КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 23-27-00340
НазваниеМЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО БАРИТА В ХВОСТОХРАНИЛИЩАХ ПЕРЕРАБОТАННЫХ РУД ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
РуководительЮркевич Наталия Викторовна, Кандидат геолого-минералогических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-205 - Минералы, их ассоциации и процессы минералообразования
Ключевые словабарит, типоморфные характеристики, вторичное минералообразование, хвостохранилища переработанных руд, полиметаллические месторождения, Салаирское рудное поле, технологическая схема обогащения, буровой раствор
Код ГРНТИ38.35.24
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Эффективное использование и повторная переработка хвостов обогащения полиметаллических руд возможна лишь при корректной оценке их объемов, ресурсов ценных и токсичных компонентов, определении форм нахождения минералов (исходных и образованных в результате переотложения) и выявлении условий их концентрирования вследствие протекающих геохимических процессов. Поэтому изучение экзогенной эволюции техногенного вещества в целом, и рудной её составляющей в частности, взаимосвязаны и взаимообусловлены. Выявление закономерностей перераспределения химических элементов между твердой и жидкой фазами в ходе гипергенной трансформации техногенного вещества – актуальная фундаментальная научная задача.
Наибольший прикладной и научный интерес представляют продукты переработки руд полиметаллических месторождений, в хвостохранилищах которых присутствует значимое количество сульфидных минералов и самородного Au и Ag. Помимо этого, в таких объектах зачастую присутствует до 40 мас. % барита (BaSO4), который входит в перечень остродефицитных полезных ископаемых, и используется широким кругом отраслей промышленности. Значимым в практическом плане результатом станет разработка технологической схемы обогащения барит-содержащих хвостов переработки руд Салаирского рудного поля (Кемеровская область) для получения «чистого» баритового концентрата (с количеством примесей не более 15 мас. %) с учетом особенностей минералогического состава исходного техногенного сырья.
Цель проекта заключается в построении достоверной физико-химической модели поведения бария в ходе экзогенной эволюции техногенного вещества на основании определения основных минералого-геохимических характеристик хвостов обогащения полиметаллических руд, объясняющих образование вторичного (аутигенного) барита (на примере хвостохранилищ Салаирского рудного поля, Кемеровская область).
Объектами исследования являются хвостохранилища полиметаллических месторождений Салаирского рудного поля (Салаирский Кряж, Кемеровская область) – Ново-Урское, Талмовские Пески и Дюков Лог, которые отрабатывались в период 30-75 гг. 20 в. на благородные (Au, Ag) и цветные (Сu, Zn, Pb) металлы при помощи технологий гравитации, флотации и цианирования.
В проекте будут решены следующие задачи:
1. Оценка объемов техногенных тел и ресурсов барита. На основании данных, полученных авторами ранее, в результате комплексных геохимико-геофизических исследований в 2017-2021 гг., будет произведена оценка объемов техногенных тел и ресурсов барита в них. В рамках предлагаемого проекта будут определены типоморфные признаки (размерность, цвет, морфология, валовый элементный состав, определение типов минеральных ассоциаций (срастания, включения)), распределение BaSO4 и основных оксидов по разрезам отвалов, выделение горизонтов вторичного обогащения.
2. Создание физико-химической модели формирования аутигенного барита с учётом основных гипергенных и техногенных факторов.
3. Разработка технологической схемы обогащения вещества отходов (гравитационной, электромагнитной) с целью извлечения баритового концентрата.
4. Разработка рецептуры бурового раствора с использованием техногенного барита в качестве утяжелителя, что включает очистку полученного баритового концентрата от посторонних примесей (включений, срастаний и изоморфных примесей) с применением методов гидрометаллургического обогащения, приготовление раствора на основе хлорида натрия, каустической соды и ксантанового биополимера, определение его физико-химических свойств и химического состава.
