Зональность и прогнозная оценка эндогенных месторождений на основе температурных параметров термоэдс и электропроводности сульфидов (09.03.2011)

Автор: Романов Валерий Григорьевич

Номер зависимости на рис. 1 Параметры зависимостей

коэффициент термоЭДС знак второй производной функции E(Т)

(в скобках температурный интервал)

знак (к, мкВ/град. (м,, мкВ/град. приращение ?(, %

1 + 255 325 21,5 +(20-300); –(300-420)

2 + 207 260 20,4 +(20-105); –(105-420)

3 + 175 275 36,4 +(20-240); –(240-420)

4 – 70 150 53,3 –(20-200); +(200-420)

5 – 140 240 41,7 –(20-280); +(280-420)

На характер зависимости электропроводности (() от температуры значительно влияет уровень содержаний элементов-примесей в минералах. В частности, природный пирит может характеризоваться концентрацией носителей тока от 1014 до 1020 см-3. При малых концентрациях примесей (Co, Ni, As, Bi, Cu, Sb и др.) по температурной зависимости электропроводности можно определить энергию активации примесных носителей (?Е1) и термическую ширину запрещенной зоны (?Е). Увеличение степени содержаний примесей приводит к тому, что одиночный энергетический уровень «расплывается», образуя «примесную зону», величина ?Е1 уменьшается. Большее увеличение концентрации примеси может привести к слиянию «примесной зоны» с зоной проводимости или валентной. Пириты с максимальной концентрацией носителей тока (~1020 см-3), например, пириты ликвационно-магматических месторождений, проявляют зависимость электропроводности от температуры, присущую металлам: с повышением температуры электропроводность уменьшается.

Для количественной характеристики зависимости используют темпе-ратурный коэффициент электропроводности (КТ). Он положителен для образцов с полупроводниковым типом зависимости ( (1/Т) и отрицателен с металлическим. Этот коэффициент определяется по тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой в оси абсцисс.

По зависимости ( (1/Т) могут быть определены следующие параметры (рис. 2, табл. 2):

I) температурный коэффициент электропроводности для области собственной и примесной проводимости; в случае металлического характера зависимости ( (Т) он количественно оценивает эту зависимость;

2) температура То, соответствующая началу собственной проводимости;

3) величина электропроводности при комнатной температуре ((к).

Температурные коэффициенты электропроводности для областей примесной и собственной проводимости рассчитываются как тангенс угла наклона прямолинейного участка зависимости в области примесной (tg() и собственной (tg?) проводимости (рис. 2, табл. 2).

Таблица 2

Значения параметров, определенных по температурным зависимостям

электропроводности пиритов в соответствии с рис. 2

Номер зависимости на рис. 2

Параметры зависимостей

электропроводность при 20 оС (, (Ом?см)-1 температурный коэф. примесной проводимости Кт температурный коэф. собственной проводимости Кт температура начала собственной проводимости

6 6,31 +0,18 +2,05 305

7 3,16 –0,19 - -

8 0,34 - - 290

Влияние качественного и количественного составов примесей на электрофизические свойства минералов исследовано на галенитах, синтезированных в Воронежском государственном университете.

Увеличение содержания Bi в галените от 0,1 до I мол. % приводит к возрастанию коэффициента термоЭДС по модулю от 75 до 224 мкВ/град., при этом электропроводность возрастает на два порядка; с увеличением содержания Bi2S3 от 1 до 5 мол. % (к возрастает по модулю от 40 до 110 мкВ/град., а электропроводность увеличивается на порядок. Минимальная добавка Вi (0,1 мол. %) обеспечила максимальное приращение коэффициента термоЭДС, равное 45 %, и максимальное значение КТ, равное –0,5 град.-1.

Образцы галенита, содержащие 3,0...3,5 мол. % Sb2S3, проявили металлический характер зависимости ( (Т) с КТ=0,07 град.-1, а образцы с 4,0...7,0 мол. % Sb2S3 – полупроводниковый характер, отвечающий собственной проводимости с КТ=0,77 град.-1.

Приращение коэффициента термоЭДС образцов галенитов, содержащих AgBiS2, закономерно изменяется с увеличением этого компонента. У образца, содержащего 1 мол. % AgBiS2, он равен 78 %, образца с 4,0 мол. % примеси – 47 %, с 6,0 мол. % – 6,2 %. Образцы с концентрацией AgBiS2 до 10 мол. % характеризуются отрицательным КТ , а более 10 мол. % – положительным.

