Параметрические критерии генетических особенностей и технологических свойств колчеданных руд месторождений северного кавказа и южного урала

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: Медноколчеданные месторождения Кавказа и Южного Урала представляют наиболее богатые рудные объекты, дающие в настоящее время медь, золото, платину (Урупское, Худесское, Гайское месторождения). Остро стоит вопрос промышленного освоения целого ряда разведанных медноколчеданных месторождений: Кизил-Дере, Худесское, Быковское, Даутское, Скалистое, Первомайское, Левобережное, Зимнее, Осеннее, Акжаровское, Ащебутакское и др. В то же время, в колчеданоносных районах Кавказа имеется более 500 проявлений колчеданной минерализации разного масштаба. Часть зон колчеданной минерализации обследованы поисковыми работами на предмет их потенциальной золотоносности. Для восполнения минерально-сырьевой базы работающих горно-добывающих предприятий, в значительной степени проявления сульфидной минерализации должны быть оценены с выделением потенциальных промышленных объектов, это выделение может быть осуществлено на анализе их генетических позиций и создания поисковых (параметрических) моделей нового поколения.

Для эффективного решения задач прогноза и поисков качественные геолого-поисковые модели требуют дополнения количественными (параметрическими) показателями главных элементов: масштабов оруденения и интенсивности метасоматических, геохимических ореолов и геофизических аномалий. Параметрические модели и поисковые критерии представляют объективную основу для разработки методов прогнозирования, поисков, оценки и разведки месторождений. Параметрические методы изучения физических свойств минералов и руд позволяют количественно решать эти задачи.

Для руд месторождений колчеданного семейства главным минералом (до 95-100%) является пирит. Поэтому моделирование и генетическая характеристика месторождений и их руд неизбежно связаны с генетическими, анатомическими и другими параметрическими свойствами пирита. Сочетание отдельных генетических и структурно-анатомических разностей этого минерала определяют генетический, текстурно-структурный, технологический типы руд.

Физические показатели дают характеристику зональности и генезиса месторождений, выраженную параметрически, позволяя их использовать при решении вопросов пространственного положения рудных тел колчеданных месторождений.

В данной работе проводится комплексный системный анализ физических свойств базисного минерала (пирита) – колчеданных руд и месторождений.

Цель работы – генетическая типизация и определение технологических свойств руд колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала на основе их параметрических типоморфных показателей.

Задачи исследования:

1) определение типоморфных физических показателей природных типов колчеданных руд;

2) выявление зависимости параметрических показателей физических свойств колчеданных руд от генетической принадлежности и формационной позиции месторождений;

3) выявление связи минералофизических показателей колчеданных руд с их технологическими свойствами;

4) разработка генетической модели колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала на основе параметрических минералофизических показателей руд.

Фактический материал и методика исследований. В основу работы положен материал исследований колчеданных объектов Северного Кавказа и Южного Урала. Изучены полевые материалы, аншлифы, образцы и проанализированы результаты геохимического изучения для руд колчеданных месторождений Северного Кавказа (Быковское, Кизил-Дере, Левобережное, Урупское, Худесское) и Южного Урала (Акжаровское, Барсучий Лог, Гайское, Зимнее, Комсомольское, Летнее, Осеннее), а также рудопроявления Южного Урала (Ащебутакское), любезно предоставленные И.А. Богушем и А.А. Бурцевым. Каждое из месторождений охарактеризовано десятками образцов, аншлифов и шлифов (в общей сложности 1127 образцов). Проанализированы и обобщены опубликованные и фондовые материалы.

В процессе работы (2003-2008 гг.) автором было описано 158 полированных шлифов; отобрано и изучено 224 монофракции рудных минералов и продуктов технологической переработки, произведено 8460 единичных замеров термо-ЭДС, 9480 единичных замеров микротвердости, привлечено для характеристики 358 спектральных и пробирных анализов, а также результаты минералофизических исследований профессора И.А. Богуша (более 100 тыс. единичных замеров микротвердости и 60 тыс. термо-ЭДС).

Аналитические исследования выполнялись в лабораториях ЮРГТУ (НПИ) и включали в себя:

- рудно-минералогический анализ руд колчеданных месторождений (текстурно-структурные особенности руд, генетическая типизация руд и минералов);

- комплексный системный генетический анализ руд и минералов колчеданных месторождений и рудопроявлений (Богуш И.А., Жабин А.Г., Труфанов В.Н., Старостин В.И., Шатагин Н.Н., Юшкин Н.П.);

- анализ изменения минералофизических свойств пирита и колчеданных руд для определения типоморфных показателей их генетических типов, выявления минералофизической зональности и генезиса рудных тел и месторождений, для определения уровня эрозионного среза и пространственного расположения месторождения.

