Кварц-углеродистые метасоматиты Восточного Донбасса - высокодисперсные руды цветных, редких и благородных металлов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 549.07:550.8:622.41

КВАРЦ-УГЛЕРОДИСТЫЕ МЕТАСОМАТИТЫ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА -ВЫСОКОДИСПЕРСНЫЕ РУДЫ ЦВЕТНЫХ, РЕДКИХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

© 2014 г. В.Н. Труфанов, И.В. Рыбин, М.И. Гамов, А.В. Труфанов

Труфанов Вячеслав Николаевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: trufanov_v37@mail.ru.

Trufanov Vyacheslav Nikolaevich - Doctor of Geological and Mineralogical Science, Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: trufanov_v37@mail.ru.

Рыбин Илья Валерьевич - аспирант, инженер, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: iliaribin@mail.ru.

Rybin Ilya Valerievich - Post-Graduate Student, Engineer, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: iliaribin@mail.ru.

Гамов Михаил Иванович - доктор геолого-минералогических наук, доцент, заведующий кафедрой месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: kpirgu@mail.ru.

Gamov Mikhail Ivanovich - Doctor of Geological and Min-eralogical Science, Associate Professor, Head of Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: kpirgu@mail.ru.

Труфанов Алексей Вячеславович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: SMAF2007@mail.ru.

Trufanov Aleksey Vyacheslavovich - Candidate of Geological and Mineralogical Science, Associate Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: SMAF2007@mail.ru.

Рассмотрены геолого-структурные, минералого-петрографические и термобарогеохимические особенности высокодисперсных руд цветных, редких и благородных металлов, генетически связанных с кварц-углеродистыми метасоматитами Восточного Донбасса, а также результаты автоклавного выщелачивания из них элементов-примесей.

Ключевые слова: Восточный Донбасс, кварц-углеродистые метасоматиты, высокодисперсные руды, условия формирования, автоклавное извлечение элементов-примесей.

Geology-structural, mineralogy-petrographic and thermobarogeochemic features of nonferrous ores and precious metals genetically assigned with quartz-carbonaceous metasomatites of Eastern Donbass, as well as with the results of autoclave leaching of elements-admixtures present in them have been considered in the paper.

Keywords: Eastern Donbass, quartz-carbonaceous metasomatites, highly dispersed ores, conditions of formation, autoclave leaching of elements-admixtures.

Среди актуальных научно-технических проблем, сложившихся к началу ХХ1 в., одно из важнейших мест принадлежит проблеме воспроизводства минерально-сырьевых ресурсов недр, в том числе в результате комплексного использования новых и нетрадиционных видов полезных ископаемых. К их числу относятся кварц-углеродистые метасоматиты Восточного Донбасса, представленные фтанитами, кварцолитами, лидитами и кварц-карбонатными гидротермалитами.

В значительном количестве (десятки тысяч тонн) они являются продуктами обогащения углей на Шолоховском и Гуковском горно-обогатительных комбинатах, но до настоящего времени практически не используются. Известно только, что фтаниты и лидиты в ограниченных объемах применяются в качестве пробирного камня.

Вместе с тем полученные нами новые данные показывают, что сфера их применения может

быть существенно расширена как нетрадиционного вида минерального сырья для получения цветных, редких и благородных металлов, а также для изготовления кварц-углеродной керамики, хрустальной посуды, пьезооптического кварца и синтеза горного хрусталя. Эти данные обсуждаются в представленной статье.

Проведенные комплексные геолого-структурные, минералого-петрографические и термо-барогеохимические исследования этих специфических природных объектов показали, что они приурочены к зонам углеводородной флюидиза-ции угольно-породных массивов пяти структурно-генетических типов [1-3]:

1) зоны флюидизации в глубинных разломах северо-западного простирания, связанных с инверсионным этапом развития Донецкого авлако-гена;

2) зоны флюидизации в приразрывных складках надвигов, приуроченные к резким под-воротам слоев у поверхности сместителя;

3) зоны флюидизации в пластовых нарушениях пологого или пологосекущего сдвига;

4) зоны флюидизации, связанные с флексуро-образными нарушениями угольных пластов и вмещающих пород;

5) зоны флюидизации, приуроченные к эпигенетическим песчаникам размыва в непосредственной кровле угольного пласта.

