Промышленные типы месторождений полезных ископаемых (неметаллические)

Флювиогляциальные (Струги - Красные - Псковская обл.; Луковицкое, Сычевское-Московская обл.; Ханты-Мансийское - Тюменская обл.; Гавриловское - Ленинградская обл.; Бельское - Тверская обл. и др). Представлены плохо отсортированным валунным и песчано-гравийным материалом. Разрабатываются на гравий и песок для бетона, строительных растворов, балласта и для получения булыжника.

Эоловый - дюны и барханы (Сосновское - Чувашия; Матакинское - Татарстан);

Элювиальные, делювиальные - мало используются;

Пролювиальные - окаймляют горные хребты (Средняя Азия, Кавказ).

Мировое потребление кварцевых песков составляет порядка 100-120 млн т в год. На долю стран СНГ приходится (млн т) около 36, США- 28, ФРГ - 10-14.

В России в 1996 г. добыто стекольных и формовочных песков более 6 млн т, в том числе около 1,5 млн т стекольных. В других странах СНГ объем добычи тех же песков составил около 60% от российской добычи.

Полимиктовые строительные пески и песчано-гравийные смеси связаны в основном с ледниковыми отложениями в Центральной и Северо-Западной части России, а также на равнинах юга Европейской части, в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, где широко развиты аллювиальные, эоловые и морские отложения.

Месторождения песчано-гравийного сырья имеют широкое, хотя и не повсеместное распространение. В России учтено 1269 месторождений с запасами по сумме промышленных категорий почти 10 млрд м. Разрабатывают около 600 месторождений с годовой добычей 130-190 млн м3.

В северном регионе европейской части России запасы песчано-гравийного сырья составляют 32% от общероссийских, добыча 36%. На Северо-Кавказский регион приходится около 15% запасов и добычи сырья. В Уральском регионе сосредоточено 17% запасов, добыча составляет 32%. Всего в европейской части России добывают более 80% сырья.

Глины и каолины.

Глинами называются тонкодисперсные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов и обладающие свойством пластичности. К глинистым минералам относятся различные водные алюмосиликаты: аллофан, каолинит, монтмориллонит, гидрослюда, хлорит, палыгорскит. Под пластичностью понимается способность глин давать с водой тесто, принимающее под давлением любую необходимую форму и сохраняющее эту форму при снятии давления и сушке, а после обжига приобретающее прочность камня.

По гранулометрическому составу в глинах преобладают частицы с размерами меньше 0,01 мм.

Минеральный состав глин, как правило, неоднороден, чаще всего они являются полиминеральными, реже -- близкими к мономинеральным. Во всех случаях в составе глин глинистые минералы резко преобладают.

Наряду с глинистыми минералами в составе глин в подчиненных количествах обычны также обломочные зерна кварца, полевых шпатов, карбонатов, чешуйки слюд, обломки различных горных пород, окислы и гидроокислы железа и марганца.

Главными химическими компонентами глин являются SiO2 (30--70%), А1203 (10--40%) и Н20 (5--15%). В подчиненных количествах присутствуют Ti02, Fe203, FeO, МпО, MgO, CaO, K20, Na20, Из других компонентов в связи с наличием неглинистых минералов-примесей в химическом составе глин содержатся обычно S03, CO2, Р205, S, С. По преобладанию того или иного глинистого минерала или комплекса минералов выделяют следующие минеральные типы глин: каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые, каолинит-гидрослюдистые, монотермитовые, бейделлитовые и др. Минеральный состав вместе с гранулометрическим составом определяют их технологические свойства.

Метаморфизованные глинистые породы, не обладающие пластичностью и не размокающие в воде, называются аргиллитами, глинистыми сланцами. Наряду с глинами эти породы используются в разных отраслях промышленности. Особое место среди них занимают так называемые сухарные глины, или «сухари», используемые как исключительно ценный и богатый глиноземом материал для производства огнеупоров.

Каолином называют практически мономинеральные глинистые породы, состоящие из каолинита или минералов каолинитовой группы. Вместе с каолинитом и другими глинистыми минералами в составе каолина участвуют преимущественно минералы группы кремнезема -- кварц, опал, халцедон, полевых шпатов, чешуйки слюд и зерна других минералов. Прочие минералы-примеси те же, что и в глинах, но присутствуют они в ничтожных количествах.

По химическому составу чистый каолин близок к теоретическому каолиниту, в котором содержание SiO2 составляет 46,54%, А120339,50% и Н20 13,96%. Содержание Fe203, Ti02, CaO и К20 не превышает 0,5--0,7% (каждого компонента). Важной особенностью каолинов является высокое содержание глинозема.

