КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-17-10173

НазваниеТрёхмерное минералогическое картирование Ковдорского фоскорит-карбонатитового комплекса: эволюция минералообразования, геометаллургическое моделирование и перспективные технологии переработки комплексных руд

РуководительИванюк Григорий Юрьевич, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр Российской академии наук», Мурманская обл

Года выполнения2016 - 2018

КонкурсКонкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-205 - Минералы, их ассоциации и процессы минералообразования

Ключевые словаКольский регион, Ковдорский массив, фоскориты, карбонатиты, трёхмерное моделирование, рудные месторождения, редкоземельные элементы, скандий, цирконий, ниобий, железо, фосфор

Код ГРНТИ38.35.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Поиск путей рационального и как можно более полного использования богатства недр – одна из главнейших задач геологии. Вторая важная задача – реконструкция происхождения и эволюции Земли и отдельных геологических объектов. Предлагаемый проект нацелен на создание методологии решения обеих этих задач для отдельных месторождений, в первую очередь, многокомпонентных и сложно устроенных, – а именно такие и содержат стратегически важные ресурсы (редкие, редкоземельные и благородные металлы, агротехническое сырье и т.п.). Суть данной методологии изучения рудного объекта состоит, во-первых, в его изучении на всех доступных уровнях организации вещества (от кристаллографических особенностей отдельных минералов до геологических и тектонических схем), и, во-вторых, в изучении закономерностей пространственного распределения всех этих свойств и нахождения между ними статистических и причинно-следственных связей. Вызовы современной экономики требуют радикального усовершенствования технологии извлечения минералов и обеспечения постоянного состава товарных концентратов. Без знания тонких свойств рудообразующих минералов, без понимания особенностей их взаимного комбинирования и положения в объеме рудного тела добиться решения этих задач невозможно. В частности, необходимо знание таких важнейших свойств как: – зависимость концентрации полезных и вредных компонентов в минералах от положения последних в вертикальном и горизонтальном разрезе рудной залежи; – формы нахождения и особенности распределения попутных ценных и вредных компонентов; – состав и форма микровключений в зёрнах промышленно ценных минералов и их связь с зональностью рудного тела; – закономерности изменения химического и гранулометрического состава промышленно ценных минералов, состав и размер включений в их зёрнах. Кроме того, детальная информация о пространственном распределении этих свойств позволяет строить обоснованную модель генезиса месторождения. Разработка данного подхода была начата на Ковдорском бадделеит-апатит-магнетитовом месторождении (Мурманская область) в рамках проекта по доразведке его глубоких горизонтов. Создана блочная модель месторождения, предложена классификация пород фоскорит-карбонатитового ряда, основанная на международной классификации изверженных пород, изучена петрографическая зональность фоскорит-карбонатитового комплекса и выявлены основные пространственные закономерности изменения состава и свойств добываемых минералов. По сути, это исследование явилось первым примером в мировой геологической практике системного всестороннего изучения 3D-зональности сложного рудного объекта. В ходе выполнения настоящего проекта планируется изучить зональность Ковдорского фоскорит-карбонатитового комплекса в отношении состава и свойств большинства породообразующих и акцессорных минералов, выявить закономерности локализации, состава и свойств известных минералов с функциональными свойствами (в частности, квинтинита), осуществить поиск неизвестных минералов – прототипов функциональных материалов, проанализировать используемые и перспективные технологические схемы обогащения многокомпонентных руд и переработки получаемых концентратов с учётом полученных данных, распространить разработанные методики трёхмерного минералогического картирования на другие месторождения, в частности, Ловозёрское лопарит-эвдиалитовое.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты: 1. Модель эволюции минералообразования в Ковдорском фоскорит-карбонатитовом комплексе; 2. Методология геометаллургического картирования многокомпонентных руд, основанная на трехмерных моделях распределения вещественных свойств пород и минералов. Обобщенный алгоритм, реализующий данную методологию, интегрированный в горно-геологическую информационную систему (ГГИС). 3. Рекомендации по выбору (корректировке) технологических схем переработки многокомпонентных руд на основе данных трёхмерного минералогического картирования. 4. Алгоритм поиска редких минералов в пределах изверженных комплексов. 5. Новые минеральные виды и анализ их функциональных свойств. Результаты планируется опубликовать не менее чем в 10 статьях в международных журналах, входящих в базы данных Web of Science или Scopus Монографии авторов по минералогии Ковдорского массива (Ivanyuk et al. Minerals of the Kovdor Massif, 1997;Ivanyuk et al. Kovdor, 2002) получили высокую оценку международных экспертов (Tremblay P. The Canadian Mineralogist, 1999, 37, 779; Chakhmouradian A.R., The Canadian Mineralogist. 