В отмеченных зонах интенсивно развивались процессы кремнезем-углеводородного метасоматоза под воздействием на вмещающие породы и угольные пласты глубинных, внутри-коровых и гидрогенных флюидов сложного состава в широком диапазоне термодинамических параметров, в результате которых произошли накопление и перераспределение про-мышленно важных элементов-примесей. Наибольший интерес представляют цветные, редкие и благородные металлы, общее содержание которых достигает во фтанитах - 7431 г/т, в кварцолитах - 2653, в лидитах - 747, в гидро-термалитах - 6602 г/т. В продуктах обогащения этих пород концентрации ценных элементов-примесей (медь, свинец, цинк, титан, вольфрам, молибден, серебро и др.) значительно превышают кларковые и достигают промышленных кондиций, т.е. они являются нетрадиционными высокодисперсными рудами, специфической особенностью которых является

тонкодисперсная форма нахождения в кварц-сульфидном субстрате и в виде металлоорга-нических соединений в угольном веществе (таблица).

Как показали проведенные исследования в Миллеровском, Тацинском, Краснодонецком и Сулино-Садкинском углепромышленных районах (шахты Ждановская № 5, Штеровская, Краснодонецкая № 17 и др.), отмеченные зоны флюидизации имеют сложное многоярусное строение, в котором выделяются очаг флюидизации (40-50 м), зона уплотненного науглерожен-ного слабопроницаемого угля - зона бронирования (60-80 м), зона брекчиевидного нарушенного угля (+200-300 м), переходящая в зону спокойного угля (рис. 1).

В зоне 1 преимущественно развиты кварцо-литы, в зоне 2 - фтаниты, в зоне 3 - гидротер-малиты, в зоне 4 - лидиты, локализующиеся в кровле угольных пластов.

Фтаниты макроскопически представляют собой брекчиевидные разнозернистые и порфи-робластовые породы светло-серого и зеленовато-серого цвета, сложенные на 40-50 % минералами кремнезема, 10-20 % углеродистым веществом, на 30-40 % биотитом и гидрослюдами и рудными минералами (окислы и гидроокислы железа и марганца, сульфиды железа, свинца, цинка, меди, молибдена и вольфрама, серебро и золото). Преимущественно это пластообразные и линзовидные тела простой конфигурации, развивающиеся по алевролитам и алевропесча-никам.

Под микроскопом структура неравномерно-зернистая, регенерационная, гнездовидная, местами идиоморфно-кристаллическая (рис. 2а).

Кварцолиты макроскопически представляют собой светлые кварцитовидные породы с тонкослоистой текстурой и раковистым изломом, образующие линзовидные тела и блоки сложной конфигурации, именуемые шахтерами «кобылами». Под микроскопом структура стеблевидная, плойчатая, мелко-среднезернистая, местами гра-нобластовая и микродрузовая. В составе присутствуют минералы кремнезема (до 90-95 %), пи-роксены и амфиболы, эпидот, гранаты, полевые шпаты, рудные минералы - магнетит, ильменит, вольфрамит, повелит. Углеродистое вещество представлено графитизированным углем и инер-тинитом (рис. 2б).

Результаты приближенно-количественного спектрального анализа кварц-углеродистых метасоматитов Восточного Донбасса

Элементы Проба

№ 10 № 116 № 12в № 12д

% г/т % г/т % г/т % г/т

Si (>1) (>10000) (>1) (>10000) (>0,755) (>7550) (>0,832) (>8320)

Al (>1) (>10000) (>1) (>10000) [0,0453] [453] (>0,832) (>8320)

Mg (>1) (>10000) (>1) (>10000) [0,0755] [755] (>0,832) (>8320)

Ca [1] [10000] [0,3] [3000] [0,1133] [1133] [0,2496] [2496]

Fe (>1) (>10000) (>1) (>10000) (>0,755) (>7550) (>0,832) (>8320)

Mn [0,07] [700] [0,04] [400] [0,0302] [302] [0,0416] [416]

Ni [0,0015] [15] [0,004] [40] [0,0005] [5] [0,0042] [42]

Co [0,0006] [6] [0,001] [10] [0,0002] [2] [0,0008] [8]

Ti [0,4] [4000] (0,5) (5000) [0,0045] [45] [0,1248] [1248]

V (0,01) (100) (0,01) (100) [<0,0004] [<4] [0,008] [80]

