Особенности окисления неметаллических месторождений

По устой чивости в гипергенезе месторождения неметаллов подратделякггся на три группы: не изменяющиеся, изменяющие­ся слабо и существенно.

Типичными являются гипергенные изменения на соляноку-ппльных месторождениях каменной соли. Здесь над ними разви-иается так называемый кспрок, в котором отмечается несколько вертикальных зон. Самая верхняя из них сложена глинистым ос­татком от растворения солей небольшой (несколько метров) мощностью. Ниже располагается зона карбонатных пород с на­рушенным -залеганием мощностью десятки метров. В прикро- всльной части известняков могут быть распространены битумы и небольшие зал ежи нефти. В приподошвенной их части встреча-клгея линзы с вкрапленностью самородной серы. Под карбонат­ными породами развиты ангидриты и гипсы, непосредственно покрывающие залежь каменной соли. Характерно, что нижняя граница гипсов субгоризонтальная и отражает положение уровня фунтовых вод, в связи с этим она получила название "соляного зеркала" (рис. 46).

-д.- *-'<•* -v; ''Соляное зеркало

 

U

Рис. 46. Разрез соляной антиклинали Хильдесхейм, Южно-Ганновер екая лналшш От Н.Фулы1а):

/ — чепйортячлыс отложения; 2 — срсуишй пестрый песчаник; 3 — нижний песглшй песчаник; 4 — каменная соль: 5 — красная солеиосная глина; 6 — главный ангидрит и сорал соленосная глина: 7 — гипсовая шляпа; 8 — калийные соли

Представления о генезисе зон окисления

Вопросам физико-химии окисления рудных месторождений посвящены работы С.С.Смирнова, Ф.В.Чухрова, ВХотшалк, Х.Бюхлера и других, микробиохимии — Л.К.Яхонтовой с соавто­рами. Большое значение действию электрического потенциала, возникающему при окислении сульфидов, придают Г.Б.Свеш­ников, В.В.Воронин, У.Никель, Д.Росс. Радиохимические реак­ции устанавливают П.Рамдор, В.К.Бсрнантонис и другие, тепло-лыс поля — ГП.Каравайко и другие, магнитые — ГДАгафонов,

Главными при этом следует считать химические реакции обмена, окисления и восстановления и биохимическую деятель­ность бактерий. Реакции обмена предполагаются при образова­нии подзон вторичного сульфидного обогащения. Здесь согласно ряду Шюрмсна по сродству металлов к сере (Hg, Ag, Cu, Bi, Cd, Pb, Zn, Ni_? Co, Fe, Mn) сульфаты металлов в левой части рада должны замещать металлы из сульфидов в правой его части. Этим объясняется образование вторичных сульфидов меди в ходе реак­ции се сульфатов с пиритом.

Окислитсл ъные реакции происходят за счет действия рас­творенного в подземных водах кислорода и формирующейся сер­ной кислоты. В какой-то мерс должны идти и реакции окисления за счет других элементов с переменной валентностью (железа, ванадия, урана, мышьяка и др.).

Как результат восстановительных реакций можно рассмат­ривать отмеченное выше формирование зон вторичного сульфид­ного обогащения. При этом главными восстановителями могут быть растворенные в воде двухвалентное железо, водород и серо­водород. Весьма существенное значение вероятно имеют микро-биальные реакции. Известно, что в подземных водах широко рас­пространены разнообразные микроорганизмы. Из всего их раз­нообразия в грунтовых и артезианских водах установлены хемо-синтстики и гетеротрофь], Кактс, так и другие могут относиться или к аэробам, живущим в присутствии свободного кислорода, или к анаэробами, обитающими в безвоздушной среде.

