Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Щелочные ультраосновные магматиты Зимнего Берега: их потенциальная алмазоносность и перспективы промышленного освоения

ВАК РФ 25.00.11, Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Гаранин, Константин Викторович

Введение

Глава 1. Геологическая характеристика щелочных ультраосновных пород Зимнего берега и приуроченных к ним алмазных месторождений

1.1. Геолого-струкгурная и тектоническая позиция

1.2. Морфология тел

1.3. Состав и типизация пород

1.4. Возраст тел щелочного ультраосновного магматизма

1.5. Актуальные проблемы исследований щелочных ультраосновных магматитов Беломорья

Глава 2. Минералого-петрографические, петрохимические и геохимические особенности кимберлитов и родственных им пород изученных объектов Зимнего Берега

2.1. Внутреннее строение тел

2.2. Петрография и минеральный состав

2.3. Петрохимические характеристики

2.4. Изотопно-геохимические особенности

2.5. Особенности газовой составляющей: генетические и прикладные аспекты

2.6. Минералогия алмаза и его важнейших минералов-Спутников

2.7. Ксенолиты мантийных пород и проблема строения верхней мантии

Глава 3. Петрофизические свойства пород, слагающих тела щелочного ультраосновного магматизма на территории Зимнего Берега

3.1 Оксиды связующей массы и петромагнитные свойства пород

3.2 Общая характеристика петрофизических свойств пород

Глава 4. Особенности вторичной минерализации щелочных ультраосновных пород Зимнего Берега: методика изучения и перспективы использования

4.1. Комплексная методика исследования особенностей вторичной минерализации диатрем щелочных ультраосновных пород

4.2. Генетические и прикладные аспекты изучения вторичной минерализации объектов щелочного ультраосновного магматизма

4.3. Сапонит из месторождения алмазов им.

М.В. Ломоносова

4.4. Щелочные ультраосновные породы Зимнего Берега и перспективы их промышленного освоения

Глава 5. Использование технологии электроимпульсной дезинтеграции при геологоразведочных и поисково-оценочных работах на территории Архангельской алмазоносной провинции

5.1. Электроимпульсная дезинтеграция щелочных ультраосновных пород

5.2. Изучение продуктов дезинтеграции щелочных ультраосновных пород

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Щелочные ультраосновные магматиты Зимнего Берега: их потенциальная алмазоносность и перспективы промышленного освоения"

Актуальность исследований. За время проведения поисково-разведочных работ на алмазы за последние 25 лет в районе Зимнего Берега Архангельской алмазоносной провинции (ААП) получен уникальный каменный материал и новые геологические данные, необходимые для выполнения научных и практических исследований, связанных с поиском новых и разведкой уже известных месторождений алмаза. Результаты ранее проведенных исследований обобщены в работах С.М. Саблукова (1995), O.A. Богатикова и др. (1999), В.В. Кроткова и др. (2000), В.В. Вержака (2001) и Е.М. Веричева (2002). Все это позволяет заключить, что кимберлитовый магматизм в ААП развивался в единой системе проявления щелочного ультраосновного магматизма от Тимана до Кандалакши в близкий временной отрезок времени (340-370 млн. лет) и в сходных геолого-текгонических условиях. Совсем недавно появилась новая информация о более древнем возрасте пород силлов р. Мелы - около 393±8 млн. лет (Кононова, Первов, 2003). На сегодня в ААП промышленно алмазоносные объекты представлены месторождениями им. В. Гриба (Верхотинское поле) и им. М.В. Ломоносова (Золотицкое поле, см. рис. 1). Породы этих двух месторождений сложены кимберлитами минеральных типов -1 и II соответственно (Гаранин и др., 2001). Родственные кимберлитам породы представлены, главным образом, оливиновыми мелилититами. Сочетание кимберлитов и оливиновых мелилититов - типоморфный признак ААП, определяющий специфику поисковых работ на алмазы на ее территории.

