Магнитно-фракционно-минералогический анализ
Ф.Н. ЕФИМОВ
Эффективность применения геофизических методов при решении разнообразных геологических задач в значительной мере определяется прежде всего тем, в какой мере раскрыты, правильно понятны и использованы существующие в природе геолого-физические связи.
Однако многие связи такого рода к настоящему времени раскрыты лишь в самых общих чертах, так как их характер часто бывает весьма сложным.
В частности, до сих пор недостаточно полно изучены связи между вещественным составом пород и руд и их магнитными параметрами.
Исследованиями ряда ученых [2, 5, 7, 12 и др.] показано, что магнитная восприимчивость пород зависит от концентрации в них ферромагнитных минералов.
В том числе имеются работы, в которых полностью или частично отрицается существование закономерной зависимости величины магнитной восприимчивости пород от содержания в них ферромагнетиков, в частности магнетита. К числу последних относятся работы Н.И. Спиридовича [12], Л.Д. Берсудского [2], которые пытались установить указанную связь путем определения магнитной восприимчивости природных образцов и подсчета в них количества ферромагнитных минералов.
Изучая природные связи при помощи сопоставления геолого-геофизических карт и геолого-физического опробования кристаллических пород по Украинскому кристаллическому щиту, нам удалось найти эффективную методику, названную нами магнитно-фракционно-минералогическим анализом, которая позволяет не только дать качественную характеристику зависимости между магнитными параметрами породы или руды и ее минералогическим составом, но и определить количественные показатели этой зависимости.
Магнитно-фракционно-минералогический анализ включает следующие элементы исследования.
1. Макроскопическое обследование образцов пород и руд при помощи магнитной иглы, укрепленной на вольфрамовой нити, для предварительной оценки характера намагниченности различных частей исследуемых образцов.
2. Определение объемного веса образцов и для пористых пород и руд коэффициента общей пористости.
3. Измерение объемной магнитной восприимчивости протолочек образцов с крупностью зерен приблизительно 0,2 мм.
4. Магнитную сепарацию протолочек образцов мокрым способом при строго фиксируемом режиме напряженности магнитного поля между полюсами электромагнита. Крупность зерен протолочек при этом должна быть 0,14-0,01 мм и меньше в зависимости от вещественного состава породы.
5. Взвешивание на аналитических весах с точностью до 0,1 мг полученных в результате сепарации магнитной и немагнитной фракций.
6. Минералогическое изучение магнитной и немагнитной фракций и определение процентного содержания магнитных и немагнитных минералов к весу породы.
7. Описание шлифов для изучения петрографического состава и структурно-текстурных особенностей исследуемых образцов и, в частности, для выяснения характера соотношений между рудными и нерудными минералами.
8. Описание аншлифов, для правильной диагностики рудных минералов и определения характера распределения и морфологии последних в ненарушенной породе.
Как видно, магнитно-фракционно-минералогический анализ основан на использовании различий магнитных свойств минералов и составленных ими пород и руд.
Для того чтобы не допускать грубых ошибок в определении весового количества магнитных минералов в пересчете на породу, минералогом путем подсчета зерен вводится поправка на наличие в магнитной фракции прозрачных минералов. Необходимо заметить, что введение указанной поправки носит приближенный характер, поэтому следует стремиться к повышению чистоты магнитной сепарации.
Магнитная восприимчивость порошка породы определялась на астатическом магнитометре системы Долгинова. Градуировка прибора выполнялась при помощи парамагнитных солей.
В общей сложности нами сделано более трехсот магнитно-фракционно-минералогических анализов, однако, как показал опыт работы последнего года, данные, полученные на первом этапе работы, нуждаются в дополнительном уточнении. Так как в институте (ВНИГНИ), где работает автор, не было собственной лабораторной базы для определения физических свойств, последние определялись частично в г. Киев и в Кирицах. Такая организация работ вынуждала нас определять магнитную восприимчивость не тех порошков, которые подвергались магнитной сепарации, а отдельных частей образцов, направляемых в лаборатории физических свойств, вещественный же состав этих частей не всегда точно соответствовал вещественному составу протолочек. Кроме того, на качество анализа влияли недостатки, связанные с градуированием астатического магнитометра при помощи электрических катушек и потерей вещества при разделении порошка в тяжелых жидкостях и в процессе сепарации.
