ГЕОХИМИЯ УГЛЕРОДА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 11 страница

Добыча. Месторождения глин разрабатываются преимущественно открытым способом. Огнеупорные глины и каолины могут добываться также и подземным способом. Разработка месторождений наиболее ценных глин производится при мощности рабочего пласта не менее 1 м и отношении мощности пород вскрыши к мощности рабочего пласта до 10/1. Крупными считаются месторождения огнеупорных, тугоплавких и легкоплавких глин и первичных каолинов с запасами (млн т) более 20, средними 5–20 и мелкими – менее 5. Для месторождений наиболее ценных бентонитовых глин приняты следующие градации по запасам (млн т): крупные – более 5, средние 1–5 и мелкие 1. В конце ХХ в. общий мировой уровень добычи глинистого сырья составил около 700 млн т. Наибольшее количество глин и каолинов было добыто в США (около 60 млн т).

Генетические типы промышленных месторождений. Месторождения глин и глинистых пород по условиям образования достаточно разнообразны. Среди них присутствуют как гипогенные (гидротермальные), так и гипергенные (остаточные, обломочные, инфильтрационные, осадочные и иные). Бентонитовые глины в одних случаях представляют результат подводного разложения вулканических туфов, в других – переотложения продуктов выветривания мафических горных пород. Все же главное значение имеют две геологопромышленные группы месторождений глинистого минерального сырья – выветривания (остаточные) и осадочные.

В группе остаточных месторождений наибольшее практическое значение имеют месторождения первичных каолинов. Они возникают при выветривании разных пород, но наиболее качественный каолин образуется при выветривании кислых изверженных пород – гранитов, пегматитов и аплитов. Для залежей характерна плащеобразная форма и непостоянная мощность. К этому типу относятся многочисленные месторождения Украины (Глуховецкое, Просяновское), Казахстана (Алексеевское), США (месторождения в штатах Джорджия и Южная Каролина), Великобритании и др.

Осадочные месторождения представлены континентальными, лагунными и собственно морскими глинистыми аккумуляциями. Среди континентальных месторождений промышленное значение имеют озерные, озерно-болотные, аллювиальные, ледниковые и флювиогляциальные. Месторождения глин континентального генезиса широко распространены на Восточно-Европейской платформе, в том числе и в Беларуси. Морские месторождения глин разделяются на прибрежные и месторождения удаленной от берега части шельфа. Прибрежно-морские месторождения формировались за счет аккумуляции глинистого вещества на глубинах до 50 м в зонах, где не было непрерывного взмучивания осадков – в бухтах, заливах, подводных частях речных дельт и между прибрежными островами. Глины этих месторождений плохо отсортированы и неоднородны по минеральному составу. Залежи имеют форму линзовидных пластов разной протяжности и изменчивую мощность – от 1–5 до 25–30 м и более.

Месторождения глин в удаленной от берега части шельфа возникали на глубинах до 200 м в пределах зон, где не было сильных течений. Здесь осаждались тонкодисперсные глинистые частицы. Преобладают гидрослюдистые и бейделлитовые глины, весьма однородные по гранулометрическому составу. Примеси представлены сидеритом, пиритом, глауконитом, марганцевыми и кремнистыми включениями, карбонатными и глинисто-карбонатными конкрециями. Мощность продуктивных толщ достигает 100 м и более. В Ленинградской области разрабатываются месторождения кембрийской «синей» глины мощностью до 200 м.

Геология месторождений глин и каолинов. Боровичско-Любытинская группа месторождений огнеупорных глин расположена на северо-западном крыле Московской синеклизы в пределах Любытинского, Окуловского и Боровичского районов Новгородской области. Площадь месторождений этой группы составляет 1500 км²; она вытянута в северо-западном направлении на 200 км при ширине 13–15 км – от ст. Угловка до д. Ключенки. Многие из месторождений приурочены к так называемому «карбоновому уступу», окаймляющему Мстинскую впадину. Продуктивной является песчано-глинистая толща нижнего карбона, залегающая на размытой поверхности верхнедевонских карбонатно-глинистых отложений. Огнеупорные глины приурочены к нижней части разреза этой толщи. Перекрываются они углями, углистыми и песчанистыми глинами и песками.

По степени пластичности и другим свойствам среди огнеупорных глин различают «сухари», «полусухари» и «мыленки». Близ Боровичей глины представлены преимущественно «сухарями» и «полусухарями», а у с. Любытино – «полусухарями» и «мыленками». Залежи огнеупорных глин имеют линзо- и пластообразную форму. Длина линз от 50 до 300 м, мощность – от 0–0,5 до 0,4 м. Глубина залегания огнеупорных глин на разных месторождениях и участках различна, обычно она составляет 20–110 м. Например, на Мишинском месторождении (24 км к северо-западу от г. Боровичи) глубина 35–112 м, на Волгинском (9 км к северу от г. Боровичи) – 21–72 м, на месторождении Пролетарий (5 км к востоку от г. Боровичи) – 32–64 м.

