CC BY
17
УДК 622.36.002.8
УЛЬТРАОСНОВНЫЕ ПОРОДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СУЛЬФИДНЫХ Cu-Ni РУД И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ (СЕВЕРО-БАЙКАЛЬСКАЯ ПРОВИНЦИЯ)
1 2 © Л.И. Худякова , С.С. Тимофеева
байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Россия, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведено краткое описание рудоносных массивов ультраосновных пород. Рассмотрен минералогический состав дунитов и верлитов Йоко-Довыренского массива. Показана возможность их использования в качестве добавки при производстве строительной керамики. Установлено, что по своим физико-механическим показателям полученный кирпич удовлетворяет требованиям ГОСТ и может использоваться в строительстве.
Библиогр. 10 назв. Табл. 3.
Ключевые слова: отходы горнодобывающей промышленности; ультраосновные породы; керамический кирпич.
ULTRABASIC ROCKS OF SULPHIDE Cu-Ni ORES IN NORTH-BAIKAL AND THEIR PRACTICAL USE
L.I. Khudyakova, S.S. Timofeeva
Baikal Institute of Nature Management SB RAS, 8 Sakhyanova St., Ulan-Ude, 670047, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The fields containing ultrabasic rocks are briefly reviewed. The mineralogical composition of dunites and wehrlites from the Ioko-Dovyren massif was analyzed. The authors describe possibility to use them as additives in construction ceramics. It is recognized that physical and mechanical properties of produced bricks meet the requirements of the State Standard Specifications. Therefore the bricks can be utilized in construction.
10 references. 3 tables.
Key words: mining industry waste; ultra basic rocks; ceramic brick.
Основным направлением в освоении минерально-сырьевой базы Республики Бурятии, да и России в целом, является рациональное природопользование и внедрение наилучших существующих технологий. Согласно определению, приведенному в законе -Об охране окружающей среды", наилучшая существующая технология (НТС) - технология, основанная на последних достижениях науки и техники, направленная на снижение негативного воздействия на окружающую среду и имеющая установленный срок практического приме-
нения с учетом экономических и социальных факторов [9]. К основным критериям определения наилучших существующих (доступных) технологий относятся: соответствие новейшим отечественным и зарубежным разработкам; экономическая и техническая целесообразность внедрения; наименьший уровень воздействия на окружающую среду в расчете на единицу произведенной продукции (работы, услуги); наличие ресурсо- и энергосберегающих методов; использование малоотходных или безотходных процессов. В связи с этим,
Худякова Людмила Ивановна, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории химии и технологии природного сырья, тел.: 89516383724, e-mail: lkhud@binm.bscnet.ru
Khudyakova Lyudmila, Candidate of technical sciences, Researcher of the Laboratory of Chemistry and Technology of Natural Raw Materials, tel.: 89516383724, e-mail: lkhud@binm.bscnet.ru
2Тимофеева Светлана Семеновна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой пром-экологии и БЖД, тел.: 8(3952) 405671, e-mail: timofeeva@istu.edu
Timofeeva Svetlana, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: 8(3952) 405671, e-mail: timofeeva@istu.edu
крайне важное значение приобретают разработка и реализация новых экологически чистых технологий для рационального использования природных ресурсов, а именно глубокой переработки сырья и особенно - отходов производств. Естественно, что это актуально для предприятий минерально-сырьевого комплекса, так как добыча и переработка минерального сырья в отличие от других видов деятельности оказывает воздействие на все элементы биосферы - литосферу, гидросферу, атмосферу, включая естественную биоту, независимо от способа разработки месторождения.
В настоящее время объявлены торги на освоение Северо-Байкальской никеле-носной провинции, расположенной на территории Республики Бурятия в пределах складчатого обрамления Сибирской платформы. Здесь широко развиты базит-ультрабазитовые массивы, вмещающие многочисленные проявления платиноме-талльно-медно-никелевого оруденения.
