Повышение достоверности прогноза качества карбонатного сырья

Введение

При разработке месторождений нерудных полезных ископаемых основной проблемой является сортовая отработка сырья в соответствии с требованиями отраслей промышленности. Для ее реализации рекомендовано проведение геолого-технологического картирования еще на стадиях разведки месторождения [4]. Это позволяет снизить затраты на обогащение и переработку сырья, уменьшить отходы горного производства, прогнозировать участки заложения карьеров и направления расширения их работы [1]. Месторождения карбонатных пород зоны сочленения Донбасса с Приазовским блоком Украинского щита были основным источником карбонатного сырья на Украине. Здесь разрабатываются Еленовское, Новотроицкое и Каракубское месторождения, в резерве находятся Родниковское, Южно-Шевченковское и Первомайское. Целью данной статьи является разработка методики и проведение геолого-технологического картирования на месторождениях карбонатных пород зоны сочленения Донбасса с Приазовским блоком Украинского щита (УЩ).

Материалы и методы

Фактическим материалом для исследования служили результаты геолого-разведочных работ масштаба 1:200 000, документация керна, химические анализы проб, данные эксплуатации месторождений карбонатных пород.

Зона сочленения Донбасса с Приазовским блоком УЩ — это тектонический шов, разделяющий Донбасс и Приазовский мегаблок УЩ. Южной и северной границами региона считаются субширотные соответственно Южно- и Северо-Волновахский разломы, западной — глубинный Криворожско-Павловский разлом, восточной — Грузско-Еланчикский разлом. Кроме региональных разломов в исследуемой структуре прослежены субмеридиональные, субширотные и диагональные разломы более низкого ранга. Основные черты геологического строения региона показаны на рисунке 1.

Сформированная в докембрии структура изменялась в герцинский и альпийский этапы тектономагматической активизации Восточно-Европейской платформы [6]. Тектонические движения в регионе исследования происходили в течение всего времени формирования Днепровско-Донецкого авлакогена и разделены на три этапа:

• доскладчатый (D₃—C₁) проявился крупными разломами северо-западного простирания;
• складчатый (C₃—T) характеризовался тангенциальными движениями, которые привели к формированию складчатой структуры субширотного простирания и разломов северо-восточного простирания;
• с послескладчатым (J₃—К₁) этапом связано формирование поперечных складок, купольных структур, разломов северо-западного и субмеридионального простирания.

В геологическом разрезе зоны сочленения Донбасса с Приазовским блоком УЩ четко выражены три структурных этажа, образованных в разные периоды ее развития. Они разделены поверхностями несогласия. Нижний структурный этаж сформирован в докембрии и представлен архей-протерозойскими гранитами, мигматитами и гнейсами. Они образуют кристаллический фундамент для вышележащих отложений региона. Выходы архей-протерозойских пород на дневную поверхность встречаются по берегам рек и верховьям балок, вдоль южной границы региона. По свойствам они аналогичны породам северной окраины Приазовского мегаблока.

К среднему герцинскому этажу относят осадочно-вулканогенные толщи девона и терригенно-карбонатную толщу карбона. Отложения карбона трансгрессивно залегают на различных свитах девона или с резким несогласием — на породах кристаллического фундамента. Карбонатная толща представлена отложениями турнейского и визейского ярусов нижнего карбона и, согласно последней утвержденной стратиграфической схеме, относится к мокроволновахской серии нижнего карбона (C₁mv). Выше по разрезу известняки визейского яруса сменяются глинистыми и песчаными сланцами, песчаниками и алевролитами с прослойками известняков и угля серпуховского яруса нижнего карбона, башкирского яруса среднего карбона. Эти породы ограниченно распространены в северной части района.

В пермь-триасовый период герцинского этапа тектономагматической активизации Восточно-Европейской платформы в регионе проходило внедрение штоков и даек южно-донбасского (Р_1—2pd) и андезит-трахиандезитового (Р₂—T₁at) магматического комплекса пород, главным образом по тектоническим нарушениям.

