Щелочные ультраосновные магматиты Зимнего Берега: их потенциальная алмазоносность и перспективы промышленного освоения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.11, кандидат геолого-минералогических наук Гаранин, Константин Викторович

• Гаранин, Константин Викторович
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Гаранин, Константин Викторович

Введение

Глава 1. Геологическая характеристика щелочных ультраосновных пород Зимнего берега и приуроченных к ним алмазных месторождений

1.1. Геолого-струкгурная и тектоническая позиция

1.2. Морфология тел

1.3. Состав и типизация пород

1.4. Возраст тел щелочного ультраосновного магматизма

1.5. Актуальные проблемы исследований щелочных ультраосновных магматитов Беломорья

Глава 2. Минералого-петрографические, петрохимические и геохимические особенности кимберлитов и родственных им пород изученных объектов Зимнего Берега

2.1. Внутреннее строение тел

2.2. Петрография и минеральный состав

2.3. Петрохимические характеристики

2.4. Изотопно-геохимические особенности

2.5. Особенности газовой составляющей: генетические и прикладные аспекты

2.6. Минералогия алмаза и его важнейших минералов-Спутников

2.7. Ксенолиты мантийных пород и проблема строения верхней мантии

Глава 3. Петрофизические свойства пород, слагающих тела щелочного ультраосновного магматизма на территории Зимнего Берега

3.1 Оксиды связующей массы и петромагнитные свойства пород

3.2 Общая характеристика петрофизических свойств пород

Глава 4. Особенности вторичной минерализации щелочных ультраосновных пород Зимнего Берега: методика изучения и перспективы использования

4.1. Комплексная методика исследования особенностей вторичной минерализации диатрем щелочных ультраосновных пород

4.2. Генетические и прикладные аспекты изучения вторичной минерализации объектов щелочного ультраосновного магматизма

4.3. Сапонит из месторождения алмазов им.

М.В. Ломоносова

4.4. Щелочные ультраосновные породы Зимнего Берега и перспективы их промышленного освоения

Глава 5. Использование технологии электроимпульсной дезинтеграции при геологоразведочных и поисково-оценочных работах на территории Архангельской алмазоносной провинции

5.1. Электроимпульсная дезинтеграция щелочных ультраосновных пород

5.2. Изучение продуктов дезинтеграции щелочных ультраосновных пород

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Щелочные ультраосновные магматиты Зимнего Берега: их потенциальная алмазоносность и перспективы промышленного освоения»

Актуальность исследований. За время проведения поисково-разведочных работ на алмазы за последние 25 лет в районе Зимнего Берега Архангельской алмазоносной провинции (ААП) получен уникальный каменный материал и новые геологические данные, необходимые для выполнения научных и практических исследований, связанных с поиском новых и разведкой уже известных месторождений алмаза. Результаты ранее проведенных исследований обобщены в работах С.М. Саблукова (1995), O.A. Богатикова и др. (1999), В.В. Кроткова и др. (2000), В.В. Вержака (2001) и Е.М. Веричева (2002). Все это позволяет заключить, что кимберлитовый магматизм в ААП развивался в единой системе проявления щелочного ультраосновного магматизма от Тимана до Кандалакши в близкий временной отрезок времени (340-370 млн. лет) и в сходных геолого-текгонических условиях. Совсем недавно появилась новая информация о более древнем возрасте пород силлов р. Мелы - около 393±8 млн. лет (Кононова, Первов, 2003). На сегодня в ААП промышленно алмазоносные объекты представлены месторождениями им. В. Гриба (Верхотинское поле) и им. М.В. Ломоносова (Золотицкое поле, см. рис. 1). Породы этих двух месторождений сложены кимберлитами минеральных типов -1 и II соответственно (Гаранин и др., 2001). Родственные кимберлитам породы представлены, главным образом, оливиновыми мелилититами. Сочетание кимберлитов и оливиновых мелилититов - типоморфный признак ААП, определяющий специфику поисковых работ на алмазы на ее территории.

