Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по геологии-минералогии
окальные геолого-динамические факторы формирования комплексных прибрежно-морских россыпей тяжелых минералов
Автореферат докторской диссертации по геологии-минералогии
|
Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТАСтруктура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и содержит 293 страницы текста, 75 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 267 наименований.
В главе 1 дается описание объекта исследований - современных и ископаемых комплексных ПМР, их морфоструктурных, фациальных, литодинамических и литолого-минералогических особенностей.
В главе 2 исследуется гидро- и литодинамика прибрежно-морской зоны россыпеобразования и описываются механизмы концентрации тяжелых минералов в различных динамических зонах.
В главе 3 рассмотрены математическая модель вдольберегового потока наносов, влияние разных литодинамических режимов на процессы концентрирования тяжелых минералов и определены оптимальные условия для образования комплексных ПМР.
В главе 4 моделируются тектонические режимы областей россыпеобразования и определяется их влияние на структуру, состав, локализацию и условия сохранности ископаемых комплексных ПМР;
В главе 5 приводится обобщенная локальная прогнозно-ориентированная геолого-динамическая модель месторождения комплексных ПМР тяжелых минералов для различных фациальных и литодинамических зон бассейнов россыпеобразования.
В главе 6 содержатся рекомендации по практическому использованию предлагаемой модели и дается прогноз комплексных ПМР тяжелых минералов в пределах исследованных россыпных районов и провинций.
Благодарности
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность (к огромному сожалению, уже ушедшим от нас): своему отцу, геологу с 40-летним стажем, первооткрывателю золотых и оловяных месторождений Колымы, Лаломову Валериану Александровичу, первому учителю в геологии - профессору Николаю Васильевичу Логвиненко, академику Николаю Алексеевичу Шило, с которым автору посчастливилось обсудить некоторые вопросы диссертации, и Наталии Георгиевне Патык-Кара, которая помогла определить основное направление данной работы. Большое спасибо член-корреспонденту РАН Юрию Григорьевичу Сафонову, докторам геолого-минералогических наук Б.А.Богатыреву, Ю.Ю.Бугельскому, Л.З.Быховскому, А.В.Волкову, Ю.О.Гаврилову, А.А.Кременецкому, К.В.Лобанову, В.А.Наумову, О.Б.Наумовой, В.М.Новикову, И.Г.Печенкину, В.Н.Холодову, В.И.Черкашину, И.А.Чижовой, кандидатам геолого-минералогических наук А.А.Бочневой, А.В.Григорьевой, В.Г.Изотову, Л.И.Исаковой, В.У.Мацапулину, Л.М.Ситдиковой, Л.В.Спорыхиной, М.А.Тугаровой, Р.М.Чефранову за творческое сотрудничество, конструктивную критику, полезное обсуждение материалов и помощь в проведении исследований. Спасибо сотрудникам НПЦ Мониторинг (г. Ханты-Мансийск) О.П.Федорову, В.И.Кудрину, В.А.Трофимову, НПП Техноцентр (г. Есентуки) А.Т.Васильеву, Кавказгеолсъемка Н.И. Пруцкому, доценту каф. Литологии СПбГУ М.В.Платонову, старшему исследователю Centre for Earth Science Studies (Индия) Сурешу Бабу за помощь в проведении полевых работ. Отдельное спасибо моему другу и коллеге С.Э.Таболичу и почетному председателю французского отделения Международной ассоциации седиментологов Ги Берто.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются основные задачи и цели работы, научная новизна исследований, приводится описание фактических материалов, которые положены в основу диссертационных исследований.
Глава 1. Основные типы, морфоструктурные, литолого-фациальные и литодинамические характеристики комплексных прибрежно-морских россыпей тяжелых минералов
Предметом исследования диссертационной работы являются комплексные прибрежно-морские россыпи тяжелых минералов, состоящие преимущественно из группы титановых минералов (ильменита, титаномагнетита, лейкоксена, рутила) и циркона, характеризующихся высоким показателем гипергенной устойчивости (Шило, 2002); в переменных количествах присутствуют монацит, устойчивые алюмосиликаты (дистен и силлиманит), брукит, сфен, гранаты и некоторые другие минералы, накапливающиеся в осадках в результате процессов гипергенеза и седиментогенеза. В ряде случаев отмечается присутствие тонкого и мелкого золота и алмазов.