Верхний кайнозойский структурный этаж несогласно залегает на отложениях нижнего карбона, иногда девона, реже — на докембрийских породах. Породы палеогенового возраста представлены песчаными пестрыми глинами, которые содержат значительную долю углистого материала, каолинита с примесями кварцевых песков. Наибольшая мощность палеогена (до 80—90 м) наблюдается в районе тектонических нарушений. Средняя мощность палеогеновой толщи составляет около 20 м и почти всюду перекрыта делювиальными и аллювиальными отложениями четвертичной системы. Мощность четвертичных отложений колеблется в пределах от 0 до 63 м.

Продуктивная карбонатная толща (C₁mv) зоны сочленения Донбасса с Приазовьем содержит несколько видов полезных ископаемых: известняки, доломитизированные известняки и доломиты. Основная часть известняков состоит из органогенного кластического материала (детритуса): обломков ракушек, сцементированных перекристаллизованным кальцитом, иногда пелитоморфным карбонатным и глинистым материалом. Известняки содержат многочисленные остатки фораминифер, острокод, моховаток, криноидей, пелиципод. Скелеты организмов наполнены пелитоморфным кальцитом, внутренние полости — зернистым кальцитом. Обычными структурами известняков под микроскопом являются органогенная и полиморфная, редко встречается кристаллически-зернистая. В нижней части разреза (турнейский ярус) распространены афанитовые или сливные известняки. Цементирующая масса пород представлена крупнозернистым, реже мелкозернистым кальцитом. Водорослевые известняки имеют меньшее распространение, преимущественно в верхней части разреза (визейский ярус), где они представлены фораминиферо-водорослевыми мелкозернистыми известняками. Они состоят из многочисленных остатков трубчатых водорослей, наполненных крупнозернистым кальцитом и более редкими остатками других организмов.

Глинистые породы мокроволновахской серии карбонатной толщи распространены в нижней части разреза отложений турнейского яруса нижнего карбона. Они представлены разноцветными глинистыми сланцами. В карбонатных породах визейского яруса глинистые породы представлены серыми сланцами, содержащими микрофауну. Сложены они образованиями типа гидрослюда — монтмориллонит с небольшим количеством каолинита. Литологический состав горизонтов карбонатных пород Новотроицкого месторождения представлен в таблице 1.

Доломиты и доломитизированные известняки приурочены к нижней части разреза (турнейский ярус). Они представляют собой мелко-, среднезернистые породы, сложенные идиоморфными, изометричными зернами доломита. Вследствие сильной степени перекристаллизации основной массы в этих породах остатки органогенной структуры встречаются редко. Для них характерна кристаллически-зернистая, реже мозаичная структура, которая в значительной степени подтверждает осадочное происхождение этих литологических разновидностей. Они образовались на стадии диагенеза карбонатных отложений, за счет частичной замены катиона кальция катионом магния. Содержание последнего в породах меняется в зависимости от степени доломитизации известняков, которые с ее повышением переходят в доломиты.

Карбонатные породы на отдельных горизонтах месторождений по качеству соответствуют флюсовому сырью (табл. 2). Большие объемы сырья используются в цементной и пищевой промышленности.

Как видно из данных таблицы 2, средневзвешенные на всю мощность карбонатной толщи показатели качества (столбец 2) значительно хуже, чем на отдельных горизонтах. Отработка карбонатной толщи по горизонтам частично позволяет разделить сырье по сортам, но не решает задачу обеспечения промышленности требуемыми сортами.

Главной причиной снижения качества сырья является появление карстовых образований, предварительный прогноз которых на производстве не выполняется. Для обоснования потерь карбонатного сырья при эксплуатации рассчитывается коэффициент закарстованности каждого горизонта как отношение суммарной мощности зон карста к мощности горизонта по всем разведочным скважинам. При подсчете запасов определяется его средняя величина по каждому стратиграфическому горизонту карбонатной толщи. Наибольший коэффициент закарстованности установлен на горизонтах кондиционных флюсовых известняков: С₁^tc, С₁^td, С₁^v(b+c). В процессе отработки месторождения значения коэффициента закарстованности уточняются и учитываются в балансе запасов. Поэтому главной задачей геолого-технологического картирования на месторождениях карбонатных пород является определение факторов распределения карстовых образований.