Эта информация и накопленный огромный геологический (в широком смысле этого слова) банк данных в значительной степени и определили направления исследований в рамках настоящей диссертационной работы.

Изучение морфологии тел, петрохимических, петрографических, минералогических, геохимических особенностей и петрофизических свойств щелочно-ультраосновных пород Зимнего Берега позволяет по-новому взглянуть на историю зарождения и эволюции магматитов, выделить наиболее эффективные критерии поисков алмазоносных объектов на территории ААП, повысить экономическую эффективность освоения месторождений алмаза в связи с особенностями вторичной минерализации объектов и выявить новые потенциальные типы месторождений, связанных с щелочными ультраосновными магматитами, на территории ААП.

Необходимо также особо подчеркнуть, что с 2003 г. начаты вскрышные работы на трубке Архангельская, и с этого момента началось освоение месторождения им. М.В. Ломоносова. Это определяет актуальность разработки новых экологически безопасных технологий утилизации отходов алмазодобывающей промышленности, что чрезвычайно важно для этого горнорудного района с крайне сложными инженерно-геологическими условиями и расположением в пределах природоохранной зоны.

Цель и задачи работы. Цель исследований - на основе изучения геологического строения Зимнего Берега и выделенных автором наиболее типичных (эталонных) объектов проявления щелочно-ультраосновного магматизма на территории ААП, их морфологии, состава слагающих их пород, алмаза и его минералов-спутников, ксенолитов мантийных пород, петрофизических свойств пород и особенностей вторичной минерализации объектов, состава отходов обогащения кимберлитов и потенциальной алмазодобывающей промышленности предложить обобщенную модель образования магматических объектов на территории ААП, выделить новый генетический тип месторождений высокомагнезиальных глин, приуроченный к щелочным ультраосновным магматитам, а также разработать новые элементы технологии поисков и освоения месторождений алмаза.

Для достижения намеченной цели потребовалось комплексное решение взаимосвязанных не только геологических, петрологических, минералогических, геохимических задач, но и внедрение комплексных и оригинальных методов изучения вещества, извлечения полезного компонента. Основные задачи следующие:

1. Анализ геолого-тектонического строения района Зимнего Берега, строения тел кимберлитовых и родственных им пород, представляющих все известные на сегодняшний день разновидности щелочных ультраосновных магматитов на территории Зимнего Берега, и уточнения условий формирования этих тел.

2. Выделение характерных особенностей исследуемых тел на основе изучения условий их формирования, морфологии, минерального состава, петрографии и химического состава пород, а также их петрофизических свойств. 5

3. Изучение петрохимических особенностей пород с целью выделения серий пород, в том числе промышленно алмазоносных.

4. Определение изотопно-геохимических характеристик пород и минералов, а также их газовой составляющей.

5. Выявление типоморфных особенностей алмаза, его минералов-спутников и оксидов из связующей массы изученных тел.

6. Изучение вторичной минерализации щелочно-ультраосновных магматитов.

7. Разработка экспресс-методики оценки потенциальной алмазоносности и промышленной рудоносности потенциальных месторождений магнезиальных глин на территории ААП.

8. Исследование отходов алмазодобывающей промышленности с целью повышения рентабельности и экологической безопасности при освоении промышленных месторождений.

9. Применение нового метода селективного раскрытия кимберлитовых и родственных им пород - электроимпульсной дезинтеграции на специально созданной установке.

Фактический материал и методы исследований. В основе работы лежат исследования, выполненные автором в период обучения в магистратуре, аспирантуре и работы на Геологическом факультете МГУ в период с 1998 по 2003 г. Они включают полевые геологические наблюдения, анализ геологической информации, изучение керна и минерального состава пород, петрохимические и геохимические исследования, определение петрофизических характеристик пород, исследование алмаза и его минералов-спутников, ксенолитов глубинных пород из 14 тел ААП, представляющих весь спектр известных на сегодня разновидностей щелочных ультраосновных пород и полей магматизма на территории Зимнего Берега, с помощью традиционных и оригинальных методов изучения вещества.