2005, 43, 1799). Первые результаты 3-мерного минералогического картирования Ковдорского комплекса, позволившие, помимо прочего, обосновать наличие крупного месторождения скандия, опубликованы в высокорейтинговых международных журналах (Mikhailova et al., 2015; Kalashnikov et al., 2016) и использованы при лицензировании глубоких горизонтов Ковдорского комплексного месторождения бадделеита, апатита и магнетита. Методика геометаллургического картирования многокомпонентных руд – предполагает её непосредственное внедрение в процесс долговременного планирования и контроля селективной добычи комплексных руд. Опыт открытия минералов с выраженными функциональными свойствами (иванюкит, кукисвумит, чивруайит и др.) и создания на их основе новых функциональных синтетических материалов из продуктов переработки лопарита и титанита (патенты RU 2467953, RU 2539303, RU-2567314, RU-2560407 и др.) позволяет планировать аналогичные открытия в Ковдорском фоскорит-карбонатитовом комплексе. Также планируется модифицирование технологий переработки бадделеита и других минералов для попутного получения прекурсоров новых функциональных материалов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 году по проекту были выполнены следующие работы. 1. Проведены полевые исследования на Ковдорском бадделеит-апатит-магнетитовом месторождении и в зоне развития обрамляющих скарноидов. Собранные в ходе полевых работ и имевшиеся образцы подготовлены для проведения электронно-микроскопического изучения, микрозондового и ICP MS анализа. Проведено электронно-микроскопическое и микрозондовое изучение большинства образцов. 2. Проведено детальное минералогическое изучение неизвестных минералов (и политипов), включающее монокристальный рентгеноструктурный анализ, рамановскую и мёссбауэровскую спектроскопию и др. специальные методы исследования. 3. Построено 64 трехмерных модели распределения в объеме Ковдорского месторождения различных характеристик пород, породообразующих и акцессорных минералов. Проанализированы связи технологически востребованных свойств рудных минералов (бадделеита, апатита и магнетита) с химическим и минеральным составом пород. 4. Проведены геотермобарометрические исследования титаномагнетита и карбонатов, подготовлена база данных для геотермобарометрических расчетов по сосуществующим силикатам. 5. Спланирован эксперимент по изучению процессов дифференциации и кристаллизации фоскорит-карбонатитового расплава-раствора в зависимости от присутствия в нем щелочных элементов, летучих компонентов и скорости остывания. Спроектировано, частично изготовлено и предварительно протестировано оборудование для него. В результате проведенных работ получены следующие результаты. 1. Рассчитана температура (от550 до 250˚С), фугитивность кислорода (от +1,5 до -4 относительно Ni-NiO буфера) и скорость диффузии ионов титана и алюминия при распаде титаномагнетита; давление (от 0.1 до 16 кбар) и температура (от 500 до 350˚С) кристаллизации карбонатов. Показано, что эти параметры постепенно уменьшались при кристаллизации пород от стенок трубки к ее осевой части. При этом температура распада титаномагнетита была примерно на 250 ˚С ниже, чем температура кристаллизации сосуществующих карбонатов. Выявлено два типа роста экссолюционных включений в магнетите – независимый от размера включений и пропорциональный, определяемые скоростью диффузии ионов титана и алюминия в магнетите. 2. Открыт и утвержден Международной минералогической ассоциацией новый слоистый Ba-Sc фосфат кампелит (IMA 2016-084), Ba6Mg3Sc8(PO4)12(OH)6(H2O)7, найденный в ходе работ по трехмерному картированию Ковдорской фоскорит-карбонатитовой трубки в зоне развития бадделеита с повышенным содержанием скандия. Установлен, детально изучен и подготовлен к утверждению в качестве нового минерального вида Mg-REE везувиан из рудовмещающих скарноидов Ковдорского комплекса. Обнаружены и детально изучены 2 новых политипа квинтинита. 3. Выявлена и локализована благороднометальная сульфидно-теллуридная минерализация (акантит, аргентопентландит, гессит, мончеит, петцит, волынскит, самородные серебро, золото, платина) в щелочных (авто)метасоматитах по фоскоритам и вмещающим силикатным породам. 4. Выявлена зональность Ковдорского фоскорит-карбонатитового комплекса в отношении распределения сульфидов. В осевой зоне трубки получил распространение халькопирит, а по периферии тела – пирротин. Распад CoNi-пирротина приводит к формированию концентрической зональности трубки по составу экссолюционых включений: пентландит преимущественно концентрируется в краевой части, а кобальтпентландит – в осевой. 5. Разработаны два метода автоматического геологического картирования на основе модального и химического состава пород. Построены соответствующие модели для Ковдорского месторождения (3D) и Аллуайвского участка Ловозерского лопарит-эвдиалитового месторождения (2D). 6. Разработан алгоритм геометаллургического моделирования Ковдорского месторождения.

