CC BY
35
УДК 549.07:550.8:553.21
НОВЫЕ ДАННЫЕ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ «МИНЕРАЛ-ПОРОДА-ФЛЮИД» МЕТОДАМИ ВАКУУМНОЙ ДЕКРИПТОМЕТРИИ
© 2013 г. В.Н. Труфанов, Р.А. Цицуашвили, А.В. Труфанов, И.В. Рыбин
Труфанов Вячеслав Николаевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: trufanov__v37@mail.ru. Цицуашвили Рубен Артурович - аспирант, инженер, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: robik08@mail.ru.
Trufanov Vyacheslav Nikolaevich - Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: trufanov_v3 7@mail. ru.
Tsitsuashvili Ruben Arturovich - Post-Graduate Student, Engineer, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, E-mail: robik08@mail.ru.
Труфанов Алексей Вячеславич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: SMAF2007@mail.ru.
Рыбин Илья Валерьевич - аспирант, инженер, кафедра месторождений полезных ископаемых, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, e-mail: iliaribin@mail.ru.
Trufanov Aleksey Vyacheslavich - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Mineral Deposits Department, Geology-Geography Faculty, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, e-mail: SMAF2007@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, e-mail: iliaribin@mail.ru.
Рассмотрены теоретические и экспериментальные основы вакуумной декриптометрии флюидных систем «минерал—порода—флюид» как одного из эффективных методов термобарогеохимии. Показано, что, используя результаты вакуумно-декриптометрических исследований, можно рассчитать энергетические F-показатели флюидоактивности этих систем в зависимости от конкретных РТХ-условий их формирования. Приведены новые результаты по оценке потенциальной энергоемкости и рудоносности для типовых проб флюидизирован-ных углей Павловского месторождения (Дальний Восток), гидротермально-измененных карбонатных пород Даховского кристаллического массива (Северо-Западный Кавказ) и кварц-углеродистых метасоматитов Восточного Донбасса.
Ключевые слова: вакуумная декриптометрия, термобарогеохимия, энергетический показатель флюидоактивности, система «минерал-порода-флюид», минерагенический потенциал, генезис.
The article describes theoretical and experimental principles of vacuum deсriptometry as one of effective methods of thermobarogeochemistry and new definition data of fluid activity energetic indicators of «mineral—rock—fluid» systems. It is shown that mineragenic potential of various natural objects by composition and genesis can be determined by these indicators. Results of researches of fossil coals of the Far East, calcic and quartz-carbonaceous metasomatits of the North-West Caucasus and East Donbass are given.
Keywords: vacuum dernptometry, thermobarogeochemistry, energetic indicator of fluid activity, «mineral-rock-fluid» system, mineragenic potential, genesis.
Развитие и совершенствование методов термобарогеохимии и особенно метода вакуумной термобаро-метрии [1] дало возможность перейти от теоретических расчетов РТХ-условий минералообразующих систем к прямым экспериментальным оценкам их энергетических параметров, что впервые было осуществлено при изучении рудных месторождений Большого Кавказа [2]. При этом общие принципы энергетической концепции минерало- и рудообразования, сформулированные в классических работах А.Е. Ферсмана [3], А.Ф. Капустинского [4], В.И. Лебедева [5], Ф.А. Лет-никова [6] и других исследователей, были применены в качестве теоретической базы при разработке экспериментальной методики определения энергетических показателей флюидоактивности природных систем «минерал-порода-флюид» по результатам вакуумной
декриптометрии флюидных включений в минералах, породах и рудах [7].
В дальнейшем эта методика использовалась при решении проблемы выбросоопасности угольных пластов [8], при разработке концепции углеводородной флюидизации ископаемых углей и технологии извлечения угольного метана как нетрадиционного вида углеводородного сырья [9], а также для определения оптимальных физико-химических параметров формирования углеводородных залежей Западной Сибири [10]. В последнее время методика энергетического анализа природных систем «уголь-флюид» нашла применение при оценке потенциальной рудоносности ископаемых углей и разработке методов извлечения из них стратегически важных элементов-примесей в условиях «обратного взрыва» [11].