Устранение указанных недостатков повысило качество магнитно-фракционно- минералогического анализа, в результате чего геолого-физические связи получили более четкое выражение.
Эффективность магнитно-фракционно-минералогического анализа может быть иллюстрирована графиком зависимости величин магнитной восприимчивости кристаллических пород от содержания в них ферромагнитных минералов (магнитной фракции) (см. рисунок). На графике показано положение точек, характеризующих минералого-физические свойства 100 образцов разнообразных кристаллических пород от кислых до ультраосновных [17].
Если обратиться к рисунку, то нетрудно заметить, что точки всех пород располагаются в определенном порядке. Наиболее высокими магнитными свойствами в диапазоне значений от 15000 до 300000*10-6 CGSM и соответственно наиболее высокими значениями содержаний магнитной фракции (от 10 до 80%) обладают магнетитовые кварциты, роговики, скарны, джеспилиты и тектониты вебстеритов. Наиболее низкими значениями магнитной восприимчивости (100-400*10-6 CGSM) и соответственно самыми низкими содержаниями магнитной фракции (0,01-0,2%) обладают гранитоиды, кислые разности гнейсов и значительная часть исследованных амфиболитов. Очень широким диапазоном значений магнитной восприимчивости от 100 до 70000*10-6 CGSM и соответственно широкими пределами содержаний магнитной фракции (от 0,05 до 50%) обладают кристаллические сланцы преимущественно амфиболового состава, в различной степени карбонатизированные, хлоритизированные и каолинизированные. Габбро-амфиболовое и приоксен-оливиновое, а также ультраооновные породы - пироксениты, частично амфиболизированные, серпентинит катаклазированный - занимают на графике промежуточное положение между магнетитовыми кварцитами и амфиболитами. Они имеют пределы изменений магнитной восприимчивости от 1000 до 100000*10-6 CGSM и содержания магнитной фракции от 1 до 35%.
На графике видно, что точки, определяющие магнитные и минералогические свойства разнообразных пород, распределяются в определенном порядке в пределах изогнутой полосы. Правая часть полосы, соответствующая диапазону железистых кварцитов, имеет наименьший наклон к оси магнитной восприимчивости; левая часть полосы, образованная точками пород гранитоидного состава, а также слабомагнитными разностями гнейсов, мигматитов, амфиболитов и сланцев, имеет крутой наклон к оси восприимчивости с тенденцией занять вертикальное положение при очень малых концентрациях магнитной фракции.
Общий характер поведения точек различных пород на графике весьма выразительно вскрывает важную геолого-физическую закономерность. Он показывает, что магнитная восприимчивость любых пород, содержащих более 2% магнитной фракции, зависит от содержания ферромагнетиков, в основном магнетита и частично титано-магнетита, пирротина и некоторых других. По мере уменьшения содержания ферромагнетиков в породе от 2 до 0,1% влияние последних на магнитную восприимчивость пород быстро уменьшается, стремясь к нулю при содержаниях менее 0,01%. График показывает, что ферромагнетики перестают оказывать заметное влияние на магнитные свойства пород в диапазоне значений магнитной восприимчивости от 0 до 100*10-6 CGSM. В указанном диапазоне значений ϰ магнитность пород определяется не ферромагнетиками, а парамагнитными железосодержащими минералами, в том числе такими распространенными породообразующими минералами, как пироксены, амфиболы, биотит и др.
Для окончательного решения вопроса о роли ферро- и парамагнитных минералов слабомагнитных пород весьма важно уточнить, в какой мере магнитность парамагнитных минералов определяется ферромагнетиками, в основном магнетитом, находящимся в виде мельчайших включений в метасиликатах и других парамагнитных-минералах, и в какой мере магнитность последних обусловлена их собственными кристаллохимическими особенностями.