 

Публикации

1. Victor N. Yakovenchuk, Gregory Yu. Ivanyuk, Yakov A. Pakhomovsky, Taras L. Panikorovskii, Sergei N. Britvin, Sergey V. Krivovichev, Vladimir V. Shilovskikh, Vladimir N. Bocharov New mineral KAMPELITE (2016-084) -, IMA 2016-084 (год публикации - ).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Предложен новый подход к реконструкции петрогенезиса (пост)магматических систем – топокристаллохимия. Он заключается в анализе распределения в пространстве кристаллографических и кристаллохимических особенностей ключевых минералов. Начата апробация этого подхода на примере пирохлора, форстерита и сульфидов Ковдорского комплекса. Разработаны основы для нового кристаллохимического геооксометра, отградуированного по зависимости кристаллической структуры форстерита от фугитивности кислорода, характеризующей равновесие структур распада сосуществующего титаномагнетита; 2. Установлено, что эволюция Ковдорского фоскорит-карбонатитового комплекса управлялась взаимодействием сосуществующих в расплаве силикатной и карбонатной сеток с изолированными железо-фосфорными кластерами. Ранняя кристаллизация форстерита (с соответствующим разрушением силикатной сетки расплава и уходом магния) привела к дестабилизации железо-фосфорных комплексов и кристаллизации апатита и магнетита. Остающаяся в расплаве карбонатная сетка по мере дальнейшего падения температуры дала кальцит. Установленная закономерность изменения состава расплава подтверждается как соотношением породообразующих минералов в каждом участке фоскорит-карбонатитовой трубки, так и общей зональностью последней: краевые существенно форстеритовые фоскориты - промежуточные бескарбонатные магнетитовые руды - осевые карбонатсодержащие фоскориты и карбонатиты; 3. Выявлено, что химические составы породообразующих минералов скоррелированы, и эта взаимная зависимость определяется фугитивностью кислорода, контролируемой магнетит-оливиновым буфером. При низкой фугитивности кислорода в расплаве/растворе присутствуют катионы Fe2+ и кристаллизуются железистые представители минеральных рядов, тогда как при высокой фугитивности кислорода железо в расплаве/растворе находится в трёхвалентной форме и образуются магнезиальные минералы с повышенным содержанием Fe3+. 4. Открыт новый член группы пирохлора гидроксинатропирохлор (IMA 2017-030a). Еще две неизвестных фазы из групп везувиана и граната были детально исследованы для утверждения в качестве новых минеральных видов. 5. Показана важная роль процессов самоочищения породообразующих минералов от микропримесей (включая распад твёрдых растворов) на позднемагматической и постмагматической стадиях. Диффузионная миграция элементов, плохо совместимых с кристаллической решеткой минерала, к поверхности его зёрен и трещинам приводит к образованию новых фаз, зачастую являющихся редкими или эндемичными. Так, самоочищение ковдорского магнетита от примесей приводит к образованию шпинели, ильменита, гейкилита и квинтинита, [Mg4Al2(OH)12](CO3)(H2O)3 (включая детально изученные в ходе выполнения данного проекта 2Т и 3R политипы последнего), а самоочищение бадделеита - к появлению минералов группы пирохлора и скандиевых фосфатов, включая открытые в ходе выполнения проекта гидроксинатропирохлор, (Na,Ca,Ce,Th,U)2Nb2O6(OH), и кампелит, Ba3Mg1.5Sc4(PO4)6(OH)3•4H2O. 6. Разработан метод автоматического трёхмерного геологического и предварительного геометаллургического картирования, основанный на переводе данных рядового рудничного опробования состава пород в карты изменения количества и состава ключевых минералов с помощью искусственных нейронных сетей и логических вычислений. Этот подход апробирован на Ковдорском бадделеит-апатит-магнетитовом и Ловозерском эвдиалитовом месторождениях. В ходе изучения последнего открыт ещё один новый минерал - селивановаит, NaTi3(Ti, Fe, Na)4[(Si2O7)2(O, OH)4(OH, H2O)4]•nH2O. 7. Проведены эксперименты по высокотемпературному (700 и более градусов Цельсия) фосфатно-карбонатному минералообразованию, в ходе которого были получены синтетические аналоги вагнерита, горяиновита и ещё не утверждённого минерала состава Sr2PO4F, являющиеся, в свою очередь, прекурсорами для образования минералов группы апатита.