Объектом изучения послужил керн поисковых и оценочных скважин, образцы из обнажений пород, шлифы и аншлифы пород, минералы из тяжелой фракции, включая алмаз и его важнейшие минералы-спутники (гранат, ильменит, хромшпинелид), ксенолиты коровых и мантийных пород, а также хвосты обогащения кимберлитов.

Диагностика разновидностей кимберлитов и родственных им щелочно-ультраосновных пород проводилась в прозрачных и прозрачно-полированных шлифах традиционными оптико-микроскопическими методами. Химический состав пород определялся методом «мокрой» химии. Рентгенофазовый полуколичественный анализ осуществлялся на дифракгометре ДРОН-З.О. Морфологическое изучение алмаза и его минералов-спутников выполнено под бинокулярной лупой и на растровых электронных микроскопах JSM-T20 и JSM-820 фирмы «JEOL» (Япония). Определение фазового и химического состава пород и минералов выполнено на микроанализаторе JXA-50A фирмы «JEOL», а также на растровом электронном микроскопе JSM-820, снабженном энергодисперсионным полупроводниковым детектором AN-85 S фирмы «LINK» (Великобритания) с компьютерной системой для обработки анализов. Изучение ИК-спекгров минералов и пород проводилось на спектрофотометрах IR-435 производства фирмы «SHIMADZU» (Япония) и Specord М-80 фирмы «Carl Zeiss, Jena» (Германия). Определение содержания углекислоты, метана и различных углеводородов выполнено пиролиз-хроматографическим методом. Анализ содержаний редких и редкоземельных элементов проведен методом вторичной ионной масс-спекгроскопии на приборе IMS-4 фирмы «САМЕСА» (Франция).

Достоверность результатов исследований подтверждается представительностью аналитического материала:

- минералогическим описанием более 300 образцов штуфов керна;

- минералого-петрографическими исследованиями более 500 проб;

- микроскопическое под бинокулярной лупой, электронно-микроскопическое и электронно-зондовое изучение более 3000 кристаллов алмаза, его минералов-спутников и оксидов связующей массы с целью уточнения морфологии, особенностей состава и физических свойств;

- более 200 количественных и качественных рентгенофазовых анализов

- более 400 определений различных петрофизических параметров;

- более 300 определений газовой составляющей кимберлитов и родственных им пород;

- более 50 анализов ИК-спекгров;

- более 50 экспериментов на установке по дезинтеграции пород и выделения полезного компонента.

Подготовка образцов для исследований проводилась с использованием метода электроимпульсной дезинтеграции, впервые примененном для щелочно7 ультраосновных пород методе селективного разрушения. При обработке результатов аналитических исследований, построении диаграмм, гистограмм и рисунков были использованы оригинальные и стандартные компьютерные программы, в том числе и статистические.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена сравнительная характеристика строения тел щелочно-ультраосновных пород Зимнего берега, охватывающая все их разновидности, выявлены соотношения основных фаций слагающих тела пород и определена временная последовательность формирования магматитов. Произведен анализ петрохимических, геохимических и минералогических характеристик кимберлитов и родственных им пород из тел ААП.

2. На основе полученных данных выделены два минеральных типа кимберлитов (в том числе с промышленной алмазоносностью) и четыре петрохимические серии щелочно-ультраосновных пород. Определены типоморфные особенности алмаза и его минералов-спутников для всех известных типов щелочно-ультраосновных пород на территории ААП. Изучены ксенолиты мантийных пород и определены основные термодинамические параметры их образования для кимберлитов различных минеральных типов.

3. Определены петрофизические свойства и особенности щелочно-ультраосновных пород из различных полей ААП. Установлена взаимосвязь между петрофизическими свойствами пород и их минеральным составом.