В региональном структурно-тектоническом плане эти россыпи связаны с пассивными палеошельфами преимущественно мезозойско-кайнозойского возраста и залегают в платформенном чехле древних щитов и плит (Гурвич и др., 1964). Среди различных минеральных типов россыпных месторождений комплексные ПМР выделяются тем, что это единственная среди всего минерального разнообразия группа россыпей, для которых имеет значение не столько тип источника питания, сколько объем перерабатываемых пород, содержащих рудные минералы, и процессы многократного переотложения и концентрации через систему промежуточных осадочных коллекторов (Патык-Кара и др., 2006), а также устойчивый гидродинамический режим бассейна осадконакопления.
Наиболее благоприятные условия для россыпеобразования связываются с развитием в области источника кор химического выветривания, обеспечивавших полное высвобождение зерен тяжелых минералов из вмещающих пород.
Россыпи данного типа образуются преимущественно в прибрежно-морских обстановках; известные россыпи аллювиального и эолового комплексов генетически связаны с переработкой металлоносных прибрежно-морских отложений.
Среди россыпей современных побережий выделяются пляжевые россыпи литорали (beach placers, strand placers) и донные россыпи сублиторали (off-shore placers), расположенные в пределах гидродинамическиаа активногоаа морскогоаа мелководья.аа Аналогиаа этих современных типов прослеживаются в ископаемых россыпях, причем в пределах России существенно преобладает сублиторальный тип, что объясняется их лучшей сохранностью в периоды регрессии бассейна (Патык-Кара, 2008).
Для вещественного состава этих россыпей характерна хорошая сортированность вмещающего средне-мелкопесчаного -крупноалевритового материала, тяжелые минералы содержатся в классе крупности 0.25-0.05 мм. В результате длительного и многоэтапного сосуществования в ходе процессов седиментогенеза в осадке концентрируются тяжелые минералы и нерудные обломочные частицы одинаковой гидравлической крупности (скорости падения в водной среде), что во многом определяет специфику процессов россыпеобразования.
Глава 2. Литодинамические условия и механизмы формирования комплексных прибрежно-морских россыпей тяжелых минералов
В главе 2 раскрывается первое защищаемое положение диссертации.
Классическая схема образования россыпных концентраций, разработанная, в основном, на россыпях золота, олова и минералов платиновой группы, основана на разделении в водном потоке частиц различной гидравлической крупности (Шило, 2002; Сакс, Смолдырев, 1970, и др.). Комплексные ПМР представлены минералами, характеризующимися хорошей сортировкой и близкой гидравлической крупностью россыпных рудных компонентов и нерудных частиц, поэтому традиционный механизм россыпеобразования не может объяснить концентрирование тяжелых минералов комплексных ПМР.
Исследование процессов эрозии, транспортировки и отложения осадков на основании анализа уравнений движения наносов, детально разработанных в области гидротехники и инженерной геологии (Кнороз, 1958; Гришанин, 1979, Динамические процессы 2003; Julien, 1995 и др.), дает возможность выявить механизмы концентрации тяжелых минералов в условиях хорошей сортировки и близкой гидравлической крупности вмещающих нерудных отложений и полезного компонента.
Моделирование механизмов россыпеобразования позволяет исследовать факторы, влияющие на концентрацию тяжелых минералов в условиях прибрежно-морского осадконакопления. Проведенное автором изучение закономерностей перемещения частиц различных плотностей в потоке показывает, что эффекты концентрации тяжелых минералов связаны с процессами, происходящими в субламинарном придонном слое, где перемещение осадков происходит путем сальтации или волочения. При переходе во взвешенное состояние преобладающим становится эффект гидравлической эквивалентности, которыйаа ведетаа ка перемешиваниюа частицаа разныхаа плотностейаа и разубоживанию россыпных концентраций, в том числе и в фазе последующего осаждения взвешенных наносов.
Таким образом, наиболее эффективно процессы концентрации тяжелых минералов протекают в узком диапазоне гидродинамических энергий (придонных скоростей): начало процесса шлихования и образования остаточных концентраций соответствует минимальной горизонтальной срывающей скорости для безрудных частиц, прекращение процесса обогащения (и перемешивание осадка) происходит при придонных скоростях, соответствующих переходу во взвесь частиц тяжелых минералов.
Рис.1. Принципиальная схема россыпеобразования комплексных ПМР в береговой зоне бассейна.
