книги из ГПНТБ / Рысс Ю.С. Поиски и разведка рудных тел контактным способом поляризационных кривых

Ю. 0 . Р Ы С G

ПОИСКИ И РАЗВЕДКА РУДНЫХ ТЕЛ НОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ КРИВЫХ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исследования электрохимических процессов, связанных с есте­ ственными электрическими полями в земле, а также процессов, используемых в аналитической химии и технологических производ­ ствах (электрометаллургия, гальваностегия и др.), позволили наме­ тить путь селективного возбуждения и регистрации электрохимиче­ ских реакций на рудных минералах. Это дало возможность пред­ ложить методы и создать аппаратуру для изучения минерального или вещественного состава рудных тел в их естественном залегании. Один из методов был назван контактным способом поляризацион­ ных кривых (КСПК). Настоящий труд посвящен теории и практике КСПК и содержит описание особенностей электрохимических про­ цессов на сульфидных минералах, характеристику аппаратуры и ме­ тодики полевых работ, а также результаты применения метода для решения конкретных геологических задач при поисках и разведке рудных месторождений.

В создании методики и аппаратуры КСПК наряду с автором участвовали: Ю. Г. Бахтин, В. М. Пантелеймонов, В. П. Коростин, Б. П. Белов, Ю. Г. Гаврилов, T. М. Овчинникова, А. И. Алексеев, Д. В. Воронин, И. С. Гольберг, В. Н. Чамаев, В. П. Лоот, В. Ф. Ор­ лов, А. И. Давыдов, В. В. Фелыптейн, ІО. В. Попов и другие. В этой книге отражены результаты общих усилий перечисленных товарищей, которые были объединены совместной работой в течение нескольких лет.

Их деятельность, направленная на использование геоэлектрохимических явлений в разведочных целях, встречала поддержку и кри­ тику многих лиц как внутри Всесоюзного научно-исследователь­ ского института методики и техники разведки (ВИТР), так и со сто­ роны различных научно-исследовательских и производственных организаций из разных районов страны. И единомышленники, и кри­ тики оказали большое влияние на развитие исследований.

Автор глубоко признателен руководителям института ВИТР Г. К. Волосюку, Н. И. Сафронову и А. Ф. Фокину, при поддержке которых развивались и развиваются геоэлектрохимическне исследо­ вания. Он также благодарен сотрудникам института В. А. Комарову,

Е.Ф. Дуброву, А. А. Попову, А. Д. Миллеру, И. Л. Чуличкину,

В.К. Тряплцину, Д. А. Вигдоровичу, P. Р. Зиверту, А. С. Тясто

il многим другим, которые не раз брали на себя труд советами и пре­ имущественно критикой направить внимание на новые аспекты из­ учаемых проблем.

Особую благодарность автор и его сотрудники приносят профес­ сору Ленинградского университета А. С. Семенову, оказавшему боль­ шое влияние на формирование их мировоззрения. Они также благо­ дарны проф. Г. Б. Свешникову, с которым ведут совместную работу ц советы которого были постоянными спутниками в их деятель­ ности.

Создание п развитие КСПК было бы невозможным, если бы в ор­ ганизации и проведении исследований во многих районах не при­ няли участие сотрудники производственных управлений. Автор отмечает важную роль в становлении метода работников ЦентральноКазахстанского геологического управления, Геологического управле­ ния Центральных районов, Северо-Западного территориального гео­ логического управления, Восточно-Казахстанского геологического управления, Казахского геофизического треста н др.

Всякое дело, а тем более новое, содержит немало недостатков. Автор будет благодарен за замечания по книге и существу рассма­ триваемых вопросов, которые просит присылать в адрес издатель­ ства (193171, Ленинград, С-171, ул. Фарфоровская, 12) или во Все­ союзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (199106, Ленинград, В-106, Весельная ул., 6).