Наиболее ценными глинами являются «сухари», не размокающие в воде. Они светло-серые, серые и темно-серые, состоят из каолинита с примесью гидраргиллита. Огнеупорность их – 1670–1770 ^о С, содержание глинозема – 41–45 % и более. «Полусухари» светло-серого цвета, состоят из каолинита с примесью слюды, огнеупорность их – 1670–1710 ^о С, содержание глинозема – 39 %. Пластичные глины («мыленки») светло-серые до черных, состоят из каолинита и существенной примеси слюды, наблюдаются включения углистого вещества, пирит, сидерит, местами примесь тонкозернистого песка; огнеупорность 1580–1730 ^о С, содержание глинозема около 37 %. Огнеупорные глины отличаются высокой дисперсностью частиц (доминируют частицы диаметром менее 0,001 мм). Химический состав их испытывает значительные вариации.

Месторождения Боровичско-Любытинского глиноносного района эксплуатируются подземным и открытым способами. Глины используются в основном в производстве шамотных огнеупоров.

Месторождения глин и каолинов Беларуси. Месторождения глин связаны в основном с четвертичными отложениями (легкоплавкие глины), тугоплавкие – с олигоцен-плиоценовыми образованиями, распространенными на юге республики, а каолины – с корами выветривания. В настоящее время разведано более 220 месторождений легкоплавких глин с общими запасами около 200 млн м³ (разрабатывается более 100 месторождений, ежегодно добывается 2,5–3,5 млн м³). Сырьевая база тугоплавких глин базируется на 6 месторождениях с общими запасами по категориям А+В+С₁ 53,1 млн м³ и по категории С₂ – 3,5 млн м³. Эксплуатируются 4 месторождения: Городок, Столинские Хутора, Журавлево и Городное на юге Беларуси.

Каолины развиты в пределах Микашевичско-Житковичского выступа кристаллического фундамента. Они представляют собой продукт выветривания гранитогнейсов и гнейсов. Каолины, как правило, светло-серые и белые, слюдистые с примесью гидрослюд и монтмориллонита. Выявлены 4 месторождения: Ситница, Дедовка, Березина и Люденевичи – и несколько проявлений (Скрипицкое, Глушковичи, Селище). Залежи плащеобразные, мощность их 1,2–29,3 м (в среднем 10 м), глубина залегания – от 13 до 35 м. Прогнозные ресурсы оцениваются в 26,9 млн т. Предварительно разведаны 2 месторождения – Ситница (запасы по категории С₁ – 6,5 млн т) и Дедовка (запасы по категории С₁ – 6,3 млн т). Выход обогащенного каолина составляет 21,2–76,8 %. Они пригодны для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, не требующих высокой белизны, а также шамотных изделий.

Лекция 21. ПЕСОК, ГРАВИЙ, ПЕСЧАНИКИ
И КВАРЦИТЫ

Общие сведения. Песок – рыхлая осадочная порода, представленная мелкими обломками и зернами различных минералов и горных пород разной формы, размеров и степени окатанности. По гранулометрическому составу среди них различают мелкозернистые (величина зерен 0,25–0,1 мм), среднезернистые (0,5–0,25 мм), крупнозернистые (1–0,5 мм) и грубозернистые (2–1 мм) разности. Минеральный состав песков весьма разнообразный: кварцевые, кварц-полевошпатовые, кварц-глауконитовые, смешанные и др.

Гравий – рыхлая осадочная порода, состоящая из более или менее окатанных обломков различных горных пород (гранита, кремнистых пород, кварцита и др.) и минералов (большей частью кварца), причем размер зерен в основном варьирует от 1 до 10 мм (по данным некоторых авторов, – от 2 до 10 мм). Гравий в природе почти всегда встречается в смеси с песком, образуя песчано-гравийные и гравийно-песчаные породы, содержащие песок в количестве от 10 до 90 %.

Песчаники – осадочные сцементированные обломочные породы с зернами от 0,1 до 1 мм (по данным некоторых авторов, от 0,1 до 2 мм). По составу обломочных зерен выделяют песчаники трех основных типов: 1) мономинеральные (кварцевые), 2) олигомиктовые, 3) полимиктовые (граувакки, туффиты и др.). Цемент песчаников разнообразен (известковый, глинистый, кремнистый, железистый и др.).

Кварциты – это метаморфизованные и перекристаллизованные песчаники существенно кварцевого состава, в которых кварцевые зерна плотно прилегают друг к другу, образуя сплошную тонкозернистую массу, обладающую высокой механической прочностью.