А. Схематический поперечный профиль береговой зоны: 1 - область надводного пляжа выше области волнового воздействия; 2 - область гидродинамического воздействия: 2а - зона литорали, 2б - зона мелководья с умеренной гидродинамикой (сублитораль); 3 - область отсутствия волнового воздействия; Н0=максимальная глубина волнового воздействия; Нкр= критическая глубина забурунивания и разрушения волны. Б. Качественный график распределения придонных скоростей (Vo) на поперечном профиле береговой зоны с динамическими границами концентрации тяжелых минералов. Vox - минимальная срывающая скорость для безрудных частиц; Vr0z - скорость перехода во взвесь частиц тяжелых минералов.
1 - пески средне-мелкозернистые; 2 - пески тонкозернистые - грубые алевриты; 3 - алеврит мелкозернистый; 4 - фациальные границы литологических разностей осадков; 5 - концентрации тяжелых минералов в литоральной зоне; 6 - концентрации тяжелых минералов в зоне мелководья.
В прибрежно-морских обстановках россыпеобразования глубина внешней границы зоны волнового воздействия (Н0) соответствует 0.5 Л0 - половине длины волны открытого моря. Глубина забурунивания иразрушения волны (Нкр) приблизительно равна 0.15 Л0 (Морская геоморфология, 1980). Интенсивность гидродинамического воздействия на донные осадки максимальна в зоне забурунивания (Хкр) и падает до нуля на внешней границе зоны максимального заплеска (Х0) и мористой границе гидродинамически активной береговой зоны (Xmax).
Исходя из этого, на построенном автором поперечном профиле береговой зоны (рис.1) выделены две области, благоприятные для концентрации тяжелых минералов: зона литорали (пляжа) и зона сублиторали (мелководья с умеренной гидродинамикой) . Эти зоны россыпеобразования имеют существенные отличия по гранулометрическому составу как вмещающих осадков, так и россыпеобразующих компонентов, и по механизмам концентрации тяжелых минералов.
Установлено, что зона литорали характеризуется относительно крупными размерами тяжелых минералов (в большинстве случаев их основная часть содержится в классе 0.25-0.1 мм) (табл. 1), пониженной глинистостью отложений и узкой (ограниченной зоной заплеска), вытянутой вдоль береговой линии, часто не выдержанной по простиранию формой россыпных проявлений. Содержания россыпных минералов в пляжевой зоне могут достигать десятков процентов (сотен килограмм на кубический метр).
В зоне мелководья концентрируются преимущественно тяжелые минералы класса менее 0.1 мм, в нерудной части отмечается повышенное содержание глинисто-алевритовых классов, россыпные проявления имеют пространственно более выдержанную и более изометричную форму, что соответствует параметрам сублиторальных фаций. Содержание полезных компонентов в россыпях сублиторали, как правило, меньше, чем на пляже, при этом запасы месторождений значительно больше. Так, россыпные месторождения пляжевого типа бассейна Мюррей (Австралия) по объему запасов в десятки раз меньше таких гигантов как ВИМ-150, но, при этом, обладают высокой экономической привлекательностью в силу повышенного содержания полезного компонента и высокого технологического качества.
Автором установлено, что различия двух типов концентраций объясняются не только приуроченность россыпеобразования к разным фациально-литодинамическим зонам и интенсивностью в них гидродинамических процессов, но и различными механизмами концентрации тяжелых минералов.
*В числителе - данные по литорали, в знаменателе - по мелководью. ** Отложения литорали охарактеризованы в пределах россыпепроявления Гофицкое, отложения мелководья - в южной части Бешпагирской россыпи и по участкам Константиновский и Камбулат.
Россыпи фаций пляжа формируются под воздействием прибойного потока в условиях активного гидродинамического режима. Россыпные концентрации сублиторали образуются в зоне умеренной гидродинамики в результате действия течений за внешней границей зоны забурунивания, где колебательные волновые движения оказывают на донные осадки подчиненное влияние. Течения имеют относительно низкие скорости, направлены преимущественно в одну сторону и проявляются на довольно значительных площадях морского дна (Динамические ., 2003). Различия гидродинамических условий этих фациальных зон отражаются на структуре россыпепроявлений и преобладающих в них механизмах концентрации рудных минералов.
Находящиеся во взвеси гидравлически эквивалентные частицы не разделяются по удельному весу, но поток по-разному воздействует на неподвижно лежащие на дне, или перемещающиеся волочением частицы разной плотности.