Эта информация и накопленный огромный геологический (в широком смысле этого слова) банк данных в значительной степени и определили направления исследований в рамках настоящей диссертационной работы.

Изучение морфологии тел, петрохимических, петрографических, минералогических, геохимических особенностей и петрофизических свойств щелочно-ультраосновных пород Зимнего Берега позволяет по-новому взглянуть на историю зарождения и эволюции магматитов, выделить наиболее эффективные критерии поисков алмазоносных объектов на территории ААП, повысить экономическую эффективность освоения месторождений алмаза в связи с особенностями вторичной минерализации объектов и выявить новые потенциальные типы месторождений, связанных с щелочными ультраосновными магматитами, на территории ААП.

Необходимо также особо подчеркнуть, что с 2003 г. начаты вскрышные работы на трубке Архангельская, и с этого момента началось освоение месторождения им. М.В. Ломоносова. Это определяет актуальность разработки новых экологически безопасных технологий утилизации отходов алмазодобывающей промышленности, что чрезвычайно важно для этого горнорудного района с крайне сложными инженерно-геологическими условиями и расположением в пределах природоохранной зоны.

Цель и задачи работы. Цель исследований - на основе изучения геологического строения Зимнего Берега и выделенных автором наиболее типичных (эталонных) объектов проявления щелочно-ультраосновного магматизма на территории ААП, их морфологии, состава слагающих их пород, алмаза и его минералов-спутников, ксенолитов мантийных пород, петрофизических свойств пород и особенностей вторичной минерализации объектов, состава отходов обогащения кимберлитов и потенциальной алмазодобывающей промышленности предложить обобщенную модель образования магматических объектов на территории ААП, выделить новый генетический тип месторождений высокомагнезиальных глин, приуроченный к щелочным ультраосновным магматитам, а также разработать новые элементы технологии поисков и освоения месторождений алмаза.

Для достижения намеченной цели потребовалось комплексное решение взаимосвязанных не только геологических, петрологических, минералогических, геохимических задач, но и внедрение комплексных и оригинальных методов изучения вещества, извлечения полезного компонента. Основные задачи следующие:

1. Анализ геолого-тектонического строения района Зимнего Берега, строения тел кимберлитовых и родственных им пород, представляющих все известные на сегодняшний день разновидности щелочных ультраосновных магматитов на территории Зимнего Берега, и уточнения условий формирования этих тел.

2. Выделение характерных особенностей исследуемых тел на основе изучения условий их формирования, морфологии, минерального состава, петрографии и химического состава пород, а также их петрофизических свойств. 5

3. Изучение петрохимических особенностей пород с целью выделения серий пород, в том числе промышленно алмазоносных.

4. Определение изотопно-геохимических характеристик пород и минералов, а также их газовой составляющей.

5. Выявление типоморфных особенностей алмаза, его минералов-спутников и оксидов из связующей массы изученных тел.

6. Изучение вторичной минерализации щелочно-ультраосновных магматитов.

7. Разработка экспресс-методики оценки потенциальной алмазоносности и промышленной рудоносности потенциальных месторождений магнезиальных глин на территории ААП.

8. Исследование отходов алмазодобывающей промышленности с целью повышения рентабельности и экологической безопасности при освоении промышленных месторождений.

9. Применение нового метода селективного раскрытия кимберлитовых и родственных им пород - электроимпульсной дезинтеграции на специально созданной установке.

Фактический материал и методы исследований. В основе работы лежат исследования, выполненные автором в период обучения в магистратуре, аспирантуре и работы на Геологическом факультете МГУ в период с 1998 по 2003 г. Они включают полевые геологические наблюдения, анализ геологической информации, изучение керна и минерального состава пород, петрохимические и геохимические исследования, определение петрофизических характеристик пород, исследование алмаза и его минералов-спутников, ксенолитов глубинных пород из 14 тел ААП, представляющих весь спектр известных на сегодня разновидностей щелочных ультраосновных пород и полей магматизма на территории Зимнего Берега, с помощью традиционных и оригинальных методов изучения вещества.