Степень закарстованности карбонатных пород зависит от многих факторов: физико-механических свойств, структуры и текстуры пород, их гипсометрического положения относительно уровня подземных вод, мощности покрывающих отложений, рельефа местности и др. [2][3]. Нами установлено, что вся толща вулканогенно-осадочных отложений региона, начиная от кристаллического архей-протерозойского фундамента и до покрывающих четвертичных отложений, разбита на блоки структурно-тектоническими дислокациями, проходившими в регионе в течение длительной истории формирования региона [5]. Блоки характеризуются различной полнотой геологического разреза и мощностью карбонатной толщи. Блоки, расположенные в северной части региона, прилегающей к Донбассу, характеризуются полным стратиграфическим разрезом и максимальной мощностью карбонатной толщи (рис. 2). Номера блоков, указанные на схеме геологического строения региона (см. рис. 1), совпадают с номерами на рисунке 2.

Южная часть региона характеризуется блоками укороченного разреза с выходом на поверхность архей-протерозойских и девонских пород. Карбонатная толща в большинстве таких блоков либо отсутствует полностью, либо имеет минимальную мощность. Роль факторов развития карста и его интенсивность меняются в каждом блоке различных частей изучаемого региона [9]. Поэтому прогнозирование карстовых образований следует проводить в каждом отдельном тектоническом блоке. Было получено более точное значение коэффициента закарстованности по документации керна разведочных скважин для каждого блока как отношение суммы длин интервалов карста и выщелачивания к мощности карбонатной толщи в этой скважине. Его величина отражает близость скважины к тектоническим границам блока, а между блоками — близость блока к региональным тектоническим нарушениям [8]. Представленная на рисунке 2 схема представляет собой геологическую модель пространственного размещения однородных блоков карбонатных пород в регионе: чем ниже отметка кристаллического фундамента блока, указанная возле его номера на рисунке, тем меньше коэффициент тектонической нарушенности, больше полнота геологического разреза и мощность карбонатной толщи. Корреляционным анализом между мощностью карбонатной толщи в скважине и отметкой кристаллического фундамента показано, что существует тесная связь, что позволило рассчитать достоверное уравнение регрессии:

Y = –0,385 × X +136,9,

где Y — мощность карбонатной толщи,

X — отметки кристаллического фундамента.

Это уравнение используется для планирования участков заложения карьеров, направления их продвижения. Проверка распространения карстовых образований в статье приведена только для западной части, где эксплуатируются Новотроицкое и Еленовское месторождения (рис. 3).

Новотроицкое месторождение расположено вблизи регионального Южно-Волновахского разлома, который является южной границей региона. Александрийский и Новотроицкий разломы совпадают с осевыми частями одноименных антиклиналей. Здесь распространены дайки и штоки пермь-триасового (Р_1—2—Т) магматического комплекса пород, большая часть которых приурочена к тектоническим нарушениям. С этими образованиями связаны зоны развития гипогенного термального выщелачивания карбонатных пород, что доказано изотопным анализом проб этой зоны [7]. Наиболее крупный шток магматических пород расположен в осевой части Новотроицкой антиклинали — главного структурного элемента западной части региона. На ее восточном крыле расположены карьеры Еленовского месторождения, а на западном крыле — карьеры Новотроицкого месторождения.