Для обоснования связи электрофизических параметров пиритов с факторами, определяющими условия их образования, проведены исследования пиритов из месторождений различных генетических типов. Продуктивные пириты ликвационно-магматических месторождений (Чинейского, Норильского) характеризуются только электронным типом проводимости, максимальной электропроводностью (103 (Ом?см)-1), нулевым значением ?( и максимальным отрицательным значением КТ (~ –1,0 град.-1). Близки по параметрам пириты высокотемпературных гидротермальных месторождений (Со-рского, Жирекенского, Первомайского). На высоко-среднетемпературных (Холтосонском, Давендинском, Шахтаминском) и средне-низкотемператур-ных (Дарасунском, Березовском, Новоширокинском) месторождениях, продуктивному оруденению которых сопутствуют соответственно р-п и п-р-пи-риты, температурные параметры термоЭДС и электропроводности варьируют в значительных пределах: приращение ( изменяется от положительных (+60 %) до отрицательных (–40 %) значений, пириты n-типа характеризуются отрицательным КТ, изменяющимся в диапазоне –0,1... –0,69 град.-1, а пириты р-типа – положительным КТ в пределах 0,1...0,2 град.-1. Низкотемпературные р-пириты колчеданно-полиметаллических ассоциаций характеризуются ((, лежащим в пределах 40... 65 %, и КТ – в пределах 0,15... 0,18 град.-1.

Кроме природных пиритов, исследованы природные галениты из полиметаллических месторождений различных генетических типов (скарнового, плутоногенного гидротермального, вулканогенного гидротермального и колчеданного вулканогенно-оcадочного), представляющие ряд, характеризующий широкий интервал температурных условий их образования. Установлено, что у галенитов, образованных в различных условиях, различаются как характер зависимостей термоЭДС от температуры, так и все производные от них параметры.

Таким образом, исследование температурных зависимостей термоЭДС и электропроводности синтезированных галенитов с различными по составу и содержанию элементами-примесями, а также природных галенитов и пиритов из месторождений, образованных в различных условиях, показало, что значения термоЭДС и электропроводности рудных минералов, а также производные параметры их температурных зависимостей закономерно изменяются и в целом отражают изменение стехиометрического состава матричных компонентов, качественный и количественный состав элементов-примесей, изоморфно входящих в кристаллическую структуру, температуру образования и другие факторы, определяющие процесс минералообразования.

Сказанное позволяет считать характер этих зависимостей, а также их производные параметры достаточно чуткими индикаторами изменений условий минералообразующей среды, что позволяет их использовать для решения различных геолого-минералогических задач.

Второе защищаемое положение: «Для рудных месторождений со сквозным пиритом только дырочного типа проводимости контрастным индикатором рудной зональности являются значения температурных приращений коэффициента термоЭДС, а для месторождений с пиритом электронного типа проводимости – величины температурного коэффициента электропроводности. Установленная зональность в изменении этих параметров коррелирует с зональностью в распространении минеральных ассоциаций» – обосновывается в соответствующей главе диссертации.

Известно, что главнейшим элементом оценки перспективности рудных объектов является установление пространственно-временных событий (этапов, стадий процессов рудообразования), приведших к формированию рудных залежей. Поскольку формирование всех рудных тел происходит в термо-, баро- и химически градиентных физико-химических системах они должны обладать и обладают структурно-вещественной зональностью. Зональность может быть явной или скрытой, и ее выявление представляет одну из основных задач при освоении месторождений.

Эффективным способом оценки рудных объектов являются комплексы методов, разработанные геологами-практиками, которые базируются на выявлении пространственной и временной зональности (петрологической, минералогической, кристалломорфологической, геохимической, термобарогеохимической и др.) развития рудной минерализации.

Понятие «зональность рудных тел, месторождений и более крупных геологических объектов» объединяет закономерности распределения в пространстве-времени комплексов пород, руд, минералов и минеральных ассоциаций, атомов химических элементов, их изотопов или каких-то других особенностей их состава и строения. Универсальность онтогенической зональности образований различного иерархического уровня прослеживается в организации рудного вещества: индивид (рис. 10) ? минеральный агрегат ? рудное тело (рис. 3) ? рудный объект в целом (рис. 4 и 5) ? система рудных объектов.

Пространственно-временная закономерность условий их образования обусловлена влиянием различных факторов и агентов (давления, температуры, концентрации и т.д.). При этом важнейшее значение приобретает не только источник образования элементов, но и вмещающая среда, отвечающая за механизмы рассеяния или концентрации химических элементов (структура, текстура, минеральный и химический состав и пр.).

Закономерное зональное распределение оруденения рассматривалось начиная с первых работ по металлогении (температурная зональность, Spurr, 1907 г.); зональная теория рудоотложения, Emmons, 1936 г. и др.). В последующем обсуждалась природа зональности и выделялись различные ее типы (пульсационная и стадийная, С.С. Смирнов, 1937 г., Ю.А. Билибин, 1951 г.; полиасцендентная, I. Kutina, 1957 г.; фациальная, В.И. Смирнов, 1960 г.; фильтрационная, Д.С. Коржинский, 1953 г.; региональная, С.С. Смирнов, 1937 г., В.И. Смирнов, 1963 г. и др.).

Очевидно, что минерагеническая зональность является одной из основных закономерностей размещения рудных месторождений и имеет большое значение для прогнозирования, особенно, глубинного. Методы выявления, выделения и анализа минерагенической зональности разработаны недостаточно. Они обычно сводятся к визуальному анализу геологических структур и геохимических полей. Остаются нерешенными вопросы: где проводить границы между зонами? Как количественно охарактеризовать закономерность в чередовании зон? Как выявить случаи слабовыраженной (скрытой) зональности? и т.д.


загрузка...