Объектом изучения послужил керн поисковых и оценочных скважин, образцы из обнажений пород, шлифы и аншлифы пород, минералы из тяжелой фракции, включая алмаз и его важнейшие минералы-спутники (гранат, ильменит, хромшпинелид), ксенолиты коровых и мантийных пород, а также хвосты обогащения кимберлитов.

Диагностика разновидностей кимберлитов и родственных им щелочно-ультраосновных пород проводилась в прозрачных и прозрачно-полированных шлифах традиционными оптико-микроскопическими методами. Химический состав пород определялся методом «мокрой» химии. Рентгенофазовый полуколичественный анализ осуществлялся на дифракгометре ДРОН-З.О. Морфологическое изучение алмаза и его минералов-спутников выполнено под бинокулярной лупой и на растровых электронных микроскопах JSM-T20 и JSM-820 фирмы «JEOL» (Япония). Определение фазового и химического состава пород и минералов выполнено на микроанализаторе JXA-50A фирмы «JEOL», а также на растровом электронном микроскопе JSM-820, снабженном энергодисперсионным полупроводниковым детектором AN-85 S фирмы «LINK» (Великобритания) с компьютерной системой для обработки анализов. Изучение ИК-спекгров минералов и пород проводилось на спектрофотометрах IR-435 производства фирмы «SHIMADZU» (Япония) и Specord М-80 фирмы «Carl Zeiss, Jena» (Германия). Определение содержания углекислоты, метана и различных углеводородов выполнено пиролиз-хроматографическим методом. Анализ содержаний редких и редкоземельных элементов проведен методом вторичной ионной масс-спекгроскопии на приборе IMS-4 фирмы «САМЕСА» (Франция).

Достоверность результатов исследований подтверждается представительностью аналитического материала:

- минералогическим описанием более 300 образцов штуфов керна;

- минералого-петрографическими исследованиями более 500 проб;

- микроскопическое под бинокулярной лупой, электронно-микроскопическое и электронно-зондовое изучение более 3000 кристаллов алмаза, его минералов-спутников и оксидов связующей массы с целью уточнения морфологии, особенностей состава и физических свойств;

- более 200 количественных и качественных рентгенофазовых анализов

- более 400 определений различных петрофизических параметров;

- более 300 определений газовой составляющей кимберлитов и родственных им пород;

- более 50 анализов ИК-спекгров;

- более 50 экспериментов на установке по дезинтеграции пород и выделения полезного компонента.

Подготовка образцов для исследований проводилась с использованием метода электроимпульсной дезинтеграции, впервые примененном для щелочно7 ультраосновных пород методе селективного разрушения. При обработке результатов аналитических исследований, построении диаграмм, гистограмм и рисунков были использованы оригинальные и стандартные компьютерные программы, в том числе и статистические.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена сравнительная характеристика строения тел щелочно-ультраосновных пород Зимнего берега, охватывающая все их разновидности, выявлены соотношения основных фаций слагающих тела пород и определена временная последовательность формирования магматитов. Произведен анализ петрохимических, геохимических и минералогических характеристик кимберлитов и родственных им пород из тел ААП.

2. На основе полученных данных выделены два минеральных типа кимберлитов (в том числе с промышленной алмазоносностью) и четыре петрохимические серии щелочно-ультраосновных пород. Определены типоморфные особенности алмаза и его минералов-спутников для всех известных типов щелочно-ультраосновных пород на территории ААП. Изучены ксенолиты мантийных пород и определены основные термодинамические параметры их образования для кимберлитов различных минеральных типов.

3. Определены петрофизические свойства и особенности щелочно-ультраосновных пород из различных полей ААП. Установлена взаимосвязь между петрофизическими свойствами пород и их минеральным составом.

