Горно-промышленная экология

Введение

В соответствии с многочисленными исследованиями возможны различные классификации месторождений полезных ископаемых – по разным основополагающим принципам. Так, наиболее простым является морфологический принцип классификации, который строится на основе группировки месторождений по форме тел и условиям залегания их среди вмещающих пород. К морфологической классификации наиболее часто обращаются горняки, потому что разработка месторождений требует знаний формы рудных тел и характера соотношения их с вмещающими породами. Месторождения также могут быть классифицированы в соответствии с химико-технологическим принципом – на основе разделения по вещественному составу руд с учетом требований промышленности к качеству минерального сырья. Однако наиболее распространенным в рамках изучения полезных ископаемых и научно обоснованным признан генетический принцип классификации.
Первой генетической классификацией стала разработанная в 1911 г. классификация американского геолога В. Лидгрена, в соответствии с которой все минеральные месторождения могут быть объединены в две группы: месторождения, которые образованы механическими процессами, и месторождения, которые образованы химическими процессами [9]. В свое время данная классификация получила широкое признание, впоследствии она была изменена и дополнена учениками В. Лидгрена – Л. Грейтоном, А. Баддингто-ном и др. В отечественной науке в числе первых генетических классификаций отмечается классификация В. А. Обручева, предложенная им в 1922 г. и дополненная в 1934 г. Исследователь предложил все месторождения полезных ископаемых разделять на три группы: глубинные (эндогенные), поверхностные (экзогенные) и измененные (метаморфогенные) [4]. Данные группы включали по несколько категорий. В дальнейшем многими исследователями эта классификация бралась за основу, конкретизировались и дополнялись по большей части именно категории (например, в работах С. С. Смирнова, В. И. Смирнова, В. И. Старостина, П. А. Игнатова и др.) [3].
Важно отметить, что на современном этапе исследователи не пришли к единому мнению относительно генетической классификации, дискуссии по выделению ее составляющих продолжаются. В рамках данного исследования за основу принята генетическая классификация месторождений полезных ископаемых, составленная В. И. Смирновым и включающая эндогенные, экзогенные и метаморфогенные месторождения. Формирование эндогенных месторождений происходит за счет внутренней энергии Земли. К эндогенным относятся магматические, пегматитовые, карбонатитовые, скарновые, альбитито-грейзеровые, гидротермальные и колчеданные месторождения. В формировании экзогенных месторождений задействованы механическая, химическая или биохимическая дифференциация вещества земной коры под воздействием солнечной энергии. К экзогенным, по мнению В. И. Смирнова, относятся месторождения выветривания, россыпные и осадочные месторождения. Возникновение метаморфогенных месторождений проходит в глубинных зонах земной коры под влиянием высокого давления и температуры. К метаморфогенным относятся: метаморфизованные месторождения (преобразованные в новой термодинамической обстановке ранее возникшие месторождения любого генезиса) и собственно метаморфические (образованные впервые как результат метаморфогенного преобразования минерального вещества или обусловленные процессами гидротермально-метаморфогенного концентрирования рассеянных рудных элементов или их соединений) [6]. Научная обоснованность данной классификации отмечается в работах Э. А. Высоцкого [2].
В процессе исследования была изучена экзогенная группа месторождений полезных ископаемых. Рассмотрение данной группы представляется актуальным, так как экзогенные геологические процессы не только способствуют формированию месторождений различных полезных ископаемых, но и изменяют экологическую обстановку в регионе. В связи с этим сфера профессиональной деятельности геологов и экологов должна формироваться на базе фундаментальных знаний о месторождениях полезных ископаемых, в том числе знаний о происхождении и характеристиках экзогенной группы.
Новизна работы заключается в применении аналитико-синтетического метода исследования научной литературы, в результате которого были обобщены результаты исследований таких ученых, как Э. А. Высоцкий (БГУ), Л. М. Ситдикова (КФУ), В. И. Смирнов, В. И. Старостин и П. А. Игнатов (МГУ им. М. В. Ломоносова) и др.
Цель исследования состояла в анализе экзогенной группы месторождений. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:
– рассмотреть месторождения выветривания, в том числе охарактеризовать остаточные и инфильтрационные месторождения, а также площадные, линейные и приконтактовые месторождения;
– проанализировать россыпные месторождения, их типы, состав, а также условия образования россыпей;
– описать осадочные месторождения: механические, вулканогенные, биохимические месторождения, химические месторождения солей, а также осадочные месторождения, образованные из коллоидных растворов.
Объектом исследования является экзогенная группа месторождений.
Предмет исследования – характеристики месторождений, входящих в данную группу: условия образования, минеральный состав, морфология.
Теоретической основой исследования явились современные и классические научные разработки отечественных и зарубежных специалистов, исследующих проблемы генезиса месторождений полезных ископаемых.
Структура работы выстроена в соответствии с логикой решения поставленных задач и включает введение, три раздела («Месторождения выветривания», «Россыпные месторождения» и «Осадочные месторождения»), заключение, список литературы (состоит из 9 наименований), приложение. Общий объем работы – 18 страниц.
1 МЕСТОРОЖДЕНИЯ ВЫВЕТРИВАНИЯ