Таким образом, в настоящее время накоплен значительный фактический материал по этой актуальной в теоретическом и практическом отношениях проблеме, одним из недостаточно разработанных вопросов которой является методика количественных оценок энергетических показателей флюидоактивности природных систем «минерал-порода-флюид» при конкретных РТХ-параметрах их образования.
В данной статье эта важная часть настоящей проблемы обсуждается по результатам исследований ископаемых углей Дальнего Востока, кальциевых и кварц-углеродистых метасоматитов Северо-Западного Кавказа и Восточного Донбасса.
Декриптометрический метод (от англ. decrepitation -«растрескивание, поскрипывание»; в отечественной литературе применяется термин «декриптометрия», от греч. decryptos - «вскрытый, раскрытый»), примененный впервые Г. Скоттом [12], основан на свойстве флюидных включений в минералах вскрываться при температурах, близких к температурам минералообра-зования. Теоретический принцип этого метода заключается в том, что незначительное увеличение температуры после гомогенизации включения приводит к резкому возрастанию давления внутри вакуоли. В опытах Е. Ингерсона [13] в вакуоли, на 2/3 заполненной жидкостью, гомогенизация происходила при температуре 320 °С, а давление при этом достигало 12 МПа. При нагревании до 350 °С давление в вакуоли возрастает до 50 МПа, т.е. увеличивается более чем в четыре раза, а при температуре 400 °С достигает 250 МПа. Такое резкое возрастание давления внутри включений приводит в конечном счете к растрескиванию и разрушению стенок вакуолей.
Разница в температурах гомогенизации и декрип-тации в разных минералах определяется прежде всего соотношением газовой и жидкой фаз внутри включения, размерами включений, величиной внешнего давления, толщиной стенок и механическими свойствами минерала-«хозяина». Выведенная Г.Г. Леммлейном и М.О. Клия [14] зависимость между этими величинами выражается формулой
Рвн = Рнар + 4/3сВр - 4/3сВр (b/a)3, (1)
где Рвн - необходимое для разрыва образца давление во включении; Рнар - наружное (внешнее) давление; а -размер включения; b - размер образца (толщина стенок вакуоли); свр - механические свойства минерала-«хозяина».
Сопоставление температур синтеза кристаллов кварца, температур гомогенизации и декриптации флюидных включений, проведенное Ю.Г. Майским [1], показало, что расхождения между температурами гомогенизации и температурами кристаллизации варьируют от +10 до +111 °С (среднее +49,6 °С), а температура декриптации превышает истинную в среднем на 31,5 °С.
Для фиксации вскрытия включений разными авторами [15, 16] предлагались разнообразные конструкции термозвукорегистраторов. В первых экспериментах Г. Скотт использовал весьма несовершенную аппаратуру, вследствие чего в интерпретацию результатов опытов вносился существенный элемент субъективности. В 1949-1951 гг. П. Пич [17, 18] опубликовал данные о сконструированной им установке для метода
декриптации, не получившего широкого распространения из-за своей сложности.
Отечественными учеными сделан значительный вклад в разработку и усовершенствование метода декриптации. Создана специальная аппаратура, позволяющая объективно оценивать результаты экспериментов [19]. Наиболее известны автоматические термозву-корегистраторы, сконструированные Ю.А. Долговым и Р.И. Райхер, А.И. Захарченко и группой исследователей ВСЕГЕИ и ВНИИСИМС, Е.Е. Костылевой и В.И. Ла-бунцевым [20, 21]. В.Н. Труфановым совместно с В.М. Деминым, С.А. Куршевым и Н.Г. Родзянко был разработан автоматический термозвукорегистратор-декриптометр РУД-1, отличающийся от известных приборов такого типа значительной простотой и надежностью фиксации результатов экспериментов [22].
Декриптометрические методы исследования минералов, пород и руд получили широкое распространение в связи с их универсальностью, высокой автоматизацией и производительностью, а также в результате разработки специальной аппаратуры [15-22]. На смену первым термозвукорегистраторам-декриптогра-фам, обладавшим рядом недостатков [23], созданы новые термовакуумные приборы, отличающиеся высокой чувствительностью, отсутствием помех, практически 100%-й воспроизводимостью экспериментов и другими положительными характеристиками. В исследованиях применяются вакуумные декриптографы типа ВД-5, разработанные на кафедре МПИ РГУ на основе изобретения «Устройство для определения температур газовыделения» [24]. Прибор позволяет определять не только температуры декриптации флюидных включений, но и оценивать суммарное значение энергетического показателя флюидоактивности для всей системы «минерал-порода-флюид» в условных единицах.