ВВЕДЕНИЕ

Современная методика поисков месторождений полезных ископае­ мых предусматривает обследование больших территорий мобильными и недорогостоящнмп геофизическими и геохимическими методами, чтобы выявить перспективные участки, иа которых в дальнейшем со­ средоточивают трудоемкие горно-буровые работы для непосредствен­ ного обнаружения и разведки рудных объектов. С помощью такой методики открыты новые рудные месторождения в Казахстане, на Рудном Алтае и в других районах страны. Вместе с тем эта методика требует совершенствования и дальнейшего улучшения. Основной ее недостаток состоит в том, что из-за многозначности причин, вызыва­ ющих геофизические и геохимические аномалии, число участков с вы­ явленными аномалиями значительно больше количества участков с наличием промышленных месторождений. Тем самым общая эффек­ тивность поисково-разведочных работ во многих районах остается слабой. Для выяснения природы найденных аномалий необходимо затрачивать большие объемы трудоемких горно-буровых и других работ, которые неоправданны на участках, не содержащих промыш­ ленных объектов.

Чтобы преодолеть недостатки существующей методики, нужны способы выделения кондиционных руд среди многочисленных обра­ зований, обнаруживаемых геофизическими и геохимическими мето­ дами. Такие способы должны на расстоянии установить количество и содержание интересующих химических элементов пли полезных минералов. В последние годы подобные способы получили иазвание прямых методов поисков и разведки месторождений полезных иско­ паемых [3].

Всесоюзный институт методики и техники разведки с 1966 г. приступил к созданию прямых методов, а также к разработке тех­ нических средств для проведения полевых исследований новыми способами.

Среди различных явлений, которые могли бы быть основой пря­ мых методов разведки, выделяются геоэлектрохимическпе процессы. Их сущность заключается в том, что при прохождении электриче­ ского тока через минералы на границе минералов с вмещающей сре­ дой протекают электрохимические реакции. С помощью тока к месту реакций могут быть подведены необходимые реагенты и, наоборот,

отведены продукты реакций. На каждом из минералов протекание реакций связано с характерными электрохимическими параметрами (потенциалы реакций, напряжение разложения минералов, предель­ ная плотность тока реакций и т. д.). По указанным параметрам и про­ дуктам реакций можно судить о протекающих процессах и задавать те пз них, которые определяют присутствие интересующих компонен­ тов.

Исследования позволили изучить некоторые электрохимические процессы на рудных минералах и разработать методы селективного возбуждения и регистрации электрохимических реакций на рудных телах, находящихся в условиях естественного залегания. Сущность Одного нз способов состоит в последовательном возбуждении электро­ химических реакций на границе оруденения с вмещающими породами при постепенном изменении силы тока, протекающего через рудный объект, H регистрации электрохимических процессов в форме поля­ ризационных кривых. На них в виде отдельных ступеней каждый процесс отражается индивидуально и характеризуется своим потен­ циалом и предельной силой тока реакции. Сравнивая измеренные зна­ чения с известными потенциалами реакций для разных минералов, устанавливают минеральный состав рудных тел. По предельной силе тока реакций судят о величине поверхности рудных тел и количестве соответствующего минерала в оруденении. Метод получил название контактного способа поляризационных кривых (КСПК).

Для осуществления способа в полевых условиях институтом ВИТР совместно с Мытищинским приборостроительным заводом соз­ дана станция КСПК-1. С указанной станцией в разных районах Союза обследованы месторождения различных типов руд и начато практическое использование метода при поисках н разведке рудных месторождений. Накопленный опыт позволил сформулировать основ­ ные моменты методики полевых работ для решения конкретных гео­ логических задач. Одновременно оказалось возможным наметить область использования метода в комплексе поисково-разведочных работ.