По теме проекта будут опубликовано не менее 3-х статей, индексируемых в Web of Science, Scopus и RSCI, сделаны доклады на Всероссийских и международных конференциях.
Ожидаемые результаты
1. На первом этапе будет сделана оценка объемов хвостохранилищ Ново-Урское, Талмовские Пески и Дюков Лог (гг. Урск и Салаир), ресурсов барита и его распределение в теле отвалов при помощи данных геофизико-геохимических исследований. Будут определены типоморфные характеристики барита (размерность, цвет, морфология, химический и минеральный состав и ассоциации (срастания, включения)), что позволит определить тип руд и оптимальную схему обогащения; распределение BaSO4 и основных оксидов по глубине. Будут определены закономерности распределения барита в теле отвала и обозначены горизонты вторичного обогащения. Практически значимыми станут результаты оценки объемов хвостохранилищ и ресурсов барита в них. Принципиально новые результаты будут получены в части комплексирования данных электротомографии, геохимического опробования и минералогического анализа для выявления неоднородностей распределения баритоносных линз в теле хвостохранилищ.
2. Полученные данные по минералогическому составу техногенного вещества позволят более детально обсудить вопросы аутигенного минералообразования барита в хвостохранилищах полиметаллических месторождений. Создание физико-химической модели позволит объяснить механизмы перераспределения барита и других минералов по разрезу отвалов и возможность образования горизонтов вторичного обогащения. Будут рассмотрены основные факторы, влияющие на образование вторичного барита и его дальнейшую гипергенную трансформацию, и условия формирования геохимических барьеров. Будет рассмотрена роль не только классических факторов выветривания – кислотности, окислительно-восстановительного потенциала и минерализации порового раствора, но и химического состава исходного вещества отходов, в том числе оксигидрильных (органические карбоновые кислоты, производные H2SO4 H2SO3) и сульфогидрильных флотореагентов (ксантогенаты, меркаптаны и тиофенолы) в формировании вторичного барита. Принципиально новым результатом станет установление основных химических реакций, протекающих в ходе гипергенной трансформации сложной гетерогенной системы "измельченная руда - поровый раствор - флотореагенты" и создание физико-химической модели формирования аутигенного барита с учётом основных гипергенных и техногенных факторов. Предпосылкой для развития новой научной тематики станет определение влияния производных флотореагентов (в том числе, ксантогенатов) на формирование различных минеральных ассоциаций бария.
3. Будет разработана технологическая схема обогащения техногенного вещества для получения баритового концентрата с учётом физико-химического и минералогического состава. Будет предложена оптимальная методика по очистке баритового концентрата от магнитной до электромагнитной фракций и механических примесей. Практическая значимость результата определяется возможностью последующего создания рентабельного способа излечения баритового концентрата с учётом специфики объекта. Так, технология извлечения барита из хвостов гравитационного обогащения (Ново-Урское хвостохранилище) будет коренным образом отличается от технологии, которую целесообразно применять для вещества из Талмовских Песков (хвосты цианирования) или Дюков Лог (хвосты флотации).
4. Планируется разработка рецептуры бурового раствора с использованием техногенного барита в качестве утяжелителя. Предлагаемая технология включает очистку полученного баритового концентрата от посторонних примесей (включений, срастаний и изоморфных примесей) с применением методов гидрометаллургического обогащения и корректировку рецептуры бурового раствора. При сохранении высокого уровня объемов буровых работ в ходе разведки нефтяных и газовых месторождений в Российской Федерации, ограничении поставок импортного сырья, дефицит баритового концентраты на рынке может усугубиться. С учётом ограниченности природных запасов барита в России весьма актуальной задачей становится разработка его техногенных месторождений. Решение поставленных в проекте задач позволит получить результаты, которые послужат основой экономически эффективной технологии разработки техногенных месторождений барита с получением чистого барита для нужд нефтегазовой промышленности.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследования, реализуемые в проекте, находятся в рамках Концепции технологического развития РФ до 2030 г, и направлены на разработку научно-обоснованных рекомендаций и внедрение сквозных технологий «новых материалов и веществ» и «снижения антропогенного воздействия».