Научная новизна работы. Впервые результаты комплексного системного анализа физических свойств колчеданных руд применены как критерии, характеризующие генетическую позицию месторождений. Обосновано параметрическое выделение рудных интервалов по результатам физических исследований пирита, а также интервалов природных типов колчеданных руд. Разработана и опробована методика исследования термоэлектрических свойств продуктов технологической переработки руд колчеданных месторождений. Установлена зависимость показателей термоэлектрических свойств руд и их продуктов обогащения. Выявлена корреляционная зависимость содержания золота в продуктах технологической переработки и их показателями термо-ЭДС.

Практическая значимость. Обоснование и выработка основных положений применения минералофизических показателей при проведении генетической типизации и параметрического моделирования месторождений колчеданного семейства могут быть использованы для разработки прогнозно-поисковых моделей. Показано, что при использовании физических критериев генезиса колчеданных руд возможно выделение наиболее перспективных для разработки месторождений. Рекомендовано проведение картирования рудных тел минералофизическими методами при разведочных работах для определения геотехнологических параметров колчеданных руд.

Основные защищаемые положения.

1. На эталонных объектах колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала реализована методика выделения природных типов руд на основе параметрических показателей физических свойств пирита.

2. Типоморфные физические показатели пирита, отражающие условия полигенного рудообразования, позволяют произвести группировку колчеданных месторождений по их геотектоническим позициям.

3. Исследованные физические показатели руд – микротвердость и термо-ЭДС позволяют производить экспрессную качественную оценку технологических сортов колчеданных руд.

4. На основе физических показателей пирита разработана параметрическая генетическая модель колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных статьях, в том числе одна в реферируемом журнале ВАК и докладывались на международных и региональных научно-практических конференциях и совещаниях: международной научной конференции «Проблемы геологии, геоэкологии и минерагении Юга России и Кавказа» (г. Новочеркасск, 1999, 2004, 2006 г.г.); первом Российском семинаре по технологической минералогии «Результаты фундаментальных и прикладных исследований по разработке методик технологической оценки руд металлов и промышленных минералов на ранних стадиях геологоразведочных работ» (Петрозаводск, 2006); научной конференции «Проблемы геологии рудных месторождений, минералогии, петрологии и геохимии» (ИГЕМ РАН Москва, 2008); научно-практической конференции «Прогноз, поиски, оценка рудных и нерудных месторождений – достижения и перспективы» (ЦНИГРИ Москва, 2008).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 110 наименования. Объем работы - текста 137 печатных страниц, в том числе 9 таблиц 41 рисунок.

В первой главе обоснована постановка проблемы, даны обзор, анализ предыдущих исследований выбранного направления работ.

Во второй главе приведены сведения о генезисе, строении и вещественном составе эталонных колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала.

В третьей главе описана методика минералофизических исследований пирита и руд колчеданных месторождений, по результатам которых произведена группировка колчеданных месторождений по их геотектоническим позициям. Здесь приведена параметрическая генетическая модель колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала.

В четвертой главе на основе параметрических показателей физических свойств пирита выделены природные типы колчеданных руд и произведена качественная оценка технологических сортов колчеданных руд.

Благодарности. При выполнении и написании работы автор неоднократно пользовался советами и консультациями доктора геолого-минералогических наук А.А. Бурцева, доцентов В.Г. Рылова, В.С. Исаева, М.Ю. Черненко, В.В. Якушева, С.И. Сьяна за что им всем благодарен.

Особую благодарность за ценную критику, советы и проявленное терпение автор выражает своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Илье Александровичу Богушу.
ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
Первое защищаемое положение. На эталонных объектах колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала реализована методика выделения природных типов руд на основе параметрических показателей физических свойств пирита.

Уникальной особенностью месторождений колчеданной формации является их комбинированная природа. Различные типы руд расположены зонально относительно друг друга в рамках одной залежи – этот факт неоднократно и в различных аспектах отмечался в обширной литературе, посвященной изучению строения колчеданных залежей (В.В.Авдонин, И.А.Богуш, Н.С.Бортников, А.А.Бурцев, Ф.П.Буслаев, М.И.Вахрушев, А.Н. Гераков, С.В.Григорян, Н.И.Еремин, А.Г.Жабин, В.М.Изоитко, А.И.Кривцов, М.М.Курбанов, А.С.Лапухов, Л.Н.Овчинников, В.А.Прокин, Д.В.Рундквист, В.Ф.Рудницкий, В.Г.Рылов, В.И.Смирнов, В.И.Старостин, А.С.Тамбиев, В.Н.Труфанов,).

