«Поведение золота в техногенно-минеральных образованиях месторождений золото-сульфидного типа»

Актуальность исследований обусловлена необходимостью решения фундаментальной задачи рудной геологии и геохимии – выяснение условий, источников и механизмов формирования рудных концентраций металлов в экзогенных условиях. Опубликованный материал по разнообразным экзогенным золотоносным объектам [Билибин, 1937; Петровская, 1973; Шило, 2002; Моисеенко, Палажченко, 2003; Калинин и др., 2006, 2009; Наумов, 2010; Reith et al., 2012; Николаева и др., 2015; Осовецкий, 2016; Shuster, Reith, 2018; Wierchowiec et al., 2018; Dunn et al., 2019 и др.] позволяет говорить о новом облике гипергенной геохимии Au, в связи с достаточно высокой его мобильностью, способностью изменять свои минеральные и растворимые формы, концентрироваться на геохимических барьерах. Воссоздание модели поведения Au и Ag позволит объяснить физикохимические условия формирования не только рудных концентраций в природных объектах, но и в зонах вторичного обогащения техногенных объектов. К последним относятся хвостохранилища продуктов добычи и переработки разнообразных золотосодержащих руд, называемые техногенноминеральными образованиями (ТМО). Их особенность заключается в том, что они, по своей сути, являются аналогами природных систем, в которых все химические реакции происходят быстрее и в узко ограниченном пространстве [Наумов, 2010; Литвинцев и др., 2016; Kirillov et al., 2018; Wierchowiec et al., 2018; Кузнецова и др., 2019; Хусаинова и др., 2019, 2020]. Горизонты вторичного обогащения образуются за первые десятки – сотни лет, позволяя при этом рассматривать ТМО в качестве потенциальных (а зачастую и реальных) рудных объектов. Однако, вопрос о масштабах перераспределения и образования «нового» золота остается дискуссионным. Не до конца выяснены механизмы диспергации и укрупнения частиц Au, причины изменения пробности зерен, химизм и масштабы процессов растворения, переноса и отложения Au из металлоносных комплексов, дальности их миграции в гипергенных условиях. Цель работы заключается в определении основных минералогогеохимических характеристик, условий миграции и концентрирования золота в техногенно-минеральных образованиях месторождений золото-сульфидного типа. Для этого решались следующие задачи: 1. Комплексно изучить типоморфные характеристики самородного золота и оценить степень их преобразования в процессе хранения ТМО. 2. Охарактеризовать зоны вторичного обогащения гипергенным золотом и классифицировать геохимические барьеры. 3. Создать термодинамическую модель растворения, переноса и отложения золота в системе ТМО. 4 4. Сравнить типоморфные характеристики и степень преобразования золота в ТМО на примере хвостохранилищ золоторудных и россыпных месторождений разных генетических типов. Предметом исследования является самородное золото, золотосодержащие растворы и вмещающее их вещество (первичные и окисленные руды, техногенные отложения). Под месторождениями золотосульфидного типа автор понимает объекты, в продуктах переработки (ТМО) которых присутствует значимое количество сульфидных минералов: (5-50 %) – высокосульфидные; (до 5%) – низкосульфидные. Объектами исследования являются хвостохранилища переработанных руд колчеданно-полиметаллических месторождений (высокосульфидные): 1) Ново-Урское и Белоключевское (Северо-Восточный Салаир); 2) Змеиногорское (Рудный Алтай). Кроме того, для сравнения золотоносности переработанных руд месторождений разных типов дополнительно изучались ТМО (низкосульфидные): 3) месторождения Тардан (Тува); 4) месторождений Акжал, Даубай, Яковлевское, Президент (Восточный Казахстан); 5) россыпей Чернореченская и бассейна рр. Ис и Тура (Урал). Фактический материал. Первичный материал с ТМО Ново-Урского, Белоключевского и Змеиногорского месторождений, а также с ТМО золоторудных месторождений Восточного Казахстана (Акжал, Даубай, Яковлевское и Президент) получены автором совместно с коллегами ИГМ СО РАН в ходе полевых работ за период 2015-2019 гг. Фактический материал с «хвостов» гравитационного обогащения месторождения Тардан был получен студенческим полевым отрядом Пермского государственного университета (ПГНИУ) в 2013 г. и изучался автором на протяжении обучения на программе специалитета в ПГНИУ в лаборатории осадочных полезных ископаемых (ЛОПИ). Кроме того, за этот период были изучены коллекции вещества ТМО и частиц золота, отобранные сотрудниками Естественно-научного института