Магнитные особенности хромитовых руд и вмещающих пород Приполярного Урала

Магнитные особенности хромитовых руд и вмещающих пород Приполярного Урала

Введение

Магнитная восприимчивость горных пород характеризует способность их намагничеваться современным магнитным полем Земли. Тем не менее κ -это весьма информативный магнитный параметр горных пород. Знания о магнитной восприимчивости пород совершенно необходимы для расчетов и интерпретаций магнитных аномалий. И наконец, κ - это наиболее просто измеряемый магнитный параметр, по которому в настоящее время накоплен достаточно представительный статистический материал, касающейся различных горных пород, геологических тел и процессов.

Задачами исследования являются:

Определение магнитных характеристик хромитовых руд и вмещающих пород; составление петромагнитной карты данного геологического участка; оценка возможностей петрофизических исследований при проведении поисково-оценочных геологоразведочных работ.

Исследования выполнены в рамках детальных поисковых работ на хромитовые руды, проводимых по целевой программе «Урал промышленный - Урал Полярный» в северной части Олыся-Мусюрскоко массива (Нядокотинское рудное поле).

Определения петрофизических характеристик выполнены на образцах хромитовых руд и вмещающих пород из геохимической коллекции собранной геологами ИМГРЭ (г. Москва) и УНПЦ "Поисковая геохимия" (Воронежский госуниверситет).

Геологическое строение Нядокотинского рудного поля

Нядокотинское рудное поле охватывает северную часть Олыся-Мусюрского гипербазитового массива, в междуречье руч. Максимка-Шор и р. Бол. Нядокота. Рудное поле приурочено к локальному структурно-тектоническому блоку, который имеет в плане линзообразную форму с максимальной шириной более 4,5 км и площадью около 30 км2 .

Все границы гипербазитового массива Олыся-Мусюр являются тектоническими. На западе, по зоне Главного Уральского разлома (надвига) массив надвинут на Неркаюский метаморфический комплекс нижнего протерозоя (PR1nk) [5]. Восточная часть рудного поля перекрыта мощным чехлом четвертичных отложений, поэтому граница проведена непосредственно по оконтуренной части продуктивных образований и в определенной степени является условной. Лишь на юго-востоке маршрутными исследованиями установлен тектонический контакт с вулканогенно-осадочными породами нахорской толщи (D2-3nh). Северная и южная границы рудного поля проведены по поперечным разломам северо-западного простирания.

В геологическом строении участка принимают участие две ассоциации гипербазитов: дунит-верлит-клинопироксенитовая (σ-υO1-2s) и дунит-гарцбургитовая (σ-υσO1-2s).

Дунит-верлит-клинопироксенитовая (ДВК) ассоциация пород слагает западную и северо-западную часть рудного поля и занимает около 20% площади. В структурном плане породы наследуют общее северо-восточное простирание массива и прослеживаются в виде полосы шириной 1-1,2 км с падением полосчатости и неоднородности на юго-восток под углом 50-70о.

В составе ДВК ассоциации выделяются собственно клинопироксениты, оливиновые клинопироксениты - верлиты и контрастные им серпентинизированные дуниты.

Рис. 1. Схема геологического строения Нядокотинского рудного поля: 1 - дунит-верлит-клинопироксенитовая ассоциация; 2 - гарцбургитовый СВК; 3 - дунитовый СВК; 4 - антигоритовые серпентиниты; 5 - апогарцбургитовые серпентиниты; 6 - оливин-энстатитовые породы гигантозернистой структуры; 7 - аподунитовые серпентиниты (насыщенность зоны 30-50%); 8 - аподунитовые серпентиниты (насыщенность зоны >70%); 9 - Неркаюский метаморфический комплекс; 10 - габброиды тагилокитлымского комплекса; 11 - девонские образования нахорской толщи; 12 - четвертичные образования; 13 - зона Главного Уральского разлома (надвиги, зубцы обращены в сторону аллохтона); 14 - тектонические нарушения; 15 - геологические границы

Клинопироксениты и верлиты составляют до 90% объема закартированного комплекса. Серпентинизированные дуниты представлены жилообразными телами, вытянутыми согласно простиранию вмещающих клинопироксенитов, различной мощности от первых метров до 50-70 м. Неотъемлемым членом ДВК ассоциации являются протяженные (до 120 м) маломощные (до 20 м) согласно залегающие тела гранат-амфиболовых пород. Подобные образования закартированы и в пределах дунит-гарцбургитовой ассоциации.