Объектами исследования являются хвостохранилища полиметаллических месторождений Салаирского рудного поля (Салаирский Кряж, Кемеровская область) – Ново-Урское, Талмовские Пески и Дюков Лог.
Цель проекта направлена на построение достоверной физико-химической модели поведения бария в ходе экзогенной эволюции техногенного вещества на основании определения основных минералого-геохимических характеристик хвостов обогащения полиметаллических руд, объясняющих образование вторичного (аутигенного) барита.
В рамках первого года гранта было получено, что:
1) В системе вода-порода основными формами Ba в веществе отходов являются: ионы бария (Ba2+), растворенные молекулы BaSO4(aq) и твердые фазы BaSO4(solid). Доминирующей формой нахождения Ba является сульфатная, в виде барита. Как примесь ВаО отмечен в полевых шпатах (до 1,45 мас. %) и вторичных пленках ярозитового состава (до 1,91 мас. %).
2) Хвостохранилища полиметаллических месторождений характеризуются неоднородным строением и распределением вещества. На Ново-Урском хвостохранилище в отвале кварц-баритового состава среднее содержание BaO составляет 13,0 мас. %, где по разрезу отмечено неравномерное распределение BaO, самые низкие содержания отмечаются в основании хвостохранилища (0,3 мас. %), самые высокие наблюдаются в горизонте кварц-барит-пиритового состава серо-синеватого цвета (37,5 мас. %). Тогда как в отвале барит-пиритового состава отмечено равномерное распределение вещество со средним содержанием BaO 28,5 мас. %. В разрезе хвостохранилища Талмовские Пески отмечается чередование первичных (неокисленных) и окисленных песков, в которых содержание BaО составляет 27,6 мас. % и 23,6 мас. %, соответственно, при среднем содержании BaO – 24,7 мас. %. При этом, выделяются горизонты с повышенным содержанием BaO – до 45,4 мас. %, которые характерны для серого (неокисленного) вещества.
Для Ново-Урского хвостохранилища объем кварц-баритового отвала составляет 1 649 851 м3 при ресурсах бария – 507 тыс. тонн или 863 тыс. тонн барита; для барит-пиритового отвала объем – 5184 м3 при ресурсах бария 1,8 тыс. тонн или 3,1 тыс. тонн барита. Общий объем хвостохранилища Талмовские Пески составляет 101000 м3, при ресурсах Ba 934 тыс. т или 1,6 млн т барита.
3) В отвале кварц-баритового состава Ново-Урского хвостохранилища помимо остаточного барита, присутствуют его аутигенные разности. Цвет барита варьирует от молочно-белого, прозрачного до желтовато-белого. Зерна остаточного барита встречаются в виде обломков неправильных форм, реже зерен таблитчатого габитуса, имеют размерность 50-300 мкм, среди примесей отмечен Sr (до 0,71 мас. %). Новообразованный барит встречается в виде единичных зерен или скоплений округлых и вытянутых форм или игольчатых кристаллов, размерность варьирует от 1-2 мкм до более крупных агрегатов, которые слагают прожилки или скопления в кремниcтом матриксе в ассоциации с плюмбоярозитом, ярозитом и ангидритом. Среди примесей отмечен Pb (до 6,33 мас. %), реже Fe до 0,73 мас. %, Sr до 0,94 мас. %. Отмечены срастания барита с пиритом, галенитом, ярозитом, ангидритом и кварцем.