4. Изучены особенности процессов вторичной минерализации и выделены стадии эволюции вторичных минералов для объектов ААП. Впервые предложено выделение нового генетического типа месторождений высокомагнезиальных глин, связанного с проявлениями щелочно-ультраосновного магматизма на территории ААП. Предложены направления рационального использования отходов алмазодобывающей промышленности в народном хозяйстве, что повышает экономическую эффективность освоения месторождений и обеспечивает снижение экологической нагрузки при их отработке. Впервые изучены особенности газовой компоненты различных типов щелочно-ультраосновных пород.

5. Впервые предложены и обоснованы элементы новой технологии электроимпульсной дезинтеграции для селективного раскрытия щелочно-ультраосновных пород, в том числе и с целью обеспечения высокой степени сохранности алмаза при его извлечении и возможности извлечения микрокристаллов.

Практическая значимость. Основные практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Переоценка в сторону увеличения экономического потенциала Зимнебережного района за счет повышения рентабельности промышленных месторождений алмаза в связи с использованием новых экологически безопасных методов утилизации отходов алмазодобывающей промышленности, защищенных патентом Российской Федерации (2002 г.), а также освоения нового генетического типа месторождений высокомагнезиальных глин.

2. Опробована и внедрена экспресс-методика определения качественного и количественного состава пород на территории ААП и определения их промышленного потенциала, значительно повышающая оперативность и сокращающая затраты на проведение геологоразведочных работ.

3. Предложен новый метод селективного раскрытия кимберлитов и родственных им пород - электроимпульсная дезинтеграция, обеспечивающий сохранность кристаллов алмаза и зерен его минералов-спутников при извлечении их из породы.

Основные защищаемые положения:

1. Впервые для ААП на основании комплексного изучения состава и свойств пород, слагающих тела магматитов и образующих один генетический ряд, выделены 4 петрохимические серии щелочных ультраосновных пород (Мд, А1-Мд, "П-Яе и Ва-Са), установлены два минеральных типа кимберлитов - I и II, в том числе с промышленной апмазоносностью, определена временная последовательность и условия формирования тел магматитов на территории ААП.

2. Установлены петрофизические характеристики пород как критерии диагностики щелочных ультраосновных пород ААП (апмазоносные/неапмазоносные кимберлиты, карбонатизированные неалмазоносные кимберлиты, оливиновые мелилититы) и эффективное средство изучения зональности тел, определения границ отдельных фаз, а также как способы оценки их рудоносности и прогнозирования новых месторождений алмаза и высокомагнезиальных глин. 9

3. Выделен новый потенциальный промышленно-генетический тип месторождений высокомагнезиальных глин, ассоциирующий с проявлениями щелочно-ультраосновного магматизма на территории Зимнего Берега, предложены технологии утилизации отходов алмазодобывающей промышленности месторождений им. М.В. Ломоносова и им. В. Гриба, что позволило увеличить минерально-сырьевой экономический потенциал региона.

4. Впервые примененная технология электроимпульсной дезинтеграции кимберлитов и родственных им пород Зимнего берега существенно повышает эффективность проведения геологоразведочных работ на алмазы.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации обсуждались на Выставке «Малый бизнес Москвы» (Москва, 2002), Всероссийской конференции «Ломоносов-2003» (Москва, 2003), 1-ой Всероссийской конференции «Сырьевая база неметаллических полезных ископаемых и современное состояние научных исследований в России» (Москва, 2003), Всероссийском совещании «Проблемы прогнозирования, поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге XXI века» (Мирный, 2002), 8-ой Международной кимберлитовой конференции (Канада, 2003) и опубликованы в 13 научных статьях и тезисах докладов. Получен патент РФ (2003 г.) на новую технологию утилизации отходов алмазодобывающей промышленности для производства широкого спектра промышленных минералов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и заключения. Общий объем работы 345 страниц, включая 197 страниц маш. текста, 113 рисунков, 35 таблиц. Список лкггературы включает 150 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения», Гаранин, Константин Викторович

