических особенностей кристаллов цеолита и распределение их агрегатов во вмещающей породе четко указывают на их эпигенетическое происхождение. Цеолитовая минерализация непосредственно связана с органогенными образованиями двух типов:

1- микроорганизмами с кремнистым (радиолярии) и 2- кальцитовым (фораминиферы) скелетами. В том и другом случае цеолитовая минеральная фаза присутствует во внутренних полостях микрофоссилий часто совместно с углеродистым веществом. Представляет особый интерес само углеродистое вещество, которое, скорее всего является углеводородным соединением типа битума. Проведенные исследования позволяют установить, что в породе присутствует органический углерод в количестве 0.22% и ароматические углеводороды. Исходя из петрографических особенностей изученных пород, эти определения можно отнести только к вышеупомянутому углеродистому выполнению полостей микрофоссилий.

Второй уровень-порода. Рассматрение объекта на этом уровне иерархии показывает, что клиноптилолит находится в ассоциации со следующими минеральными фазами: монтморилонитом, опал-тридимит-кристобалитовой фазой, кальцитом, глауконитом, акцессорными минералами, аллотигенной частью и рассеянным органическим веществом. Анализ соотношений минеральных фаз между собой и связь этих соотношений с содержанием цеолита, дает возможность установить типоморфные особенности цеолитсодержащих пород, что позволяет выделить пять типов осадочных образований, объединенных общим названием «цеолитсодержащие трепела», а именно:

1. алевритистая глина

2. трепеловидная глина

3. алевритистый трепел

4. высококремнистый трепел

5. известковистый трепел

Обращает на себя внимание факт повсеместного распространения тонкорассеянного органического вещества, содержание которого практически не зависит от соотношения изучаемых минеральных фаз. Согласно гипотезе А.В. Постникова (Университет нефти и газа им. И.М. Губкина) [45], источником тонкорассеянного органического вещества в осадочном чехле Русской платформы могут служить породы кристаллического фундамента.

Третий уровень-месторождение. На этом уровне изучения объекта установлено, каким образом выделенные осадочные образования распределяются в геологическом пространстве. Кроме основного полезного минерала - клиноптилолита, выделяется еще ряд сорбентов, таких, как монтмориллонит и опал-тридимит-кристобалитовая фаза, которые, одновременно присутствуя в изучаемых отложениях, образуют так называемый продуктивный пласт и определяют полифункциональность его свойств. Кроме того, оказалось возможным дифференцировать продуктивный пласт по сортам руд, выделить наиболее богатые участки пласта и определить их расположение в пространстве, а также выявить распределение содержаний тонкодисперсного

71 кальцита в объеме выделенного участка, который является вредным компонентом при использовании сырья и ухудшает качество руд.

Подробный анализ полученной компьютерной цифровой модели Образцовского участка позволяет с достаточной степенью достоверности сформулировать два поисково-оценочных критерия: 1- увеличение содержания полезного компонента (цеолита), прямо связано с положительными формами рельефа дневной поверхности; 2 - повышение продуктивности цеолита выявляется на фоне раздува мощности залежи, которая, в свою очередь, сочетается с понижением рельефа подошвы и одновременным повышением кровли продуктивного пласта.

В качестве прикладной части работы предложена компьютерная программа прототипа экспертной системы по применению природных цеолитов, разработанная автором совместно с сотрудниками Саратовского Государственного Университета на основе программного обеспечения "GURU".

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Григорьева, Антонина Владимировна, Москва

1. Адаменко Ю.В., Романовский С.И. Стохастическое моделирование процессов слоенакопления - теоретическая основа анализа мощностей.// Труды ВСЕГЕИ. Изд. Ленинградского ун-та. 1973 г. С.5-38.

2. Асенов А. Сорбция ионов тяжелых металлов природными цеолитами.// Природные цеолиты. София. 1986. С. 282-289.

3. Ахлестина Е.Ф., Бондаренко Н.А., Задумина М.И., Черняева А.Ф., Курлаев В.И. Цеолиты верхнемеловых и палеогеновых отложений нижнего Поволжья. //В кн. Природные цеолиты. Москва. 1980 г. С. 162-165.

4. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды.// Справочное пособие. Ленинград. 1985. 120 с.

