CC BY
310
УДК 553.311'549.731.13/.753.1/.514.91
ТРЕХМЕРНОЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ КОВДОРСКОГО КОМПЛЕКСНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ МАГНЕТИТА, АПАТИТА И БАДДЕЛЕИТА Г.Ю Иванюк1,2, А.О. Калашников1, В.А. Сохарев3, Я.А. Пахомовский1,2, А.В. Базай1,2, Ю.А. Михайлова1,2, Н.Г. Коноплёва2, В.Н. Яковенчук1,2, П.М. Г оряинов1
ХГИ КНЦ РАН; 2ЦНМ КНЦ РАН, 3ОАО «Ковдорский ГОК»
Аннотация
Представлена трехмерная минералогическая модель Ковдорского комплексного месторождения магнетита, апатита и бадделеита, являющего собой концентрически-зональную фоскорит-карбонатитовую трубку, приуроченную к восточному контакту щелочных и ультраосновных пород Ковдорского массива. Показано, что петрографическая зональность фоскорит-карбонатитовой трубки отражена в составе и свойствах всех добываемых минералов. Выявлена вертикальная зональность рудного тела, которая должна учитываться при долговременном планировании его разработки, а также при оптимизации процессов добычи и обогащения комплексных руд.
Ключевые слова:
Ковдорский массив, фоскорит-карбонатитовый комплекс, Комплексное месторождение, магнетит, апатит, бадделеит, трехмерная модель.
Введение
Промышленное освоение Ковдорского месторождения магнетита, апатита и бадделеита -один из самых удачных в мировой практике примеров комплексного использования многокомпонентной руды. Изучению геологии, петрографии и минералогии Ковдорского фоскорит-карбонатитового комплекса посвящено большое число работ, основными из которых являются монографии А.А.Кухаренко и др. «Каледонский комплекс ультраосновных, щелочных пород и карбонатитов Кольского п-ова и Северной Карелии» [1], О.М. Римской-Корсаковой и
Н.И. Красновой «Геология месторождений Ковдорского массива» [2], а также два производственных отчета: Б.И. Сулимов и др. «Отчет о геологоразведочных работах,
выполненных на Ковдорском месторождении железных руд в 1963-1971 гг., с подсчетом запасов по состоянию на 1 февраля 1971 г.» [3]; Е.М. Эпштейн и др. «Закономерности размещения, минералого-геохимические особенности и оценка железо-фосфоро-редкометальных руд Ковдорского месторождения» [4]. Однако приведенные в них данные в значительной степени устарели, прежде всего, ввиду появления локальных методов изучения вещества, без которых немыслима ни современная петрология, ни минералогия.
Вызовы современной экономики требуют радикального усовершенствования технологии извлечения минералов и обеспечения постояннного состава товарных концентратов. Без знания тонких свойств рудообразующих минералов, без понимания особенностей их взаимного комбинирования и положения в объеме рудного тела добиться решения этих задач невозможно. В качестве материала для исследования послужили 550 образцов керна, отобранных погоризонтно (-80, -110, -140, -170, -230, -290, -410, -530 и -650 м) из скважин, пробуренных ОАО «Мурманская ГРЭ» в рамках проекта по доразведке Ковдорского комплексного месторождения магнетита, апатита и бадделеита (рис. 1).
Изготовленные из этих образцов комбинированные шлифы были изученыпри помощи электронного микроскопа LEO-1450 с энергодисперсионным микроанализатором Rбntek и волнодисперсионного микроанализатора MS-46 «Сатеса» в ГИ КНЦ РАН. Результаты изучения химического состава минералов и их гранулометрии анализировались при помощи стандартных (гео)статистических программ. Построение блоковой модели минерально-химической зональности рудного тела произведено при помощи программы «Геомикс» с параметрами интерполяции, определенными для каждой переменной по соответствующим всенаправленным вариограммам [5].
Рис. 1. Схема опробования фоскорит-карбонатитовой трубки
Петрография фоскорит-карбонатитового комплекса
Трехмерная петрографическая модель фоскорит-карбонатитового комплекса, построенная по данным инструментального минералогического изучения комбинированных шлифов, выявляет его концентрическую зональность, особенно ярко проявленную на верхних горизонтах (рис. 2).