4. Изучены особенности процессов вторичной минерализации и выделены стадии эволюции вторичных минералов для объектов ААП. Впервые предложено выделение нового генетического типа месторождений высокомагнезиальных глин, связанного с проявлениями щелочно-ультраосновного магматизма на территории ААП. Предложены направления рационального использования отходов алмазодобывающей промышленности в народном хозяйстве, что повышает экономическую эффективность освоения месторождений и обеспечивает снижение экологической нагрузки при их отработке. Впервые изучены особенности газовой компоненты различных типов щелочно-ультраосновных пород.

5. Впервые предложены и обоснованы элементы новой технологии электроимпульсной дезинтеграции для селективного раскрытия щелочно-ультраосновных пород, в том числе и с целью обеспечения высокой степени сохранности алмаза при его извлечении и возможности извлечения микрокристаллов.

Практическая значимость. Основные практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Переоценка в сторону увеличения экономического потенциала Зимнебережного района за счет повышения рентабельности промышленных месторождений алмаза в связи с использованием новых экологически безопасных методов утилизации отходов алмазодобывающей промышленности, защищенных патентом Российской Федерации (2002 г.), а также освоения нового генетического типа месторождений высокомагнезиальных глин.

2. Опробована и внедрена экспресс-методика определения качественного и количественного состава пород на территории ААП и определения их промышленного потенциала, значительно повышающая оперативность и сокращающая затраты на проведение геологоразведочных работ.

3. Предложен новый метод селективного раскрытия кимберлитов и родственных им пород - электроимпульсная дезинтеграция, обеспечивающий сохранность кристаллов алмаза и зерен его минералов-спутников при извлечении их из породы.

Основные защищаемые положения:

1. Впервые для ААП на основании комплексного изучения состава и свойств пород, слагающих тела магматитов и образующих один генетический ряд, выделены 4 петрохимические серии щелочных ультраосновных пород (Мд, А1-Мд, "П-Яе и Ва-Са), установлены два минеральных типа кимберлитов - I и II, в том числе с промышленной апмазоносностью, определена временная последовательность и условия формирования тел магматитов на территории ААП.

2. Установлены петрофизические характеристики пород как критерии диагностики щелочных ультраосновных пород ААП (апмазоносные/неапмазоносные кимберлиты, карбонатизированные неалмазоносные кимберлиты, оливиновые мелилититы) и эффективное средство изучения зональности тел, определения границ отдельных фаз, а также как способы оценки их рудоносности и прогнозирования новых месторождений алмаза и высокомагнезиальных глин. 9

3. Выделен новый потенциальный промышленно-генетический тип месторождений высокомагнезиальных глин, ассоциирующий с проявлениями щелочно-ультраосновного магматизма на территории Зимнего Берега, предложены технологии утилизации отходов алмазодобывающей промышленности месторождений им. М.В. Ломоносова и им. В. Гриба, что позволило увеличить минерально-сырьевой экономический потенциал региона.

4. Впервые примененная технология электроимпульсной дезинтеграции кимберлитов и родственных им пород Зимнего берега существенно повышает эффективность проведения геологоразведочных работ на алмазы.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации обсуждались на Выставке «Малый бизнес Москвы» (Москва, 2002), Всероссийской конференции «Ломоносов-2003» (Москва, 2003), 1-ой Всероссийской конференции «Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых и современное состояние научных исследований в России» (Москва, 2003), Всероссийском совещании «Проблемы прогнозирования, поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге XXI века» (Мирный, 2002), 8-ой Международной кимберлитовой конференции (Канада, 2003) и опубликованы в 13 научных статьях и тезисах докладов. Получен патент РФ (2003 г.) на новую технологию утилизации отходов алмазодобывающей промышленности для производства широкого спектра промышленных минералов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и заключения. Общий объем работы 345 страниц, включая 197 страниц маш. текста, 113 рисунков, 35 таблиц. Список лкггературы включает 150 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения", Гаранин, Константин Викторович

Основные выводы, конкретизирующие защищаемые положения и отражающие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем:

I. В научном плане:

1. Предложена обобщающая модель щелочного ультраосновного магматизма, учитывающая временную последовательность формирования магматитов различного состава на территории ААП, характеризующихся комплексом типоморфных, геологических, петрографических, изотопно-геохимических и петрофизических особенностей и спецификой связанных с ними месторождений алмаза и магнезиальных глин.