ПГНИУ, из техногенных отложений Чернореченской россыпи и бассейна рр. Ис и Тура. Методика исследования. Основной объем аналитических исследований проводился в Центре коллективного пользования многоэлементных и изотопных исследований ИГМ СО РАН (Новосибирск), а также в лаборатории «ЛОПИ» и секторе «Наноминералогия» ПГНИУ (Пермь). Опробование техногенных отложений осуществлялось по разным литологическим слоям (для насыпных отвалов) или вдоль профиля распространения вещества (для намывных отвалов), с объемом пробы не менее 10 кг каждая. Для каждой исходной пробы методом квартования отбирался дубликат для аналитических исследований. Обогащение осуществлялось гравитационным способом с помощью лотка или на установке «Мелкиеценные минералы (МЦМ)» ПГНИУ и винтовом шлюзе. В лабораторных условиях, полученный концентрат (черный шлих) доводился до суперконцентрата, с помощью домывки в бромоформе или воде. У полученной 5 пробы отделялась магнитная и электромагнитная фракции и проводился ситовой анализ по классам: >1.0, 1.0-0.5, 0.5-0.25, 0.25-0.1, <0.1 мм. Выделение самородного золота осуществлялось под бинокулярным микроскопом (ЛОМО XC1422). Для аналитических исследований были использованы методы: а) атомноабсорбционной спектрометрии (ААС) с использованием спектрометра 3030 В (Perkin-Elmer) и фотометра Solar M6 (Thermo Electron) для определения содержаний Au и Ag в исходных пробах (аналитик Ильина В.Н.); б) рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) на спектрометре ARL-9900XP (Thermo Fisher Scientific Ltd) для определения элементного состава исходных проб (аналитик Карманова Н.Г.). Содержание благородных металлов в поровых растворах определялось методом масс-спектрометрического анализа с индуктивносвязанной плазмой (МС ИСП) в ХАЦ «Плазма» (Томск). Исследования поверхности золота и отдельных её участков осуществлялось с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) TESCAN MIRA 3LMU (Tescan, Чехия) с энергетическим спектрометром OXFORD (Oxford Instruments, Великобритания) в режимах вторичных и обратно-рассеянных электронов при различных увеличениях (при ускоряющем напряжении электронного пучка 20 кВ) (аналитики Карманов Н.С., Хлестов М.В.) и на ED-спектрометре INCA ENERGY 350 (Oxford Instruments) на установке JSM 6390LV фирмы JEOL (аналитик Осовецкий Б.М.). Химический состав определялся методом локального микрорентгеноспектрального (микрозондового) анализа (МРСА) на установке Camebax micro (Камека, Франция), с ускоряющим напряжением 20 кВ, током зонда 70 na (аналитик Хмельникова О.С.). Структурное травление золота проводилось по известной методике [Петровская и др., 1980]. Термодинамическое моделирование проведено с помощью пакета программ «HCh 6.0» [Шваров, 2008], включающего базу термодинамических данных “UNITHERM”, при 25°С и общем давлении 1 атм. Расчеты проводились в 19-компонентной системе H2O-Na-Ca-Mg-K-Sr-Ba-Si-Al-Cl-CS-Fe-Mn-Ag-Au-Cu-Zn, включающей частицы в растворе, минералы и газы. Исходной информацией служили аналитические данные по минеральному и химическому составу вещества по данным РФА. Окислительновосстановительные условия задавались открытием системы по кислороду, кислотность создавалась степенью окисления сульфидов при разных Eh, щелочность корректировалась присутствием в растворе карбонат- и бикарбонат-ионов в равновесии с CO2(газ), соответствующим атмосферному, т.е. 10-3.5 атм. Научная новизна. Впервые изучены типоморфные характеристики золота (размер частиц, морфология, химический состав и внутреннее строение золота) из продуктов переработки руд Ново-Урского, Белоключевского и Змеиногорского месторождений. Выделены внешние и внутренние признаки, доказывающие, что золото, недоизвлеченное при промышленной добыче, 6 подверглось существенным преобразованиям в техногенных отвалах. Предложена физико-химическая модель поведения золота в хвостохранилищах продуктов переработки руд золото-сульфидного типа. Образующийся при этом горизонт вторичного обогащения, по условиям преобразования вещества, схож с горизонтом вторичного обогащения сульфидных руд в так называемых «железных шляпах» (по Крейтеру В.