Свойства. В основе применения в промышленности перечисленных выше горных пород лежат разнообразные физические и химические их свойства: рыхлость одних и механическая прочность других, абразивная способность зерен кварца, высокое содержание кремнезема и обусловленные этим огнеупорность и кислотоупорность. Залежи песка или гравия, разрабатываемые для заполнителей бетонов, должны быть чистыми, т. е. не содержать глинистого вещества, слюды и органических примесей. Для заполнителей бетонов очень важно такое свойство, как устойчивость к износу, особенно в тех случаях, когда бетон предназначен для дорожного строительства. Прочность заполнителя также имеет большое значение. Хороший заполнитель должен обладать большой устойчивостью к замораживанию и оттаиванию, увлажнению и усыханию. Трещиноватые и пористые обломки вредны, поскольку они могут расщепиться, расслоиться или растрескаться в бетоне. Имеет значение также форма частиц. Наиболее предпочтительны изометричные, округлые частицы, так как угловатые обломки делают бетон «шероховатым».

Свойства песка и гравия определяются тремя способами: визуальным осмотром, лабораторными испытаниями и петрографическим изучением.

Применение в промышленности. Песок и гравий применяются в качестве заполнителей, инертных и отощающих материалов в производстве строительного и силикатного кирпича, бетона, вяжущих растворов, стеновых блоков и т. п. Песок, гравий и щебень используются также для балластировки железнодорожных путей, устройства основания и подстилающего слоя автомобильных дорог. Фильтровальные пески применяются при создании мощных фильтровальных систем для очистки питьевой и технической воды, формовочные пески – для получения литейных форм и стержней, кварцевые пески – в стекольном производстве. Из кварцитов, обладающих большой механической прочностью, мелкозернистостью, малой пористостью и высокой кислотоупорностью получают материалы, используемые для сооружения кислотных башен, хранилищ для кислот и т. п.

Общетехнические условия. Качество и пригодность песков, гравия и кварцитов для различных видов производства определяются соответствующими ГОСТами и техническими условиями, в которых предусматриваются необходимые требования к гранулометрическому и минеральному составу обломков, степени их выветрелости, механической прочности, содержанию вредных примесей и др. Так, применяемые при плавке медных и никелевых концентратов флюсы из песчаников и кварцитов должны содержать не менее 80 % SiO₂ и минимальное количество вредных примесей – оксидов железа, алюминия, магния и кальция.

Требования, предъявляемые к кварцевым пескам для стекольного производства, следующие: 1) однородность гранулометрического состава – не менее 90 % зерен с размерами от 0,1 до 0,3–0,5 мм; 2) содержание кварца не менее 96 %, а для оптического, зеркального и других стекол высших сортов – 99,3–99,8 %; 3) минимальное содержание оксидов железа и хрома, окрашивающих стекло в желтый и зеленый цвет.

Песчаники и кварциты, применяемые для производства динаса (огнеупор, содержащий не менее 90–93 % кремнезема и изготовленный на известковой, известково-железистой или иной связке), должны содержать не менее 95–97 % SiO₂. Вредные примеси, которые лимитируются, – Fe, Al и Ca.

Технология производства стекла. Современная технология получения стекла включает ряд последовательных операций: подготовку необходимых сырьевых компонентов, их смешивание в определенных соотношениях в однородную шихту, варку шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы, доведения этой стекломассы до оптимальной для формирования изделий температуры и вязкости, формирование изделий, постепенное охлаждение полученных изделий, обработку (термическую, химическую, механическую) отформованных изделий.

Сырьевые материалы, используемые в производстве стекла, подразделяют на главные и вспомогательные. Главные материалы – кремнезем (обычно кварцевый песок или молотый кварц), борный ангидрид (бура или борная кислота), фосфорный ангидрид, оксид алюминия (глина, каолин, полевой шпат, глинозем), оксиды щелочных металлов (сода или безводный сульфат натрия, поташ, литийсодержащие минералы) и др. К вспомогательным сырьевым материалам относят всевозможные осветлители (сульфаты натрия и алюминия, хлористый натрий и другие, способствующие удалению пузырей), обесцвечиватели (для окисления соединений железа), красители (оксиды различных металлов), глушители (различные фтористые соединения) и восстановители (углеродистые вещества).

Стекловарение ведется при температурах 1400–1600 ^оС. Выделяются три стадии: провар, или собственно варка, когда происходит химическое взаимодействие между компонентами шихты и образование вязкой массы; очистка, или осветление, – удаление пузырьков и растворение остаточных кварцевых зерен; студка – охлаждение стекломассы до отпимальной температуры для получения из нее изделий.

Генетические типы промышленных месторождений. Основное промышленное значение имеют экзогенные месторождения песка и гравия, представляющие собой либо обломочные продукты выветривания, либо механические осадки, возникшие в результате переноса водными потоками или ветром продуктов выветривания различных коренных пород. Среди них выделяют аллювиальные, моренные, флювиогляциальные, морские и озерные песчаные и гравийно-песчаные отложения.

