Диссертация: Гипергенные минералы цинка на сульфидных месторождениях Южного Урала

Актуальность исследований. Южный Урал – одна из крупнейших
горнодобывающих провинций, в которой ресурсы цинка связаны с медно-
цинковыми колчеданными и стратиформными цинковыми месторождениями.
Многие месторождения в той или иной степени подвержены гипергенным
изменениям, в результате которых могут формироваться новые минералы цинка.
Однако, в настоящее время крайне мало систематических данных о минералах
цинка в зоне окисления сульфидных месторождений Южного Урала [Емлин,
Рылова, 1986; Трофимов и др., 1992; Токсичные..., 2014]. Их слабая изученность
отчасти объясняется отсутствием на Южном Урале промышленных гипергенных
цинковых руд, развитых в других регионах мира: Силезии, Сардинии и др.
[Hitzman et al., 2003; Leach et al., 2010; Токсичные..., 2014]. Несмотря на
отсутствие этих руд на Южном Урале, изучение гипергенных минералов цинка
представляется важным. Цинк относится к потенциально токсичным элементам,
поэтому с точки зрения защиты окружающей среды информация о его минералах
является актуальной. Гипергенные минералы могут быть как вторичным
источником этого металла, так и выступать в качестве депонирующей среды.
Данные о формах фиксации цинка необходимы для разработки методик
переработки техногенных отходов, руд, а также для совершенствования
природоохранных мероприятий.
Цель работы: выявление закономерностей распределения гипергенных
минеральных форм цинка в природных и техногенных зонах окисления
сульфидных месторождений Южного Урала.
Задачи:
1. Установить состав гипергенных минеральных ассоциаций в природных и
техногенных зонах окисления сульфидных месторождений цинка на Южном
Урале;
2. Выявить кристаллохимические особенности гипергенных цинк-
содержащих слоистых силикатов;
3. Определить причины зональности агрегатов техногенных цинк-
содержащих водорастворимых сульфатов.
Объекты исследования
Поставленные задачи решаются на примере Верхне-Аршинского и Амурского
сульфидных цинковых стратиформных, Блявинского и Яман-Касинского медно-
цинковых колчеданных месторождений.
В качестве опорных выбраны наиболее контрастные месторождения, которые
отличаются по минеральному составу руд и типу вмещающих пород, а также по
степени развития природных процессов гипергенеза. На выбранных объектах по-
разному проявлены процессы техногенеза: Амурское месторождение не
эксплуатировалось, на Яман-Касинском эксплуатация на момент исследований
была завершена около 5 лет назад, на Блявинском и Верхне-Аршинском – более
30 лет назад.
Работа основана на оригинальном материале, отобранном автором на
Амурском, Верхне-Аршинском, Блявинском и Яман-Касинском месторождениях.
Для сравнения привлекались материалы по другим объектам, отобранные
автором, руководителем и сотрудниками Института минералогии УрО РАН.
Для выполнения работы применены следующие методы и подходы:
Полевые методы включали документацию керна разведочных скважин и
участков развития техногенной минерализации в обнажениях, отбор
систематических коллекций водорастворимых сульфатов и глинистых
образований, проведение замеров in situ рН и Eh техногенных растворов.
Лабораторные исследования. Использовались методы оптической
микроскопии, рентгеноструктурного (УРС-2, ДРОН-2.0, Shimadzu-6000,
аналитики П. В. Хворов, Е. Д. Зенович, Т. М. Рябухина) и электронографического
анализа (ЭМР-100, аналитики В. А. Котляров, И. А Блинов), термогравиметрии
(Q1500, аналитик П. В. Хворов), растровой электронной микроскопии с энерго-
дисперсионными анализаторами (РЭММА-202М, аналитик В. А. Котляров, Tescan
VEGA-3, И. А. Блинов, LEO аналитик А. Т. Титов). Для определения химического
состава привлечены атомно-абсорбционный (Perkin-Elmer 3110 пламя ацетилен-
воздух, аналитик М. Н. Маляренок) и классический метод «мокрой» химии
(Г. Ф. Лонщакова, Л. Г. Удачина), а также рентгено-флуоресцентный анализ
(INNOV-X-alfa, аналитик И. А. Блинов). Для изучения динамики окисления руд
конкретных месторождений и сорбции цинка смектитами и гидроксидами железа
автором была поставлена серия экспериментов.
Практическая значимость
В настоящее время считается перспективным извлечение металлов из
многокомпонентных рудничных вод [Белобаба и др., 2011; Шадрунова, Орехова,
2011; Лебедь и др., 2011]. Информация о техногенных минералах цинка и
определение причин зональности корок водорасторимых сульфатов необходима
для совершенствования технологии комплексного извлечения цинка из руд.
