Петрофизика Удоканского месторождения

2. Введение

2.1. Краткая геологическая характеристика месторождения

Расположен в Северном Прибайкалье. Участок сложен толщей метаморфизованных миогеосинклинальных карбонатно-терригенных отложений удоканской серии нижнего протерозоя. Рудоносная пачка мощностью 20-330м образована ритмично переслаивающимися отложениями дельтовой и мелководно-морской фаций (снизу вверх): конгломератобрекчиями, преимущественно кварцевыми песчаниками с известковистым цементом и алевролитами, часто характеризующимися косой слоистостью. Месторождение приурочено к Намингинской брахисинклинали (длиной 15 км), опрокинутой к северу (рис. 54). Она осложнена складками и взбросо-сдвигами, к которым приурочены дайки габбродиабазов.

Рудные тела имеют согласные пласто-, линзо- и лентовидную формы. Богатые залежи тяготеют к поверхностям размыва в локальных депрессиях и русловых впадинах; по простиранию они прослеживаются до 2-3 км. Выделяются 3 типа руд: пирит-халькопиритовые, халькопирит-борнитовые и борнит-халькозиновые. Руды представляют собой кварцитовидные песчаники или алевролиты с тонкой (десятые доли миллиметра) вкрапленностью сульфидов. Главные рудные минералы – халькозин, борнит, халькопирит и пирит, второстепенные – магнетит и гематит. Руды монометальные – медные. Текстуры руд – вкрапленные, слоистые, пятнистые, брекчиевые и прожилково-вкрапленные; структуры-цементные, аллотриоморфнозернистые, графические, решетчатые, эмульсионные, петельчатые и интерсертальные.

В вертикальном разрезе меденосной толщи намечаются 4 зональных серии регрессивного типа, в каждой из которых устанавливается смена (снизу вверх) пирит-халькопиритовых руд борнит-халькозиновыми; местами вертикальная зональность обратная – трансгрессивного типа. Горизонтальная зональность выражается в том, что к прибрежной зоне (на севере) тяготеют преимущественно борнит-халькозиновые руды, а к более глубоководным участкам лагунного бассейна (на юге) – пирит-халькопиритовые.

Выделяются 4 стадии рудообразования. В первые две стадии – семидентационную и катагенетическую – формировались главные промышленные руды. Они были изменены в последующие стадии – сначала в результате регионального метаморфизма, а затем контактового. Региональный метаморфизм зеленосланцевой фации вызвал перекристаллизацию цемента песчаников, регенерацию рудных минералов и образование кварц-сульфидных жил при температуре 300-400⁰С (по данным декрепитации). Контактово-метаморфический процесс, связанный с дайками габбродиабазов, привел к более интенсивной регенерации сульфидов и возникновению в приконтактовой зоне мелких, но довольно богатых кварц-сульфидных тел с температурой образования 300-450⁰С. Руды Удокана характеризуются колебаниями δ ³⁴S от +13,5 до -21,8% при резко повышенном количестве ее легких изотопов, что указывает на биогенное происхождение серы.

2.2. Петрофизическая характеристика месторождения

В Удоканском месторождении выделяются 3 типа руд: пирит-халькопиритовые, халькопирит-борнитовые и борнит-халькозиновые. Главные рудные минералы – халькозин, борнит, халькопирит и пирит, второстепенные – магнетит и гематит. Рассмотрим физические свойства этих руд.

Плотность рудных минералов зависит от их средневзвешенной относительной атомной массы. В данной таблице плотность колеблется между значениями 4-5,6*10³ кг/м³. Все минералы из таблицы можно отнести к плотным или тяжелым минералам (σ₀>4*10³ кг/м³).

Плотность рудных минералов:

Минерал	Плотность, 103 кг/м3	Минерал	Плотность, 103 кг/м3
Халькозин	5,6	Халькопирит	4,1
Борнит	5,1	Гематит	4,86
Пирит	4,5	Магнетит	4,7

Плотность горных пород зависит от их генезиса, минерального состава, пористости, трещиноватости, влажности, степени метаморфизма, а также от температуры и давления при залегании на значительных глубинах в тоще земной коры.

Плотность горной породы, точнее ее твердой фазы, или минеральног скелета σ_т, зависит от плотности слагающих породу минералов σ_тi. Теоритически ее можно рассчитать по формуле:

σ_т= Σσ_тi*V_i,

где V_i – доля объема, занимаемого каждым минералом.

Рудная пачка отличается более сложным строением, большим разнообразием типов пород и обильной вкрапленностью сульфидов меди. В строении пачки принимают участие аргиллиты, алевролиты, песчаники и конгломерато - брекчии с весьма сложными взаимопереходами как по простиранию, так и по разрезу.

Плотность большинства горных пород изменяется в пределах (1,6-3,5)*10³ кг/м³. В порядке возрастания плотности породы выстраиваются в следующий ряд: осадочные, магматические, метафморфические.