Осевая зона фоскорит-карбонатитовой трубки находится в ее крайней южной части и прослеживается на всю доступную изучению глубину (по крайней мере, до -800 м). Она сложена наиболее молодыми карбонатсодержащими разновидностями фоскоритов и рудных карбонатитов (при содержании карбонатов более 50 об. %), связанных друг с другом непрерывными переходами, - а также более поздними жильными кальцитовыми карбонатитами. В северной части рудного тела
находится еще одно воронковидное тело кальцит-апатит-магнетитовых пород, сопоставимое по диаметру с южным, но полностью выклинивающееся уже к глубине -320 м. Практически весь остальной объем рудного тела представлен апатит-форстерит-магнетитовыми породами - наиболее распространенной разновидностью ковдорских фоскоритов, - а апатит-магнетитовые породы играют второстепенную роль.
На контакте фоскорит-карбонатитовой трубки с вмещающими фоидолитами и диопсидитами локализованы наиболее ранние разновидности фоскоритов: апатит-форстеритовые и форстеритовые. Восточнее рудного тела на границе диопсидитов и оливинитов расположено тело магнетит-доломит-серпентиновых пород, и сюда же протягивается из центральной части рудного тела зона развития доломитовых карбонатитов.
Рис. 2. Горизонтальное и вертикальное сечения Ковдорской фоскорит-карбонатитовой трубки
по данным 30-картирования
Смена минеральных парагенезисов при формировании фоскорит-карбонатитового комплекса может быть наглядно представлена в виде простой схемы (рис. 3), определяющей следующую последовательность пород: форстерититы - апатит-форстеритовые фоскориты - магнетит-(апатит-форстеритовые) фоскориты - кальцит-(магнетит-апатит)-магнетитовые фоскориты - кальцит-(магнетит-апатит)-форстеритовые фоскориты - кальцит-(форстерит)-магнетитовые породы - рудные карбонатиты (содержание карбонатов более 50 об. %) - жильные кальцитовые карбонатиты, доломитовые карбонатиты и магнетит-доломит-флогопит-серпентиновые породы. Ею мы и будем руководствоваться при характеристике минералов.
Магнетит
Магнетит - акцессорный минерал фоидолитов, диопсидитов, флогопититов и доломитовых карбонатитов; акцессорный или второстепенный породообразующий минерал форстерититов, апатит-форстеритовых пород и кальцитовых карбонатитов; главный породообразующий минерал всех прочих разновидностей фоскоритов. Морфология, анатомия, размер и состав зерен магнетита, состав
продуктов распада его твердых растворов со шпинелью и ульвошпинелью, в целом, подчиняются концентрической зональности карбонатит-фоскоритовой трубки.
Во всех типах фоскоритов магнетит присутствует в виде зерен неправильной формы и метакристаллов с многочисленными пойкилитовыми включениями окружающих минералов, - прежде всего апатита, форстерита и бадделеита. Включения могут занимать до 60% объема зерна магнетита и располагаться либо по периферии, что особенно характерно для включений бадделеита, либо равномерно во всем объеме метакристалла. Часто в крупных выделениях магнетита присутствуют небольшие участки окружающей породы, захваченные в процессе роста метакристалла. Кроме того, выделения магнетита содержат множество трещин - открытых либо залеченных более поздними минералами, такими как кальцит, доломит и флогопит. Правильно образованные кристаллы для магнетита не характерны, хотя у некоторых зерен на контакте с кальцитом или доломитом может наблюдаться 1-4 грани с неровной, извилистой, ступенчатой поверхностью.
100
Ф АФ МФ+ КМФ+ КМ+ К
МА+ КАФ+ КА+
МАФ КМАФ КМА
Последовательность образования
Рис. 3. Средний модальный состав фоскоритов и рудных карбонатитов в естественной последовательности их образования
Метакристаллы магнетита практически всегда содержат мельчайшие включения ильменита-гейкилита и шпинели, сформировавшиеся при высокотемпературном - порядка 600 °С экссолюционном распаде магнетита с высоким содержанием Ti и Al соответственно. Ильменит и гейкилит формируют решетчатые структуры распада, состоящие из тонких пластинок, ориентированных параллельно (111) магнетита. При распаде высокоглиноземистого магнетита по схеме 4(Fe2+0.75Mg0.25)(Fe3+i.50Al0.50)O4 ^ 3Fe2+Fe3+2O4 + MgAl2O4 образуются округлые зерна, октаэдрические кристаллы, а также иглообразные и веретенообразные выделения шпинели, ориентированные параллельно октаэдрическим граням магнетита. Характерным спутником экссолюционной шпинели является бадделеит, также образующийся при распаде высокотемпературного магнетита вследствие его самоочищения от Zr. На заключительных этапах распада магнетита в карбонатсодержащих фоскоритах место экссолюционной шпинели занимает квинтинит, формирующийся по аналогичной со шпинелью схеме при температурах порядка 300-200 °С: 8 (Mg0.5Fe2+0.5) (Fe3+175Al0.25) O4 + H2CO3 + 8H2O ^ 6Fe3O4 + Mg4Al2(CO3)(OH)123H2O + У2 O2, - либо замещающий зерна ранее сформировавшейся шпинели: 4MgAl2O4+ H2CO3 + 8H2O ^ Mg4Al2(CO3)(OH)12 + 3Al2O3.