Как видно, магнитно-фракционно-минералогический анализ позволяет получить доказательства на образцах природных геологических образований различных вещественного состава, генезиса и возраста, что носителем магнитности сильномагнитных образований (магнетитовые кварциты, скарны, роговики, руды и др.) являются ферромагнетики, в основном магнетит; магнитность слабомагнитных пород (типичные граниты, кислые разности гнейсов, мигматитов, полимигматитов, некоторые разности сланцев, амфиболитов и др.) определяется магнитностью породообразующих парамагнитных минералов и включенными в них ферромагнетиками. Магнитность пород, обладающих магнитной восприимчивостью от 100 до 1000*10-6 CGSM обусловлена суммарным воздействием пара- и ферромагнитных минералов. При этом роль ферромагнитных минералов относительно возрастает, а парамагнитных падает по мере роста концентраций в породах ферромагнетиков. Следует заметить, что влияние парамагнетиков на магнитность пород имеет место во всех случаях, в том числе и для ферромагнитных пород и руд, однако в последнем случае это влияние будет иметь относительно ничтожное значение.
Говоря о магнитности пород, не следует забывать, что речь идет о магнитной восприимчивости, которая, как известно, характеризует лишь одну сторону природной намагниченности геологических образований.
Для того чтобы дать геологическое толкование наблюдаемых геомагнитных полей, необходимо знать также характер остаточного намагничения геологических тел [1, 3, 7, 9 и др.]. К сожалению, эта сторона вопроса пока еще изучена недостаточно в силу ограниченности материалов наблюдений за поведением векторов остаточного намагничения пород различных состава, генезиса и возраста. Нужно полагать, что исследования природной намагниченности геологических образований на должном уровне и в необходимом объеме будут проведены в ближайшее время. Представленный же материал свидетельствует о том, что изучение магнитной восприимчивости имеет самостоятельное значение не только для выяснения природы магнитности геологических тел, но и для решения ряда специальных задач при изучении вещественного состава пород и руд.
В самом деле, если проанализировать причины, обусловливающие положение точек на графике по ширине образованной ими полосы, то окажется, что они разбросаны неслучайно. Возьмем для примера интервал кварцитов. На ординате, соответствующей ϰ = 115000* 10-6 CGSM, в нижней части полосы находятся точки, соответствующие магнетитовому тектониту вебстерита и магнетитовому кварце-сидеритовому роговику. Эти породы содержат в своем составе от 25 до 30% магнитной фракции. В верхней части полосы примерно на той же ординате находятся точки, соответствующие образцам магнетито-куммингтонитового роговика и магнетитового джеспилита, содержащим магнитной фракции почти в два раза больше (от 50 до 60%). Иными словами, первые образцы имеют более высокие значения отношений магнитной восприимчивости к процентному содержанию магнитной фракции по сравнению со вторыми образцами. Петрографическое и минералогическое изучение указанных образцов показало, что магнитная восприимчивость пород, отнесенная к процентному содержанию магнитной фракции, обусловлена вещественным составом пород. В первом случае магнитная фракция представлена обломками крупных выделений и зерен магнетита, во втором - магнетит либо в той или иной мере мартитизирован, либо представлен более тонкими мелкими разностями.
Минерографическое исследование аншлифов показывает, что магнетит железистых кварцитов, отмеченных точками в нижней части полосы графика, представлен крупными зернами и выделениями размером 0,1-1,5 мм, которые либо образуют сплошные полоски шириной в несколько миллиметров, либо занимают межзерновые промежутки, имея сидеронитовое развитие. Образцы кварцитов, отмеченные точками в верхней части графика, как правило, имеют зерна магнетита значительно меньших размеров (0,003-- 0,05-0,1 мм), хотя часть этих зерен, так же как и в первом случае, сконцентрирована в виде прослоев. В магнитную фракцию в первом случае отходят частицы породы, целиком состоящие из магнетита, во втором случае - частицы магнетита, частично мартитизированного, и частицы, представляющие собой обломки нерудных породообразующих минералов, в нашем случае очень часто амфиболов, содержащих точечные включения магнетита. В результате вес магнитной фракции во втором случае оказывается повышенным по сравнению с образцами, имеющими крупные немартитизированные кристаллы магнетита, а относительная (к содержанию магнитной фракции) магнитная восприимчивость - пониженной.
Роль пылевидного магнетита в повышении магнитной восприимчивости некоторых силикатных парамагнитных минералов была нами обнаружена при попытках получения магнитных фракций, свободных от вростков, снижением напряженности магнитного поля сепарации. Оказалось, что изменение режима сепарации (уменьшение силы тока) не избавляет магнитную фракцию от нерудных минералов, если последние содержат тонкие включения магнетита.