Все важнейшие физико-химические и технологические свойства глин и глинистых пород зависят главным образом от их минерального, гранулометрического и химического состава. К ним относятся:

- пластичность - способность при смешивании с ограниченным количеством воды давать тесто, принимающее под давлением любую форму и сохраняющее её при сушке. Пластичность обусловлена минеральным составом, степенью дисперсности и свойственна монтмориллонитовым глинам, в меньшей степени - каолинитовым. Степень пластичности определяют по их связующей способности, т.е. свойству связывать частицы непластичных («тощих») материалов в достаточно прочную однородную массу. Выделяют пластичные, тощие и непластичные глины.

- набухание - свойство глин увеличиваться в объеме при поглощении воды. Наибольшим набуханием обладают монтмориллонитовые и бейделлитовые, наименьшим - каолинитовые глины.

- усадка - уменьшение объема глины при сушке или обжиге. Чем выше пластичность, тем больше усадка. Для уменьшения усадки в глины добавляют тощие материалы.

- спекаемость - способность при обжиге спекаться в камнеподобное твердое тело (черепок) с высокой механической прочностью, химической стойкостью, диэлектрическими и другими ценными свойствами.

- огнеупорность - способность черепка из глин и каолинов выдерживать высокие температуры без размягчения и плавления. Глины делятся на огнеупорные (температура плавления 1700 - 1580 С, тугоплавкие (1580 - 1350 С), и легкоплавкие (ниже 1350 С) Наиболее огнеупорны - каолины, легкоплавкие - монтмориллонитовые и бейделлитовые глины.

- вспучивание при обжиге - увеличение объема и уменьшение плотности глинистого материала. При вспучивании из легкоплавких (монтмориллонитовых и гидрослюдистых) глин, аргиллито и глинистых сланцев получается прочный пористый материал (керамзит, аглопорит).

- адсорбционные (поглотительные) свойства - способность поглощать и удерживать на своей поверхности ионы и молекулы различных веществ. Наивысшей адсорбционной способностью обладают монтмориллонитовые и бейделлитовые глины.

- водоупорность

- относительная химическая инертность.

Применение в промышленности.

Выделяется 4 наиболее важные промышленные группы:

К строительным и грубокерамическим относятся легкоплавкие, в меньшей степени тугоплавкие глины. Применяются в обожженном виде для производства строительной (кирпич, черепица) и грубой керамики: клинкерного кирпича, дренажных труб, метлахской плитки, глиняной посуды, при ускоренном обжиге - для получения керамзита и аглопорита. В необожжённом виде - как строительный, связующий, водонепроницаемый (при возведении плотин) материал.

Огнеупорные и тугоплавкие глины применяются для внутренней облицовки доменных печей, для производства кислотоупорных изделий, тонкой керамики, как формовочный материал в литейном деле.

Каолины и каолинитовые глины относятся к высокоогнеупорным и используются для производства тонкой керамики. Это фарфоровые и фаянсовые изделия, предметы санитарно-технического и медицинского оборудования, бытовая и химическая посуда. В качестве наполнителя - в бумажной, химической, стекольной, парфюмерной промышленности.

Бентониты - тонкодисперсные глины с высокой связующей способностью, адсорбционной и каталитической активностью. Они применяются для изготовления промывочных жидкостей (в т.ч. буровых растворов), производства железорудных окатышей, получения керамзита, в качестве адсорбентов в нефтеперерабатывающей, пищевой (очистка вин, соков), текстильной промышленности, в сельском хозяйстве.

Генетические типы промышленных месторождений.

Остаточные месторождения. Месторождения связаны с корами выветривания различных пород и представлены каолинитовыми, монтмориллонитовыми и гидрослюдистми глинами. Из них большое практическое значение имеют месторождения первичных каолинов. Наиболее однородные и тонкодисперсные каолины возникают при выветривании гранитов, аплитов, пегматитов. Окраска таких каолинов обычно белая, огнеупорность достигает 1750--1780° С. Каолины легко обогащаются. Залежи имеют плащеобразную форму и непостоянную мощность, достигающую нескольких десятков метров; с подстилающими материнскими породами они связаны постепенными переходами. К этому типу относятся многочисленные месторождения первичных каолинов Украины (Глуховецкое и Просяновское месторождения), восточного склона Южного Урала, некоторые месторождения Сибири, Казахстана (Алексеевское) и Приморья.

Каолины возникают также при выветривании слюдяных и глинистых сланцев, мергелей и мергелистых известняков, но обладают они худшим качеством.

Осадочные месторождения глин возникают в результате переотложения и диагенетического изменения продуктов размыва кор выветривания. По условиям накопления глинистого вещества осадочные месторождения разделяют на континентальные, лагунные и морские. Среди континентальных в свою очередь различают аллювиальные, озерно-болотные и озерные (пресноводные и засолоненные), ледниковые, флювиогляциальные, эоловые, среди лагунных -- месторождения опресненных и осолоненных лагун, а среди морских-- месторождения прибрежной и удаленной от берега частей шельфа.