5. Байранов В.В., Кирикилица С.И. К вопросу использования клиноптилолитовых пород в растеневодстве. // Природные цеолиты. София. 1986. С. 353-359.

6. Батиашвили Т.В. Термографические исследования цеолитов средне-эоценовых вулканических толщ Грузии.//Труды АН ГССР. Вып. 20. Тбилиси. 1972 г.

7. Батиашвили Т.В. Некоторые экспериментальные данные по изучению свойств клиноптилолита.//Клиноптилолит. Труды симпозиума по вопросам исследования и применения клиноптилолита. Тбилиси. 1974 г. С. 60-67.

8. Белицкий И.А., Дробош И.В., Валуева Г.П. и др. Опыт экспрессного определения содержания цеолитов в горных породах с использованием цеолитовых лабораторий ПЦЛ-1, ПЦЛ-2.//Новосибирск. 1979 г. 80 с.

9. Белицкий И.А., Горбунов А.В., Дребущак В.А., Сереткин Ю.В., Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г. Количественное определение содержания цеолитов в горных породах. Термохимический метод. // Новосибирск. 1988 г. 28 с.

10. Белицкий И.А. Проблемы диагностики и количественного определения цеолитов в горных породах.// Методы диагностики и количественного определения содержания цеолитов в горных породах. Материалы Всесоюзного семинара. Новосибирск. 1985. С. 6-24.

11. Беренштейн Б.Г. Термоустойчивость цеолитов группы гейландита-клиноптилолита. //Методы исследований в области технологий редкометального сырья и охраны окружающей среды. Москва. 1982 г.

12. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита.//Изд. Мир. Москва. 1976 г.

13. Булка Г.Р. Физико-химические особенности клиноптилолитовых месторождений СССР и методы их изучения.//Клиноптилолит. Труды симпозиума по вопросам исследования и применения клиноптилолита.

14. Тбилиси. 1977 г. С. 21-33.

15. Булкин Г.А., Гаталин К.Б., Никифорова Т.В., Топорец С.А., Тюленев А.Е. Методика создания информационного языка логического типа. // Труды ВСЕГЕИ. Новая серия. Т. 300. Ленинград. 1979 г. С. 5-25.

16. Булкин Г.А., Гаталин К.Б., Никифорова Т.В. Стандартизированное описание месторождений полезных ископаемых, выбор его синтаксических средств и индексирования. // Труды ВСЕГЕИ. Новая серия. Т. 300. Ленинград. 1979 г. С. 92-101.

17. Булах А.Г. Руководство и таблицы для расчета формул минералов. // Изд. Недра. Москва. 1967г. 143 с.

18. Бутузова Г.Ю. К познанию цеолитов гейландитовой группы. // Литология и полезные ископаемые №№ 4, 5. 1964 г. С. 67-79. С. 37-49.

19. Валуева Г.П. О возможности диагностики членов изоморфного ряда гейландит-клиноптилолит. // Методы диагностики и количественного определения цеолитов в горных породах. ИГиГСО АН СССР. Новосибирск. 1985 г. С. 50-55.

20. Валуева Г.П., Балицкий И.А. Некоторые вопросы устойчивости цеолитовых структур. // Использование природных цеолитов в народном хозяйстве. Новосибирск. 1991 г. 4.1. С. 56-60.

21. Вальтер А.А. Исследование термической устойчивости клиноптилолита. // X Всесоюзное совещание по экспериментальной и технической минералогии. Москва. 1981 г. С.135-144.

22. Власов В.В., Шляпкина Е.Н., Урасин М.А. Количественный фазовый анализ цеолитсодержащих пород. // Методическое руководство. Инструкция 3-РГИ. ВИМС. 1979 г. 39 с.

23. Власов В.В. Факторы, обусловливающие выбор стандартных образцов цеолитовых пород. // Методы диагностики и количественного определения содержания цеолитов в горных породах. ИГиГСО АН СССР. Новосибирск. 1985 г. С. 157-158.

24. Гогишвили В.Г. Эпигенетическое происхождение стратиформных месторождений высококремнистых цеолитов на примере Закавказья. // Природные цеолиты. Москва. Изд. Недра. 1980 г. С. 65-74.

25. Гугишвили В.И. и др. Условия образования стратиформных залежей цеолитов. // Литология и полезные ископаемые. № 2. 1990 г. С. 63-76.