 

Публикации

1. - Ученые Кольского научного центра разработали искусственные нейронные сети для изучения месторождений полезных ископаемых Пресс-центр Федерального агентства научных организаций, Дата: 04.08.2017 10:27 (год публикации - ).

2. Житова Е.С., Кривовичев С.В., Яковенчук В.Н., Иванюк Г.Ю., Пахомовский Я.А., Михайлова Ю.А. Crystal chemistry of natural layered double hydroxides. 4. Crystal structures and evolution of structural complexity of quintinite polytypes from the Kovdor alkaline massif, Kola peninsula, Russia Mineralogical Magazine, - (год публикации - 2017).

3. Иванюк Г.Ю., Калашников А.О., Пахомовский Я.А., Базай А.В., Горяинов П.М., Михайлова Ю.А., Яковенчук В.Н., Коноплёва Н.Г. Subsolidus evolution of the magnetite-spinel-ulvöSpinel solid solutions in the Kovdor phoscorite-carbonatite complex, NW Russia Minerals, 7, 215 (год публикации - 2017).

4. Калашников А.О., Иванюк Г.Ю., Михайлова Ю.А., Сохарев В.А. Approach of automatic 3D geological mapping: the case of the Kovdor phoscorite-carbonatite complex, NW Russia Scientific Reports, 7:6893 (год публикации - 2017).

5. Пахомовский Я.А., Паникоровский Т.Л., Яковенчук В.Н., Иванюк Г.Ю., Михайлова Ю.А., Кривовичев С.В., Бочаров В.Н., Калашников А.О. Selivanovaite, NaTi3(Ti,Na,Fe,Mn)4[(Si2O7)2O4(OH,H2O)4]·nH2O, a new rock-forming mineral from the eudialyte-rich malignite of the Lovozero alkaline massif (Kola Peninsula, Russia) European Journal of Mineralogy, - (год публикации - 2017).

6. Яковенчук В.Н., Иванюк Г.Ю., Пахомовский Я.А., Паникоровский Т.Л., Бритвин С.Н., Кривовичев С.В., Шиловских В.В., Бочаров В.Н. Kampelite, Ba3Mg1.5Sc4(PO4)6(OH)3•4H2O, a new very complex Ba-Sc phosphate mineral from the Kovdor phoscorite-carbonatite complex (Kola Peninsula, Russia) Mineralogy and Petrology, - (год публикации - 2017).