Как говорилось выше, на западе породы ДВК ассоциации имеют тектонический контакт с метаморфическими образованиями Неркаюского блока (PR1nk), где клинопироксениты превращены в хлорит-амфиболовые сланцы с реликтами клинопироксена, проявлена интенсивная серпентинизация [1]. Наиболее ярко выраженная антигоритизация клинопироксенитов и верлитов проявлена вдоль контакта с породами ДГ ассоциации.

Дунит-гарцбургитовая (ДГ) ассоциация занимает 80% площади Нядокотинского рудного поля. Расшифровка внутреннего строения и вещественного состава сильно осложняется из-за низкой степени обнаженности и интенсивной серпентинизации исходных пород. Однако при детальном изучении отчетливо устанавливается полосовидное строение, совпадающее с общим северо-восточным простиранием массива и падением пород на юго-восток под углами 55-75о.

В целом геологическое строение дунит-гарцбургитовой ассоциации представляется относительно простым. При анализе геологической карты центральной части Нядокотинского рудного поля структурный план представляется еще более отчетливо по линейно вытянутым зонам развития аподунитовых серпентинитов в северо-восточном направлении. Ширина выходов аподунитовых серпентинитов на поверхность различна: до 600 м в западной части, в центральной - 120-500 м, в восточной части полоса развития аподунитовых серпентинитов наиболее мощная и составляет более 1 км. Причем все три зоны имеют тенденцию к выклиниванию в северо-восточном направлении. При этом количественная роль дунитовой составляющей в составе дунит-гарцбургитовой ассоциации увеличивается с запада на восток. В составе дунит-гарцбургитовой ассоциации выделяются два структурно-вещественных комплекса (СВК): гарцбургитовый и дунитовый.

Гарцбургитовый СВК. Мощность данного комплекса составляет более 1000 м и протягивается в северо-восточном направлении в непосредственном контакте с породами дунит-верлит-клинопироксенитовой ассоциации. Западная близконтактовая часть (75-125 м) комплекса представлена антигоритовыми серпентинитами, которые образовались по породам гарцбургитового состава в результате контактового метаморфизма, при выдвижении на поверхность более поздних клинопироксенитов [1].

Апогарцбургитовые серпентиниты являются доминирующими породами комплекса и занимают центральное положение, в восточной части на контакте с зоной развития аподунитовых серпентинитов, они преобразованы в оливин-энстатитовые породы, характеризующиеся крупнозернистой структурой и низкой степенью серпентинизации. Наиболее крупные тела этих пород прослежены на севере и в южной части комплекса, где их мощность достигает десятков метров. В отдельных случаях устанавливается хроммагнетитовая минерализация в виде полос и шлировых выделений, как внутри тел оливин-энстатитовых пород, так и на контакте с аподунитовыми серпентинитами.

В пределах гарцбургитового СВК штокообразные дунитовые тела проявлены слабо. Определить параметры отдельных тел аподунитовых серпентинитов удается не всегда из-за слабой обнаженности. Как правило, они имеют линзообразную форму, реже неправильной формы. Мощность отдельных линз достигает 30-70 м, при протяженности до 120-200 м. При этом в восточной части, у границы с дунитовым комплексом выявлена система пересекающихся линейных жил дунитов, клинопироксенитов и хромитов. Мощность данной зоны не постоянна и изменяется от десятков метров на севере, до первых сот метров в центре и на юге. Жилы расположены под разными углами к структурным элементам гарцбургитов, границы дунитовых жил с гарцбургитами резкие. Мощность жильных тел изменяется от 2-3 до 10-20 м. Общий объем жильного материала, в составе которого резко доминируют дуниты, составляет 2-5%, на отдельных участках возрастает до 10-15%, что указывает на возможное наличие на глубине крупных штокообразных дунитовых тел.

Граница между гарцбургитовым и дунитовым структурно-вещественными комплексами проводится по зоне развития метаморфизованных клинопироксенитов (на отдельных участках преобразованы в гранат-амфиболовые породы), которые окружены контактовыми антигоритовыми серпентинитами. Данный маркирующий горизонт мощностью 20-30 м, прослеживается через всю центральную часть Нядокотинского рудного поля. На отдельных участках клинопироксен замещается амфиболами тремолит-актинолитового ряда, количество граната (альмандинового ряда) не постоянное от единичных зерен до 30-40%. Породы мелко-среднезернистые, им свойственна сланцеватая текстура, из акцессорных широко развит сфен. По периферии они окружены антигоритовыми серпентинитами, которые развиваются по перидотитам вмещающих комплексов.