М.). Практическая значимость исследований. Показана и доказана перспективность ТМО месторождений золото-сульфидного типа на примере Ново-Урского, Белоключевского и Змеиногорского хвостохранилищ. Полученные типоморфные характеристики золота могут использоваться предприятиями для создания схем обогащения и извлечения металлов, а также для возможности управления процессами формирования зон с локальными (повышенными) концентрациями металла. Основные защищаемые положения: 1. В техногенно-минеральных образованиях сульфидного типа золото подвергается процессам растворения, миграции и осаждения. Происходит укрупнение золотин, формирование наростов Au разных форм и размеров на поверхности самородных частиц и образование сростков Au c гипергенными минералами. 2. Специфика минеральных парагенезисов техногенно-минеральных образований (обилие пирита и выделений самородной серы) определяет условия миграции золота. В области метастабильной устойчивости FeS2, Au неизбежно осаждается на его поверхности при достижении пересыщения поровых вод (рН 4, Au(HS)2 - > 10-6 мг/л). При развитии процесса, в условиях образования S(эл), происходит резкое увеличение миграционной способности золота за счет образования прочных тиосульфатных комплексов Au(S2O3)2 3- (до 10-3 мг/л при рН 1.6). Именно их распад приводит в обильному переосаждению Au0 на окислительно-восстановительных барьерах в теле отвала. 3. Вне зависимости от типа складирования вещества, способа обогащения и размерности самородных частиц, в техногенно-минеральных образованиях золото активно подвергается поверхностным процессам преобразования, благодаря взаимодействию вода-порода. В хвостохранилищах насыпного типа преобразование вещества происходит по аналогии с корами выветривания. При этом, главенствующими являются химические процессы преобразования золота, которые лучше проявляются при обилии сульфидных минералов и наличии ртути. Намывные ТМО близки к россыпным объектам, где определяющими являются механические процессы с незначительной трансформацией поверхности золотин. Апробация результатов исследования. Основные результаты, а также отдельные ее разделы, обсуждались и докладывались на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», МГУ, 2015, 2016 гг.; VI Российской молодежной научно-практической Школе 7 с международным участием «Новое в познании процессов рудообразования», ИГЕМ РАН, 2016; на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающиеся мире», ПГНИУ, 2013, 2015-2017 гг.; на Международной научно-практической конференции «Технологическая платформа. Твердые полезные ископаемые: технологические и экологические проблемы отработки природных и техногенных месторождений», 2015 г.; на Всероссийской молодежной геологической конференции «Геология, геоэкология и ресурсный потенциал Урала и сопредельных территорий», ИГ УНЦ РАН, 2015-2016 гг.; на Международном совещании по геологии россыпей и месторождений кор выветривания (РКВ-2015), ПГНИУ, 2015; на IX Сибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле, ИГМ СО РАН, Новосибирск, 2018; на III Всероссийской научной конференции «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами», БНЦ СО РАН, Чита, 2018; на VIII Всероссийской научно-практической конференции «Геология и минеральносырьевые ресурсы Северо-Востока России», СВФО им. М.К. Аммосова, Якутск, 2018; на Международной научно-студенческой конференции МНСК2019, Новосибирск, НГУ, 2019; в научной школе «Металлогения древних и современных океанов: месторождения океанических структур: геология, минералогия, геохимия и условия образования», ИМин УрО РАН, 2015-2017, 2019; на Международной конференции «Mine Water: Technological and Environmental Challenges (IMWA)», ПГНИУ, 2019; на Международном симпозиуме 16th International Symposium on Water-Rock Interaction (WRI-16) and 13th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry (1st IAGC International Conference), Томск, 2019; на Международной конференции 15th Biennial Meeting of the Society for Geology Applied to Mineral Deposits (SGA), Scotland, Glasgow, 2019. Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 2 статьях в рецензируемых журналах по перечню ВАК, в 15 публикациях, включенных в материалы научных мероприятий. Личный вклад соискателя. Автор принимала непосредственное участие на всех этапах работы: отбор и обогащение проб, пробоподготовка исходного вещества для аналитических исследований, подготовка материала и его изучение на СЭМ (более 500 частиц) и МРСА (более 100 частиц), обобщение полученных результатов. Помимо этого, автором проведен анализ опубликованных и фондовых материалов по геохимии Au в гипергенных условиях, осуществлено сопоставление собственных полученных данных с материалами предыдущих исследований по изучению частиц самородного золота и его поведения в техногенных объектах.