26. Дементьев С.Н. и др. Новые подходы к изучению физико-химических свойств цеолитов. Новосибирск. 1989 г. 103 с.

27. Димитров У., Янков М. Применение природных цеолитов в химической промышленности. // Природные цеолиты. София. 1986 г. С. 230-238.

28. Дриц В.А., Коссовская А.Г. Глинистые минералы: смектиты, смешанослойные образования. Москва. Изд. Недра. 1990 г. 214 с.

29. Дэна Дж., Дэна Э.С. Фрондель К. Система минералогии. Т. III. Минералы кремнезема. Изд. Мир. Москва. 1966 г. 419 с.

30. Клиноптилолит. Труды симпозиума по вопросам исследования и применения клиноптилолита. Тбилиси. 1984 г.

31. Коссовская А.Г. Генетические типы цеолитов стратифицированныхотложений. //Литология и полезные ископаемые № 2. 1975 г. Москва. С. 1538.

32. Коссовская А.Г., Шутов В.Д. Минеральные индикаторы геотектонических типов регионального эпигенеза и его сопряжение с метаморфизмом на континентах и в океанах. //В кн. Кристаллохимия минералов и геологические проблемы. Изд. Недра. Москва. 1975 г.

33. Косыгин Ю.А., Воронин Ю.А. Геологическое пространство, как основа структурных построений.// Геология и геофизика № 9, 10, 11. АН СССР. Сибирское отделение. Изд. Наука. Новосибирск. 1965 г.

34. Ларсен Е., Бергман Г. Определение прозрачных минералов под микроскопом. // Москва. Недра. 1965 г.

35. Логвиненко Н.В., Кулеско Г.И., Шумейко С.И. Исследования некоторых гидротермальных и осадочных гейландитов. // Минералогический сборник Львовского геологического общества при университете. № 16. 1962 г.

36. Михайлов А.С. Цеолиты стратифицированных осадочных и вулканогенно-осадочных отложений.

37. Михайлов А.С. Дистанов У.Г. Минеральное сырье. Цеолиты. // Справочник. Москва. ЗАО «Геоинформмарк». 1999 г. 29 с.

38. Муравьев В.И. Минеральные парагенезы глауконитово-кремнистых формаций.// Москва. Изд. Наука. 1983 г.

39. Муравьев В.И., Сахаров Б. А. Исследование А1-замещенного монтмориллонита. С. 128-132.

40. Петров В.П. Новые виды и пути использования неметаллических полезных ископаемых. // В кн. Новые виды неметаллических полезных ископаемых. Москва. Изд. Недра. 1975 г.

41. Петрова В.В. Особенности цеолитобразования в условиях современного гидротермального процесса. // В кн. Кристаллохимия минералов и геологические проблемы. Москва. Изд. Наука. С. 184-188.

42. Плюснина И.И., Левитан М.А. Структура и растворимость биогенного кремнезема. // В кн. Кристаллохимия минералов и геологические проблемы. Москва. Изд. Наука. 1975 г. С. 189-192.

43. Применение природных цеолитов в животноводстве и растеневодстве. //Труды Всесоюзного совещания. Тбилиси. Изд. Минцерба. 1984. 280 с.

44. Природные цеолиты.// В кн. Труды Советско-болгарского симпозиума по исследованию физико-химических свойств природных цеолитов. Тбилиси. 1979 г.

45. Сендеров Э.Э. Жизнеспособность равновесий с пересыщенными кремнеземом растворами и их влияние на образование цеолитов. // В кн. Природные цеолиты. Москва. 1980 г. С. 91-97.

46. Сендеров Э.Э., Хитаров Н.И. Цеолиты, их синтез и условия образования в природе. Москва. Изд. Наука. 1970 г.

47. Сидоренко А.В. Проблемы геологии цеолитов. // В кн. Кристаллохимия минералов и геологические проблемы. Москва. Изд. Наука. 1975 г. С. 5-8.

48. Страхов П.М. Геохимия кремнезема. Москва. Изд. Недра. 1966.

49. Типоморфизм минералов и минеральных ассоциаций. // Москва. Изд. Наука. 1986 г.