Дунитовый СВК имеет широкое развитие в центральной и восточной части Нядокотинского рудного поля, мощность данного комплекса составляет около 2,5 км. Отличительной особенностью данного комплекса является то, что более 60% площади занимают аподунитовые серпентиниты, разделенные маломощными прослоями апогарцбургитовых серпентинитов. Полосы дунитов обычно ориентированы вдоль структурных элементов гарцбургитов. По падению они залегают согласно с полосчатостью гарцбургитов. Мощность линзовидных и полосовидных выделений дунитов варьирует от десятков до нескольких сот метров, протяженность достигает сотни метров и более. Полосы гарцбургитов между выделениями дунитов не превышают по мощности тела дунитов. Чередование дунитов и гарцбургитов создает грубо полосчатое, шлирово-полосчатое строение дунит комплекса. Переходы между полосами дунитов и гарцбургитов более резкие, чем у шлировых выделений дунитов, но тем не менее, являются постепенными. Количество дунитовых выделений в гарцбургитах в пределах крупных зон весьма изменчиво и варьирует от 5-10% до 30% и более. Выделяются три зоны развития аподунитовых серпентинитов: западная, центральная и восточная.

Западная зона развития аподунитовых серпентинитов простирается вдоль контакта с гарцбургитовым комплексом и имеет постоянную мощность 200-250 м на всем протяжении более 1 км. В центральной части дунитового комплекса выделяется не выдержанная по мощности зона развития аподунитовых серпентинитов протяженностью более 2,5 км. При этом на севере мощность зоны не превышает 200 м, а в южной части наблюдается раздув до 500 м. С запада и востока зона окружена апогарцбургитовыми серпентинитами, мощность которых не превышает 300-350 м. Внешне они мало отличаются от подобных образований гарцбургитового СВК. Отмечается, что количество бастита в массе породы уменьшается по мере приближения к контакту с аподунитовыми серпентинитами.

В восточной части Нядокотинского рудного поля аподунитовые серпентиниты занимают доминирующее положение, суммарная мощность дунитовых выделений составляет около 1000 м, при протяженности первые километры. Дунитовые выделения во всех трех зонах проявлены неправильной штокообразной формой, мощность которых варьирует от нескольких сотен до десятков метров. Штокообразные дунитовые тела окружены гарцбургитами, насыщенными мелкими дунитовыми выделениями. Количество шлировых, шлирово-полосчатых выделений дунитов в гарцбургитах весьма изменчиво и статистически уменьшается в стороны от крупных дунитовых тел от 30-50% и более до первых процентов на удалении.

Определение петромагнитных характеристик и обработка данных

петромагнитный карта магнитный руда

Определения петрофизических характеристик выполнены на образцах хромитовых руд и вмещающих пород (серпентиниты и клинопироксениты) из геохимической коллекции собранной геологами ИМГРЭ (г. Москва) и УНПЦ "Поисковая геохимия" (Воронежский госуниверситет) в северной части Олыся-Мусюрского массива. Отбор образцов осуществлялся маршрутной съемкой из эллювиально-деллювиальных и коренных отложений. Всего было отобрано 456 образцов (прил. 1).

Магнитная восприимчивость горных пород изменяется в очень широких пределах - от долей до десятков тысяч 10-5 ед. СИ, и зависит от соотношения в породе диа-, пара- и ферромагнитных минералов. Хотя в породе в общем случае присутствуют все три разновидности магнетиков, её «магнитный облик» определяется преимущественно содержанием и свойствами ферромагнитных минералов, обладающими в сравнении с остальными аномальной магнитной восприимчивостью.

Наиболее магнитным является магнетит, который образуется при гидротермальном преобразовании (серпентинизации) ультраосновных горных пород [2, 3].

Измерение магнитных свойств отобранных пород осуществлялось с помощью каппаметра ПИМВ-М. Качество измерений определено по 20% контрольных образцов. Погрешность составила менее 1%.

Результаты наблюдений были подвергнуты стандартной обработке. Построение вариационных кривых производят для петрофизических групп пород (выборок), которые формируются по наиболее общим и устойчивым признакам - генетическому типу пород, составу, текстурно-структурным признакам и т.п.

Для выяснения характера распределения физического параметра используется вариационный ряд, в котором каждому значению параметра соответствует определенная частота попадания измеренной величины исследуемого физического параметра в некоторый заданный интервал.