Г Л А В А I

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА РУДНЫХ МИНЕРАЛАХ

§ 1

ЭЛЕКТРОДНЫЕ РЕАКЦИЙ НА СУЛЬФИДАХ И ДРУГИХ ЭЛЕКТРОНОПРОВОДЯЩИХ МИНЕРАЛАХ

Горные породы и руды представляют собой сложные многофазные п многокомпонентные системы. Как известно, на границе фаз суще­ ствует взаимодействие, выражающееся в обмене веществ между фа­ зами. Если в обмене веществ участвуют заряженные частицы (ноны, свободные радикалы, электроны, коллоидные частицы и т. д.), то наряду с вещественной составляющей возникает электрическая соста­ вляющая взаимодействия фаз. Эта последняя отражается в контакт­ ной разности потенциалов и токах обмена на границе между фазами. При длительном взаимодействии фаз между ними и между веще­ ственной и электрической составляющими обмена устанавливается динамическое равновесие, которое характеризуется равенством пото­ ков вещества п электрических токов обмена из первой фазы во вторую и из второй в первую, а также равновесным значением контактной разности потенциалов. Чем выше плотность токов обмена, тем устой­ чивей величина контактной разности потенциалов. Одновременно на границе фаз возникает динамическое равновесие в распределении за­ рядов, обусловливающее структуру двойного электрического слоя.

Внешнее воздействие на систему границы фаз вызывает соответ­ ствующие изменения в вещественной и электрической составляющих обмена веществ. Изменения проявляют себя в различных процессах, два из которых имеют особое значение. Один из них связан с измене­ нием заряда ионов на границе фаз. Этот процесс составляет сущность окислительно-восстановительных электрохимических реакций, при­ водящих к образованию новых продуктов в твердой, жидкой и газо­ образной фазах. В рассматриваемом процессе величина контактной разности потенциалов стабильна, а через границу раздела фаз проте­ кает электрический ток с преимуществом прямого или обратного направления.

Другой процесс выражается в перегруппировке числа заряжен­ ных частиц без изменения величины заряда каждой из них. Указан­ ный процесс приводит к изменению структуры двойного электриче­ ского слоя и сопровождается изменением величины контактной раз­ ности потенциалов без протекания или без изменений в протекании электрического тока через поверхность фаз.

Таким образом, электродный потенциал минерала равен контакт­ ной разности потенциалов на его границе с вмещающей средой с точ­ ностью до постоянного слагаемого, характеризуемого выбранным электродом сравнения. При измерении с одинаковым электродом сравнения, изменение величины ср непосредственно отражает измене­ ние контактной разности потенциалов. В дальнейшем величины элек­ тродных потенциалов минералов, а также других электрохимических потенциалов приведены относительно насыщенного каломельного электрода сравнения.

Исследование электродных потенциалов минералов в лаборатор­ ных условиях [8] и непосредственно на рудных месторождениях [6] показало, что их значения в основном колеблются в пределах от -f-0,2 до —0,2 в. В разных условиях одни и тот же минерал может прини­ мать разные значения ср. Минералы можно расположить в ряд но увеличивающимся или уменьшающимся величинам электрод­

стами.

Сущность процессов, обусловливающих электродные потенциалы н состояние обмена веществ на границе минералов с ж и д к о й фазой, изучена недостаточно. Многими исследователями [9, 14, 16] показано влияние на величину ср ионов водорода, двух- н трехвалентного же­ леза, серы разной валентности, ионов меди и др. Из имеющихся дан­ ных можно сделать вывод, что электродный потенциал осуществляется равновесием окислительно-восстановительных процессов, агентами которых являются одновременно несколько компонентов. В опре­ деленных условиях можно добиться доминирующего влияния ка­ кого-либо одного из них. Однако роль каждого компонента при их суммарном воздействии пока остается неясной.

Уточнить это можно при рассмотрении эффектов, когда в качестве агента внешнего воздействия используется не только введение того или иного вещества, но и обратная операция: возбуждение электро­ химических реакций током.

Ход процессов под действием тока на границе образца минерала с ж и д к о й фазой характеризуется следующим образом. Пусть на по­ верхности рудного минерала протекает некоторая сумма процессов, обусловливающая установившуюся контактную разность потенциа­ лов. Подключив одну из клемм внешнего источника тока к образцу, а другую — к вспомогательному электроду, установленному во вме­ щающей среде, можно постепенно увеличивать напряжение на клем­ мах источника тока. Одновременно можно регистрировать силу тока