Наряду с вышеописанными метакристаллами магнетита, в фоскоритах присутствуют его мелкие однородные зерна, которые чаще всего окружают метакристаллы или располагаются рядом с ними. Форма мелких зерен обычно неправильная или округлая, хотя встречаются и
хорошо образованные кристаллы октаэдрического габитуса. Широко распространен вторичный дисперсный магнетит, образующийся при серпентинизации форстерита по схеме: MgFeSiO4 + И20 + ^02 —— ^MgзSi205(0H)4 + Рез04 + Si02. С учетом того, что во вмещающих фоидолитах, диопсидитах и флогопититах, равно как в более поздних карбонатитах магнетит содержит преимущественно включения ильменита-гейкилита, а не шпинели, распределение магнетита с этими видами включений в пределах рудного тела изменяется в противофазе (рис. 4 и 5).
Среднее содержание FeOобщ в магнетите из различных пород Ковдорского комплексного месторождения варьирует в сравнительно узких пределах: от 87 до 91 мас. % при теоретическом содержании 93.09 мас. %. Разница компенсируется примесями М§, Ті, Мп, А1, Са, V, Сг, Si, Zn, N и Sc, замещающими Бе по различным схемам изо- и гетеровалентного изоморфизма.
Рис. 4. Встречаемость магнетита с экссолюционными включениями шпинели
Наиболее магнезиальный магнетит (до 9 мас. % MgO при среднем 4±2 мас. %) характерен для форстеритсодержащих пород, наименее - для фоидолитов, диопсидитов и флогопититов. Микропримеси TiO2 (в среднем 1.3±0.2 мас. %) и MnO (в среднем 0.5±0.3 мас. %) обычны для акцессорного магнетита из диопсидитов и форстерититов, где их суммарное содержание достигает 3-4 мас. %. Для породообразующего магнетита из рудных фоскоритов типична микропримесь Al203, достигающая 4 мас. % при среднем 0.5±0.5 мас. %.
Рис. 5. Встречаемость магнетита с экссолюционными включениями ильменита-гейкилита
В естественной последовательности формирования пород от вмещающих фоидолитов и диопсидитов через разнообразные фоскориты к доломитсодержащим рудам и карбонатитам магнетит последовательно обогащается Са, Mg и V за счет Ті, Мп и Si. На этом фоне имеется локальный максимум содержания А1 и Mg в магнетите, связанный с фоскоритами. Указанная последовательность полностью совпадает с зональностью в распределении магнетита разного состава в пределах фоскорит-карбонатитовой трубки (рис. 6-8): при сравнительно постоянном содержании FeOобщ в составе минерала, Mg-A1 магнетит получил распространение в карбонатсодержащих фоскоритах, марганцовисто-титанистый - в диопсидитах и форстерититах, титанистый - в карбонатитах.
V -700
X-205ft
г
1
* v %
\\
Содержание А1;0; p шатетьте (мяс %}
I I co.joo
і І и.гшлосмОО
I I o,+bo aoa.603 І о.ййй дпо.еое f І CMC jpl-MO a LOCO ДО J 500 ■ L .900 де 2. me
В ЇМ*1™*™
2,SOt ло-3 НЮ 3.000 да 3,500
■ здо#в4#п
V* <1,ОН)
Рис. 7. Изменение содержания Al2O3 в магнетите
Апатит
Гидроксилапатит - главный породообразующий минерал большинства фоскоритов, второстепенный породообразующий или акцессорный минерал фоидолитов, пироксенитов, флогопитовых слюдитов, форстерититов, карбонатитов и магнетит-доломит-флогопит-серпентиновых пород. Он всегда ксеноморфен по отношению к форстериту, в интерстициях которого образует выделения неправильной, угловатой формы. По сравнению с сосуществующими магнетитом и кальцитом апатит фоскоритов, наоборот, отличается идиоморфизмом. В породе апатит распределен неравномерно, нередко образует небольшие мономинеральные сегрегации, шлиры. Для его зерен характерны полигональная форма и приблизительно одинаковый размер 0.1-0.4 мм.