В Северо-Байкальском поясе проявления сульфидной Си-№ минерализации зафиксированы почти во всех интрузивах габбро-пироксенит-дунитовой формации, образующих две параллельные зоны: юго-восточную - Чайскую и северозападную - Довыренскую. Наиболее значительные месторождения и проявления сульфидных Си-№ руд выявлены в Чай-ском и Йоко-Довыренском массивах.
Чайский габбро-перидотит-
дунитовый плутон линзовидной формы вытянут в северо-восточном направлении. Общая длина плутона достигает 18 км, а наибольшая ширина - 3,5 км. Дуни-ты в плутоне образуют линзовидный блок длиною 1600 м и шириной 400 м, который вытянут в восток-северовосточном направлении и залегает среди перидотитов. Вблизи главного тела дуни-тов располагается несколько крупных ксенолитов этих пород, включенных в перидотиты [5].
Йоко-Довыренский дунит-
троктолит-габбровый массив имеет размеры 3,5х26 км и находится на 56о36' северной широты и 110о восточной дол-
готы. С массивом связаны несколько типов сульфидного оруденения, среди которых промышленный интерес представляют Си-№ руды и платино-металльные малосульфидные руды -с-тиллуотерского типа". Вкрапленные и жильные Си-№ руды концентрируются в плагиолерцолитах краевой зоны и отходящих от них в породы подошвы силлоподобных апофизах того же состава. Платинометалльное ору-денение приурочено к стратифицированному петрографически неоднородному горизонту пород в зоне перехода от расслоенной троктолит-плагио-дунитовой серии к оливиновым габбро
[4, 6].
Ультраосновные горные породы в виде дунитов и верлитов находятся в центральной части массива в дунито-вой зоне. Дуниты характерны для нижней и средней частей дунитовой зоны. В верхней ее части широко распространены верлиты.
Дуниты на 80-97% состоят из идиоморфных кристаллов оливина размером до 3 мм в поперечнике и акцессорной хромшпинели двух генераций, эпизодически отмечается петельчатая серпентинизация. Для них не характерны гидроксил- и щелочесодер-жащие минералы [4].
Верлиты представляют собой две модификации. Эндоконтактовые вер-литы и жильные диопсидиты отличаются широкими вариациями структур и минерального состава. Клинопи-роксен образует наиболее крупные идиоморфные выделения, включающие изометричные резорбированные зерна оливина, изометричные кристаллы черной и зеленой шпинели [4]. Оливин и реже пироксен серпентини-зированы по трещинам. Характерны гнезда, прожилки вторичного кальцита. В крупнокристаллическом неодно-роднозернистом верлите зафиксированы гнезда кальцита и амезита, приуроченные к крупным выделениям сульфидов. Плагиоверлиты состоят из оливина (80-85%), плагиоклаза в ассоциа-
ции с клинопироксеном (5-10%) и алюмо-хромита (1-2%). Клинопироксен и плагиоклаз образуют ойкокристы (0,5-5 мм), включающие округлые зерна оливина, более мелкие, чем в основной массе
[4].
Общие запасы ультраосновных пород Йоко-Довыренского массива составляют миллиарды тонн. При разработке месторождения эти породы будут образовывать основную массу горных отвалов, которые займут огромные территории, нанося ущерб окружающей среде.
Проблема утилизации ультраосновных пород касается не только Байкальского региона, но и России в целом, так как подобные месторождения расположены по всей ее территории с запада на восток. Так, на Кольском полуострове находятся Мончегорский интрузив [6] и массив Падос-Тундра [3], в Мурманской области - Ковдорское месторождение магнезиально-силикатного сырья и Хаб-озерское месторождение оливинитов [3], на Урале - ряд массивов дунит-пиро-ксенит-габбровой формации платинонос-ного пояса [6, 7], в Алтае-Саянской области - Лысогорский массив [6], в пределах Алданского щита - массивы Инагли, Кондер, Чад, Сыбах и др. [6, 2, 8].
Следовательно, проблема поиска путей утилизации и практического использования ультраосновных пород, которые до сих пор практически не нашли применения, крайне актуальна.
На стадии выбора наилучшей экологически чистой технологии утилизации горных отвалов из ультраосновных пород нами исследованы возможности использования ультраосновных пород Йоко-Довыренского массива при производстве новых видов строительных материалов, в частности кирпича керамического.