Участки, расположенные на западном крыле Новотроицкой антиклинали, имеют большую мощность карбонатной толщи и низкие отметки кристаллического архей-протерозойского фундамента, что определяет положение высококачественных блоков карбонатного сырья. Восточное крыло Новотроицкой антиклинали имеет более сложное строение за счет значительной тектонической нарушенности. Наблюдается большое число андезитовых даек значительной мощности, которые ухудшают качество карбонатного сырья. Расположенный здесь карьер Центральный, отрабатывающий сырье Еленовского месторождения, имеет незначительные перспективы сортовой отработки сырья высокого качества. В южном направлении происходит уменьшение мощности карбонатной толщи, на поверхность выходят отложения девона. В северном направлении расположены еще два карьера Еленовского месторождения — Восточно-Комсомольский и Восточный, которые имеют перспективы расширения в северном направлении. Характеристики тектонических блоков этих участков западной части региона по данным разведочно-поисковых скважин приведены в таблице 3.

Перспективная площадь (блоки № 1—3, 5, 15) имеют низкую степень разведанности. Здесь расположено небольшое количество скважин, по которым определены характеристики блоков. Мощность карбонатной толщи, рассчитанная по уравнению регрессии с глубиной залегания кристаллического фундамента блока, имела высокую степень совпадения с определением по единичным скважинам блока.

Более детальный анализ изменения мощности карбонатной толщи с определением сортового состава по каждому стратиграфическому горизонту был выполнен в блоке № 18 по скважинам опережающей эксплуатационной разведки. Здесь расположены два карьера — Западный известняковый и Мехрудник. Мощности карстовых образований нами установлены по документации керна проб разведочных скважин этого блока. Были рассчитаны значения коэффициента закарстованности как отношение суммы длин интервалов карстовых образований к мощности карбонатной толщи в скважине. Далее в программе SURFER были построены карты изопахит продуктивной толщи (рис. 4), карстовых образований (рис. 5), изолиний линейного коэффициента закарстованности (рис. 6) по всей мощности карбонатной толщи и на отдельных горизонтах.

На юге граница тектонического блока проходит по региональному Южно-Волновахскому разлому, который тянется с запада на восток в пределах всей зоны сочленения Донбасса с Приазовьем. Дополнительное негативное влияние оказывает субширотный Доломитный сброс. Западная граница участка проходит по Велико-Анадольскому сбросу. Полный стратиграфический разрез карбонатной толщи имеют всего две скважины блока. На западе — это скважина № 14 и скважина № 57, которая расположена на северной границе участка. Несмотря на присутствие всех горизонтов от С₁^tа₁ по C₁^v(b+с) включительно, сортовой состав карбонатного сырья очень нестабилен.

На площади блока мощность карбонатной толщи (рис. 4) следует установленной закономерности ее изменения для всего региона исследования: увеличивается в северном направлении, к Донбассу, и уменьшается в южном направлении, к Приазовскому блоку Украинского щита.

Поэтому в южной части участка наблюдается уменьшение мощности и сокращение стратиграфического разреза карбонатной толщи. Наиболее полный разрез нижнего карбона наблюдается в северо-западной части. Здесь скважины (№ 87, 94, 93, 99) имеют качественное карбонатное сырье начиная с нижних горизонтов турнейского яруса (С₁^tb₁) до верхних горизонтов визейского яруса (C₁^v(b+с)) нижнего карбона. На скважинах восточной части блока сказывается влияние Новотроицкой антиклинали, где распространены дайки и штоки андезитов.

Здесь установлен укороченный разрез, который начинается с доломитового горизонта С₁^tb и заканчивается известняками горизонта C₁^vd. В центральной и южной частях блока карбонатное сырье представлено исключительно нижними горизонтами доломитов и доломитизированных известняков (С₁^ta₂, С₁^tb₁), которые меньше подвержены карсту. Поэтому здесь происходит снижение до нулевых значений мощности карстовых образований (рис. 5).

В юго-западной части блока в скважине № 65 резко увеличивается мощность карста. Причиной большой мощности карстовых образований является присутствие дайки андезитов, что привело к распространению процесса термального выщелачивания. Сырье в этой скважине полностью некондиционное. Влияние дайки андезитов установлено и в скважине № 912 в северо-восточной части участка. Вне зоны влияния дайки в скважине № 83 (западная часть блока) мощность карстовых образований значительно меньше и составляет всего 7,8 метра, а сырье пригодно для сталеплавильной промышленности (сорт С_1д).