В строении стратиформных колчеданных рудных тел проявляется универсальная рудно-генетическая зональность – от подошвы к кровле следуют гидротермально-метасоматические штокверковые (метаморфические), массивные комбинированные (автобластические) и гидротермально-осадочные (диагенетические) руды, достоверно выделяемые по текстурно-структурным особенностям.

Для руд месторождений колчеданного семейства основным минералом является пирит. Сочетание отдельных генетических и структурно-анатомических разностей пирита определяют генетический, текстурно-структурный и технологический типы руд. Генетическая информация, касающаяся колчеданных руд, совпадает с информацией об этом минерале. Он отображает весь спектр генетических и пострудных стадий преобразования колчеданного объекта (И.А. Богуш, А.А. Бурцев, 2004). Пирит является уникальным минералом в отношении емкости генетической памяти и качества сохранности генетической информации в пределах единичного кристалла и минерального агрегата.

Генетические типы пирита, выделенные по типоморфным параметрическим показателям микротвердости, соответствуют структурам природных типов колчеданных руд (И.А. Богуш, 1985).

Генетические типы пирита закономерно сменяют друг друга в пространстве рудного тела и, соответственно, слагают определенные природные типы колчеданных руд, характеризующихся содержанием полезных компонентов, текстурно-структурными особенностями и некоторыми технологическими свойствами. Что дает возможность при проведении геотехнологического картирования по показателям микротвердости характеризовать колчеданную руду с генетических позиций и прогнозировать технологические параметры.

Постепенный характер перехода одного типа руд в другой в полигенных рудных телах совпадает с постепенными направленными изменениями типоморфных вариаций микротвердости пирита, которые закономерно изменяются в разрезах полигенных, комбинированных колчеданных залежей и характеризует латентную зональность рудных тел, определяемую изменением генетического типа, состава и степени метаморфизма (рис. 1).

Суммарный, интегральный показатель термо-ЭДС колчеданных руд слагается из показателей главных минералов – пирита, халькопирита, пирротина и сфалерита. Главные нерудные минералы силикаты и карбонаты (кварц, кальцит, хлорит, серицит) являются диэлектриками и существенного влияния на общий показатель термо-ЭДС не оказывают. Также и сфалерит с пирротином, как правило, обнаруживает весьма слабые полупроводниковые эффекты, или вообще не проявляет этого свойства. Термо-ЭДС пиритов колчеданных руд изменяется в широких пределах от +560 мкВ/K до -400 мкВ/K, при этом нередко в одном рудном образце, а зачастую, и в одном зерне пирита, обнаруживается двойственный дырочно-электронный тип проводимости. Халькопирит однозначно относится к полупроводникам с электронной проводимостью (n – тип), в пределах от -30 мкВ/K до -570 мкВ/K, таким образом, халькопирит вносит свои коррективы в суммарный показатель в виде доли отрицательной проводимости. В итоге на общий суммарный показатель наиболее активно влияют термоэлектрические свойства пирита, который и определяет, в конечном итоге, различие руд разного генезиса и разных месторождений.

Рис. 1 Вариации микротвердости пирита природных типов колчеданных руд в вертикальном разрезе (Урупское месторождение).
Природные типы руд колчеданных месторождений отражают качественный минеральный состав. Отнесение руды к тому либо иному типу зависит от содержания главных рудных компонентов: медь, цинк, свинец, пирит. В рассматриваемых месторождениях выделяют следующие природные типы: серноколчеданный, медноколчеданный, медно-цинковый и цинковый.

Полученные распределения показателей микротвердости и суммарного коэффициента термо-ЭДС для руд Быковского и Урупского колчеданных месторождений соответствуют минералофизической зональности колчеданных месторождений: увеличение среднего значения микротвердости от кровли к подошве рудной залежи и смена дырочной проводимости на электронную проводимость. На графиках показателей микротвердости и суммарного коэффициента термо-ЭДС для этих месторождений четко отбивается граница собственно рудного интервала – резкое уменьшение содержаний Cu и Zn, соответствует уменьшению значений термо-Э.Д.С и увеличению значений микротвердости. Изменение по разрезу этих показателей, типоморфных для генетических типов пирита: осадочно-диагенетический (Н₀-Н₁), автобластический (Н₂), гидротермально-метасоматический (Н₃), метаморфический (Н₄-Н₅ необходимо отметить следующее: 1тип (Н₀)-появляется лишь в верхней части рудного разреза; диагенетический пирит (Н₁) присутствует во всем разрезе, однако наибольшее развитие имеет в рудном интервале, достигая 40-50%. Автобластический и гидротермальный пирит распределен по рудному разрезу аналогично диагенетическому, увеличивая свое содержание до 50 и 40%, соответственно, в интервалах развития серноколчеданных руд и подрудных метасоматитов. Метасоматический (Н₃) и метаморфический (Н₄-Н₅) пирит имеет сходное развитие по разрезу в рудной и подрудной части залежи. Максимальное развитие этот пирит имеет в центральной части рудного разреза: 60-70%. Наибольшие колебания микротвердости соответствуют нижней рудной зоне и началу подрудной.