Как известно, при строительстве зданий и сооружений широкое применение находят керамические изделия и материалы. Основным сырьем для их производства является глина. Многие регионы России испытывают дефицит высококачественных глин, что затрудняет производство керамических материалов высокого качества. Для устранения данного недостатка и придания керамическим изделиям определенных свойств, в глину вводят различные добавки.
Нами предложено при производстве керамического кирпича в качестве добавок использовать отходы горнодобывающей промышленности, а именно ультраосновные породы из горных отвалов.
Объекты и методы исследования. В качестве сырьевых материалов использовали глину карьера -Тимлюй-ский" и ультраосновные горные породы Йоко-Довыренского массива (ду-ниты, верлиты), химический состав которых приведен в табл. 1.
Дуниты и верлиты истирали в стержневом вибрационном измельчителе типа 75Т-ДрМ в течение 5 минут и использовали в качестве отощающей добавки.
При изучении физико-химических и структурных взаимодействий данных пород с глиной использованы химический и рентгенофазовый анализы. При этом определялись фазовый состав пород и процессы спекания керамических материалов [10].
Известно, что на физико-механические показатели керамических материалов влияют вид добавки, ее количество и температура обжига. Для изучения зависимости механичес-
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов, масс. %
Порода SlO2 АЬ03 MgO СаО Fe2Oз+FeO N20+^0 Ппп
Дунит 37,40 1,25 40,81 0,40 15,70 0,16 2,84
Верлит 39,70 1,80 43,83 0,81 11,12 0,19 1,29
Глина 61,80 16,15 0,88 5,58 6,84 3,00 4,60
кой прочности образцов, полученных пластическим способом формования, от количества вводимой добавки и температуры обжига готовили образцы-кубы с размером ребра 20 мм. После сушки обжигали в лабораторной электропечи с изотермической выдержкой 3 часа при различных температурах. Содержание вводимой в смесь с глиной минеральной добавки изменялось от 10 до 50%. Температурный режим менялся каждые 50оС в интервале от 950 до 1100оС. Испытания проводили по ГОСТ 473-81 -Изделия химически стойкие и термостойкие керамические".
Результаты исследований. Экспериментально установлено, что вид минеральной добавки, ее количество и температура обжига оказывают влияние на прочностные показатели керамических образцов. Как видно из табл. 2, наибольшую прочность имеют образцы всех составов, обожженные при температуре 1100оС. При температуре обжига 1050оС по прочности при сжатии удовлетворяют требованиям ГОСТ 530-2007 -Кирпич и камни керамические. Общие технические условия" все образцы с добавкой дунита и образцы с добавкой верлита в количестве до 40%. При температуре 1000оС -образцы с добавкой до 40% дунита и 30% верлита.
При 950оС имеют прочность при сжатии, удовлетворяющую требованиям ГОСТ для кирпича керамического (7,5 -30,0 МПа) только образцы с 10% добавки верлита и 10-20% добавки дунита. В целом, прочность при сжатии для образцов
Прочность при сжа!
с добавкой дунита выше, чем с добавкой верлита. При температуре обжига 950оС и 1000оС образцы керамики с добавкой до 40% ультраосновной породы имеют прочность при сжатии выше прочности контрольного образца. При температуре 1050оС этот показатель снижается до 20% добавки породы, и при 1100оС контрольный образец имеет наивысшую прочность при сжатии, что объясняется подплавлени-ем глины.
Рентгенофазовый анализ обожженных образцов керамики с добавкой дунита и верлита показал, что при обжиге шихты происходит разрушение кристаллической решетки исходных соединений с образованием минералов группы кварца, а также корунда и гематита. Кристаллические новообразования позволяют сформировать новую структуру керамического черепка, определяющую физико-механические свойства полученных материалов.
Для определения области применения проведены исследования керамических материалов, полученных пластическим способом формования.
Результаты физико-механических испытаний образцов керамики на основе отходов горнодобывающей промышленности, выполненных по ГОСТ 7025-91 -Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости", представлены в табл. 3.