1.1 Общая характеризация

Формирование экзогенной (седиментогенной) группы месторождений полезных ископаемых связано с воздействием внешней энергии. Характеризуя месторождения выветривания как часть экзогенной группы, условия их образования и место нахождения, принято указывать, что они связаны с корой выветривания – континентальной геологической формацией, которая образуется под воздействием энергии жидких и газообразных атмосферных и биогенных агентов на коренные породы. Результат такого воздействия – возникновение новых минеральных ассоциаций со свойственными им особыми текстурами, структурами и вещественным составом [2].
В. И. Смирнов подчеркивает, что кора выветривания – мощный источник минеральной массы, который связан с образованием всей экзогенной группы месторождений, а не только месторождений выветривания. В частности, выветривание способствует образованию россыпных месторождений. Кора выветривания является поставщиком материалов, которые сносятся с континентов и образуют осадочные, прибрежные, озерные и морские месторождения. И наконец, в процессе природных реакций, проходящих в коре выветривания, на месте горных пород, которые не содержат ценной с промышленной точки зрения минерализации или являются слабо минерализованными, при определенных условиях (физико-химических и геологических) могут возникать залежи полезных ископаемых. Именно они и относятся учеными к месторождениям выветривания [6].
В минеральном соотношении кора выветривания содержит первичные минералы, которые устойчивы к агентам выветривания, промежуточные продукты выветривания и конечные продукты преобразования. Стоит отметить, что наиболее устойчивым к выветриванию является кварц, затем – мусковит, ортоклаз, микроклин, кислые плагиоклазы. Малоустойчивыми являются амфиболы, пироксены, диопсидгеденбергит. Неустойчивыми, то есть в большей степени подверженными процессам выветривания, являются основные плагиоклазы, фельдшпатоиды, щелочные амфиболы, биотит, авгит, оливин, глауконит, доломит, кальцит, гипс [2].
Рассматривая конечные продукты процессов выветривания, ученые указывают, что месторождениями выветривания могут являться характерные месторождения полезных ископаемых, в частности: бокситов (около 95 % мировых запасов), железа, марганца, никеля, кобальта, золота, редких металлов, каолина, цеолитов, монтмориллонита и др. Подавляющее большинство этих месторождений соотносится с процессами выветривания, которые происходят в континентальных условиях. Однако отдельные типы месторождений могут быть обусловлены подводным выветриванием – гармиролизом (это месторождения бентонитовых глин, цеолитов и др.) [8]. Важно, что месторождения выветривания могут разделяться на типы и по другим основаниям: например, в зависимости от способа накопления полезного минерального вещества, от условий образования и формы коры выветривания. Типологию данных месторождений стоит рассмотреть отдельно, так как для каждого типа характерны уникальные морфологические особенности.

1.2 Типы месторождений выветривания, морфология

В процессе образования месторождений выветривания накопление полезного минерального вещества возможно двумя путями. Первый: при растворении и выносе приповерхностными водами не имеющих ценных минеральных масс горных пород, в результате чего в остатке накапливается полезное ископаемое. Так формируются остаточные месторождения выветривания. Второй: растворение водой определенных ценных составляющих горных пород и их переотложение в нижней части разреза коры выветривания. Так формируются инфильтрационные месторождения выветривания

