Цивилизация
Российские ученые из Кольского научного центра РАН создали трехмерную модель Ковдорского карбонатитового комплекса – крупного источника железа, фосфора и циркония. Это позволит планировать разработку месторождения на много лет вперед. Работа была выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Minerals.
Знание того, при каких условиях образуются и какое строение имеют месторождения стратегического сырья в карбонатитовых комплексах (к ним относятся такие гиганты, как Баян-Обо в Китае, Томтор в Сибири и Лулекоп в ЮАР), способствует открытию новых источников железа, меди, фосфора, циркония, ниобия, тантала и редкоземельных элементов и обеспечению сырьевой независимости страны.
Объектом исследования кольских геологов стал Ковдорский фоскорит-карбонатитовый комплекс – крупнейшее в России комплексное месторождение железа, фосфора и циркония. По форме оно напоминает трубку, подобную кимберлитовым трубкам с алмазами в Сибири и Южной Африки. Месторождение сложено породами магматического происхождения, состоящими из множества минералов, в том числе очень редких, но преобладают среди них оливин, магнетит, апатит и кальцит (карбонат кальция). Если в породе больше оливина, магнетита и апатита, она называется фоскорит, а если кальцит, то порода называется карбонатит.
Промышленный интерес представляют три минерала: магнетит, апатит и бадделеит. Часть их идет на переработку в России, часть – за рубеж. Бадделеит используется в производстве всевозможных огнеупорных веществ и покрытий для космических кораблей, в ядерной энергетике, магнетит – для получения железа, апатит – в производстве фосфорных удобрений и зажигательных смесей. Все три минерала добываются открытым способом в одном из самых больших в Мурманской области карьеров.
«Карбонатитовые комплексы – весьма редкие объекты, изучение которых проливает свет на закономерности строения и эволюции земной коры, важные для фундаментальной науки. А тот факт, что с фоскоритами и карбонатитами связана масса замечательных полезных ископаемых, привлекает к ним внимание уже специалистов по практической геологии», – пояснил Григорий Иванюк, автор работы, доктор геолого-минералогических наук, заместитель председателя Кольского научного центра РАН по научно-инновационной деятельности. С этих двух позиций рассматривают Ковдорское месторождение и кольские геологи.
Для изучения глубоких горизонтов трубки геологи пробурили скважины, из которых извлекли 550 образцов, положение которых – координаты x, y, z – было строго определено, или, как говорят ученые, привязано к координатной сетке. Поэтому образцы называются координатно-привязанными. Это необходимо для того, чтобы с высокой точностью изучать, как характеристики пород месторождения изменяются в объеме.
В каждом образце определили минеральный состав породы, получили данные о размере и форме зерен каждого минерала, определили содержание химических элементов в породе и в каждом минерале. Затем при помощи статистических исследований и компьютерной интерполяции – обобщения результатов и построения функций распределения свойств –получили трехмерную модель месторождения. Модель позволила выявить области одинаковых значений одной или нескольких переменных (например, концентрации фосфора в руде) и, главное, связать все эти переменные с результатами простого отбора и изучения состава пород.
Ученые пришли к выводу, что строение трубки имеет концентрическую зональность – то есть, минеральный состав последовательно меняется от центра трубки к краям, равно как химический состав всех минералов. Краевая зона состоит в основном из оливина, в промежуточной зоне преобладают магнетит и апатит, а осевая обогащена кальцитом (минералом группы карбонатов). Знание пространственного распределения минералов позволяет разбить саму трубку на условные блоки, например, 5*5*15 метров, для каждого из которых ученым известно все про слагающие его породы и минералы.
«По сути, вы можете на много лет вперед планировать процесс добычи, поскольку эти блоки привязаны по координатам, и мы всегда знаем, где что находится», – пояснил Иванюк.
Это важно по той причине, что при добыче заранее учитываются требования металлургов и обогатителей. Например, для создания оптимальной рудной смеси (шихты), из которой можно выделить все три компонента (магнетит, апатит и бадделеит) с минимальными потерями, разные руды должны определенным образом смешиваться. Аналогично нужно смешивать разные типы руды, чтобы содержание магния в магнетитовом концентрате было не больше 6% и не менее 3% (это связано с особенностями металлургического процесса).
Изучив строение Ковдорской трубки, геологи получили массу данных, имеющих фундаментальное значение: температуру кристаллизации магнетита, карбонатов и сульфидов, химическую активность разных элементов, то, как менялся состав минералов во времени и пространстве, с чем это могло быть связано, и многое другое.
Зная это, ученые могут экспериментально моделировать процессы образования трубки, что позволит узнать, каков был изначальный состав расплава и какими были условия его генерации, преобразования и застывания. Ученые могут использовать полученные сведения и на других карбонатитовых месторождениях, что позволит как моделировать строение последних, так и предсказывать по определенным индикаторам наличие новых рудных тел и их свойства.
В качестве своеобразного бонуса ученые обнаружили два ранее неизвестных минерала. Первый из них – кампелит (фосфат скандия, магния и бария), который получил название в честь Феликса Кампеля, бывшего технического директора Ковдорского ГОКа, за его вклад в развитие технологий добычи и обогащения комплексных руд месторождения. Второй – гидроксинатропирохлор (ниобат натрия и кальция). Интересно, что оба этих природных объекта образовались в осевой зоне трубки в результате изменения рудного минерала бадделеита поздними низкотемпературными растворами.
«Наша работа носит не только фундаментальный, но и прикладной характер, поскольку это крупнейшее месторождение, и выявленные нами закономерности пространственного распределения состава минералов, размера зерен и других параметров должны быть использованы для добычи, переработки и обогащении руд», – пояснил ученый.