Позже была предложена методика энергетического анализа природных систем «минерал-порода-флюид» в абсолютных единицах - Дж/моль • град. или Дж/кг • град. - методами вакуумной декриптометрии [7].
Для энергетического анализа систем «минерал-порода-флюид» используются экспериментальные данные, получаемые методами вакуумной декриптометрии по методике В.Н. Труфанова и др. [25]. Как было показано ранее [26], существующие конструкции вакуумных декриптографов типа ВД наряду с регистрацией эффектов взрывов флюидных включений при нагревании минералов в вакууме дают возможность определить объем и состав выделяющейся флюидной фазы в любом температурном интервале, оценить в абсолютных единицах максимальное приращение давления в датчике прибора, обусловленное суммарным барическим эффектом газовыделения, а также установить модальные значения температурных максимумов декриптации.
Определение этих величин позволяет рассчитать значения энергетического ^-показателя флюидоактив-ности для любой системы флюидных включений в исследуемом образце как величину, прямо пропорциональную приращению давления (АР) и объему газовыделения (У^ и обратно пропорциональную модальному значению температуры декриптации (Тд), т. е.
^ = АР¥/ТЯ (2)
Сравнение приведенной формулы с уравнением Клапейрона-Менделеева (PV = „КТ) показывает, что Б-показатель характеризует работу изобарного расширения п молей флюида в капсуле прибора ВД при повышении температуры на один градус.
Зная исходную навеску исследуемого минерала, можно определить величину Б-показателя из расчета на 1 моль или 1 кг образца и перейти к принятой системе СИ энергетических показателей, т. е. получить его значения в Дж/моль • град или Дж/кг • град.
Кроме того, экспериментальное определение температурного интёрвала газовыделения для каждой системы флюидных включений позволяет рассчитать интегрированную величину Б-показателя в Дж/моль или Дж/кг исследуемой пробы, суммируя частные значения Б-показателя флюидоактивности:
Fa5щ = AtFl + At2F2 + ... + At„F„. (3)
По отношению величин Д1пРп/Робщ можно количественно оценить энергетический вклад каждой системы флюидных включений в общую энергоемкость флюидной фазы системы «минерал-порода-флюид». Так как каждая система флюидных включений в образце характеризует определённую стадию минерало-и рудообразования, это отношение объективно характеризует интенсивность данной стадии, что показано ниже на конкретных примерах.
В учебно-исследовательской лаборатории «Гео-техпрогноз» кафедры месторождений полезных ископаемых геолого-географического факультета ЮФУ проведены вакуумно-декриптометрические исследования четырех типов пород, различных по составу и условиям образования. Исследования проводились на малосерийных декриптографах ВД-5 с получением типовых вакуумных декриптограмм и расчетом энергетических показателей флюидоактивности для выделенных эффектов декриптации.
Образец № 1 отобран из угленосных отложений Павловского месторождения бурого угля. Павловское месторождение - второе по величине буроугольное месторождение Приморского края - характеризуется не только большими запасами угля, но и высокой, а местами аномальной металлоносностью. Угленосность месторождения связана с усть-давыдовской свитой миоцена, достигающей мощности 400 м. Свита представлена мелкозернистыми песчаниками с галькой и гравием, выше - алевролитами, аргиллитами, реже - мелко- и среднезернистыми песчаниками. В свите выделяется до 20 пластов и пропластков бурого угля. Макроскопически угли плотные темно-бурого цвета. По блеску преобладают матовые, реже - полуматовые. Текстура угля штриховато-полосчатая и линзовидно-полосчатая. Угли гумусовые. В исходном растительном материале углей преобладают остатки стеблевой древесины. В составе углей преобладает витринит (80-99 %). Инертинит и липтинит распространены незначительно - соответственно 7-8 и 3-6 %.