Таблица 2
образцов керамики
Количество добавки, масс. % Дунит Верлит
Предел прочности при сжатии, МПа при температуре, оС
950 1000 1050 1100 950 1000 1050 1100
0 4,9 7,2 17,1 65,1 4,9 7,2 17,1 65,1
10 10,8 15,4 28,4 59,5 8,1 11,2 24,0 58,0
20 8,3 13,5 23,4 50,6 6,8 9,3 19,4 47,7
30 7,0 9,8 15,7 40,8 5,8 8,5 14,6 37,0
40 6,2 7,5 14,0 31,4 5,3 7,0 12,0 30,2
50 4,8 6,1 8,6 21,0 4,2 5,9 6,7 20,5
В результате проведенных исследований выявлено, что с увеличением количества добавки ультраосновных пород уменьшается огневая усадка образцов и их водопоглощение за счет замены части глины дунитом или верли-том, содержащими безводные силикаты магния и железа. С увеличением температуры обжига огневая усадка всех образцов увеличивается и также зависит от вида добавки и ее количества. Наибольшее увеличение огневой усадки наблюдается в образцах при меньшем количестве добавки в интервале темпе-
ратур от 1000 до 100оС, что обусловлено полным разрушением кристаллической решетки минералов глины и превращением их в аморфные вещества (глинозем, кремнезем).
В целом, образцы керамики с добавкой отходов горнодобывающей промышленности в виде дунитов, верлитов, полученные пластическим способом формования, имеют показатели прочности и водопоглощения, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 530-95 -Кирпич и камни керамические. Технические ус-
Таблица 3
Физико-механические показатели образцов керамики с добавкой ультраосновных пород
Количество добавки, масс. % Температура обжига, оС Средняя плотность, г/см2 Огневая усадка, % Водопоглощение, %
Дунит Верлит Дунит Верлит Дунит Верлит
0 950 1,78 1,78 5,5 5,5 13,6 13,6
1000 1,80 1,80 5,9 5,9 12,4 12,4
1050 1,94 1,94 12,8 12,8 11,3 11,3
1100 2,25 2,25 15,7 15,7 10,9 10,9
10 950 1,69 1,73 3,3 3,4 12,0 12,5
1000 1,81 1,79 3,9 4,3 11,3 12,1
1050 1,84 1,91 10,1 11,6 10,7 11,8
1100 2,21 2,05 12,1 13,1 10,1 10,6
20 950 1,76 1,75 3,0 3,2 11,3 11,9
1000 1,83 1,85 3,7 4,0 10,9 11,7
1050 1,93 1,94 7,5 8,7 9,8 10,8
1100 2,26 2,10 9,5 10,9 9,4 10,0
30 950 1,83 1,80 2,5 2,8 10,8 11,3
1000 1,84 1,87 3,5 3,6 10,2 10,2
1050 1,94 1,95 5,2 6,3 9,9 9,8
1100 2,23 2,17 7,6 9,2 9,5 9,3
40 950 1,92 1,94 2,2 2,5 9,8 9,9
1000 1,95 1,96 3,1 3,2 9,3 9,5
1050 1,96 1,97 4,0 4,8 9,0 9,0
1100 2,12 2,18 6,8 7,8 8,7 8,7
50 950 1,96 1,98 1,8 1,9 9,5 10,2
1000 1,99 2,02 2,4 2,5 9,0 9,5
1050 2,01 2,98 3,5 3,9 8,8 8,9
1100 2,22 2,20 5,2 6,2 8,4 8,5
ловия": прочность 7,5-30 МПа, водопо-глощение не менее 8%; ГОСТ 7484-78 -Кирпич и камни керамические лицевые. Технические условия": прочность 7,5-30 МПа, водопоглощение 6-14% - и могут применяться для кладки и облицовки наружных и внутренних стен зданий и сооружений.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что отходы горнодобывающей промышленности в виде ультраосновных пород можно использовать в качестве отощаю-щей добавки при производстве кирпича керамического. Это позволит сократить количество отвалов и создать эколого-безопасное малоотходное производство при разработке месторождений полезных ископаемых.