При формировании зон окисления сульфидных руд и место­рождений неметаллических полезных ископаемых, содержащих соединения серы, наиболее существенны тионовые бактерии- Их аэробные виды, используя органическое вещество, двухвалент­ное железо или самородную серу продуцируют сильные окисли­тели — сульфат-ион и трехвалентное железо. Ассоциирующие с ними анаэробные бактерии, поглощая сульфат-ион, углекислый газ и органическое вещество, производят сильный восстанови­тель — сероводород. Таким образом, как окислители, так и вое-

■

становители в подземных водах могут иметь во многом биоген­ное происхождение,

Инфнльтрационньте месторождения

С формированием зон пластового окисления артезианских бассейнов связаны важные уран-редкоземельные инфильтраци-онные месторождения. Их о&ьсдиняют в группы с различными синонимическими названиями — эпигенетические, экзогенно-эпигснстичсские, гидрогенные, песчаникового типа, инфильтра-ционные, ролловыс, связанные с зонами пластового окисления и т.п. Для них характерны следующие особенности: расположение в областях аридного климата; наличие руд о контролирующих зон внутрипластового окисления; приуроченность к проницаемым водоносным горизонтам песков и песчаников, реже пористых карбонатных пород, расположенным внутри глинистых водоупо-рон; наличие рудо контролирующей окислительно-восстанови­тельной минералого-гсохимической и гидрогеохимической зо­нальности; локализация в местах скоплений сингенетического органического вещества или наложенных вторичных восстанови­телем (водорода, сероводорода, битумов и др.); пространственная связь с валами, флексурами или внутренними поднятиями, ос­ложняющими крылья пологих синклиналей артезианских бассей­нов; ролловая форма рудных тел, выраженная в серповидных в поперечном сечении и лентовидных и плане рудных залежах,

С аридным климатом связаны два положительных фактора рудообразованшь Во-первых, создание окислительной обстанов­ки в глубоких горизонтах артезианских бассейнов и во-вторых, повышение концентраций ряда элементов (U, V, Mo, Se) в под-темных кодах. В аридных и ссмиаридных ландшафтах (пустыни, сухие степи и саЕшнны) отсутствует сплошной почвенно-расти-гсльный покров. Кислород нс расходуется на его формирование и насыщает грунтоиые воды. Последние в областях питания арте­зианских бассейнов непосредственно питают нисходящие пото­ки напорных вод и соответственно обогащают их кислородом в концентрациях 0,On — п г/л.

В пустынных областях происходит интенсивное выпарива­ние, с которым связаны концентрации ряда элементов. Кроме того, и кислородсодержащих подземных водах могут накапли-ваться металлы, которые в окислительных формах дают хорошо растворимые соединения, К таким компонентам относятся со­единения шести валентного урана (уран ил-иона), окислых форм ванадия, селена и молибдена.

Нисходящие потоки кислородных подземных вод содержат угольную кислоту (сумма СО₂=0,(Н)п моль/кг H₂O)_n сульфат-ион

23-3177

(О^Оп моль/кг Н₂О), относятся к пресным и слабоминерализован­ным, имеют близнейтральные и слабощелочные рН 6,7—8,5 и положительные значения Eh около +0,2 В, Имеющиеся в волах свободный кислород и сульфат-ион, предопределяют их высокие окислительные свойства. Поэтому нисходящие потоки таких вод формируют зоны пластового окисления (ЗПО). Они распростра­няются от областей питания артезианских бассейнов по падению водоносных комплексов на десятки и даже сотни километров, проникая на глубину до 700 м, По мере проникновения кислород расходуется, а подземные воды перераспределяют рудные компо­ненты.

Артезианские бассейны, содержащие ЗПО, располагаются в областях умеренной тектонической активизации платформ, ко­торые обуславливали высокие гидростатические напоры в их краевых частях. Амплитуды межблоковых движений составляют 300—1500 м. Это определяет постоянное превышение гидроста­тического напора над литостатичесташ и возможность формиро­вания инфильтрационных потоков. Если перемещения блоков в областях питания составляют более полутора километров, то фор­мируются весьма высокие напоры, которые не позволяют полно развиваться зонам выклинивания пластового окисления.