Cr [0,008] [80] [0,015] [150] [0,0015] [15] [0,0048] [48]

Mo [<0,0001] [<1] [0,0001] [1] [<0,0001] [<1] (0,0002) (2)

W (<0,003) (<30) (<0,003) (<30) (<0,0023) (<23) (<0,0025) (<25)

Zr (0,1) (1000) (0,04) (400) [<0,0008] [<8] [0,005] [50]

Nb [0,0008] [8] [0,0004] [4] [<0,0002] [<2] [0,0003] [3]

Cu [0,002] [20] [0,0006] [6] (0,0076) (76) (0,005) (50)

Pb [0,0005] [5] (0,002) (20) [0,0004] [4] (0,0126) (126)

Ag (0,00001) (0,1) (<0,00001) (<0,1) (<0,00001) (<0,1) (0,00005) (0,5)

Sb (<0,003) (<30) (<0,003) (<30) (<0,0023) (<23) (<0,0025) (<25)

Bi (<0,0002) (<2) (<0,0002) (<2) (0,0023) (23) (0,0003) (3)

As (<0,03) (<300) (<0,03) (<300) (<0,0227) (<227) (<0,025) (<250)

Zn (0,015) (150) (0,01) (100) [<0,0023] [<23] 0,0083 83

Cd (<0,001) (<10) (<0,001) (<10) (<0,0008) (<8) (<0,0008) (<8)

Sn (0,0003) (3) (0,0006) (6) (0,0003) (3) (0,0003) (3)

Ge [0,0001] [1] [0,0001] [1] [<0,0001] [<1] (0,0002) (2)

Ga [0,0006] [6] [0,001] [10] [<0,0001] [<1] [0,0006] [6]

Be [0,0003] [3] [0,0003] [3] [0,00003] [0,3] [0,0002] [2]

Sc [0,0008] [8] [0,0008] [8] [<0,0001] [<1] [0,0006] [6]

Y (0,004) (40) [0,0015] [15] [<0,0001] [<1] [0,0006] [6]

Yb (0,0004) (4) (0,0003) (3) (0,0001) (1) (0,0002) (2)

P (0,1) (1000) (<0,1) (<1000) [<0,0755] [<755] [<0,0832] [<832]

Li [<0,003] [<30] [0,003] [30] [<0,0023] [<23] (0,0042) (42)

Sr [0,015] [150] [0,015] [150] [0,0015] [15] [0,0033] [33]

Ba [0,06] [600] [0,05] [500] [<0,0227] [<227] [0,05] [500]

Примечание. N° 10 - гидротермалит; N° 11б - фтанит; N° 12в - лидит; N° 12д - кварцолит. [0,01] - содержания элементов в породе ниже значений кларка по Виноградову (1962 г.); (0,15) - содержания элементов в породе выше значений кларка по Виноградову (1962 г.); 0,001 - содержания элементов в породе равны значениям кларка по Виноградову (1962 г.).

Кварц-карбонатные гидротермалиты образуют жильные тела, прожилки, штокверки, сложенные на 80-90 % кварцем, карбонатами кальция, железа и марганца с вкрапленностью сульфидных рудных минералов (пирит, халькопирит, арсенопирит, галенит, сфалерит и др.) (рис. 2в). Под микроскопом структура среднезернистая, панидиоморфная, микродрузовая. По сути это типичные кварц-полиметаллические метасома-

титы - продукты гидротермального литогенеза осадочных пород.

Лидиты отличаются темной окраской, микрозернистой структурой, плотным однородным сложением (пробирные камни) (рис. 2г). Сложены халцедоновидным кварцем, опалом (20-30 %), се-мифюзенитом и спикулами губок. Рудные минералы представлены марказитом, фрамбоидальным пиритом, гидроокислами железа.

■ i EZUb

□LÜ2 С™37

14

im

11

12

13

14

ч А

/V \ / j \ >

4 д\

11-40

J EZIiii

/

Fn Эп Kr Гп Кв

У / fL /'

♦ у '/V

------v/ /V-------[7\

«.»• 1<||>>М' v** ^^

----' ^—

v t \ А / А

' >{\ V . 4 / \

/\ V'.. А / с ЧЛ 4/ \ XX/

Ч/Л:ч ^' 4'v.