2. Изучены особенности морфологии, состава и физических свойств алмаза, его минералов-спутников, оксидов связующей массы и мантийных пород.

3. Проведено детальное изучение сапонита и серпентина - важнейших минералов вторичных изменений кимберлитов и родственных им пород и выделен новый генетический тип месторождений высокомагнезиальных глин, связанный с кимберлитами и оливиновыми мелилититами.

4. Исследована взаимосвязь петрофизических характеристик с минеральным составом и структурными особенностями пород, и предложены критерии генетической принадлежности щелочно-ультраосновных магматитов, выявления зональности рудных тел, оценки их алмазоносности и прогнозирования новых месторождений алмаза и магнезиальных глин.

5. Изучены процессы электроимпульсной дезинтеграции щелочных ультраосновных магматитов, и обосновано применение метода ЭИД на стадии геологоразведочных, обеспечивающего максимальные извлечение и сохранность алмаза и его минералов-спутников.

6. Определен состав газовой компоненты кимберлитов и родственных им пород с различной степенью алмазоносности.

II. В методическом плане:

1. Предложена и опробована комплексная методика экспресс-анализа фазового состава ультраосновных пород ААП как наиболее эффективная для обнаружения связанных с ними новых месторождений магнезиальных глин и оценки их промышленного потенциала.

2. Внедрена и опробована методика селективного выделения алмаза и его минералов-спутников на основе созданной лабораторной установки, обеспечивающая высокую степень сохранности и раскрываемости зерен минералов.

3. Впервые для кимберлитов и родственных им пород применена методика изучения газовой компоненты с использованием пиролиз-хроматографической технологии.

III. В прикладном и практических аспектах:

1. Впервые выделены новые источники высокодефицитного сырья -высокомагнезиальных глин на территории ААП

2. Предложены способы утилизации отходов алмазодобывающей промышленности для получения широкого спектра промышленных материалов (строительных, сорбентов, высокотемпературной керамики, буровых растворов и др.), защищенные патентом РФ (2003), повышающих рентабельность освоения месторождений алмаза и снижающих экологическую нагрузку на окружающую среду в районе действующих горнорудных предприятий

3. Разработаны новые критерии прогнозирования и поисков месторождений полезных ископаемых на основе особенностей алмаза, петрохимических и петрофизических особенностей пород, типоморфизма морфологии, состава и физических свойств минералов-спутников алмаза и оксидов связующей массы.

Несмотря на достаточно большой объем фактического материала, полученного с применением широкого комплекса традиционных и специальных методов изучения минерального вещества, при интерпретации возникает целый ряд проблем. Решение их требует проведения дополнительных исследований щелочных ультраосновных и основных пород. Среди актуальных и первостепенных задач следует выделить следующие:

1. Изучение типоморфизма алмаза из кимберлитов и родственных им пород с целью познания взаимосвязей «состав - структура - физические свойства» и интерпретация результатов этих исследований в генетическом и прикладном аспектах.

2. Проведение дополнительных изотопно-геохимических и «тонких» минералогических исследований с целью определения возрастных датировок щелочных ультраосновных пород.

3. Установление взаимоотношений кимберлитов и карбонатитов не только на уровне Архангельской алмазоносной провинции, но и в региональном масштабе с использованием самого современного арсенала геологических, минералогических, петрологических исследований.

