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

Автор: Романов Валерий Григорьевич

Включение в состав аппаратурного комплекса установки, реализую-щей эти возможности, позволило, во-первых, сделать такие исследования массовыми и экспрессными, а во-вторых, систематизировать результаты многочисленных исследований и выявить закономерности изменчивости электрофизических свойств в кристаллах некоторых минералов. Установле-ние этих закономерностей облегчается при сопоставлении распределений термоЭДС с зонами роста кристаллов минералов.

Идея сканирующих устройств показана на рис. 9. Этот же датчик может использоваться и для исследования распределения электропроводности в минералах (рис. 10).

Исследование термоэлектрических свойств в определенном интервале температур, т.е. исследование температурной зависимости Е(Т), используется для решения ряда рассмотренных минералогических и геологических задач.

Методика исследования температурной зависимости термоЭДС разработана на основе предложенного автором способа измерения интеграль-ной термоЭДС в нестационарном тепловом режиме (авт. свид. 1133526). При измерениях используется динамический разогрев заостренного термозонда, введенного в контакт с исследуемой зоной минерала. Для определения температуры контакта в динамическом режиме разогрева (нагрев до 400 °С осуществляется за 20 с) используется аналого-цифровой комплекс на основе ПЭВМ. Температура контакта определяется в ЭВМ как функция двух измеряемых на термозонде температур (рис. 11).

Рис. 11. Установка для экспрессного измерения температурной зависимости

интегральной термоЭДС (конструкция датчика и структурная схема установки):

1 – нагреваемый термозонд из константанового стержня; 2 – нагреватель из нихромовой спирали; 3 – изоляционная фарфоровая трубка; 4 – токоподводящие столбики; 5 – несущее основание; 6 - исследуемый образец; 7 – медная пластина для измерения кристаллов и агрегатов (холодный электрод); 8 – холодный медный электрод-щуп для измерения в аншлифах или штуфах; 9 – нагреватель; 10 – двухкоординатный самопишущий прибор (автоматизированный комплекс АЦП/ЦАП-ПЭВМ)

Функциональная зависимость, связывающая температуру контакта с двумя измеряемыми температурами на термозонде, определяется предварительно с помощью ЭВМ методом тренд-анализа при градуировке установки на образце тепловых свойств. Динамический температурный режим позволяет уменьшить прогреваемый объем минерала и тем самым повысить локальность метода.

Разработанная методика позволяет измерять интегральную зависимость термоЭДС на сколках минералов без предварительной подготовки, а также на минеральных выделениях в аншлифах при минимальном линейном размере выделений 10 мм. Интегральная зависимость может быть продифференцирована в ПЭВМ и выведена на печать.

Электропроводность рудных минералов, как показано нами ранее, также несет важнейшую генетическую информацию и позволяет, в частности, типизировать минеральные виды и их разновидности по величине электропроводности; диагностировать минералы; по температурной зависимости электропроводности минералов определять формационную принадлежность рудных месторождений. Например, Е.В. Розова (1976) показала, что во многих случаях высокая золотоносность характерна для пиритов с низким удельным сопротивлением.

Четырехзондовый датчик для измерения электропроводности по нашему авт. свид. 1087861 имеет разрешающую способность 0,54 мм, что позволяет проводить измерения электропроводности отдельных минеральных включений с минимальными размерами 1,6 х 1,1 мм.

Более обширную информацию дает анализ температурных зависимостей ( (Т). Наиболее перспективным путем построения измерительных устройств для определения температурной зависимости электропроводности является создание автоматизированных систем, позволяющих получать зависимость в координатах lg( и 103/Т °К непосредственно на диаграм-мном бланке самопишущего прибора.

В разработанной автором системе используется модификация четырехзондового метода, при которой зонды расположены попарно навстречу друг другу (схема установки и ее описание приведено в работе 22 списка опубликованных работ).

Образцы минералов для исследований представляют пластины с плоско-параллельными гранями. Ток в образце задается через токовые зонды от стабильного генератора. Напряжение, пропорциональное удельному сопротивлению, снимается с потенциальных зондов и поступает на вход усилителя и детектора, а затем – на один из программно-коммутируемых входов аналого-цифрового преобразователя. На другой вход АЦП подается сигнал термоЭДС термопары, измеряющей температуру образца. Эти сигналы поступают в ПЭВМ, где каждый из них обрабатывается по определенному алгоритму. Рассчитанные в ЭВМ значения lg( и 103/Т °К в графической форме выводятся на печать. Измерения проводятся в нестационарном режиме. Весь процесс получения зависимости в интервале 20...450 °С занимает около 3 мин.