Результаты микрозондового анализа апатита показывают постоянство его состава и сравнительно низкое содержание примесных элементов. Апатит с наиболее высоким содержанием СаО и Р205 характерен для апатит-форстеритовых и кальцит-апатит-форстерит-магнетитовых пород, тогда как во вмещающих фоидолитах и диопсидитах, а также в магнетит-доломит-флогопит-серпентиновых породах он незначительно обогащен 81 и Ьп (рис. 9), замещающих основные элементы по «бритолитовой» схеме Са2+ + Р5+ ^ Ьп3+ + 814+.
Рис. 9. Изменение содержания Ьп203 в апатите
Бадделеит
Бадделеит - акцессорный минерал большинства пород Ковдорского щелочно-ультраосновного комплекса, рудные концентрации которого связаны с фоскоритами. В форстерититах и апатито-форстеритовых породах для него наиболее характерны выделения неправильной формы, а также пластинчатые кристаллы и крестообразные двойники. Бадделеит здесь включений не содержит, а сам образует включения в форстерите и апатите. В апатит-форстерит-магнетитовых породах бадделеит представленметакристаллами, насыщенными мелкими включениями апатита и, реже, форстерита. Для
карбонатсодержащих фоскоритов и рудных карбонатитов характерны зерна неправильной формы, уплощенно-призматические кристаллы и их крестообразные двойники, а также метакристаллы с включениями апатита, пирохлора и цирконолита. Во всех этих породах по бадделеиту интенсивно развиваются пирохлор и цирконолит, иногда полностью его замещающие, причем интенсивность этого процесса заметно увеличивается с глубиной.
Концентрическая зональность фоскорит-карбонатитового комплекса нашла свое очередное отражение в последовательном увеличении размера выделений бадделеита от вмещающих пород и бескарбонатных фоскоритов краевой зоны к карбонатсодержащим фоскоритам и рудным карбонатитам осевой части рудного тела (рис. 10).
Состав бадделеита в пределах рудного тела изменяется в соответствии с общей зональностью фоскорит-карбонатитового комплекса (рис. 11). Повышенные концентрации микропримесей в бадделеите из краевой (Fe, Si, Mg) и осевой (Sc, Nb, Ta, Ti, Ca) зон карбонатит-фоскоритовой трубки обусловили соответствующую зональность по содержанию ZrO2 в этом минерале, близкую,в частности, к распределению Mg и Al в магнетите.
Полученные данные позволяют связать состав и размер зерен рассмотренных выше минералов с результатами рудничного опробования пород. Многомерный регрессионный анализ размера зерен и состава промышленно-ценных минералов, а также результатов рядового опробования руд на Feoбщ., Ремаш., Р205, С02, 2г02 и §общ. подтвердил возможность прогнозирования минералогических характеристик по составу пород, - но с достаточно низкой точностью (с коэффициентом корреляции
порядка 0.1—0.5). Использование для прогнозирования состава обобщенных проб (переменные рядового опробования плюс содержание Ті02, MgO, СаО, 8і02, К20, №20, А1203 в породе и Feобщ., Ті02, Mg0, Zn0, 8общ и P205 в магнитной фракции) увеличивает достоверность прогноза в 1.5-2 раза, в результате чего коэффициент корреляции между составом блоков в моделях, построенных по результатам минералогических исследований и прогноза, достигает 0.4-0.8 (ср. рис. 6 и 12).
Рис. 12. Содержание MgO в магнетите, спрогнозированное посредством многомерного регрессионного анализа составаобобщенных проб
Таким образом созданную трехмерную модель можно использовать как для понимания общих трендов изменения того или иного параметра в пространстве, так и для прогноза минералогических и гранулометрических характеристик руды в конкретных эксплуатационных блоках. Как было показано, такой прогноз может быть сделан двумя независимыми способами. Первый способ базируется на
56
геостатистическом исследовании каждой технологически важной переменной (посредством вариографии выявляется корреляционная структура изменчивости переменной в объеме месторождения и на этой основе проводится предсказание значений между точками опробования методом кригинга).