Микротвердость в меньшей степени отражает интервалы различных промышленных типов руд вследствие инертности средних значений микротвердости по образцу. В тоже время следует отметить лучшее сохранение ранних пиритов при метаморфизме в сплошных рудах и минимальное в метасоматитах корневой зоны.

Значения показателей термоэлектрических свойств уменьшаются от рудной зоны к подрудной. Рудная зона характеризуется значениями от -175 до +285 мкВ/К, нижняя рудная от -211 до -97 мкВ/К, подрудная от -229 до -38 мкВ/К. Положение значений коррелируется с содержанием полезных элементов (Cu, Zn) (пики максимальных значений), коэффициент корреляции значений дырочной проводимости α∑(+) с содержанием Cu, Zn равен +0,8 и +0,5, соответственно.

В интервале, сложенном серным колчеданом, отличным по структурно-текстурным особенностям, примечательно резкое уменьшение значений термо-Э.Д.С., а также содержания меди в грубозернистом агрегате.

Результаты генетического моделирования оруденения, выполненного для месторождений Северного Кавказа, через типоморфический анализ микротвердости пиритов (таблица 1) показывают, что главным промышленным типом колчеданного оруденения является генетически сложный полигенный тип гидротермально-осадочного рудогенеза. К этому типу относятся месторождения Кизил-Дере, Урупское, Худесское (Главная, Промежуточная и Кизилкольская залежи), Быковское, Власенчихинское, Кыркольское, Бескесское. Для всех указанных месторождений характерен полный набор генетических типов пирита (Н₀-Н₃), определяющих осадочные, комбинированные и гидротермально-метасоматические руды, производные гидротермально-осадочного процесса. Эти количественные данные полностью совпадают с данными описательного минераграфического исследования руд.

Особое место занимают осадочные аллогенные руды Первомайской и Водораздельной залежей, не имеющих корневых зон подрудных метасоматитов. По этой причине в рудах слабо проявились автометасоматические процессы и в больших количествах (46,3% и 50,8%) осадочные и диагенетические формы пирита. В небольших, практически непромышленных залежах Скалистого, Даутского и Карабекского месторождений полностью отсутствует осадочно-диагенетический пирит (Н₀,Н₁,Н₂). В этих залежах первичный пирит представлен исключительно метасоматическими разностями (Н₃), это полностью соответствует данным минераграфических исследований руд.

В возрастном отношении типы пирита объединяются в две группы: 1-сингенетичные; 2-эпигенетичные (метаморфогенные). Стадия рудного сингенеза объединяет процессы рудной седиментации, диагенеза и автометасоматоза, производными которых являются пириты Н₀, Н₁, Н₂, Н₃. Эпигенез (метаморфизм) осуществляется путем воздействия внешних факторов на рудные тела и начинает активно проявляться в ходе зеленокаменных преобразований рудовмещающих вулканитов.
Частоты распределения (%) типоморфных значений микротвердости пиритов колчеданных месторождений Северного Кавказа

Таблица 1

Месторождение	СИНГЕНЕЗ				ЭПИГЕНЕЗ
(залежь)	Н0	Н1	Н2	Н3	Н4	Н5
Кизил-Дере	8,24	19,06	18,18	10,9	32,4	11,2
Уруп Главная	2.94	15,13	16,7	12,05	35,15	18,01
Власенчихинское	7,55	16,62	13,79	10,6	30,26	21,19
Скалистое	-	-	-	37,3	39,1	23.6
Первомайское	16,01	29,2	22,04	-	24,43	7,22
Водораздельное	18,8	32,0	23,2	-	22,68	3,96
Быковское	4,59	22,46	23,41	1,18	27,77	20,58
Кыркольское	7,6	19,3	13,2	21,5	24,0	10,2
Даутское	-	-	-	36,31	37,05	26,65
Худес Главная	3,2	19,2	22,2	-	35,4	20.0
Худес Промежуточная залежь	4,3	8,8	5,9	17,9	36,3	20,7
Худес Кизилкольская залежь	6,7	16,0	22,.1	10,0	29,2	15,8
Карабекская	-	-	-	14,2	30,8	55,0
Бескесское	0,08	6,25	10,.38	6,47	40,75	36,14

В рамках эпигенетических изменений наиболее стабильны показатели метаморфизованного пирита зеленокаменной стадии метаморфизма. Содержание этого пирита (Н₄) колеблется в рудах от 22,68 до 40,75%.