Определение кристаллохимических особенностей цинксодержащих слоистых
силикатов на Амурском месторождении необходимо при возможной отработке
«несульфидных» цинковых руд. Данные о минералах цинка и минеральных
ассоциациях в природных и техногенных зонах окисления найдут применение при
экологическе оценке последствий горнодобывающей деятельности.
Личный вклад автора заключается в участии во всех этапах исследований:
сборе фактического материала, подготовке проб, проведении анализов и
экспериментов, расшифровке и интерпретации полученных данных.
Научная новизна
1. В бурых железняках стратиформных месторождений впервые
установлены гипергенные цинк, латунь, сфалерит, цинкит, содержащие цинк
минералы группы крандаллита.
2. Охарактеризован основной носитель цинка в несульфидных рудах
Амурского месторождения – смешанослойный смектит-хлорит.
3. Установлены основные формы фиксации цинка в природных зонах
окисления сульфидных месторождений Южного Урала: связанная со слоистыми
силикатами и сорбированная на гидроксидах железа.
4. Для стратиформных цинковых и колчеданных медно-цинковых
месторождений показано сходство минерального состава техногенных сульфатов
на уровне групп и различие в пределах минеральных видов.
Работа состоит из введения, заключения, пяти глав основного текста и
приложения, содержит 163 страницы текста, 77 рисунков, 45 таблиц. В списке
литературы 123 наименования, в том числе 8 фондовых и 115 опубликованных
источников.
Первая глава содержит обзор типов цинковых месторождений и минералов
цинка, характерных для зон окисления. Вторая глава посвящена описанию
геологического строения объектов исследования и результатам
экспериментального окисления сульфидных руд конкретных месторождений. В
третьей главе приводится описание гипергенных минералов изученных
месторождений в соответствии с минералогической классификацией. Четвертая
глава посвящена минеральным ассоциациям зон окисления. В пятой главе
рассмотрены особенности минеральной ассоциации сульфатов испарительного
барьера, обсуждаются причины зональности водорастворимых сульфатов и
обобщаются данные по техногенным образованиям на месторождениях.
На защиту выносятся три защищаемых положения:
Защищаемое положение 1. Собственные минералы цинка в природных зонах
окисления сульфидных месторождений на Южном Урале редки и представлены
на стратиформных месторождениях цинка самородными формами (цинк,
цинкистая медь), цинкитом, сфалеритом, а также цинк-содержащими слоистыми
силикатами. На колчеданных медно-цинковых – водорастворимыми сульфатами,
редко – цинкистой медью, цинкитом, гипергенным сфалеритом и карбонатами
(смитсонит, монгеймит).
Защищаемое положение 2. В линейной зоне окисления Амурского
месторождения цинк концентрируется в виде структурной примеси в
неупорядоченном хлорит-смектите, который образуется в результате воздействия
растворов, возникающих при окислении сульфидных руд, на силикатные породы.
Защищаемое положение 3. В техногенных зонах окисления южноуральских
месторождений водорастворимые сульфаты цинка представлены госларитом,
продуктами его дегидратации, дитрихитом и цинкокопиапитом, изоморфная
примесь цинка характерна для минералов групп эпсомита, мелантерита и
продуктов их дегидратации, галотрихита и копиапита. Собственные сульфаты
цинка образуются из кислотных растворов только на ранней стадии техногенеза
при незначительном вовлечении в процессы окисления пирита, на более поздних
стадиях цинк входит в сульфаты в качестве изоморфной примеси.
Апробация работы
Материалы диссертации представлялись на конференциях: Школа
экологической геологии (Санкт-Петербург, 2005, 2008); «Металлогения древних и
современных океанов» (Миасс, 2006-2013); «Минералы: строение, свойства,
методы исследования» (Миасс, 2009, 2010); «Минералы и минералообразование в
природных и техногенных процессах» (Уфа, 2009); Уральская минералогическая
школа (Екатеринбург, 2009, 2011); «Минералогия и геохимия ландшафта
горнорудных территорий, современное минералообразование» (Чита, 2010). На
международных конференциях: «Мёссбауэровская спектроскопия и ее
применение» (Екатеринбург, 2009); «Кристаллохимия, рентгенография и
спектроскопия минералов» (Санкт-Петербург, 2011), «Глины, глинистые
минералы и слоистые материалы» (Санкт-Петербург, 2013).
По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 3 – в журналах списка
ВАК.