Районы распространения рудо контролирующих ЗПО охва­тывают различные депрессионные структуры земной коры. Е.МШмарйович выделил три типа рудоносных артезианских бассейнов, содержащих ЗПО: крупных сине кл из, грабен-синкли­налей и лалеодолин, в которых л ©следовательно уменьшаются масштабы месторождений (Шмариович, 1988). С учетом такого подхода ГА.Машковцевым и др, выделены три гсолого-промыш-ленные типа инфильтрационных уран-полиэлементных месторо­ждений: наиболее крупные в синеклизах и грабен-синклиналях; средние по запасам в наложенных впадинах; мелкие в эрозион­ных палеодолинах.

Зоны пластового окисления чаще всего распространяются от краевых поднятий, сложенных водообильными кристалличе­скими породами (рис. 47), и охватывают значительные площади. В редких случаях ЗПО могут распространяться от внутренних

Рис, 47. Зоны окисления и связь с ними уранового оруденсния на экзогенных эпигенетических месторождениях (по Е.М.Шмармовичу, упрощено):

/ — породы фу!щамента; 2 — галька и гравий; 3 — песок; 4 — алевролит; 5 — глина; б— порви4но*сероцветныс породы с углистыми остатками; 7— первично-красиоцветные породы; 8 — разломы; 9 — зоны трещинов&тоегги; 10 — уровень грунтовых вод; направление движения подземных вод; // — кислородных ураноносных, 12 — бескислородных* не содержащих уран; зоны окисления: 13 — поверхностного, 14 — пласто во-перового rpysrronoro, 15 — норового трастового (ЗПО), 16 — трещинного; 17 — урановое орудсненис

 

поднятий, сложенных первично красноцветными толщами или поступать по глубоким разломным зонами дренирования.

В большинстве рудных районов в областях питания артези­анских бассейнов характерно присутствие источников рудного вещества в виде специализированных геологических формаций (металлоносных углеродистых сланцев, массивов лейкогранитов, ареалов кислых эффузивов и др,). Вместе с тем рудообразование может происходить и без наличия таких геохимически специали­зированных образований в областях питания.

Коэффициенты фильтрации современных горизонтов с ЗПО в большинстве случаев колеблются от 0_? 5 до 15 м/сут. При прочих равных условиях более продуктивными оказываются рыхлые гра­вийные пески. Для образования рудоформирующих ЗПО должна быть оптимальной скорость фильтрации, которая определяется пьезометрическим уклоном, составляющим 0,0001—0,01.

Промышленные месторождения располагаются в контраст­ных по проницаемости разрезах терригенных и карбонатно-тер-ригенных континентальных, дельтовых и прибрежно-морских осадочных толщ, испытавших лишь слабую литификацию на­чального катагенеза. В противном случае поры осадочных кол­лекторов выполняются карбонатными, глинистыми и другими минералами, а породы становятся непроницаемыми. Это объяс­няет подавляющее распространение инфильтрационных место­рождений именно в рыхлых толщах мезойзойского и кайнозой­ского возрастов.

Уран- редко металл ьное орудснение локализуется на оконча­нии ЗПО. Рудные тела составляют части определенных зональ­но-построенных минералого-геохимических и гвдрогеохимиче­ских эпигенетических зон. Основу таких зон составляют измене­ния окислительно-восстановительного потенциала вмещающей среды, которое обусловлено расходованием растворенного кисло­рода нисходящих пластовых вод на окисление восстановленных компонентов.

По направлению от незатронутых окислением восстанов­ленных пород выделяется ряд минералога-геохимические зон (рис, 48). В основу данной зональности положены изменения ва­лентного состояния двух важнейших компонентов — железа и урана. По первому отчетливо устанавливаются цвет пород и об­щие геохимические условия минералообразования, по второму — условия рудоконцентрации.