Обращает на себя внимание более высокий метаморфизм прожилково-вкрапленных руд Даутского (Н₄=36,3%), Карабекского (Н₄=30,8%) и Скалистого месторождений относительно сплошных руд. В рудах гидротермально-метасоматических месторождений (Даутское, Скалистое, Карабекское) максимален процент пирита высоких степеней метаморфизма (Н₅), соответственно 26,65%; 23,6% и 55,0%. В рудах месторождений: Водораздельного, Первомайского, Кыркольского и месторождения Кизил-Дере в заметных количествах (7,6-18,8%) сохранились осадочные пириты.

Из приведенного анализа следует, что главные промышленные колчеданные месторождения Северного Кавказа являются сложными, гетерогенными образованиями гидротермально-осадочного рудогенеза и содержат все генетические типы руд: осадочные, комбинированные и гидротермально-метасоматические.

Второе защищаемое положение. Типоморфные физические показатели пирита, отражающие условия полигенного рудообразования, позволяют произвести группировку колчеданных месторождений по их геотектоническим позициям.

Систематике и типизации колчеданных месторождений вулканической ассоциации уделялось внимание в трудах М.Б.Бородаевской и др., Д.И.Горжевского, Н.И.Еремина, А.И.Кривцова и др., Н.К. Курбанова, В.В. Масленникова, В.И.Смирнова и др.. Указанными исследователями предложен ряд классификаций колчеданных месторождений, в которых по тектоническим условиям формирования и связям с определенными геологическими формациями выделяется несколько типов месторождений, отличающихся особенностями минерального состава руд.

Классификационным признаком в систематизации колчеданных месторождений стал геодинамический режим их формирования, рассматриваемый с позиций тектоники литосферных плит с отражением соотношения между основными рудными компонентами (Pb–Cu–Zn).

Для месторождений Южного Урала: Гайского, Барсучего Лога, Летнего; и Северного Кавказа: Урупского, Быковского, Худесского и Кизил-Дере проведены массовые исследования микротвердости и термо-ЭДС пиритов группой научных сотрудников под руководством профессора И.А. Богуша (более 60000 единичных замеров в 1020 образцах). На базе результатов данных замеров автором рассмотрено соответствие средних значений и интервалов показателей микротвердости и термо-ЭДС пиритов с геотектонической позицией колчеданных месторождений (рис. 2).

Летнее месторождение уральскими учеными и другими (Прокин и др., 2004, Еремин и др., 2000) отнесено к кипрскому типу. Спорным до сих пор является отнесение Худесского месторождения к типу бесси (Еремин и др., 2000), по В.И. Смирнову Худесское месторождение уральского типа. Месторождение Кизил-Дере является представителем колчеданных и колчеданно-полиметаллических месторождений юрских черносланцевых толщ (Филизчай, Кизил-Дере, Катех и др.) по соотношению вулканогенного и терригенного материала во вмещающей толще, составу руд и рудогенерирующей формации оно отнесено к филизчайскому типу. Следующая группа месторождений (Гайское, Урупское и Быковское) российскими учеными относится к уральскому типу. Гайское месторождение расположено в южной части Магнитогорского прогиба; Урупское и Быковское месторождения на Передовом Хребте Северного Кавказа. Месторождение Барсучий Лог отнесено уральскими учеными в подтип – барит-медно-цинковых месторождений (баймакский), связанных с субвулканическими телами дацитов, риолито-дацитов и небольшими гипабиссальными интрузивами плагиогранитов и кварцевых диоритов (Прокин и др., 2004).

Таким образом, рассматриваемые нами месторождения отнесены к следующим типам месторождений:

1. 
   кипрский тип: Летнее;
   
2. 
   тип Бесси: Худессское;
   
3. 
   филизчайский тип: Кизил-Дере;
   
4. 
   уральский тип: Гайское, Урупское, Быковское;
   
5. 
   баймакский подтип уральского типа: Барсучий Лог.
   

Полученные данные были отображены в виде графика (рис. 2). По графику распределения интервалов показателей микротвердости пиритов по генетическим типам колчеданных месторождений (рис.2) можно отметить:

- максимальное значение микротвердости осадочного пирита (Н₀) для кипрского типа и минимальное – для типа бесси, что явно вызывает интерес вследствие объединения некоторыми авторами этих типов в один – кипрский (Еремин и др.);

- вариации показателей микротвердости диагенетического пирита характеризуются относительно небольшоим разбросом, однако зафиксированно минимальное значение этого параметра для месторождения кипрского типа;

- для показателей микротвердости автобластического и гидротермально-метасоматического пирита (Н₂+Н₃) месторождений уральского типа, в отличие от других, характерен большой разброс средних значений микротвердости;

- аналогично себя ведут показатели Н₄ (регионального метаморфизма) с некоторым нивелированием, это не столько отражение метаморфизма вмещающих пород, сколько подтверждение отличий месторождения – рудного тела как единого целого, контрастно выделяющегося по своим физико-механическим свойствам от окружающей среды;

- значения показателей микротвердости Н₅ (локального метаморфизма) не дают возможности генетически типизировать месторождения, так как наряду с синрудными отражают и наложенные эпигенетические изменения руд.