. Важно подчеркнуть, что на данное разделение указывает Э. А. Высоцкий вслед за В. И. Смирновым [2]. Однако В. И. Старостин и П. А. Игнатов относят инфильтрационные месторождения к группе эпигенетических [8].
Остаточные месторождения – это месторождения бокситов (локализация крупнейших месторождений данного типа – Австралия, Африка, Индия, Южная Америка, США, страны Карибского бассейна и др.) и месторождения каолинов (в СНГ крупнейшие остаточные месторождения каолинов представлены в Украине и связаны с корой выветривания допалеозойских кристаллических пород). Инфильтрационным путем образуются месторождения железа, марганца, ванадия, урана, фосфатов, гипса, боратов, магнезита и др. [2].
В зависимости от условий образования и формы А. И. Гинзбург предложил разграничивать три разновидности коры выветривания: площадную, линейную и приконтактовую. В соответствии с данным разделением В. И. Смирнов рассматривает три типа месторождений выветривания: площадные, линейные и приконтактовые соответственно. Площадные месторождения плащом покрывают коренные породы, за счет которых они были образованы. Нижняя поверхность таких залежей обладает сложной морфологией и постепенным переходом к неизмененным породам. Также в структуре таких залежей могут оставаться блоки неизмененной породы. Размеры залежей, обладающих пластообразной формой, могут варьироваться от нескольких десятков до тысяч метров в поперечнике; мощность – от десятков сантиметров до первых десятков метров. Линейные месторождения образуются вдоль систем трещин в коренных породах и в соответствии с приложением А имеют форму жилообразных тел, простирающихся, как правило на сотни метров. Глубина – несколько десятков метров, иногда – 100–200 м. Приконтактовые месторождения локализованы вдоль поверхности контакта породы, которая поставляет вещество полезного ископаемого при его разложении, и породы, которая осаждает данное вещество из приповерхностных водных растворов [7].
Кроме того, залежи месторождений выветривания могут быть разделены на открытые, то есть выходящие на земную поверхность, и погребенные под более молодыми осадками. Среди последних исследователи выделяют современные и древние залежи, сформированные в прошлые геологические эпохи.
Таким образом, разные типы месторождений выветривания имеют разный способ образования и разную морфологическую структуру, что связано с разными условиями формирования и формами коры выветривания. Однако собственно образование месторождений было бы невозможно без конкретных физико-химических условий.

1.3 Физико-химические условия образования

Образование месторождений выветривания происходит при перегруппировке минеральных масс глубинных горных пород, которые химически неустойчивы в термодинамических условиях, характеризующих приповерхностные части земной коры. Как отмечает В. И. Вернадский, нижняя граница коры выветривания образуется кислородной поверхностью, близкой к уровню грунтовых вод и располагающейся на глубине 60–100 м, реже – до 200 м и более [1].
Преобразование горных пород в коре выветривания возможно благодаря действию таких агентов, как вода, кислород, углекислота, разные кислоты, живые организмы, колебания температур. Однако наиболее действенный агент выветривания – это вода, которая способствует: растворению, переносу и отложению природных химических соединений в коре выветривания; растворению твердых, жидких и газовых агрессоров, например, кислорода, углекислоты и др.; разложению породообразующих минералов материнской породы в процессе гидратации и гидролиза; регулированию физико-химической обстановки процессов преобразования горных пород, которое обусловлено вариациями ее кислотности, такими как щелочность (pH), окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и химический состав растворенных в воде веществ [5]. Как отмечает В. И. Смирнов, главный источник воды в коре выветривания – это атмосферные осадки, которые просачиваются вглубь земли. При подземной циркуляции вода проходит три зоны: зону аэрации (или просачивания), зону полного насыщения с активным водообменом, зону полного насыщения с замедленным водообменом. При этом наиболее активные реакции разложения горных пород проходят в зоне аэрации [6].
По мнению А. И. Гинзбурга и Э. А. Высоцкого, процессы химического выветривания пород могут быть сведены к четырем основным: окисление, гидратация, вынос катионов (Na, K, Mg и др.) и накопление в осадке SiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO [2].
Таким образом, главные процессы, которые обуславливают разложение минералов в коре выветривания, – это окислительно-восстановительные реакции за счет основных потенциал-задающих компонентов, реакции обмена, возможные благодаря изменению состава и кислотно-щелочных условий, гидролиз безводных соединений.
2 РОССЫПНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