Концентрации элементов могут быть как в оксидных, так и в восстановленных формах. В совокупности изменения Eh и рН среды по направлению фильтрации на выклинивании ЗПО соз­дают ряд вложенных друг в друга и перекрывающихся концен-

Подзоны

Рис. 4S. Схема изменения ьеличкн Eh и рН литогкдрогеохимической среды в профиле пластовой рудо контролирую щей окислительной зональности (по М.Ф,Максимовой, Е.М.Щмариовичу, 1993):

а — изменение Eh в породах с сингенетическими восстановителями (микробиологически активным органическим веществом); tf — то же с абиогенными эпигенетическими восстанонипелями. Подзоны: 0 — эпигенетически нсокисденных безрудньи пород; 1а — ореола рассеяния урака, 16 — бедных урановых руд, 1в — рядовых и богатых урановых руд, 2а — разрушающихся руд (выщелачивания урана)_т 26 — частичного окисления, 2в — неполного окисления, 2г — полного окисления

трационных ореолов: самородный Se + U+V (уранилванадаты) — U+V (высоковалентные оксиды) — Se (селенвды)+5сН-У+ланта­ноиды — Re+U+V (низкопалентные оксидbi)+Sc-f-Y+лантаноиды — Re+Mo — Mo (Максимова, Шмариович, 1993).

Согласно вариациям EU изменяется минеральный состав выделенных зон. Находящиеся в зоне неизменных пород мине­ралы, содержащие в своем составе закисное железо (пирит, евде-рит, анкерит, глауконит, хлорит, биотит), углистое органическое вещество и сульфидную серу, в зоне окисления разлагаются. На их месте формируются гетит и гидрогетит, создающие за счет окисного железа желтую и коричнево-красную окраску пород. В зоне оруденения осаждаются новообразования в виде самород­ного селена, урановых окислов (урановые черни, настуран), коф-финита, пирита, молибденита, минералов ванадия и др. В не­больших концентрациях могут осаждаться оксидные соединения ванадия и урана и сслениды.

Необходимым условием рудообразования является присут­ствие в неокисленных фоновых породах восстановителей.

S1

 

 

	f
11 ■ ■ ■ ■. j ■ ■ ■ L
L. ■
	S
LMJ
III

Рис. 49. Геолотмчсский разрез ао прирадломным ^ирудам восстакоале^ия" в отложениях альб-сеномана и гранитах фундамента,(по М.Ф.Максимовой н Е.М.Шмаринови^> 1993).

/ — водоупорные глинистые породы; 2 — водонепроницаемые гтесчаные породы с гравием и галькой; J — [раниты фундамента; 4— шгастово- и трещинно-окисленные породы; 5 — лиритизированные породы; 6 — урановое оруденение; 7 — рааломьк 8 — буровые скважины

Е.М.Шмариович выделяет три разновидности восстановительных агентов: седиментно-диагенстичсское углистое органическое ве­щество; вторичные битумы или находящиеся в порах восстано­вительные газы (сероводород, водород), внедрившиеся во вме­щающую среду до ЗПО; восходящие восстановительные термаль­ные растворы, непосредственно взаимодействующие с ЗПО.

В первом случае формируются сложные линзовидные руд­ные тела, во втором — серповидные. В третьем случае встречают­ся сложные по форме часто столбообразные, рудные тела, кото­рые контролируются малоамплитудными конседиментационны-ми разломами (рис. 49).

К особой разновидностью оруденения относятся рудные тела, сформированные на контакте зон окисления и ранних ("первичных") урановых руд. Ярким примером являются так на­зываемые послесбросовые рудные залежи месторождения Амбро-зия-Лсйк (рис. 50). Здесь сложные по форме залежи локализова-

в

■ с

.... *

оО

Q. а *

ъ.Ь

- о

. о

О о

7:

+ ■ 1 _в ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* г V |	■ i	* *. *»	■ -. ■ ■ 41 * ^r m *	r -	fc *. * p ■ V V ■ * 4	' ■ ■■ 4- ■ ■ ■ ■:^;:': ■ 4 ¥ ■lib + № ■ ■ -;:^: -■ - ■ ■F ■ ■ ^+ 4 * • "-V
			^1 ■ a j " ™	■	■ F ■ ■ i ■ ■ " is:
Щ	■. ■ * i * * *
		■^^^	■ ■ H ■
■ * ■		=S-ba 1 ^	-	* ■ h	^1 * * ■ ■ ■ ■ ■ ■* ■ 41
■ +	.... >.■■■ • • •» 1 * -F *	■ r

 

Рис, 50. Строение до- и послесбросовых рудных тел в разрезе битумно уранового месторождения Лмброзия-ЛейК- По М.МРойбер {Бойцов, 19S9).