Месторождения разных генетических типов образуются в условиях геодинамических обстановок, различающихся по степени влияния на среду внешних воздействий (сил), а также внутренних процессов метасоматоза, рекомбинации, изоморфизма и т.д. В результате каждый генетический тип пирита, как и слагаемый им природный тип руды и генетический тип колчеданной минерализации, обладает присущим ему специфическим геохимическим спектром. Геохимический спектр различных типов пирита, руд и различных типов колчеданных месторождений различается в большей степени количественно, чем качественно. Существуют интервалы перекрытия различными типами пирита в рудных образцах интервалов показателей полупроводниковых свойств. На основе этого выделено три группы типов пирита по показателям их термоэлектрических свойств: а) осадочный и гидротермально-осадочный; б) автобластический и гидротермально-метасоматический; в) пирит локального и регионального метаморфизма.


Рис. 2 Схема распределения вариаций показателей микротвердости и тектоническая позиция типов месторождений.
Пириты осадочных и гидротермально-осадочных руд обладают дырочным типом проводимости (от +40 до+540 мкВ/K). Автобластические пириты комбинированных руд имеют смешанный тип с разбросом показателей от -320 до +400 мкВ/K. Гидротермально-метасоматические пириты обладают смешанной проводимостью с разбросом значений от -320 до +280 мкВ/K . Наложенный метаморфизм приводит к уничтожению дырочной проводимости и уменьшению коэффициента термо-ЭДС до отрицательных значений. Метаморфогенным пиритам характерны исключительно отрицательные значения (от -50 до -350 мкВ/K).

Для колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала: Урупского Быковского, Кизил-Дере, Худесского и Летнего, представленных разными генетическими типами: кипрским, бесси, филизчайским, уральским; были определены интервалы термоэлектрических показателей каждой из генетических групп пиритов. Генетические типы месторождений расположены в соответствии с их геотектоническими позициями рудообразования – от срединно-океанических рифтов и рифтов на океанической коре к континентальной островодужной системе (рис. 3).

Рис. 3 Графики вариаций суммарного коэффициента термо-ЭДС, пирита для месторождений различных генетических типов. 1-Летнее месторождение – кипрский тип, 2-Худесское месторождение – тип бесси, 3-месторождение Кизил-Дере – филизчайский тип, 4-Урупское и Быковское месторождения -уральский тип. А - интервалы осадочных и гидротермально-осадочных пиритов, Б - интервалы автобластических и гидротермально-метасоматических пиритов, В - интервалы пиритов локального и регионального метаморфизма.
Исследование показателей термо-ЭДС выявило их соответствие природным типам руд, зонального распределения в пространстве месторождения и зависимости от формационно-генетических позиций рудогенеза дает возможность параметрически генетически характеризовать руду, рудное тело и месторождение колчеданного класса.

Графики интервалов суммарного коэффициента термо-ЭДС показали (рис. 3), что в направлении от первого типа месторождений к четвертому происходит увеличение интервалов значений термо-ЭДС, как общего, так и по генетическим группам пиритов, соответственно. Такая зависимость отражает изменение (и увеличение) геохимического спектра примесных элементов в рудах месторождений образовавшихся на энсиалической коре по сравнению с месторождениями, образовавшимися на энсиматической коре.

Третье защищаемое положение. Исследованные физические показатели руд – микротвердость и термо-ЭДС позволяют производить экспрессную качественную оценку технологических сортов колчеданных руд.

Показатели термоэлектрических свойств колчеданных руд типоморфны как для генетических типов пирита, так и для природных типов руд и также могут характеризовать количественный состав руд. Эти же свойства должны быть характерны и типоморфны для колчеданной руды, прошедшей технологическую переработку (обогащение). В металлургии и других смежных отраслях полупроводниковые свойства элементов и сплавов металла используются для количественного определения качества продукции. Для продуктов технологической переработки колчеданных руд невозможным является микроскопическое изучение и определение микротвердостных характеристик в виду размерности исследуемого продукта (40-70 мкм).

На базе Урупского и Гайского горно-обогатительных комбинатов были проведены исследования термо-ЭДС продуктов технологической переработки колчеданных руд.