\ v

\ ~ ~ ~

/

Зона 1 -«спокойного угля»

Зона 2 -брекчиевидного угля с вторичными минералами по трещинам

Зона 3 -уплотнённого, науглероженного, слабопроницаемого угля

Зона 4 -очаг флюидизации

JStMOO м

51М>(1 м

Г 120.250Г Р 50« 120 бар Cll.tCO,» 11,0

Рис. 1. Принципиальная схема строения и формирования флюидоактивной зоны в угольном пласте (по В.Н. Труфанову, М.И. Гамову и др., 2004 [1]): 1-4 - уголь спокойный; брекчиевидный; линзовидно-полосчатый; милонитизированный; 5 - номера пакетов; 6 - аргиллиты; 7 - алевролиты; 8 - песчаники; 9 - расштыбованный уголь в очаге флюидизации; 10 -тектонические нарушения; 11 - лидит; 12 - гидротермалит; 13 - силицит; 14 - фтанит; Еп - показатель флюидоактивности;

Эп - электрополяризационный показатель; Гп - геохимический показатель ( Си ■ РЬ ■ гп ■ ТЧ ^ ; Кв - показатель восстанов-

^ Ве ■ Ое ■ Мо ■ V )

ленности флюидов (^восстановленных газов / Ежисленныхх газов); Кг - коэффициент газоносности (Е^в / Н2О)

Проведенные комплексные термобарогео-химические исследования показали, что кварц-углеродистые метасоматиты Восточного Донбасса сформировались в широком диапазоне температур от 80-120 до 450-500 °С при давлениях от 5-6 до 150-200 МПа в результате воздействия на углевмещающие породы высококонцентрированных восстановленных и окисленных флюидов. В кварцолитах установлены уникальные кристалло-флюидные и многофазовые включения с температурами декриптации (Тд) 380-520 °С и давлениями 150-200 МПа, во фтанитах - многофазовые и углеводородные включения с Тд 350-400 °С и давлениях 80-120 МПа, в гидротермалитах - углекислотно-водные включения с Тд 280-450 °С при давлениях 50-70 МПа, в лидитах - газово-жидкие и битумные включения с Тд до 200 °С при давлениях 5-6 МПа. В составе флюидов обнаружены Н2О, СО2, азот, метан, тяжелые углеводороды.

Таким образом, изученные кварц-углеродистые метасоматиты образуют единый генетический ряд, крайними членами которого являются кварцолиты и лидиты, а промежуточное положение занимают фтаниты и кварц-карбонатные гидротермалиты (рис. 3).

Они образовались в прогрессвный (фтаниты), экстремальный (кварцолиты) и регрессивный

Рис. 2. а - фтанит (николи +; d = 1 мм); б - кварцолит

(николи +; d= 1 мм); в - гидротермалит (николи +; d = 1 мм); г - лидит (николи +; d = 0,2 мм)

Рис. 3. Диаграмма зависимости между температурами минералообразования и F-показателем флюидоактивности кварц-углеродистых метасоматитов Восточного Донбасса

а

г

(гидротермалиты и лидиты) этапы минерало-рудообразующих процессов углеводородной флюидизации горно-породных массивов при отмеченных выше физико-химических параметрах.

При этом происходило перераспределение и обогащение метасоматитов промышленно важными элементами-примесями, что находится в полном соответствии с представлениями П.Ф. Иванкина и Н.И. Назаровой [4] о процессах глубинной дегазации земной коры и их роли в рудообразовании.

Эксперименты по извлечению рудогенных элементов, проведенные нами на автоклавной установке БАР-1 [5] в стационарном режиме, в режиме «обратного» взрыва и дросселирования показали, что в зависимости от конкретных РТ-условий при использовании в качестве активного агента только чистой воды происходит выщелачивание от 25 до 65 % исходного содержания цветных, редких и благородных металлов (рис. 4). Несомненно, что в случае применения более активных агентов эти результаты могут быть существенно улучшены.

8000

7000

£

I 6000

с

i 5000

4000

3000

« о

2000

С-

1000

V

N

-----

Исходная проба

-Фтаниты

Стационарный Режим обратного режим взрыва

-Кварцолит

- Гидротермалиты

Дроссельный режим

-Лидиты

Рис. 4. Диаграмма зависимости общего содержания элементов-примесей в кварц-углеродистых метасоматитах

от режима автоклавной обработки

Следует также отметить, что рудогенные элементы-примеси в процессе автоклавной переработки кварц-углеродистых метасоматитов откладываются на дроссельных мембранах в виде самородных элементов и хорошо выраженных монокристаллов, что обеспечивает их прямое получение из исходных материалов. Кварц-угле -

родистые продукты диспергации образуют при этом тонкодисперсные наноагрегаты с гранулярной и скелетной структурой. Есть все основания полагать, что такие нанодисперсные материалы будут обладать уникальными технологическими свойствами (рис. 5).