Для преобладающих в комплексных ПМР частиц диаметром 0.25н0.01 мм неразмывающая придонная скорость v0 (она же минимальная срывающая) по формуле Кнороза (1958) определяется как:
V0i =0.71 Лр-0.5 v0.3 (g р*)0.35 D0.05 (2.1)
где Лр - гидравлический коэффициент трения, v - кинематический коэффициент вязкости, g - ускорение свободного падения, D - диаметр частицы; pi* = (pi - р) / р - относительная плотность частицы в воде, где pi и р - массовая плотность частицы и воды соответственно. Построчный индекс i = s для нерудных частиц вмещающих отложений, i = r для рудных частиц.
В результате преобразований уравнения Кнороза (1958) получаем соотношение:
Vos / Vor = (p*s / P*r)0.35(Ds / Dr)0.05 (2.2)
Исходя из этого, отношение диаметров равнопадающих частиц в рассматриваемой области обратно квадратному корню из отношения их относительных плотностей (уравнение Навье - Стокса), а отношение диаметров равносдвигаемых частиц обратно отношению их относительных плотностей в седьмой (!) степени:
Dr /D = (p*s / p*r)7а (2.3)
Так, например, для рассматриваемых частиц - кварца и ильменита, отношение равнопадаемости равно 0.67 (диаметр рудной частицы к диаметру нерудной), а отношение равносдвигаемости 0.0034. В то же время, необходимо отметить, что при увеличении крупности частиц, степень при отношении относительных плотностей в формуле (2.3) уменьшается и достигает 0.5 уже при D>2мм.
Анализ литературного и собственного материала по комплексным ПМР позволяет сделать вывод, что все многообразие литодинамических ситуаций в областях россыпеобразования может быть сведено к двум крайним случаям:
- знакопеременные движения частиц наносов в зоне литорали под действием разрушающихся, накатывающихся на берег и скатывающихся волн (зона заплеска);
- преимущественно однонаправленные движения частиц наносов в мелководной зоне вне существенного влияния волн на дно в потоке компенсационного, вдольберегового, градиентного, сточного и т.п. придонного течения.
Соответственно, различается и гидродинамика среды россыпеобразования: в области пляжа и на вершинах подводных валов, где происходит забурунивание волны или наблюдается отчетливая асимметрия траектории волнового движения частиц, происходит возвратно-поступательное движение придонного потока; в зоне сублиторали преобладает однонаправленное воздействие придонных течений компенсационного, вдольберегового, градиентного, сточного и т. п. происхождения.
Практически все имеющиеся на сегодняшний день формулы для расчета движения наносов, достоверность которых многократно проверена на практике, применяются в условиях субгоризонтального русла и не принимают в расчет наклон дна потока. В реальных условиях прибрежно-морской зоны концентрация тяжелых минералов практически всегда происходит на наклонных поверхностях донных форм рельефа: на волноприбойной поверхности пляжа или грядовых формах в зоне подводных течений сублиторали.
В этом плане наиболее актуальной представляется задача нахождения зависимости минимальной срывающей придонной скорости потока от угла наклона дна к горизонтальной поверхности. С этой целью известные зависимости были адаптированы автором для описания движения рудных и нерудных частиц на локальных участках дна, имеющих существенный наклон к горизонту, но не превышающий угол естественного откоса песчаных осадков в водной среде.
Поток может быть направлен как вверх по склону (набегающая на пляж волна, фронтальный склон донной гряды, тыловой склон гряды при образовании противотока за гребнем, т.н. вальца) (режим 1), так и вниз по склону (скатывающийся обратный ток воды на пляже, тыловой склон гряды без образования противотока) (режим 2).
Составив уравнения баланса сил, действующих на неподвижную частицу в момент перед началом движения на наклонном дне, используя известные соотношения из уравнений гидродинамики и введя в реальные значения расчетных величин (плотности частиц, крупности и т. д.), получаем уравнения минимальных срывающих скоростей для различных режимов движения, углов наклона дна, рудных и нерудных частиц (табл. 2).
При описании береговой зоны мы будем руководствоваться схемой Г.Ф.Крашенинникова (1971), который выделял литораль как зону непосредственного волнового воздействия и сублитораль, где осадок находится под действием колебательных волновых движений воды и ветроволновых течений.
|
Страницы: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по геологии-минералогии