2.1 Общая характеризация

Формирование россыпных месторождений происходит путем концентрации промышленно ценных минералов среди обломочных отложений, которые возникают при разрушении и переотложении веществ горных пород. Россыпные месторождения связаны с процессами физического и химического выветривания как коренных пород, так и полезных ископаемых.
Россыпи являются скоплениями рыхлого или сцементированного материала, который представлен в виде зерен, их обломков или агрегатов ценных минералов. Полезными минералами россыпей являются золото, платина и платиноиды, уран, бериллий, ниобий, ртуть, вольфрам, медь, железо, а также драгоценные камни (алмаз, изумруд, гранат, корунд и др.). Полезными с промышленной точки зрения являются россыпи формовочных, строительных и стекольных песков.
С экономической точки зрения россыпные месторождения весьма значимы, так как требуют меньших затрат при отработке поверхностных рыхлых образований высокоэффективными способами добычи (например, с применением сепараторов). Кроме того, в россыпных месторождениях присутствуют весьма ценные полезные компоненты (золото, платина, алмазы и пр.), часто встречаются комплексы полезных компонентов (например, циркон-рутилильменитовые, алмазоносные и др.). Экономическая эффективность разработки россыпных месторождений связана также с наличием месторождений, имеющих возобновляемые запасы сырья (например, косовые аллювиальные и некоторые прибрежно-морские россыпи). Благодаря ценности минералов россыпных месторождений средства, вложенные в их разработку, быстро возмещаются. Путем освоения россыпей добывается около половины объема алмазов, ильменита, вольфрамита, шеелита, касситерита; около 20–30 % золота, платины и значительный объем других полезных минералов [2].
Нередко россыпные месторождения располагаются группами, которые объединяются в россыпные поля и районы. При этом россыпные районы часто характеризуются коренными источниками россыпей – рудопроявлениями и месторождениями первичных руд, вследствие чего принято говорить о рудно-россыпных районах.
Таким образом, россыпные месторождения имеют важное прогнозно-поисковое значение. Для более подробного описания морфологии россыпей важно охарактеризовать их типы.


2.2 Типы россыпей, морфология

В научной литературе представлены несколько подходов к рассмотрению и классификации россыпей. Например, в работе В. И. Старостина и П. А. Игнатова россыпные месторождения рассматриваются как разновидность осадочных месторождений [8]. Однако, как подчеркивает Э. А. Высоцкий, с точки зрения генетического подхода наиболее приемлемой является классификация В. И. Смирнова, основанная на определении генетических типов отложений, с которыми непосредственно соотносятся россыпи [2].
Согласно работе В. И. Смирнова, россыпные месторождения представлены следующими классами:
– элювиальные россыпи;
– делювиальные россыпи;
– пролювиальные россыпи;
– аллювиальные россыпи, которые могут быть дифференцированы на подклассы: косовые, русловые, долинные, дельтовые, террасовые;
– латеральные россыпи, классифицируемые на прибрежно-озерные, прибрежно-морские и прибрежно-океанические;
– гляциальные россыпи, в том числе моренные и флювиогляциальные подклассы;
– эоловые, или дюнные россыпи [6].
С промышленной точки зрения важна разработка всех типов россыпей, однако наибольшее экономическое значение имеют прибрежно-морские и аллювиальные россыпи. В частности, аллювиальные россыпи содержат значительные объемы мировых запасов золота, платины, алмазов, вольфрама и самоцветов.
Характеризуя разрез россыпей, их структуру, снизу вверх можно выделить такие элементы, как плотик (коренная порода, подстилающая промышленные пески); пласт или пески, которые являются металлоносными; торф, который представлен пустыми песчаными отложениями; почвенный слой. При наличии в составе аллювиального разреза нескольких металлоносных пластов осадки, которые подстилают верхний пласт, принято характеризовать как ложный плотик. Необходимо отметить, что важный показатель продуктивности русловых аллювиальных россыпей – это строение плотика: чем оно сложнее, тем более контрастно будут распределены полезные компоненты [2].
Как подчеркивает В. И. Смирнов, россыпные месторождения всегда располагаются закономерно. Так, в соответствии с рисунком 1, формирование долинных россыпей происходит при боковой эрозии в местах расширения долин рек. Террасовые россыпи являются реликтами долинных россыпей, которые сохранились в прибортовых частях речных долин