При построении вариационного ряда в линейном масштабе начало любого К-го интервала можно рассчитать по формуле арифметической прогрессии Xmin+ΔX*K, где Xmin-минимальное значение параметра в исследуемой выборке; ΔX- ширина интервала (шаг группирования). Величину ΔX можно определить по формуле Стерджесса

где Xmax, Xmin-соответственно максимальное и минимальное значения параметра в выборке; N- количество измерений. Эта формула дает хорошие результаты и чаще используется при больших объемах выборки.

Рассчитанное значение ΔX быть не менее двойной ошибки измерений, т.е. ΔX2σ.

По результатам составления вариационного ряда строят гистограмму или вариационную кривую распределения параметра. Гистограмма - это ступенчатая кривая, состоящая из прямоугольников, ограниченных по оси абсцисс интервальными значениями параметра и имеющая ординаты, равные значениям относительной частости в процентах.

Вариационная кривая - плавная кривая, соединяющая средние точки ступенчатой диаграммы.[3,4]

Для автоматизации построения гистограмм была специально написана программа в математическом процессоре «Mathcad»:

Ввод исходных данных (чтение массива)

Выводим прочитанный массив

Определим количество строк в массиве

Переприсваиваем данные

Размер массива:

Определим характеристики массива данных

Определим шаг представления гистограммы

Если не устраивает интервал разбиения гистограммы, то вводим наше значение интервала

Определим число границ интервалов до ближайшего большего целого

Создаем вектор границ интервалов

Программа вычисления данных для гистограммы

Расчет гистограммы по нашей программе

Выражаем частость в %:

Группирование образцов осуществлялось по именованию пород. Всего выделено 5 групп: хромитовые руды (86 обр.), клинопироксенит (62 обр.), аподунитовый - серпентинит (178 обр.), апогарцбургитовый серпентинит (100 обр.), антигоритовый серпентинит (30 обр).

Результаты обработка данных петрофизических измерений

На общей гистограмме (рис.2) магнитной восприимчивости видно, что значение параметра изменяется в широких пределах, но при этом достаточно отчетливо выделяются две группы пород - первая с высокими показателями магнитной восприимчивости, которую можно отнести к редковкрапленным рудам; и вторая с наименее низкими значениями, соответствующая сплошным и массивным типам руд.

Рис. 2. Гистограмма магнитной восприимчивости руд и вмещающих пород

Наибольшее количество образцов имеют магнитную восприимчивость (κ) от 0*10-5 ед. СИ до 400*10-5 ед. СИ, этому интервалу соответствуют массивные невыветрилые породы. Сильно выветрилые породы составляют менее 5% от общего числа образцов и имеют магнитную восприимчивость(κ) в интервале от 5000*10-5 ед. СИ до 13422*10-5 ед. СИ. Столь высокие значения κ связаны с серпентинизацией пород и воздействием процессов выветривания.

Объем выборки для построения гистограмм по хромитовым рудам составляет 86 образцов. На гистограмме построенной по всем хромитовым рудам (рис. 3) четко фиксируется основная группа и одиночные столбцы. Дифференцированным столбцам гистограммы соответствуют редко вкрапленные руды в сильно выветрилой вмещающей породе.

Магнитная восприимчивость образцов входящих в этот интервал колеблется от 1000*10-5 ед. СИ до 7000*10-5 ед. СИ. Поэтому рассмотрим более подробно основную группу хромитовых руд (рис.3).

Рис. 3. Гистограмма магнитной восприимчивости для всех хромитовых руд

По характеру гистограммы (рис.4) можно судить о четком разделении пород на три группы. Одна из них соответствует сплошным и массивным рудам, вторая - густовкрапленным, третья - редковкрапленным.

Рис. 4. Гистограмма и вариационные кривые магнитной восприимчивости для основной группы хромитовых руд: 1-сплошные и массивные руды, 2-густовкрапленные, 3-редковкрапленные

По вариационным кривым видно, что на руды оказывали воздействие вторичные процессы (метаморфизм), о чем свидетельствует асимметричная форма кривых [4]. Причем заметно увеличение количества магнетита при уменьшения вкрапленности хромитовых руд, т.е. повышению параметра магнитной восприимчивости способствует увеличение массовой доли содержания серпентинита в породе.