Работа выполняется по программе ОХНМ РАН № 5.5.2 «Получение новых видов материалов с высокими эксплуатационными характеристиками из отходов горнодобывающей промышленности».
Библиографический список
1. Андреев Г.В. Кондерский массив ультраосновных и щелочных пород. Новосибирск: Наука, 1987. 80 с.
2. Богомолов М.А., Кицуя В.И. Чадский ультраосновной щелочной массив на восточной окраине Алданского щита // Петрография метаморфических и изверженных пород Алданского щита. М.: Наука, 1964. С. 156-165.
3. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Мурманской области в 2003 году // Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Мурманской области. Мурманск, 2004.
4. Кислов Е.В. Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1998. 268 с.
5. Леснов Ф.П. Геология и петрология Чайского габбро-перидотит-дунитового никеленосного плутона (Северное Прибайкалье). Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1972. 228 с.
6. Магматические горные породы. М.: Наука, 1988. Т. 5. 512 с.
7. Овчинников Л.Н. Полезные ископаемые и металлогения Урала. М.: ЗАО —еоинформмарк", 1998. С. 7-91.
8. Некрасов Н.Я., Ленников А.М., Октябрьский Р.А. Петрология и пла-тиноносность кольцевых щелочно-ультраосновных комплексов. М.: Наука, 1994. 384 с.
9. Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ (ред. От 25.06.2012) -Об охране окружающей среды".
10. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.Ю. Керамические материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности // Экология и промышленность России. 2012. № 3. С. 26-27.
References
1. Andreev G.V. The Conder massif of ultrabasic and alkaline rocks. [Kon-derskiy massiv ultraosnovnyh i sche-lochnyh porod]. Novosibirsk: Nauka, 1987, 80 p.
2. Bogomolov М.А., Kitsuya V.I. Chadskiy ultrabasic alkaline massif on the neastern margin of the Aldan schield. [Chadskiy ultraosnovnoi shelochnoy massiv na vostochnoy orkaine Al-danskogo schita]. Moscow: Nauka, 1964, pp. 156-165.
3. Report on the state and protection of environment in Murmansk Region in 2003. [Doklad o sostojanii i ohrane okruzhajuschei sredy Murmanskoy Ob-lasti v 2003]. Murmansk, 2004.
4. Kislov E. V. Ioko-Dovyren layered massif. [Ioko-Dovyrenskiy rassloen-niy massiv].Ulan-Ude: Publ. H. BSC SB RAS, 1998, 268 p.
5. Lesnov F.P. Geology and petrology of the Chaisky gabbro-peridotite-dunite Ni-bearing pluton in North Baikal region. [Geologia I petrologia Chaiskogo gabbro-peridotit-dunitovogo nikelenos-nogo plutona (Severnoe Pribaikalje)].
Nobosibirsk: Nauka, SB RAS, 1972, 228 p.
6. Magmatic rocks. [Magmaticheskie porody]. Moscow: Nauka, 1988, V. 5, 512 p.
7. Ovchinnikov L.N. Mineral resources and metallogeny of the Urals. [Poleznye iskpaemye I metallogenia Urala]. Moscow: ZAO -GeoInformMark", 1998, pp. 7-91.
8. Petrology and Pt potential of circular alkaline-ultabasic complexes. [Petrologia I platinonosnostj koljtsevyh schelochno-ultraosnovnyh kompleksov]. Nekrasov N.Ya., et al. (Eds.). Moscow: Nauka, 1994, 384 p.
9. Federal Law -Environment protection". [Federaljniy Zakon -Ohrana okruzhajuschei sredy"].
10. Khudjakova L.I., Voiloshnikov O.V., Kotova I.Yu. Ceramic materials production based on mining waste. [Ke-ramicheskie materialy na osnove othodov gornodobyvajuschei promyshlennosti]. Zhurnal Ekologia i Promyshlennostj Rosii - J. Ecology and Industry of Russia. 2012, no. 3. pp. 26-27.
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета М.Е. Тонких