Основные выводы, конкретизирующие защищаемые положения и отражающие научную новизну и практическую значимость работы, заключаются в следующем:

I. В научном плане:

1. Предложена обобщающая модель щелочного ультраосновного магматизма, учитывающая временную последовательность формирования магматитов различного состава на территории ААП, характеризующихся комплексом типоморфных, геологических, петрографических, изотопно-геохимических и петрофизических особенностей и спецификой связанных с ними месторождений алмаза и магнезиальных глин.

2. Изучены особенности морфологии, состава и физических свойств алмаза, его минералов-спутников, оксидов связующей массы и мантийных пород.

3. Проведено детальное изучение сапонита и серпентина - важнейших минералов вторичных изменений кимберлитов и родственных им пород и выделен новый генетический тип месторождений высокомагнезиальных глин, связанный с кимберлитами и оливиновыми мелилититами.

4. Исследована взаимосвязь петрофизических характеристик с минеральным составом и структурными особенностями пород, и предложены критерии генетической принадлежности щелочно-ультраосновных магматитов, выявления зональности рудных тел, оценки их алмазоносности и прогнозирования новых месторождений алмаза и магнезиальных глин.

5. Изучены процессы электроимпульсной дезинтеграции щелочных ультраосновных магматитов, и обосновано применение метода ЭИД на стадии геологоразведочных, обеспечивающего максимальные извлечение и сохранность алмаза и его минералов-спутников.

6. Определен состав газовой компоненты кимберлитов и родственных им пород с различной степенью алмазоносности.

II. В методическом плане:

1. Предложена и опробована комплексная методика экспресс-анализа фазового состава ультраосновных пород ААП как наиболее эффективная для обнаружения связанных с ними новых месторождений магнезиальных глин и оценки их промышленного потенциала.

2. Внедрена и опробована методика селективного выделения алмаза и его минералов-спутников на основе созданной лабораторной установки, обеспечивающая высокую степень сохранности и раскрываемости зерен минералов.

3. Впервые для кимберлитов и родственных им пород применена методика изучения газовой компоненты с использованием пиролиз-хроматографической технологии.

III. В прикладном и практических аспектах:

1. Впервые выделены новые источники высокодефицитного сырья -высокомагнезиальных глин на территории ААП

2. Предложены способы утилизации отходов алмазодобывающей промышленности для получения широкого спектра промышленных материалов (строительных, сорбентов, высокотемпературной керамики, буровых растворов и др.), защищенные патентом РФ (2003), повышающих рентабельность освоения месторождений алмаза и снижающих экологическую нагрузку на окружающую среду в районе действующих горнорудных предприятий

3. Разработаны новые критерии прогнозирования и поисков месторождений полезных ископаемых на основе особенностей алмаза, петрохимических и петрофизических особенностей пород, типоморфизма морфологии, состава и физических свойств минералов-спутников алмаза и оксидов связующей массы.

Несмотря на достаточно большой объем фактического материала, полученного с применением широкого комплекса традиционных и специальных методов изучения минерального вещества, при интерпретации возникает целый ряд проблем. Решение их требует проведения дополнительных исследований щелочных ультраосновных и основных пород. Среди актуальных и первостепенных задач следует выделить следующие:

1. Изучение типоморфизма алмаза из кимберлитов и родственных им пород с целью познания взаимосвязей «состав - структура - физические свойства» и интерпретация результатов этих исследований в генетическом и прикладном аспектах.

2. Проведение дополнительных изотопно-геохимических и «тонких» минералогических исследований с целью определения возрастных датировок щелочных ультраосновных пород.

3. Установление взаимоотношений кимберлитов и карбонатитов не только на уровне Архангельской алмазоносной провинции, но и в региональном масштабе с использованием самого современного арсенала геологических, минералогических, петрологических исследований.