/ — пластовые (досбросовые) рудные тела; 2 — рудный столб 0юи1ссбросопый); J-5 — породы свиты Уэстуотер-Каньон: 3-4 — песчаники (3 — окисленные 4 — несжисленные сер о цветные), 5 — аргиллиты, 6 — зона трещин

ны на контакте вторично окисленных и осветленных юрских пес­чаников. Последние содержат битумно-урановое оруденение, сформированное при коатуляции урано-гуматов, мигрировавших в усло!$и>1Х экзодиагенеза в древних грунтовых водах (Бойцов, 1990).

Для локализации инфильтрационного оруденения считается благоприятным наличие локальных антиклинальных структур, осложняющих артезианские бассейны. Ими являются пологие куполовидные антиклинали, валы и флексуры, сопровождаемые малоамплитудными зонами трсщиноватости. В таких структурах могут располагаться скопления вторичных восстановителей {се­роводорода, водорода* углеводородов) и соответственно созда­ваться локальная контрастная геохимическая среда. Кроме того, в них формируются промежуточные очаги разгрузки напорных иод, что обусловливает привнес рудного вещества.

Для большинства рассматриваемых месторождений весьма характерной является форма рудных тел. В плане это сложные лентообразные залежи, а в разрезе — ролльк В последних выде­ляют нижнее и верхнее крылья л мешковую часть, расположен­ную и наиболее проницаемой обычно центральной части рудов-

мешающего горизонта. Часто роллы слагают многоярусные рудо­носные зоны. По падению пласта за мешковой частью распро­страняется так называемый хвост ролла с повышенными посте­пенно убывающими концентрациями полезных компонентов,

В целом морфология рудных тел определяется: распределе­нием проницаемости и скорости фильтрации; размещением вос­становителей; условиями сохранности или разрушения роллов. При разведке и оконтуривании рудных тел существенное влия­ние на форму рудных тел оказывают заданные кондиции, В част­ности, если предполагается разработка месторождения способом подземного выщелачивания, то в контур рудных тел не включа­ются интервалы, в которых концентрации полезных компонен­тов находятся в непроницаемых породах.

Большинство инфильтрационных месторождений образова­но в новейший плиоцен-антропогеновый этап. Многие из них продолжают формироваться и ныне. Фронт выклинивания ЗПО и все эпигенетические зоны медленно передвигаются согласно движению подземных вод. Существуют древние законсервиро­ванные ролловые месторождения. Однако промышленного зна­чения оруденение зон палеозойского и ран немезозойского воз­раста невелико. Это связано с подвижностью рудных концентра­ций и легкой возможностью их разубоживания и уничтожения нисходящими потоками окислительных вод.

Фильтрационные способности и скорость фильтрации ко­леблются в пределах одного порядка. Мощности рудовмещаю* щих горизонтов изменяются также незначительно от первых мет­ров до 15—20 м. Судя по изменениям Eh, контрастность барьера колеблется от +0₇2 до -0,2 В, Незначительно (от десятых долей до нескольких мг/л) могут колебаться содержания урана в исходных растворах. Следовательно, крупные масштабы оруденения мож­но связать лишь с двумя параметрами, изменения которых могут охватывать несколько порядков, Это протяженность линии вы­клинивания ЗПО, составляющая от сотен метров до сотен кило­метров, и время рудообразования, которое по ряду данных оце­нивается от десятков и сотен тысяч до первых десятков миллио­нов лет*

Рассмотренные инфильтрационные месторождения объеди­няются в одну рудную формацию редкометалльно-урановых руд. Она включает ряд субформахшй: урановые и уран-редко метал л ь-ные (селен-ванадий-рений-редкоземельно-урановые) в песчани­ках чехла активизированных молодых платформ; уран-угольные в лимнических бассейнах межгорных впадин; урановые в эрози­онных палеодолинах.