Изучение температурного хода ( позволяет выявить «металлические» и «полупроводниковые» свойства минерала. Так, пирит, образовавшийся при высоких температурах, обнаруживает металлический характер зависимости ((Т), а у пиритов из гидротермальных более низкотемпературных месторождений зависимость ((Т) отвечает полупроводникам (рис. 12).

Экспресс-метод определения качественного элементного состава образца предназначен для проведения точечных зондирований элементного состава рудных минералов и одновременных сопоставительных измерений термоЭДС, используется для экспресс-диагностики сульфидов. Использование в ка-честве детектора кристалла дийодида Hg с воспринимающей поверхностью около 1 см, а также специальной конструкции блока возбуждения рентгеновского излучения позволило получить разрешение по зондируемой площади поверхности исследуемого объекта, равное 0,8 мм. Спектрограммы образцов приведены на рис. 13.

Рис. 13. Спектрограммы образцов минералов:

а – пирита дырочной проводимости; g – полисульфидного образца

Описанные приборы и устройства предназначены для работы в стационарных условиях лабораторий или в условиях стационарных полевых партий. Существующая потребность в оценке типа проводимости и измерении термоЭДС рудных минералов непосредственно в полевых условиях обусловила создание приборов этого класса. Основная проблема, которая сдерживала со-здание приборов для полевых исследований термоэлектрического эффекта в минералах, связана с отсутствием экономичных источников питания для разогрева термозонда и создания градиента температуры в образце.

Использование нетрадиционных источников энергии для создания градиента температур в образце позволило разработать два принципиально новых прибора для названных целей. Диссертантом совместно В.М. Лапушковым и А.С. Гурьевичем на основе способа определения типа проводимости полупроводниковых минералов (по нашему авт. свид. 621997) разработан полевой определитель типа проводимости рудных минералов «ЗНАК-1». Для создания градиента температур в образце использована энергия неупругого удара одним из зондов по минералу. Прибор отмечен бронзовой медалью ВДНХ СССР. Опытная серия измерителя внедрена более чем в тридцати научных и производственных организациях геологоразведочной отрасли.

Полевой измеритель термоЭДС «ИТ-4», разработанный диссертантом на основе авт. свид. 1133526, позволяет определять в полевых условиях не только тип проводимости, но и величину термоэлектрического потенциала. Проблема создания градиента температур здесь решена за счет использования термозонда с каталитическим нагревателем. Прибор также отмечен бронзовой медалью ВДНХ СССР. Изготовлена опытная партия 30 экз. Прибор внедрен в научных и производственных организациях геологоразведочной отрасли.

Полевые измерители типа проводимости и термоэлектрического по-тенциала используются на стадиях предварительной и детальной разведки и обеспечивают высокую достоверность представительного отбора образцов по разведочным канавам, подземным горным выработкам и буровым скважинам.

Современное развитие геолого-горнорудной отрасли не представляется возможным без обеспечения ее информатизации, причем не только на уровне создания электронных баз данных и информационных хранилищ, но и на уровне автоматизации различных процедур сбора и обработки экспериментальной и полевой информации.

Рациональным и эффективным методом автоматизации сбора, обработки и анализа геолого-минералогической информации является проектирование и разработка профессионально-ориентированных автоматизированных рабочих мест (АРМ) на основе современных средств вычислительной техники. Результатом функционирования такой автоматизированной системы является электронная база данных исследуемого объекта, предс-тавляющая набор качественных (описательных) и количественных (параметрических) показателей, подлежащих регистрации.

В общем виде база данных представляет совокупность описаний образцов горных пород и минералов исследуемого объекта, каждый из которых имеет точную геологическую привязку (координаты X, Y, Z), оптимальное для решаемой задачи информационное геолого-минералогическое наполнение, а также необходимые электрофизические и другие параметры. Наличие такой базы данных позволяет хранить в компактном и легко доступном виде огромный объем первичной информации по изучаемому объекту, а также обрабатывать ее практически по любым алгоритмам.

Использование компьютерных технологий позволяет принципиально по-новому решать задачу геологического картирования и на этой основе осуществлять прогноз геологических факторов и явлений. Рациональным методом изучения геологической среды является объемное геологическое картирование месторождений, которое закладывает основы перехода от плоскостного изображения геологического пространства к объемному пре-дставлению элементов геологической среды.