Значения коэффициента закарстованности (рис. 6) достаточно низкие в пределах всего блока, что говорит о стабильном, высоком качестве сырья, пригодном для сталеплавильной промышленности (сорт С_1д, С_2д) и флюса (сорт Ф₁ и Ф₂).

Неравномерность распространения карстовых образований показана в западной части блока: в скважине № 94 сырье соответствует высшему сорту для металлургической промышленности (сорт Ф2), в скважине № 93, имеющей полный стратиграфический разрез, качественное карбонатное сырье чередуется с интервалами карстовых образований мощностью от 2 до 6 м. Суммарная мощность карста в скважине составляет 29,4 м. На большей части блока, за исключением крайней западной и восточной частей, установлено высокое качество сырья, соответствующее требованиям к флюсовому сырью (сорт Ф₁ и Ф₂) и сталеплавильной промышленности (сорт С_1д, С_2д). Исключение составляют крайняя западная и восточная части участка, которые близки к тектоническим границам блока. с некондиционным сырьем. Мощность продуктивной толщи (см. рис. 4) здесь соответствует средней по участку в целом.

Вышеприведенные карты сортов блока №18 построены с осреднением значений показателей качества (см. табл. 2) на всю мощность карбонатной толщи. Для погоризонтной отработки нами была построена сортовая карта горизонта C₁^v(b+с) (рис. 7).

На этом горизонте наблюдается достаточно разнообразный сортовой состав сырья. Выделены дополнительные сорта (S₁ и S₂) для производства кальцинированной соды. В юго-восточной части блока горизонт C₁^v(b+с) отсутствует. В связи с влиянием Новотроицкой антиклинали, в осевой части которой расположен шток андезитов, произошло сокращение разреза. Вдали от штока, в западной части блока, наблюдается более высокая мощность горизонта и качество сырья. Мощность горизонта максимальна в центральной части блока, в отличие от мощности всей карбонатной толщи (см. рис. 4).

Заключение

Таким образом, основным фактором распределения качества карбонатного сырья в зоне сочленений Донбасса с Приазовским блоком УЩ является структурно-тектонический. С ним связано изменение мощности карбонатной толщи, сохранность геологического разреза в регионе и качество карбонатного сырья отдельных тектонических блоков. Геолого-технологическое картирование рационально проводить не в пределах всего региона, а в границах отдельных блоков карбонатной толщи однородного строения в следующей последовательности.

1. По сети тектонических нарушений региона провести границы блоков в толще карбонатных пород, учитывая элементы неоднородности строения и полноту геологического разреза.
2. Определить глубину залегания кристаллического фундамента и мощность карбонатной толщи в тектонических блоках, что позволит планировать участки заложения карьеров, убрать эродированные блоки из процедуры геолого-технологического картирования.
3. В результате детального анализа геологического строения перспективного блока выделить наиболее стабильные по качеству блоки карбонатного сырья с минимальной мощностью карстовых образований, определить возможность и границы селективной отработки по сортам на каждом горизонте.
4. При наличии в геологическом строении блока неоднородностей, влияющих на сортовой состав сырья, необходимо получить дополнительную информацию по скважинам опережающей эксплуатационной разведки, которая позволит повысить достоверность выделения границ сортовых блоков.

Проведение геолого-технологического картирования в таком порядке обеспечивает максимальную достоверность прогноза качества сырья.

ВКЛАД АВТОРА / AUTHOR CONTRIBUTIONS

Репина К.В. — разработала концепцию статьи, подготовила текст статьи, построила карты (работа в компьютерных программах MapInfo, Surfer), утвердила публикуемую версию статьи и согласна на себя принять ответственность за все аспекты работы.

Ksenia V. Repina — developed the concept of the article, prepared the text of the article, built maps (work in computer programs MapInfo, Surfer), approved the published version of the article and accepted the responsibility for all aspects of the work.