4. Подготовка инвестиционного проекта для АК «АЛРОСА» по утилизации вскрышных пород и отходов обогащения промышленно алмазоносных кимберлитов.

Автор работы полагает, что выполненные исследования вносят определенный вклад в изучение щелочного ультраосновного и основного магматизма ААП, а также ставит ряд задач для научных и прикладных исследований в ближайшем будущем.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Гаранин, Константин Викторович, 2004 год

1. Аполлонов В.Н., Вержак В.В., Гаранин К.В., Гаранин В.К., Кудрявцева Г.П., Шлыков В.Г. Сапонит из месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова. Геология и разведка. 2003. № 3. С. 20-37.

2. Арзамасцев A.A. Эволюция палеозойского щелочного магматизма северовосточной части Балтийского щита: Автореф. дис. . докт. геол.-мин. наук. Апатиты: Кольский НЦ РАН. 1998. 58 с.

3. Бартошинский З.В. Бекеша С.Н. Винниченко Т.Г. и др. Газовые примеси в алмазах Якутии // Минерал, сб. Львовск. ун-та. 1987. № 41. Вып. 1. С. 25-32.

4. Бартошинский З.В. Минералогическая классификация природных алмазов // Минерал, журн. 1983. Т.5. № 5. С. 84-93.

5. Безбородое С.М., Вержак В.В., Вержак Д.В. Гаранин В.К., Гаранин К.В., Зуев В.М., Кудрявцева Г.П., Пылаев Н.Ф. Патент на изобретение: «Способ переработки отходов алмазодобывающей промышленности» № 2206534 от 20.06.2003.

6. Беляева H.H. Метод Пфейфера. Вестн. МГУ. Почвоведение. 1967. № 10. С. 14-27.

7. Бобриевич А.П., Илупин И.П., Козлов И.Т. и др. Петрография и минералогия кимберлитовых пород Якутии. М.: Недра. 1964. 192 с.

8. Бобров A.B., Гаранин В.К., Писарев П.А., Васильева Е.Р., Кудрявцева Г.П., Веричев Е.М. Костровицкий С.И. Минералы-спутники алмаза и мантийные ксенолиты в кимберлитовой трубке им. В. Гриба. // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 2003. № 4. С. 12-44.

9. Бовкун A.B. Минералогия оксидов из связующей массы кимберлитов Якутии (генетические и прикладные аспекты). Автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук. М.: Геол. ф-т МГУ. 2000. 22 с.

10. Будкина Л.И. Предварительные результаты изучения глубинных включений кимберлитовых трубок//Тр. ЦНИГРИ. 1987. Вып. 218. С. 41-45.

11. Ваганов В.И. Алмазные меторождения России и Мира. М.: Геоинформмарк. 2000. 370 с.

12. Везенцев А.И., Скрипниченко В.А. Экспериментальное моделирование процесса гидротермальной минерализации //Докл АН СССР. 1988. 300. №6. С. 1441-1443.

13. Вержак В.В. Геологическое строение, вещественный состав, условия образования и методика разведки месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова Автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук. М.: Геол. ф-т МГУ. 2001. 36 с.

14. Вержак В.В., Гаранин В.К., Кудрявцева Г.П., Щепина H.A. Высокобарные минеральные ассоциации из пород диатрем одного из районов СССР и термодинамические параметры их кристаллизации. М.: ВИНИТИ. 1988. Деп. № 1541-В88. С. 166-188.

15. Веричев Е.М. Геологические условия образования и разведка месторождения алмазов им. В. Гриба. Автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук. М.: Геол. ф-т МГУ. 2002. 43 с.

16. Веричев Е.М., Гаранин В.К, Гриб В.П., Кудрявцева Г.П. Геологическое строение, минералогические и петрологические особенности кимберлитов Архангельской провинции. Изв. высших учебных заведений. Геология и разведка. 1991. Т. 4. С. 88-94.26