На хвостохранилище Талмовские Пески определено две разновидности барита: 1) средние и мелкие обломки и зерна размерностью 100-300 мкм, совместно с породообразующими минералами и сульфидами; 2) тонкозернистые, тонкодисперсные (1-50 мкм) зерна, которые образуют прослойки, сцементированные агрегаты, объединенные цементом вторичных минеральных фаз. Барит имеет преимущественно белый цвет, реже бесцветный или рыжий (за счет вторичных железистых фаз). Зерна неправильных, реже пластинчатых, таблитчатых форм. Встречаются массивные, однородные зерна, а также хрупкие, трещиноватые. Отмечены срастания барита с кварцем, доломитом, апатитом, сульфидами (пиритом, халькопиритом); часто барит покрыт пленками плюмбоярозита (Pb0.5Fe3(SO4)2(OH)6), смитсонита (ZnCO3), плюмбогуммита (PbAl3(PO4)2(OH)5*2H2O) и пироморфита (Pb5(PO4)3Cl). В барите отмечены включения пирита, галенита и его вторичных минералов – англезита и церуссита.
Наиболее информативным типоморфным признаком, доказывающим, что барит образовался в условиях хвостохранилища, является морфология частиц, минеральная ассоциация и химический состав. Ba/Sr модуль не позволил однозначно разделить типы барита по генезису.
Помимо хемогенного минералооразования, в отвалах отмечено биогенное. Вторичное перераспределение и переотложение барита, ангидрита, ярозита, кальцита и аморфного кварца может быть связано с результатом жизнедеятельности микроорганизмов. Определённую роль в образовании аутигенного барита могут играть цианобактерии и водоросли, присутствие которых диагностируется в жизнедеятельном и погибшем состоянии.
4) Технологические исследования проводились с целью изучения возможности получения концентратов, пригодных для применения в нефтегазовой промышленности в качестве утяжелителей буровых растворов. Гранулометрический анализ по технологических пробам хвостохранилищ Ново-Урскому, Талмовские Пески и Дюков Лог показал довольно равномерное распределение полезного компонента (BaO) по классам крупности. Наиболее продуктивными классами крупности являются: 1) класс -0,25 мм для вещества из Ново-Урского хвостохранилища; 2) класс -0,16 мм для вещества из хвостохранилища Талмовские Пески; 3) класс -0,1 мм для хвостохранилища Дюков Лог. Получение наиболее качественных баритовых концентратов гравитационными методами возможно из пробы неокисленного вещества Ново-Урского хвостохранилища. При обогащении этой пробы содержания барита в концентрате и промпродукте превышают 90 %. Аналогично для пробы Дюков Лог (уч. южный). Здесь при невысоком содержании барита в исходном материале за одну стадию гравитационного обогащения содержание в концентрате превышает 87%, что соответствует марке КБ-5 по ГОСТу 4682-84. Материал пробы Дюков Лог (уч. северный) также довольно хорошо обогащается гравитационными методами, содержание приближается к марке КБ-6.
Концентраты неокисленного вещества Ново-Урского хвостохранилища и вещество хвостохранилища Дюков Лог (уч. северный) соответствуют по содержанию сернокислого бария концентратам классов КБ-6 – КБ-5 для буровых растворов по ГОСТ 4682— 84. Содержание водорастворимых солей также не превышает нормируемых показателей для концентратов класса Б. Дополнительные исследования по определению pH водной вытяжки баритовых концентратов и циклический тест для определения динамики изменения pH водной вытяжки баритового концентрата при длительной промывке концентратов с аэрированием среды показали относительное закисление среды до pH 4,5-6, ассоциированное с остаточными содержаниями сульфидного материала в концентратах. Измерение минерализации водных вытяжек показало постепенное вымывание остаточных содержаний водорастворимых солей.
Публикации
1. Юркевич Н.В, Хусаинова А.Ш., Бортникова С.Б., Бондаренко В.П., Карин Ю.Г., Коханова С.П. Ресурсы барита, цветных и благородных металлов в хвостохранилище Талмовские Пески: минералого-геохимические и геофизические данные Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири, Выпуск: 3 (55), с. 105-114 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.20403/2078-0575-2023-3-105-114