В практической реализации достаточно часто термин «АРМ» понимается узко и подразумевает применение персонального компьютера в основном для обработки экспериментальных либо иных данных. В представлении диссертанта это понятие намного шире и, в частности, включает автоматизацию одного из самых сложных и ответственных этапов работы исследователя – сбора экспериментальных данных и управление экспериментом. К примеру, при автоматизации электрофизических исследований разработанный нами АРМ осуществляет проведение сложных с методической точки зрения измерений, в частности, в начальной стадии быстротекущих нестационарных температурных процессов или периодических измерений какого-либо параметра в течение длительного эксперимента, поддержание в заданных пределах параметров экспериментальной установки и т.п.

При разработке АРМ в настоящее время широкое распространение получил функциональный подход, суть которого заключается в том, что сначала анализируются функции, выполняемые работниками выбранной профессии, из них выбираются наиболее типичные, чаще всего встречающиеся. Затем проектируются и создаются технические и программные средства, автоматизирующие выполнение этих функций, которые и объединяются понятием АРМ.

Модель АРМ, состав и структура его информационного обеспечения в конкретной привязке к нашей предметной области – электрофизическим исследованиям приведена на рис. 14. АРМ создается по принципу индивидуального пользования, все ресурсы ПЭВМ используются монопольно одним пользователем.

Техническая, информационная и программная обеспечивающие подсистемы АРМа позволяют автоматизировать измерение электрофизических параметров сульфидных минералов, осуществлять ввод описательной геолого-минералогической информации, их совместную обработку и построение объемной модели изучаемого объекта. В соответствии с предложенной моделью разработаны состав и структура функционального программного обеспечения АРМ, которая содержит блоки, реализующие процедуру формирования баз данных, статистической обработки данных, многомерного анализа, построения моделей тренда.

Программная система для формирования баз данных геолого-минера-логической информации, предназначена для формирования первичного массива геолого-минералогических данных, а также различных электро-физических параметров образцов горных пород и минералов. Для обработки данных используется программный комплекс ЭЛИТА, позволяющий построить трехмерную модель изменчивости выбранных параметров минералов в пространстве месторождения. Наглядное представление результатов обработки всей накопленной информации реализуется при построении карт регрессионных моделей тренда.

Рис. 14. Структура автоматизированного рабочего места для

геолого-минералогических и электрофизических исследований

При формировании структуры автоматизированного рабочего места использован модульный принцип построения. Для решения различных прикладных геологических задач оно комплектуется необходимыми автоматизированными системами нижнего уровня.

В частности, в практике изучения золоторудных месторождений большое внимание уделяется всестороннему исследованию самородного золота и, в частности, одной из его важнейших характеристик – пробности. Поэтому в состав АРМ может быть введена система, реализующая экспрессный способ определения пробности золота по разработанной нами методике на основе измерения интегральной термоЭДС.

Для обработки и анализа изображений в состав АРМ введена автоматизированная система, обеспечивающая ввод и обработку изображений. Она комплектуется телевизионной камерой КТП-82, монохроматическим видеоконтрольным устройством и платой видео-АЦП АDS20. Изображение в виде аншлифа или фотографии помещается в фокус видеокамеры и отображается на экране видеомонитора. Выбранное для обработки изображение через видео-АЦП передается в персональную ЭВМ и обрабатывается в ней по определенному алгоритму. Программа для обработки и анализа изображений обладает довольно развитой файловой системой, которая позволяет работать с изображениями, маркерными и текстовыми полями, образами, фрагментами, файлами отчетов.

Функционирование АРМ может дать реально ощутимый эффект только при условии правильного распределения функций и нагрузки между человеком и машинными средствами обработки информации, ядром которых является ПЭВМ. Лишь в этом случае АРМ станет средством повышения не только производительности труда и эффективности управления, но и социальной комфортности специалистов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования, методические и конструкторские разработки, их практическая реализация позволили внести существенный вклад в решение актуальной научной проблемы – разработку инновационного комплекса электрофизических методов и автоматизированной аппаратуры для изучения свойств сульфидных минералов, рудных тел и месторождений, позволяющих эффективно решать задачи по выявлению зональности и прогнозу оруденения эндогенных месторождений, а также другие, сопутствующие этим целям, геолого-минералогические задачи.

Основные научные и практические результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, заключаются в следующем.


загрузка...