50. Харитонов И.В. и др. Использование клиноптилолита в различных схемах очистки питьевой воды. // Материалы Всесоюзной научной конференции по добыче и переработке природных цеолитов. Тбилиси. 1989. С. 201-205.

51. Хардиков Л.Э., Бойко Н.И., Агарков Ю.В. О цеолитах юга России. // Доклады АН. 2000 г. Т. 371 № 5. С. 88-95

52. Хаджи И.П., Горохов С.С. Электронно-микроскопическое изучение процесса графитизации органических веществ.// В кн. Кристаллохимия минералов и геологические проблемы. Москва. 1975 г. С. 196-198.

53. Челищев Н.Ф. К вопросу о номенклатуре и классификации природныхцеолитов. // В кн. Природные цеолиты. Москва. 1980 г. С. 91-98. 57.Челищев Н.Ф. Ионообменные свойства минералов.// Москва. Изд. Наука.1973 г.

54. Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г. Клиноптилолит. Обзор. ВИЭМС. Москва.1974 г.

55. Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г., Володин В.Ф. Цеолиты новый типминерального сырья. // Москва. Изд. Недра. 1987 г. бО.Челищев Н.Ф., Челищева Р.В. Использование природных цеолитов. // Вестник сельскохозяйственной науки № 2. 1978 г.

56. Чухров Ф.В. Коллоиды в земной коре. Москва. 1955 г.

57. Шамрай И.А. Литологический очерк палеогеновых отложений в полосе Северо-Восточный Донбасс, Нижний Дон, Нижнее Поволжье. // Уч. записка Ростовского университета. Т. 18. 1952 г.

58. Шумейко С.И. Разности аутигенного осадочного гейландита в верхнемеловых осадках Украины.// Доклады АН СССР. Т. 144. № 6. 1962. С. 158-170.

59. Шумейко С.И. Комплексное сравнительное минералого-петрографическое изучение цеолитов в осадочных и вулканогенно-осадочных породах. // В кн. Природные цеолиты. Москва. 1980 г. С. 91-97.

60. Allietti A. Polimorfism and cristalchemistry of heulandites and clinoptilolites76

61. Amer. Miner. 1972. V. 55. №9-11.

62. Ваггег R.M. Zeolites and clay minerals as sorbents molecular sieves. Academie Press. London. 1978.

63. Boles J.R. Composition optical proterties sell dimensions and thermal stability of some heulandite group zeolites. Amer. Miner. 1972. V. 57. № 9-10.

64. Brown G.B., Gatt J.A. Zeolites of the clinoptilolite-heulandite.// Miner/ Magazine. 1969. V. 37. P. 480-488.

65. Gottardi G., Galli E. Natural zeolites. // Berlin. 1985. 409 p.

66. Hay R.L. Zeolites and Zeolitic Reactions in Sedimentary Rocks. Spec. Paper. № 085. Geological Society of America. New York. 1966.

67. Hay R.L. Stratigraphy and Zeolitic Diagenesis of the John Day Formation of Oregon. Unic. California Pabl in Geol Sci. V. 92. № 5. 1963.

68. Hawkins D.B. Statistical Analisis of the Zeolites Clinoptilolite and Heulandite Contrib. Miner, and Petrol. 1974. V. 45.

69. Mamptoh F.A. Clinoptilolite Redefined. Amer. Miner. V.45. № 3-4. 1960.

70. Mamptoh F.A. Mineralogy and Geology of Natural Zeolites // Miner. Soc. Amer. Short Course Notes. 1977. № 4. P. 1-233.

71. Mamptoh F.A. Morphology of Ziolites in Sedimentary Rocks by Scannincelection Microscopy. // Clays and Clay Miner. 1976. V. 24. № 1. P. 123.

72. Mason B. and Sand L.B. Clinoptilolite from Patagonia; the Relationship between Clinoptilolite and Heulandite. Amer. Miner. V. 45 № 3-4. P. 196.

73. Natural Zeolite Occurense Properties, Use. Ed. Sand L.B., Mampton F.A. Oxford-New York. Pergamon Press. 1978.

74. Smyth J.R., Spaid A.T. Crystal Structures of a Natural and Cs-exchanged Clinoptilolite. Amer. Miner. V. 75. 1990.

75. Shaller W.T. The Mordeniteptilolite Group; Clinoptilolite, a New Species. Amer. Miner. V. 17, 1923.

76. The Nomenclature of Minerals: a Compilation of Ima reports. Toronto, 1998.

77. Назначение и область применения.