Плотность осадочных пород:

Порода	Пределы значений плотности, 103 кг/м3		Порода	Пределы значений плотности, 103 кг/м3
Обломочные породы		Глинистые породы
Алевролит	1,8-2,8		Аргиллиты	1,7-2,9
Песчаник	2,0-2,9
Брекчия	1,6-3,0
Конгломерат	2,1-3,0

Горные породы состоят из минерального скелета, или твердой фазы, и порового пространства, обычно заполненного жидкой и газовой компонентами. Таким образом, пористость – это свойство породы содержать не заполненные твердой фазой объемы внутри нее. Поры – это небольшие пространства, не занятые минеральным скелетом, замкнутые, или сообщающиеся между собой и атмосферой.

Коэффициентом общей пористости называют отношение суммарного объема пор V_пор к общему объему сухой породы V_с: k_п=V_пор/V_с.

Коэффициенты пористости обычно выражают в процентах. В зависимости от минерального состава, условий залегания, степени диагенеза, возраста, структуры осадков или породы они изменяются от значений, близких к нулю, до 90%.

Самые высокие значения коэффициента общей пористости характерны для первичных осадков: песчаных, глинистых, известковых, диатомитовых, радиоляриевых, бокситовых.

Значения пористости общей пористости k_п горных пород и полезных ископаемых:

Порода, полезное ископаемое	kп, %
Осадки, осадочные породы
Алевролит	1-50
Песчаник	0,5-40
Аргиллит	1-30

Крепость горной породы, то есть сопротивляемость ее разрушению при любом виде приложения нагрузки, оценивается величиной коэффициента крепости f по шкале профессора М.М. Протодьяконова. Коэффициент крепости в первом приближении пропорционален пределу прочности на сжатие: f=σ_сж*10^-7.

По шкале М.М. Протодьяконова все горные породы разделены на 10 категорий: от «в высшей степени крепких пород» до «плывучих пород». Максимальным значением коэффициента крепости равным 20 отмечаются кварциты и базальты. К крепким породам с f=10 относятся граниты, очень крепкие песчаники и известняки, конгломераты, кварцевые рудные жилы.

Значения коэффициента крепости f некоторых минералов и горных пород:

Название минерала, горной породы	Коэффициент крепости f
Магнетит	5,9
Пирит	10,8
Аргиллит	3-5
Алевролит	2-9
Песчаник	16

Магнитная восприимчивость горных пород характеризует способность их намагничиваться современным магнитным полем Земли. Магнитная восприимчивость – это весьма информативный магнитный параметр горных пород, а также наиболее просто измеряемый магнитный параметр, по которому в настоящее время накоплен достаточно представительный статистический материал, касающийся различных горных пород.

Влияние размера зерен на величину магнитной восприимчивости осадочных горных пород позволяет в ряде случаев по ӕ определять направления сноса осадочного материала, поскольку вблизи областей денудации осадки, как правило, более грубозернистые.

Различие магнитной восприимчивости осадочных пород в разных элементах структуры земной коры:

Порода	Магнитная восприимчивость, 10-5 ед. СИ
	Платформы (чехол)	Складчатые структуры
Песчаник	0-200	0-41000
Алевролит	0-290	0-2500
Аргиллит	0-190	0-355

По причине разной удаленности от областей сноса наблюдается различие в магнитной восприимчивости осадочных пород складчатых и платформенных регионов.

Удельное электрическое сопротивление минералов изменяется в очень широких пределах – от 10^-8 до 10¹⁸ Ом*м. по электропроводности их условно можно разделить на три группы.

В первую группу входят самородные элементы. Вторую группу образуют сульфиды и оксиды. Сульфиды обычно обладают электронным типом проводимости, но нередки случаи, когда у них отмечается дырочная или смешанная проводимость. Разный тип электропроводности встречается у галенита, арсенопирита, молибденита. Галоиды, карбонаты, силикаты составляют третью группу.

Удельное электрическое сопротивление минералов:

Минерал	ρ, Ом*м	Минерал	ρ, Ом*м
1	2	3	4
Сульфиды
Пирит	10-5-100	Борнит	10-4-10-1
Халькопирит	10-5-100
Оксиды
Магнетит	10-2-10-5	Гематит	10-1-102

Значительные участки в земной коре занимают также сульфидизированные образования. Сульфиды в земной коре составляют около 0,15 % от общей массы и встречаются в различных породах в виде рассеянной вкрапленности, прожилков или сплошных скоплений. Сульфиды в большинстве своем обладают весьма малым удельным сопротивлением – от 10² до 10^-5 Ом*м.

Удельное электрическое сопротивление руд и основного минерала в них:

Основной минерал в руде	ρ, Ом*м
	Руда	Минерал
Пирит	10-4-101	10-5-10-2
Халькопирит	10-4-10-1	10-4-7*10-4
Магнетит	10-2-11	10-4