Продукты переработки колчеданных руд представляют собой рыхлые порошки. Для исследования рудных порошков была разработана новая методика, предложенная в двух вариантах: 1 – изучение термо-Э.Д.С. в брикетах между двумя плоскими электродами (холодным и горячим). Брикет площадью ≈1 см² получается путем прессования винтовым прессом в диэлектрических формах; 2 – путем измерения непосредственно тонкого (0,5-1,0 мм толщиной) слоя порошка, наносимого на медную пластину (холодный электрод) и прижимаемую плоским горячим электродом. Полученные сигналы измеряются и обрабатываются по общей методике.

Была сконструирована экспериментальная установка для измерения термо-ЭДС сыпучих веществ. Установка состоит из двух устройств: 1 - собственно для измерения термо-ЭДС – горячий электрод круглого сечения с плоской поверхностью контакта (d – 12 мм), термопара для замеров разницы температур (100 К), цифровой прибор Щ 4313 для измерения термо-ЭДС, и холодный электрод представляющий собой медную пластину (d - >15 мм); 2 - устройство для получения препарата – ручной винтовой «пресс».

Разработанная методика заключается в следующем:

1. 
   продукт обогащения помещается в термостойкий цилиндр из диэлектрического материала, снизу находится пластина холодного электрода, при помощи ручного пресса порошок спрессовывается;
   
2. 
   полученный препарат (цилиндр с продуктом и пластиной холодного электрода) убирается из-под пресса и производится замер путем прижимания горячего электрода к верхней плоскости полученного брикета;
   

В ходе испытаний получены следующие методологические особенности: 1) на одном препарате производится не более 3 замеров, так как порошок прогревается и спекается, что нарушает разницу температур между электродами и изменяет физические параметры продукта; 2) время проведения одного замера не должно превышать 5 секунд, по тем же причинам, что и в первом пункте; 3) оптимальное количество общего числа измерений для одного образца составляет 25 – 30 замеров.

Были проведены исследования влияния толщины слоя препарата на значение термо-ЭДС, с целью выявить оптимальные значения для получения наиболее дифференцированных данных по разным типам продуктов (медная головка, медный концентрат, цинковый концентрат, хвосты). Наиболее презентабельными оказались значения толщины ≤1 и 3-3,5 мм, так как имеют наибольший разброс и соответствие с составом продуктов.

На Урупском горно-обогатительном комбинате были отобраны образцы продуктов переработки по всей технологической цепи (206 образцов): рудный материал (измельченная колчеданная руда, 50-70 мкм), питание гравитационных столов (часть медного концентрата), медный концентрат, медный продукт (продукты гравитационных столов) и хвосты (некондиционные отходы технологической переработки руд). В результате получили следующее: рудный материал имеет двойственный характер полупроводниковых свойств, в результате процессов обогащения он разделяется на три части: медный концентрат, медный продукт и хвосты. Питание гравитационных столов не учитывается - это часть медного концентрата. Медный продукт имеет отрицательные показатели термо-ЭДС, входящие в интервал медного концентрата. Они имеют меньшую разбросанность и уменьшение значений термо-ЭДС по сравнению с показателями питания, а также положительные показатели максимальных значений. Это отражает связь значительного количества золота с пиритом, так как в результате обогащения на гравитационных столах процентное содержание пирита увеличивается, тем самым смещая средние результаты в сторону положительных значений (-300 -400 мкВ/К). Медный концентрат имеет три пика: -1060, -460 и -60 мкВ/К. В распределении значений полупроводниковых свойств хвостов отмечается расположения пика показателей в нулевой зоне ±30 мкВ/К (рис. 4). В сравнении с распределением показателей термо-ЭДС рудного материала гистограмма более симметрична.

Средние показатели полупроводниковых свойств продуктов технологической переработки дают высокие отрицательные коэффициенты корреляции со средними содержаниями полезных компонентов – Cu, Au, Ag. Данные коэффициенты достигают значения -0,9, а для серебра с максимальными значениями термо-ЭДС: -0,935. Такие большие значения коэффициентов, несомненно, подтверждают взаимосвязь термоэлектрических показателей с химическим составом исследуемых образцов.


Рис. 4 Гистограммы распределения показателей термо-ЭДС в продуктах технологической переработки колчеданных руд Урупского месторождения (Северный Кавказ).
Наиболее интересным в практическом отношении представляется коэффициент корреляции содержания меди в концентрате с показателями полупроводниковых свойств данного агрегата. Он подчеркивает еще раз отрицательный (n-тип) характер полупроводниковых свойств халькопирита, а также достаточно высокую степень зависимости показателей термо-ЭДС от содержания меди в продуктах обогащения. Что представляется перспективным

для практического применения данного минералофизического анализа в процессе переработки рудного материала для определения качества продукта и дает возможность прогнозирования извлекаемости меди по данным исследования термоэлектрических свойств колчеданных руд в процессе разведки месторождения.