78. Методические указания предназначены для полуколичественного определения клиноптилолита в цеолитсодержащих горных породах при его содержании от 5% и выше.2. Сущность методики.

79. Методика определения содержания клиноптилолита в пробах основана на сравнении дифрактограмм исследуемых проб с дифрактограммами эталонных смесей с известным содержанием клиноптилолита.

80. Для определения содержания клиноптилолита используются интенсивности дифракционных отражений с d = 9.08 А0, 7.86 А0, 3.95 А0, 2.97 А0.

81. Средства измерения, вспомогательные устройства.

82. Дифрактометр ДРОН 0.5 или аналогичного типа.

83. Весы аналитические BJTKT-200.3. Муфельная печь на 900°С.4. Ступки агатовые.5. Линейка металлическая.6. Пипетки.

84. Приготовление эталонных смесей.

85. Для эталонных смесей подбирают пробы типичные по минеральномусоставу для изучаемого региона или участка.

86. Если таких ассоциаций несколько, то эталонные смеси готовят из всехtтипов пород, в которых отмечается присуствие цеолитов.

87. Общий вес навески эталонных смесей составляет 10мг. В пробу вводится 10%, 20%, 30%, 40%, 50%,60%, 60%, 70%, 80%, 90% клиноптилолита.

88. Навеску эталонной смеси переносят в агатовую ступку, тщательно перемешивают, добавляя спирт, и из всего материала смеси изготавливается с помощью пипетки препарат на предметном стекле размером 75ммх25мм.

89. Рентгеносъемка каждой эталонной смеси производится не менее трех раз разных участков препарата. Измеряются интенсивности отражений с о(=9.08 А0, 7.86 А0, 3.95 А0, 2.97 А0 всех съемок и вычисляется среднеарифметическое значение.

90. По полученным данным составляются таблицы и графики интенсивностей, указанных выше отражений клиноптилолита всех эталонных смесей.

91. Подготовка аппаратуры к работе.

92. Дифрактометр должен быть тщательно отъюстирован согласно инструкции по эксплуатации прибора.

93. Рентгеносъемка исследуемых проб должна производится при тех же условиях, что и рентгеносъемка эталонных смесей.

94. Подготовка проб, выполнение анализов.

95. Исследуемую пробу, измельченную до 0.07мм, квартуют, отквартованную часть переносят в агатовую ступку, тщательно перемешивают, добавляя спирт, и готовят 3-4 препарата на предметном стекле с помощью пипетки.

96. Если при температуре 600°С не происходит аморфизации цеолита, а при температуре 400°С не происходит фазового перехода, характерного для гейландита, то цеолит является клиноптилолитом.

97. Если же при температуре 600°С не происходит аморфизация и при температуре 400°С рефлекс с $=9.08 А0 уменьшается до 8.3-8.1 А0, то цеолит является гейландитом, так как при таких условиях гейландит А (природный) переходит в гейландит В.

98. Если в пробе содержится одновременно клиноптилолит и гейландит, то при температуре 400°С дифракционное отражение с с(=9.08 А0 расщепляется на два: с d=9.0 А0 (для клиноптилолита) и с ol=8.3-8.1 А0 (для гейландита).

99. При оценке интенсивности клиноптилолита в исследуемых пробах подсчитывается их интенсивность на дифрактограммах воздушно-сухих проб и насыщенных в этиленгликоле.

100. Содержание клиноптилолита в пробах определяют сравнением полученных результатов съёмки исходных проб с результатами съёмки эталонных смесей по прилагаемым таблицам и графикам.

101. Общие требования обеспечения точности результатов анализа.

102. Для получения точных результатов анализа необходимо соблюдать условия анализа, изложенные в методических указаниях.

103. Точность определения контролируется сопоставлением результатов основного анализа с результатами повторного анализа, проведенного при аналогичных условиях.8. Техника безопасности.

104. При измерениях на дифрактометре следует соблюдать правила техники безопасности при работе с источниками ионизирующих излучений (4), а также при работе с высоковольтной аппаратурой (5)

105. Образец 4/56 кварцевая ассоциация + клиноптиллолит

106. О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 о клиноптилолита1. Рис.1