Ученые Геологического института научились прогнозировать свойства рудных минералов по их геометрическим характеристикам

В 2022 году в издательстве Кольского научного центра РАН вышла монография «Структурно-текстурные и вещественные свойства сульфидных медно-никелевых руд». В эти исследования были вовлечены ученые Норникеля, Геологического института КНЦ РАН и Казанского университета. Монография адресована специалистам по сульфидным медно-никелевым рудам и исследователям, изучающим структуры и текстуры руд и пород.

Авторы монографии – Иван Никулин (общая идея работы, геологический контекст), Юлия Михайлова (минералогический анализ, реконструкция рудогенеза), Николай Грошев (геология, реконструкция рудогенеза), Дмитрий Степенщиков (программирование, фрактальный анализ), Яков Пахомовский (электронная микроскопия, минералогия), Андрей Калашников (статистический анализ, реконструкция рудогенеза), Раиль Кадыров (3D рентгеновская томография, получение геометрических характеристик в трехмерном пространстве).

– Монография написана по результатам работ, выполненных в июле 2021-феврале 2022 по заказу ООО «Норникель технические сервисы», – говорит Андрей Олегович. – Для этого была организована довольно большая коллаборация исследователей из ГИ КНЦ РАН, Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН, Казанского университета и ООО «Гипроникель». Это первый опыт в выявлении связи типов минерализации с «геометрическими» свойствам рудных агрегатов. Мы показали, что, исходя из этих свойств, можно предсказывать тип минерализации, по крайней мере, для сульфидных руд норильского типа.

В книге изложены результаты изучения структурно-вещественных характеристик руд с точки зрения теории фракталов. Это Норильские руды – отобраны образцы керна скважин для всестороннего петрологического изучения из Хараелахской, Талнахской и Южно-Норильской интрузий. Образцы пород и руд исследовали комплексно: петрографическими, минералогическими, электронно-микроскопическими и химическими методами вначале, затем – с помощью 3D рентгеновской томографии. Так были выработаны индикаторные геометрические критерии для оценки состава рудных минералов. Кроме того, была установлена последовательность кристаллизации минералов как вмещающих, так и рудных, и уточнены механизмы формирования сульфидного оруденения норильского типа.

Ученые установили, что по структурным характеристикам пород возможно прогнозировать тип минерализации, химический состав сульфидов и содержание элементов платиновой группы в породе. Кроме того, показана возможность использования структурных характеристик пород для реконструкции рудогенетических процессов.

Главной особенностью исследования было использование метода 3D-рентгеновской томографии и сопоставление его результатов с детальным изучением вещества с помощью электронной и оптической микроскопии. 3D-рентгеновская томография – метод, позволяющий проводить анализ внутренней структуры объекта без нарушения его строения и целостности. Он основан на измерении и компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения в зависимости от изменения плотности и атомного состава вещества.

Отдельные разделы монографии посвящены типам рудной минерализации и взаимосвязи структурных и вещественных характеристик, характеристикам рентгеноплотностных фаз, а также уточнению механизмов рудообразования на основе текстурных метрик и их корреляций с минералогическими и петрохимическими свойствами.

Почему же исследовали столь отдаленный от Кольского Заполярья, Норильский рудный район и какие именно знания кольских ученых важны сегодня для промышленников?

Во-первых, именно в Красноярском крае сосредоточены сегодня более трех четвертей российских и почти трети мировых запасов никеля, а также более шестидесяти процентов всех запасов российской меди. Месторождения там разрабатываются активно и нуждаются в новых методах обнаружения еще неосвоенных запасов. Геологоразведка с бурением скважин – метод дорогой и долгосрочный, а потому сегодня крайне необходима разработка инновационного оценочного аппарата, который бы позволил предсказывать обнаружение перспективных залежей на основе разнообразных, в том числе, косвенных данных.

Ученые Геологического института КНЦ разрабатывают и испытывают такие методы не один десяток лет – так, в конце XX века здесь уже исследовали фрактальные свойства геологических объектов на примере Хибинского ультращелочного массива, месторождений полосчатой железорудной формации Приимандровского района и других. Было показано фрактальное строение рудного вещества в масштабе от шлифа до месторождения. Теперь пришла пора разрабатывать методику не моделирования тех или иных процессов, связанных с рудообразованием, а прогнозирования свойств руд и минералов.

Как пишут авторы во вступлении к монографии, «Изучению фрактальных свойств различных геологических систем посвящено множество работ… В 2019 году проводились экспериментальные исследования петроструктурных особенностей в 3D-варианте на примере каменного материала с рудоносных интрузивов Кольского полуострова. Все рудоносные интрузивы образуют зональные магматические тела, обусловленные динамической кристаллизацией при прохождении больших объемов магмы в условиях открытой системы, в отличие от безрудных, кристаллизация которых обусловлена однократным внедрением магмы в закрытой системе. Различные условия образования пород обуславливают количественные и качественные отличия петрографических структур и текстур в разных фациях рудоносных интрузивов. Эта зональность до настоящего времени изучена слабо, хотя имеет весьма контрастный характер, что делает ее применимой для локального и регионального прогноза сульфидных платино-медно-никелевых месторождений и может служить надежным индикатором при типизации рудоносных и нерудоносных интрузивов…».

Сегодня ученые знают, что кроме визуальных характеристик структурно-текстурных особенностей пород возможна и строгая математическая их оценка. Поэтому, выяснив характер взаимосвязей между вещественным составом руды и значениями ее структурно-текстурных параметров, можно типизировать руды, предсказывать их состав и масштаб оруденения.

Разработанная авторами методика количественного анализа структур сульфидных медно-никелевых руд для распознавания типов минерализации может быть использована при пространственном анализе распределения структурных характеристик с помощью горно-геологических информационных систем (например, Mineframe). В монографии приведена и последовательность разведочных работ от отбора штуфных проб до построения интерполяционной модели распределения типов минерализации в опробованном пространстве. Вывод, который делают авторы исследования, говорит о том, что при проведении геологоразведочных работ 2D-фрактальная размерность является дополнительным критерием для выявления зон с наибольшей интенсивностью рудной минерализации.

Авторы монографии благодарят сотрудников ООО «Норникель технические сервисы», геологов ПАО «Норильский Никель», сотрудников Геологического института КНЦ РАН за доброжелательность и обстоятельное участие в выполнении работ. Результаты исследования, приведенные в книге, вносят вклад в изучение процессов рудообразования в земной коре, а в практическом аспекте могут быть использованы для сопровождения геологоразведочных работ.