Образцы № 2 и 3 отобраны из обнажений, расположенных на территории Даховского кристаллического массива. Образец № 2 представлен кальциевыми мета-соматитами - родингитами, раздробленными в ходе неоднократных подвижек по разлому. Нами такие породы обнаружены в низовьях ручья Липового в зоне Центрального разлома, ограничивающего с севера Дахов-
ский кристаллический массив. Это зеленовато-серые плотные массивные породы, местами с видимыми признаками катакластических структур, состоящие преимущественно из диабластических срастаний актиноли-та-тремолита и плагиоклаза (около 55 % объёма породы) и псевдоморфоз хлорит-эпидот-цоизит (клиноцоизит?)-пренитового состава (15 %). В качестве второстепенных минералов присутствуют сильно изменённые хлорити-зированные гранаты (4-5 %), апатит (0,5-0,7 %), ильменит (3-4 %), хлорит и серпентин (15-20 %), листочки хлоритизированного биотита. Порода рассечена субмо-номинеральными микропрожилками альбита, а также пренита и вюаньятита [27]. Образец 3 представляет собой известняк с обломками криноидей, состоящих из монокристаллов кальцита. Обнажение расположено на левом борту р. Белой (условно называем руч. Колесников), в 500 м от места впадения ручья в р. Белую. Образец имеет достаточно равномерную окраску - от светло-коричневого до кирпичного цвета.
Образец № 4 - типичный кварц-углеродистый мета-соматит из Синегорского месторождения (Восточный Донбасс). Порода серо-желтовато-зеленовато-бурого цвета с массивной текстурой, сложена частицами размером 0,3-0,2 мм, крепкая, макропоры отсутствуют, имеет следы вторичных преобразований в виде окисления, плотность высокая, с 10%-й HCl не реагирует.
Результаты вакуумной декриптометрии исследуемых проб представлены в таблице.
Результаты, приведенные в таблице, позволили зафиксировать вторичные изменения, связанные с флюидизацией, что подтверждается присутствием до 5 эффектов газовыделения на вакуумных декрипто-граммах. Породы разного состава и различного генезиса отличаются друг от друга по степени флюидоактив-ности. Наиболее энергоемким является образец угля Павловского месторождения (в пересчете на 100 мг пробы - 8280 у.е.), этим может объясняться высокая металлоносность месторождений Приморского края,
Результаты вакуумно-декриптометрических исследований
Наименование пробы Количество пробы, мг F-показатели флюидоактивности, у.е. Температурный интервал,°С
F, п/п ^общ
Уголь (Павловское месторождение) 5 Fi 310 414 40-100
F2 89 160-280
F3 15 300-340
Родингит (ДКМ) 100 F, 192 502 20-300
F2 53 320-420
F, 21 400-480
F4 194 480-620
F5 42 680-800
Известняк (ДКМ) 100 F, 617 740 40-240
F2 23 280-300
F, 66 320-340
F4 8 380-400
F5 126 460-660
Метасоматит (Восточный Донбасс) 100 Fi 175 650 40-160
F2 480 220-540
так как высокий показатель флюидоактивности очень часто имеет прямую зависимость с показателем рудо-носности и с повышенным содержаниям редких и редкоземельных элементов. Вторым по значению энергетического F-показателя флюидоактивности является гидротермально измененный известняк Да-ховского кристаллического массива, в котором можно ожидать повышенные содержания рудных элементов; на третьем месте находятся кварц-углеродистые мета-соматиты Восточного Донбасса.
Таким образом, по энергетическому F-показателю флюидоактивности можно оценить минерагенический потенциал исследуемых проб пород вне зависимости от их вещественного состава и генезиса.
Литература
1. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Дудкевич Л.К., Майский Ю.Г.,
Труфанов А.В. Основы прикладной термобарогеохи-мии. Ростов н/Д, 2008. 280 с.
2. Труфанов В.Н. Минералообразующие флюиды рудных
месторождений Большого Кавказа. Ростов н/Д, 1979. 272 с.
3. Ферсман А.Е. Геохимия. Т. 2. Л., 1937. 360 с.
4. Капустинский А.Ф. Электроотрицательность и энергия
кристаллической решетки // Докл. АН СССР. 1949. Т. 67, № 3. С. 605-608.
5. Лебедев В.И. Основы энергетического анализа геохими-
ческих процессов. Л., 1957. 341 с.
6. Летников Ф.А. Изобарные потенциалы образования ми-
нералов и их применение в геохимии. М., 1965. 270 с.