Из ферромагнитных минералов, кроме магнетита, в изученных нами породах имеются включения пирротина и титано-магнетита, однако эти минералы, как правило, содержатся в незначительном количестве (менее 1%) и существенного влияния на магнитность пород не оказывают. Повышенные концентрации титано-магнетита имеются лишь в некоторых разновидностях оливинового габбро Коростенского габбро-анортозитового массива. Однако, учитывая, что магнитоактивным элементом титано-магнетита является магнетит, нет оснований противопоставлять магнитность первого минерала второму.
Данные магнитно-фракционно-минералогического анализа позволяют установить, что железистые породы резко отличаются от всех других пород высокими значениями отношения магнитной восприимчивости к процентному содержанию магнитной фракции. (Это отношение мы уже назвали выше относительной восприимчивостью). Намечается также некоторая дифференциация по этому параметру и внутри группы железистых пород. Так, джеспилиты магнетито-железнослюдковые Кременчугского района имеют самое высокое значение этого отношения: 2200-4700 (по 14 образцам); роговики магнетито-роговообманковые этого же района 1400-3400 (8 образцов); роговики магнетито-кварцито-карбонатно-хлоритовые и амфиболовые Верховцевского района (19 образцов) имеют величину относительной магнитной восприимчивости, изменяющуюся в очень широких пределах от 700 до 5000. Относительная восприимчивость кварцево-амфиболо-пироксеновых и магнетито-хлорито-амфиболо-карбонатных роговиков Ореховского района (10 образцов) и гранато-амфиболо- магнетитовых роговиков Конкского района (4 образца) близка к значениям этого параметра Верховцевского района. Тектониты вебстеритов (или пироксеновые роговики) железорудного месторождения Грушки (4 образца) резко отличаются от роговиков других районов повышенными значениями относительной восприимчивости при одинаковых значениях объемной магнитной восприимчивости.
Нужно заметить, что относительная магнитная восприимчивость железистых пород, изменяясь в указанных пределах, подчиняется общему закону: она уменьшается по мере уменьшения абсолютных значений указанного параметра.
Относительная восприимчивость биотито-амфиболовых и кварцево-карбонатных хлоритизированных кристаллических сланцев Кременчугского района характеризуется узкими пределами изменений своей величины от 700 до 1500 (по 9 образцам); при этом все образцы, за исключением одного, имеют высокие значения магнитной восприимчивости (от 35 до 70 тыс. *10-6 CGSM); биотито-мусковито-карбонатные и хлорито-кварцевые сланцы Верховцевского района (9 образцов) и кварцево-амфиболо-хлоритовые сланцы Конкского района (4 образца) характеризуются, наоборот, низкими значениями магнитной восприимчивости (менее 700*10-6 CGSM) и очень широкими пределами изменений относительной восприимчивости (от 700 до 4000). Аналогичные последним двум разновидностям сланцев соотношения указанных величин наблюдаются у амфиболитов, гранитов и гнейсов при наличии более высоких, чем у сланцев, величин относительной восприимчивости (от 1100 до 5000 и более). Самое низкое значение относительной восприимчивости из числа разновидностей изученных пород имеют амфиболитизированные пироксениты района Орехово, у которых указанная величина равна 600. Таким образом, для слабомагнитных пород характерно резкое повышение значений относительной магнитной восприимчивости по мере уменьшения магнитной восприимчивости, начиная от значений ϰ = 200-300*10-6 CGSM, что свидетельствует о качественно иной природе магнитности слабомагнитных пород: уменьшении роли ферромагнетиков и господствующем положении парамагнитных минералов.
Полученный материал дает основание искать парагенетические связи ферромагнетиков с породообразующими минералами. Подмечается, в частности, что в пироксенитах и габбро магнетит обычно ассоциирует с пироксенами; в амфиболитах и амфиболовых сланцах - с куммингтонитом и другими амфиболами; в железистых кварцитах - с кварцем, пироксеном, амфиболом и другими породообразующими минералами. Устанавливается также, что наиболее магнитные разности магнетита имеют сидеронитовое или слоистое развитие и связаны с железисто-кремнистыми породами, содержащими большое количество кварца. Наиболее слабой магнитностью обладает пылевидный магнетит некоторых пород основного и ультраосновного состава. Очевидно, что по мере накопления новых материалов и совершенствования магнитно-фракционно-минералоического анализа характер связей между магнитностью пород и их минералогическим составом получит более полное и конкретное раскрытие.