Четвертое защищаемое положение. На основе физических показателей пирита разработана параметрическая генетическая модель колчеданных месторождений Северного Кавказа и Южного Урала.

Генетические типы руд располагаются закономерно в пространстве рудной залежи, сменяя друг друга от кровли к подошве: кремнисто-сульфидно-оксидные – осадочные – гидротермально-осадочные – гидротермально-метасоматические, последние, в лежачем боку постепенно переходят в пиритизированные метасоматиты и пропилиты. Информативность текстурно-структурных особенностей руд проявляется в том, что тектурно-структурная зональность полигенных колчеданных залежей соответствует их генетической зональности (Рис. 4).

Постепенный характер перехода одного типа руд в другой в полигенных рудных телах совпадает с постепенными направленными изменениями типоморфных вариаций микротвердости пирита и термо-ЭДС руды, которые закономерно изменяются в разрезах гетерогенных, комбинированных колчеданных залежей, как это отмечено выше (рис. 1).

Для изображения спектра генетических типов колчеданных руд успешно приме­нена стандартная треуголь­ная диаграмма Гиббса-Розебума (И.А. Богуш, А.А. Бурцев). Вершины треуголь­ника соответствуют мак­симальному развитию генетических типов пирита процессов:


Рис. 4 Рудно-фациальная вертикальная зональность колчеданных месторождений (И.А.Богуш, А.А.Бурцев с дополнениями) с данными картирования микротвердости пирита (Урупское месторождение).
левая вершина – седиментогенез, диагенез; верхняя вершина –автобластез + мета­соматоз и правая вершина – региональный метаморфизм и наложенный метаморфизм эпиге­нетических транс­формаций. Диаграмма микротвёрдости отражает весь генетический спектр пиритной минерализации, в пределах универсального минералофизического пространства фиксируя сходство, различие и онтогеническое своеобразие каждого колчеданного объекта (рис. 5).

Обобщённая диаграмма выявляет генетические особенности месторождений (рис. 6). На обобщённой диаграмме можно изобразить всё многообразие колчеданных месторождений и рудопроявлений, если вместо конкретного образца точка будет обозначать колчеданный объект, характеризуемый средним соотношением между содержаниями генетических типов пирита в месторождении или рудопроявлении.



Рис. 5 Диаграмма соотношений генетических типов пирита Урупского месторождения по микротвердости (И.А.Богуш, А.А.Бурцев).
На диаграмме (рис.6) основная часть колчеданных месторождений попадает в центральную часть диаграммы. Эта обширная группа представлена месторождениями различных генетических типов и степени метаморфизма. Современные руды (14) (Восточно-Тихоокеанское поднятие) резко выделяются на фоне остальных ископаемых рудных объектов. Для них характерно очень низкое содержание метаморфических типов пирита. Примечательно положение руд Первомайского и Водораздельного месторождений (22, 23), которые представляют собой осадочные дистальные переотложенные рудные тела. Соответственно, при таком способе формирования месторождения процессы автометасоматоза проявлены слабее. Точки 7, 21, 25 и 28 руд Акжаровского, Скалистого, Даутского и Карабекского месторождений, соответственно, попали на граничную линию диаграммы, то есть показывают полное отсутствие осадочно-диагенетического пирита. Руды указанных месторождений имеют гидротермально-метасоматический генезис. Рядом, вдоль этой же границы, расположились точки, характеризующие руды Весеннего, Осеннего, Левобережного и Бескесского колчеданных месторождений, соответственно. Члены этой группы представлены объектами, испытавшими наибольшую степень локального метаморфизма, вследствие чего, и произошло смещение их положения относительно основной группы.

Таким образом, данные микротвердости и термо-ЭДС колчеданных руд позволяют параметрически отображать изменение генетических особенностей в пространстве месторождения и устанавливать генезис самого объекта.



Рис. 6 Онтогеническая диаграмма колчеданных месторождений по данным вариаций микротвердости пирита. Цифрами обозначены следующие месторождения: 1– Комсомольское, 2 – Весеннее, 3 – Осеннее, 4 – Левобережное, 5 – Барсучий Лог, 6 – Орское, 7 – Акжаровское, 8 – Зимнее, 9 – Урупское, 10 – Быковское, 11 – Гайское, 12 – Худесское (Главная залежь), 13 – Ащебутакское, 14 – Современные руды Восточно-Тихоокеанского поднятия, 16 – Джусинское, 18 – Урожайное (Ю.Урал), 19 – Кизил – Дере, 20 – Власенчихинское, 21 – Скалистое, 22 – Первомайское, 23 – Водораздельное, 24 – Кыркольское, 25 – Даутское, 26 – Худесское (Промежуточная залежь), 27 – Худесское (Кизилкольская залежь), 28 – Карабекская, 29 – Бескесское, 30 – Летнее.