10 мкм

V

0 ä i ftl у\&АJvJJW Спектр 2 II А--» « А i

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Полная шкала 12450 имп. Курсор 0,044 (6573 имп)

Полная шкала 15476 имп. Курсор 0,016 (7599 имп)

Рис. 5. Серебро на мембране в виде минеральных скоплений после обработки гидротермалита при режиме дросселирования (электронный снимок)

Таким образом, кварц-углеродистые метасо-матиты Восточного Донбасса являются уникальными природными объектами, сформировавшимися в зонах углеводородной флюидизации угольно-породных массивов Восточного Донбасса в широком диапазоне термодинамических параметров. Они содержат высокие концентрации промышленно важных элементов-примесей, автоклавное извлечение которых представляет несомненный практический интерес. Необходимы постановка специальных прогнозно-поисковых работ на этот нетрадиционный вид минерального сырья, а также продолжение исследований по его глубокой переработке автоклавными методами.

Литература

1. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Рылов В.Г., Майский Ю.Г., Труфанов А.В. Углеводородная флюиди-зация ископаемых углей Восточного Донбасса. Ростов н/Д., 2004. 270 с.

2. Труфанов В.Н., Рыбин И.В., Гамов М.И., Труфанов А.В. Кварц-углеродистые метасоматиты Восточного Донбасса как нетрадиционный вид минерального сырья : материалы XIII Всерос. угольн. со-вещ. 22-25 апреля. Ростов н/Д, 2014.

3. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Прокопов Н.С., Майский Ю.Г., Труфанов А.В., Рыбин И.В., Цицуашви-ли Р.А. Теоретические и методические основы исследований фазовых переходов и процессов деструкции систем «минерал-порода-флюид» // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Естеств. науки. 2012. № 4. С. 102-107.

Поступила в редакцию

4. Иванкин П.Ф., Назарова Н.И. Глубинная дегазация земной коры и ее роль в петрорудогенезе, солеи нефтеобразовании. М., 2001. 280 с.

5. А.с. № 926046 от 07.01.1982. Автоклавная установка для переработки минерального сырья.

References

1. Trufanov V.N., Gamov M.I., Rylov V.G., Maiskii Iu.G., Trufanov A.V. Uglevodorodnaia fliuidizatsiia iskopaemykh uglei Vostochnogo Donbassa [Hydrocarbon fluidization coals of the Eastern Donbass]. Rostov n/D., 2004. 270 s.

2. Trufanov V.N., Rybin I.V., Gamov M.I., Trufanov A.V.Kvarts-uglerodistye metasomatity Vostochnogo Donbassa kak netraditsionnyi vid mineral'nogo syr'ia [Quartz-carbon metasomatic rocks of the Eastern Donbass as an unconventional type of mineral raw materials] : materialy XIII Vseros. ugol'n. soveshch. 22-25 aprelia. Rostov n/D., 2014.

3. Trufanov V.N., Gamov M.I., Prokopov N.S., Maiskii Iu.G., Trufanov A.V., Rybin I.V., Tsitsuashvili R.A. Teoreticheskie i metodicheskie osnovy issledovanii fazovykh perekhodov i protsessov destruktsii sistem «mineral - poroda - fliuid» [Theoretical and methodological basis of studies of phase transitions and processes of destruction systems «mineral - rock - fluid»] // Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki. 2012. № 4. S. 102-107.

4. Ivankin P.F., Nazarova N.I. Glubinnaia degazatsiia zemnoi kory i ee rol' v petrorudogeneze, sole- i nefteobrazovanii [Deep degassing of the earth's crust and its role in petrorudogenesis, salt and oil generation]. M., 2001. 280 s.

5. A.s. № 926046 ot 07.01.1982. Avtoklavnaia usta-novka dlia pererabotki mineral'nogo syr'ia [Autoclave system for mineral processing].

_8 октября 2014 г.