Второй способ заключается в нахождении корреляционной связи между данными рядового и/или группового опробования, полученными в процессе предварительной и эксплуатационной разведки, и технологически важными переменными, такими как содержание Mg в магнетите или Sc в бадделеите.
По результатам трехмерного минералогического картирования и сопоставления его с требованиями технологии обогащения и запасами создается блочная модель, в которой отражается способ переработки каждого блока - направление его на ту или иную обогатительную линию, на тот или иной шихтовочный склад, на перспективный рудный склад или же в отвал. Фактически, это блочная модель «геометаллургических единиц» - групп руд и пород, набор структурно-вещественных свойств которых позволяет предсказывать их поведение при обогащении (или металлургической переработке) и, в итоге, производимые из них конечные продукты [5].
Работа поддержана грант 12-05-98802-р_север_а.
Президиумом РАН (проект 1.2.4 программы № 27), правительством Мурманской области. Исследования финансировались ОАО «Ковдорский ГОК» в рамках работ по доразведке Ковдорского месторождения магнетитовых и апатитовых руд в 2007-2011 гг..
ЛИТЕРАТУРА
1.Каледонский комплекс ультраосновных, щелочных пород и карбонатитов Кольского п-ова и Северной Карелии / А.А. Кухаренко [и др.] // Геология месторождений Ковдорского массива. СПб.: Изд. СПбГУ, 2002. 146 с. 2. Римская-Корсакова О.М., Краснова Н.И. Геология месторождений Ковдорского массива / О.М. Римская-Корсакова, Н.И. Краснова. СПб.: Изд. СПбГУ, 2002. 146 с. З.Сулимов Б.И. Отчет о геологоразведочных работах, выполненных на Ковдорском месторождении железных руд в 1963-1971 гг., с подсчетом запасов по состоянию на 1 февраля 1971 г. (Мурманская область). Том I: Комплексные железные руды / Б.И. Сулимов, Б.В. Афанасьев, С.С. Осипов. Ковдор, 1971. 417 с. 4. Закономерности размещения, минералого-геохимические особенности и оценка железо-фосфоро-редкометальных руд Ковдорского месторождения. Отчет о НИР. Том 1 / Е.М. Эпштейн [и др.]. Москва, 1970. 217 с. б.Трехмерное минералогическое картирование Ковдорского карбонатит-фоскоритового комплекса / А.О. Калашников [и др.]// Геология и стратегические полезные ископаемые Кольского региона. Труды IX Всероссийской (с международным участием) Ферсмановской научной сессии, посвященной 60-летию Геологического института КНЦ РАН. Апатиты, 2-3 апреля 2012 г. / Ред. Ю.Л. Войтеховский. Апатиты: Изд-во K&M, 2012. C. 332-334.
Сведения об авторах
Иванюк Григорий Юрьевич - д.г.-м.н., зав. лаб. ГИ КНЦ РАН, старший научный сотрудник ЦНМ КНЦ РАН; e-mail:ivanyuk@geoksc.apatity.ru
Калашников Андрей Олегович - к.г.-м.н., научный сотрудник ГИ КНЦ РАН; e-mail: kalashikov@geoksc.apatity.ru
Сохарев Виктор - главный геолог ОАО «Ковдорский ГОК»; e-mail:victor.sokharev@eurochem.ru Пахомовский Яков Алексеевич - к.г.-м.н., зав. лаб. ГИ КНЦ РАН, научный сотрудник ЦНМ КНЦ РАН; e-mail: pakhom@geoksc.apatity.ru
Базай Айя Валерьевна - к.г.-м.н., научный сотрудник ГИ КНЦ РАН, младший научный сотрудник ЦНМ КНЦ РАН; e-mail: a.bazai@mail.ru
Михайлова Юлия Александровна - к.г.-м.н., научный сотрудник ГИ КНЦ РАН, младший научный сотрудник ЦНМ КНЦ РАН; e-mail:ylya_korchak@mail.ru
Коноплёва Наталья Геннадьевна - к.г.-м.н., младший научный сотрудник ЦНМ КНЦ РАН; e-mail: konoplyova55@mail.ru
Яковенчук Виктор Нестерович - к.г.-м.н., старший научный сотрудник ГИ КНЦ РАН, научный сотрудник ЦНМ КНЦ РАН; e-mail:yakovenchuk@geoksc.apatity.ru Горяинов Павел Михайлович - д.г.-м.н., главный научный сотрудник ГИ КНЦ РАН; e-mail: pgor@geoksc.apatity.ru