7. Труфанов В.Н. Энергетический анализ природных сис-
тем «минерал-флюид» методами термобарогеохимии // Изв. СКНЦ ВШ. Естеств. науки. 1990. № 1. С. 3-11.
8. Лосев Н.Ф., Труфанов В.Н. Молекулярно-энергети-
ческая концепция выбросоопасности ископаемых углей // Там же.1994. № 1. С. 56-66.
9. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Рылов В.Г., Майский Ю.Г.,
Труфанов А.В. Углеводородная флюидизация ископаемых углей Восточного Донбасса. Ростов н/Д, 2004. 172 с.
10. ТруфановВ.Н., Сухарев А.И., Труфанов А.В., Майский Ю.Г.
Термобарогеохимические условия трансформации пород неокома Большехетской синеклизы (Западная Сибирь) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2012. № 1. С. 53-57.
11. А. с. № 926046 от 07.01.1982 г. Автоклавная установка
для переработки минерального сырья / В.Н. Труфанов,
Поступила в редакцию
Н.А. Тимченко, Н.С. Прокопов, С.Н. Труфанов, С.А. Кур-шев, Ю.Г. Майский, В.А. Самарский, А.Т. Ушак.
12. Scott H.S. The decrepitation method applied to minerals
with fluid inclusions // Econ. Geol. 1948. Vol. 43, № 8.
13. Ingerson E. Liquid inclusions in geologie thermometry //
Amer. Mineralogist. 1947. Vol. 32, № 7-8.
14. Леммлейн Г.Г., Клия М.О. К теории определения геологи-
ческих температур методом взрывания включений в минералах // Зап. Всесоюз. минерал. о-ва. 1951. Ч. 80, № 4.
15. Долгов Ю.А., Райхер Л.Д. Автоматический термозвуко-
регистратор // Минерал. сб. Львовского геол. о-ва. 1953. № 7.
16. Долгов Ю.А. Особенности генезиса высокотемператур-
ных кварцев // Там же. 1955. № 9.
17. Peach P.A. A decrepitation geothermometer // Amer. Min-
eralogist. 1949. Vol. 34, № 5-6.
18. Peach P.A. Geothermometry of some pegmatite minerals of
Hylla Ontario // J. Geol. 1951. Vol. 59.
19. Ермаков Н.П. Метод растрескивания в геологической
термометрии // Минерал. сб. Львовского геол. о-ва. 1950. № 4.
20. Захарченко А.И., Лазаревич Н.С., Москалюк А.А. Упро-
щенный автоматический термозвукорегистратор // Тр. Всесоюз. науч.-иссл. ин-та синтеза минерал. сырья. М., 1958. Т. 11, вып. 2.
21. Костылева Е.Е., Лабунцов В.А. Изучение растрескива-
ния кварца и универсальный регистратор растрескивания // Там же. Т. 2, вып. 2.
22. Демин В.М., Куршев С.А., Родзянко Н.Г., Труфанов В.Н.
Универсальный декриптометр РУД-1 // оНтИ ВИЭМС. 1965. Вып. 71, № 1.
23. Долгов Ю.А. Развитие техники и условия применения
метода взрывания включений // Минералогическая термометрия и барометрия. М., 1965. С. 142-146.
24. А. с. 322655 (СССР). Устройство для определения тем-
пературы газовыделения / В.М. Демин, С.А. Куршев, Ю.Г. Майский и др. Б. И. 1969. № 4.
25. Труфанов В.Н., Грановский А.Г., Грановская Н.В., Про-
копов Н.С., Сианисян Э.С., Славгородский Н.И., Ушак А.Т. Прикладная термобарогеохимия. Ростов н/Д, 1992. 176 с.
26. Труфанов В.Н. и др. Научные основы генетической ин-
формативности природных систем «минерал-флюид» // Изв. СКНЦ ВШ. Естеств. науки. 1987. № 3. С. 107115.
27. Труфанов В.Н., Попов Ю.В., Цицуашвили Р.А., Труфанов А.В., Гончаров А.Б. Родингиты Даховского кристаллического массива (Северо-Западный Кавказ) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2011. № 5. С. 73-77.
24 сентября 2012 г.