Результаты магнитно-фракционно-минералогического анализа необходимо сопоставлять с другими физическими параметрами, в частности с плотностью пород. Как известно, плотность входит в выражение объемной магнитной восприимчивости, но в этом случае плотность выполняет подсобную роль, в то время как этот параметр в совокупности с пористостью представляет большую самостоятельную ценность для раскрытия и использования геолого-физических связей между минералогическим составом кристаллических и осадочных пород и их объемным и минералогическим весом. Опыт наших и других исследований показывает, что объемный вес пород (с учетом пористости) может служить объективным и точным показателем минералогического состава пород, так как минералогическая плотность кристаллических пород представляет собой средний удельный вес породообразующих минералов.
Имея два параметра - магнитную восприимчивость и объемный вес породы (с учетом пористости), а также график зависимости магнитной восприимчивости от процентного содержания магнитной фракции для различных типов пород и руд, можно надежнее осуществить классификацию изучаемых геологических образований по их вещественному составу, характеру метаморфизма и генезису.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтгаузен О.Н. Об общих закономерностях образования термостатической намагниченности в магнетитах. Изв. АН СССР, сер. геогр. и геофиз., т. XIII, № 4, 1949.
2. Берсудский Л.Д. О зависимости магнитных свойств горных пород от количественного содержания ферромагнитных минералов. Всесоюзн. науч.-иссл. геол. ин-т геофизика, Мат. геофизики, сб. 13, 1948.
3. Грабовский М.А. Термоостаточный магнетизм горных пород. Изв. АН СССР, сер. геофиз., № 3, 1953.
4. Капица С.П. Магнитные свойства изверженных пород при механических напряжениях. АН СССР, сер. геофиз., № 6, 1955.
5. Кондорский Е.И. К теории магнитных свойств конгломератов и порошков. Изв. АН СССР, т. XIV, сер. геогр. и геофиз., № 4, 1950.
6. Левинсон-Лессинг Ф.Ю. Опыты намагничивания горных пород. Избр. тр. т. 1, изд. АН СССР, 1949.
7. Нагата Т. Магнетизм горных пород. Изд, иностр. лит-ры, 1956.
8. Нестеров Л.Я. и Нестерова М.А. Сравнительное изучение некоторых физических свойств изверженных пород. СВ Приазовья и Карелии. Материалы ЦНИГРИ. Геофизика, сб. 8, 1940.
9. Петрова Г.Н. Три вида намагнитения горных пород. Изв. АН СССР, сер. геофиз., № 4, 1956.
10. Свешников Г.Б. Некоторые особенности в химическом составе и строении ферромагнитных минералов. Сб. Геофизические методы поисков полезных ископаемых, ВИРГ, 1951.
11. Семененко Н.П. и др. Петрография железисто-кремнистых формаций Украинской ССР. Изд. АН УССР, 1956.
12. Спиридович Н.И. Магнитные свойства и магнитные составляющие горных пород. Тр. ВНИИ, вып. 18 (34), 1938.
Рисунок Зависимость величины магнитной восприимчивости от содержания ферромагнитных минералов (магнитной фракции) для некоторых кристаллических пород Кременчугского, Верховцевского, Конкского, Ореховского районов и месторождения Грушки Украинского кристаллического щита.
1 - магнетитовые кварциты, роговики, скарны и джеспилиты; 2 - тектониты вебстеритов; 3 - мартитизированные железистые кварциты; 4 - кристаллические сланцы амфиболовые, карбонатизированные, хлоритизированные, каолинизированные; 5 - амфиболиты хлоритизированные различной степени рассланцованности; 6 - габбро пироксено-оливиновое, амфиболовое; 7 - ультраосновные породы (пироксениты амфиболизированные, серпентинит катаклазированный); 8 - гранитоиды; 9 - гнейсы.