4. Подготовка инвестиционного проекта для АК «АЛРОСА» по утилизации вскрышных пород и отходов обогащения промышленно алмазоносных кимберлитов.

Автор работы полагает, что выполненные исследования вносят определенный вклад в изучение щелочного ультраосновного и основного магматизма ААП, а также ставит ряд задач для научных и прикладных исследований в ближайшем будущем.

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Гаранин, Константин Викторович, Москва

1. Аполлонов В.Н., Вержак В.В., Гаранин К.В., Гаранин В.К., Кудрявцева Г.П., Шлыков В.Г. Сапонит из месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова. Геология и разведка. 2003. № 3. С. 20-37.

2. Арзамасцев A.A. Эволюция палеозойского щелочного магматизма северовосточной части Балтийского щита: Автореф. дис. . докт. геол.-мин. наук. Апатиты: Кольский НЦ РАН. 1998. 58 с.

3. Бартошинский З.В. Бекеша С.Н. Винниченко Т.Г. и др. Газовые примеси в алмазах Якутии // Минерал, сб. Львовск. ун-та. 1987. № 41. Вып. 1. С. 25-32.

4. Бартошинский З.В. Минералогическая классификация природных алмазов // Минерал, журн. 1983. Т.5. № 5. С. 84-93.

5. Безбородое С.М., Вержак В.В., Вержак Д.В. Гаранин В.К., Гаранин К.В., Зуев В.М., Кудрявцева Г.П., Пылаев Н.Ф. Патент на изобретение: «Способ переработки отходов алмазодобывающей промышленности» № 2206534 от 20.06.2003.

6. Беляева H.H. Метод Пфейфера. Вестн. МГУ. Почвоведение. 1967. № 10. С. 14-27.

7. Бобриевич А.П., Илупин И.П., Козлов И.Т. и др. Петрография и минералогия кимберлитовых пород Якутии. М.: Недра. 1964. 192 с.

8. Бобров A.B., Гаранин В.К., Писарев П.А., Васильева Е.Р., Кудрявцева Г.П., Веричев Е.М. Костровицкий С.И. Минералы-спутники алмаза и мантийные ксенолиты в кимберлитовой трубке им. В. Гриба. // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 2003. № 4. С. 12-44.

9. Бовкун A.B. Минералогия оксидов из связующей массы кимберлитов Якутии (генетические и прикладные аспекты). Автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук. М.: Геол. ф-т МГУ. 2000. 22 с.

10. Будкина Л.И. Предварительные результаты изучения глубинных включений кимберлитовых трубок//Тр. ЦНИГРИ. 1987. Вып. 218. С. 41-45.

11. Ваганов В.И. Алмазные меторождения России и Мира. М.: Геоинформмарк. 2000. 370 с.

12. Везенцев А.И., Скрипниченко В.А. Экспериментальное моделирование процесса гидротермальной минерализации //Докл АН СССР. 1988. 300. №6. С. 1441-1443.

13. Вержак В.В. Геологическое строение, вещественный состав, условия образования и методика разведки месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова Автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук. М.: Геол. ф-т МГУ. 2001. 36 с.

14. Вержак В.В., Гаранин В.К., Кудрявцева Г.П., Щепина H.A. Высокобарные минеральные ассоциации из пород диатрем одного из районов СССР и термодинамические параметры их кристаллизации. М.: ВИНИТИ. 1988. Деп. № 1541-В88. С. 166-188.

15. Веричев Е.М. Геологические условия образования и разведка месторождения алмазов им. В. Гриба. Автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук. М.: Геол. ф-т МГУ. 2002. 43 с.

16. Веричев Е.М., Гаранин В.К, Гриб В.П., Кудрявцева Г.П. Геологическое строение, минералогические и петрологические особенности кимберлитов Архангельской провинции. Изв. высших учебных заведений. Геология и разведка. 1991. Т. 4. С. 88-94.26