Осадочные месторождения песчаников сформировались в результате уплотнения и цементации песков, накопившихся в озерных или морских бассейнах. Цемент может быть первичным или вторичным. Залежи имеют, как правило, пластообразную форму, значительное распространение по площади и относительно выдержанную мощность. В пределах Восточно-Европейской платформы известны многочисленные месторождения кремнистых песчаников. Наиболее крупные из них: Тарасовское и Долотинское в Ростовской области (Россия) и Баническое в Сумской области (Украина).

Метаморфогенные месторождения кварцитов сформировались на низших ступенях регионального метаморфизма докембрийских и палеозойских песчаников. Залежи кварцитов представлены пластообразными и линзообразными телами. Такие месторождения имеются в пределах Украинского (Овручское) и Балтийского (Шокшинское, Сегозерское и др.) кристаллических щитов, Уральской геосинклинали (Рудничное месторождение на Среднем Урале).

Геология месторождений. Овручское месторождение кварцитов находится в Житомирской области Украины в 1,5 км к северу от ст. Толкачевская. Оно многие годы разрабатывалось строительными организациями Беларуси. Месторождение приурочено к северной части Украинского кристаллического щита и связано с овручской свитой, относимой к протерозою. Породы этой свиты прослежены на площади длиной 65 км и шириной 5–20 км. Кроме кварцитов и кварцитовидных песчаников в составе овручской свиты распространены пирофиллитовые профиллит-хлоритовые сланцы, конгломераты, кварцевые порфиры, порфириты и диабазы. Мощность свиты до 150 м. Породы вскрыши представлены четвертичными песками, глинистыми со щебенкой и валунами кварцитов. На Толкачевском участке Овручского месторождения мощность вскрыши составляет 0,6–5,0 м. Кварциты и кварцитовидные песчаники слагают на этом участке северное крыло крупной брахиантиклинали, углы падения которого составляют 10–15 ^о.

Полезное ископаемое имеет розовую, буровато-розовую, серую и розово-бурую окраску. Структура пород мелкозернистая. Сложены кварциты и кварцитовидные песчаники главным образом кварцем, в незначительном количестве присутствуют мусковит и пирофиллит, а в качестве акцессорных минералов – циркон, гематит, ильменит, апатит, рутил, лейкоксен и гидрогетит. Диаметр зерен кварца в кварцитах и песчаниках в основном 0,05–0,30 мм. Мощность продуктивного горизонта колеблется от 20–25 до 75 м. Химический состав кварцитов (%): SiO₂ 95–99; Al₂O₃ 0,46–5,50; Fe₂O₃ 0,09–3,68; CaO 0,19–1,44. Огнеупорность их 1750–1780 ^оС. Породы пригодны для получения динаса, а также для изготовления бутового камня, щебня и др.

Месторождения песков и песчано-гравийного сырья Беларуси. Месторождения песков стратиграфически связаны с четвертичной толщей, реже – с отложениями палеоген-неогена. Они, как правило, водно-ледникового и озерно-аллювиального происхождения, на юге Беларуси имеются также пески эолового генезиса. Песчано-гравийные и песчано-галечниковые образования обычно связаны с моренными и конечно-моренными, реже с аллювиальными и древнеаллювиальными аккумуляциями.

Сырьевая база строительных и силикатных песков включает около 80 месторождений с общими запасами 348,0 млн м³. Пески залегают на поверхности или близко от последней в виде линзовидных или пластообразных залежей различных размеров. Мощность отдельных залежей достигает 15 м. Разрабатывается более 35 месторождений. Среди них – Кульбаки, Оршанское, Песчаная Гора, Ольшанка и др. Ежегодная добыча составляет 7–8 млн м³.

Залежи формовочных песков выявлены в Жлобинском (месторождение Четверня) и Добрушском (Ленино) районах Гомельской области. Месторождение Четверня эксплуатируется Жлобинским карьероуправлением, а Ленино – Гомельским горно-обогатительным комбинатом. Ежегодно добывается 0,55–0,60 млн м³ формовочных песков.

Залежи песчано-гравийного материала широко распространены на севере и в центре Беларуси. По размерам они обычно небольшие (до 50 га), иногда более. Мощность продуктивной толщи – от 1–3 до 10–20 м. Гранулометрический состав непостоянный, содержание основных компонентов варьирует (%): гравия – от 5–10 до 75, гальки – от 0 до 55, песка – от 5–10 до 75, глинистых частиц – до 5–7. Разведано более 130 месторождений с общими запасами 704,4 млн м³, из них эксплуатируется около 80 месторождений. Ежегодно добывается 2,5–2,9 млн м³ песчано-гравийного материала.

* Тут – тонна условного топлива с удельной теплотой сгорания 29,303 МДж/кг.