Схожую вариационную кривую имеют аподунитовые серпентиниты (рис.5). Это так же связано с наложением вторичных процессов на породу и изменение её петрофизических свойств. Стоит отметить, что аподунитовые серпентиниты отличаются от апогарцбургитовых повышенными значениями магнитной восприимчивости.

Рис. 5. Гистограмма и вариационная кривая для аподунитовых серпентинитов

Гистограмма для апогарцбургитовых серпентинитов (рис.6) , как и гистограмма для хромитовых руд, имеет достаточно сложное строение. На ней отчетливо выделены три группы пород: первая относится к серпентинитам с содержанием бастита более 25%, вторая отвечает апогарцбургитовым серпентинитам расположенным на контакте с дунитовыми телами и третья принадлежит к апогарцбургитовым серпентинитам среди аподунитовых серпентинитов.

Рис.6. Гистограммы и вариационные кривые для апогарцбургитовых серпентинитов:1-серпентиниты с содержанием бастита >25%, 2-апогарцбургитовые серпентиниты на контакте с дунитовыми телами, 3-апогарцбургитовые серпентиниты среди аподунитовых дунитов

Гистограммы для антигоритовых серпентинитов (рис. 7) и клинопироксенитов (рис.8) сильно дифференцированы. Так значения магнитной восприимчивости клинопироксенитов имеют диапазон от 18*10-5 ед. СИ до 13422*10-5 ед. СИ при объеме выборки 62 образца. Около 40% клинопироксенитов имеют минимальные значения магнитной восприимчивости, большая часть отобранных образцов подвержена амфиболитизации в результате метаморфизма.

Рис.7. Гистограмма магнитной восприимчивости для антигоритовых серпентинитов

Рис.8. Гистограмма магнитной восприимчивости для клинопироксенитов

В ходе геологических работ в северной части Олыся-Мусюрского гипербазитового массива вдоль зоны развития хромитовых руд пройден ряд горных выработок. На одной из которых, КАНАВА №35 (прил. 2), были проведены более детальные измерения. Был построен геологический разрез вдоль канавы (рис.9).

Рис.9. Геологический разрез вдоль канавы № 35

На этом разрезе вскрываются различные типы серпентинитов и три тела густовкрапленных хромитовых руд. Места отбора образцов, для определения петрофизических параметров, обозначены точками с индексами.

Помимо магнитной восприимчивости горных пород, была померена плотность этих же образцов. Так густовкрапленные хромитовые руды фиксируются повышенными значениями плотности и пониженными значениями магнитной восприимчивости. Это связано с уменьшением массовой доли серпентинита и, следовательно, с меньшим количеством магнетита, который оказывает большое влияние на магнитную восприимчивость горных пород.

Петрофизические карты или карты физических свойств пород (петроплотностная, петромагнитная, петроэлектрическая, петроскоростная и др.), полученные по данным лабораторных измерений на образцах, являются фактической основой для петрографического (литологического) картирования изучаемой площади. С помощью таких карт можно фиксировать положение рудных объектов, имеющих контрастные петрофизические параметры по отношению к вмещающим породам.

На петромагнитной карте (прил. 2), составленной по полученным данным, фиксируются две линейных аномалии с пониженными значениями магнитной восприимчивости - восточная, с магнитной восприимчивостью от 0*10-5 ед. СИ до 2000*10-5 ед. СИ и центральная - с магнитной восприимчивостью от 0*10-5 ед. СИ до 1500*10-5 ед. СИ. Сопоставление с геологическими данными показывает, что восточная аномалия связана с расположенными близко друг к другу телами хромитовых руд. Центральная аномалия отвечает клинопироксенитовому телу.

Список литературы

1. Алексеев А. В. Геология и рудоносность ультраосновных массивов Хулгинского блока (Приполярный Урал). Литосфера № 5, 2011. - 80-92 с.

. Варлаков А. С. Петрология процессов серпентинизации гипербазитов складчатых областей. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1986. - 224 с.

. Вахромеев Г.С., Ерофеев Л.Я., Канайкин В.С., Номоконова Г.Г. Петрофизика: Учебник для вузов - Томск: Издательство ТГУ 1997.

. Молчанова А.А., Дортман Н.Б.. М., Петрофизика: Справочник. В трех книгах. Книга вторая. Техника и методика исследований. Недра, 1992, 256 с.

. Пыстин А. М. Карта метаморфизма Приполярного и южной части Полярного Урала. Сыктывкар: Коми НЦ УрО АН СССР. Препринт, вып. 259. 1991. - 20 с.