Легкоплавкие глины образуются во всех перечисленных случаях, тугоплавкие и огнеупорные -- в озерно-болотных бассейнах и опресненных лагунах.

Вторичные каолины являются продуктами переотложения первичных.

Месторождения наиболее ценных огнеупорных глин формируются путем отложения глинистого материала на дне озер опресненных лагун в некотором удалении от берега. Залежи имеют форму линз и пластов; по простиранию они прослеживаются на несколько километров при мощности от нескольких метров до первых десятков метров. К этому типу относится Часовъярско-Дружковская группа месторождений в Украине, Латнинские -- в Воронежской области и Боровичское и Любытинское месторождения Новгородской области.

Осадочные месторождения качественных бентонитов, образуются в морских условиях. Щелочная среда водоемов (рН 7--9) способствует преобразованию хлоритгидрослюдистых продуктов выветривания и раскристаллизации гелей в монтмориллонит. Залежи имеют пластообразную форму, выдержаны по простиранию на площадях в десятки и сотни (до тысяч) квадратных километров; мощность от метров до десятков метров. Запасы большие -- миллионы, иногда десятки миллионов тонн. Бентониты щелочноземельные, нередко обогащены органикой. Месторождения этого типа развиты в Поволжье, Средней Азии, на Украине (Черкасское месторождение).

Вулканогенно-осадочные месторождения глин возникают путем подводного разложения (гальмиролиза) вулканических пеплов и туфов, отложенных в водных бассейнах (морях, озерах). В условиях щелочной среды богатые стеклом вулканические породы изменяются до монтмориллонита и бейделлита, образуются мощные скопления весьма ценных щелочных и щелочноземельных бентонитовых глин. Залежи имеют форму пластов и линз, размеры которых варьируют в пределах от нескольких десятков квадратных метров до многих сотен квадратных километров по площади и от нескольких сантиметров до 40--45 м по мощности. В СНГ эксплуатируются месторождения Гумбри (Грузия), Ханлар (Азербайджан), Огланлы (Туркмения), Азкамар (Узбекистан) и ряд других.

Гидротермальные месторождения глинистых пород возникают в связи с воздействием горячих жидких растворов магматического происхождения на разнообразные вулканогенные породы -- андезиты, порфириты, альбитофиры, туфы и др. Преобразования исходных пород происходят метасоматическим путем и в зависимости от кислотности -- щелочности растворов заключаются в изменениях, приводящихк возникновению скоплений глинистых минералов, т. е. образованию глинистых пород моно- или полиминерального состава.

Важное промышленное значение среди них имеют месторождения щелочных бентонитов. Они немногочисленны, но бывают крупными и отличаются очень хорошим качеством сырья. Мировой известностью пользуются месторождения высших по качеств у беложгущихся натриевых бентонитовых глин острова Понца в Италии.

Гидротермальные каолины имеются в Казахстане, Узбекистане, Закавказье, Закарпатье, на Алтае и Дальнем Востоке. В Приморье изучено и разрабатывается Гусевское месторождение фарфорового камня, образованного гидротермальным путем по кислым эффузивам

Метаморфизованные месторождения представлены скоплениями непластичных глинистых пород -- аргиллитов и глинистых сланцев. Образуются они в результате уплотнения, дегидратации, цементации и неполной перекристаллизации глинистых осадков в процессе диагенеза и эпигенеза или в начальные стадии метаморфизма глин. Промышленные месторождения многочисленны и известны в ряде районов (Донбасс, Кузбасс, Урал и др.).

Мировые разведанные ресурсы бентонитовых глин оцениваются в 2000млн.т., в т.ч. в США -800 млн.т. Мировая добыча в 2000 году составила 9,3 млн.т., из них на долю США приходится 3,8 млн.т., Греции- 0,95 млн. т., Германии, Турции, Италии -по 0,5 млн.т. В России произведено всего 0,37млн.т., что не обеспечивает внутренних потребностей, и означает полную зависимость от импорта, особенно в щелочных бентонитах. Около 70% запасов высококачественных бентонитов бывшего СССР остались за пределами России (на Кавказе и в Средгей Азии).

Мировая добыча каолина в 2000 году составила 39,8 млн.т., из них в США- 9,45 млн.т., Чехии -2,9 млн.т., Великобритании -2,3млн.т., Ю. Корее -2,2 млн.т. В России - 0,04млн.т., этого крайне недостаточно и Россия зависит от импорта, в частности с Украины и Казахстана.

Литература: [2]с.231251; [3]c.483-501; [1]с.240-245, 256-260; [4]с.272-287; [6, 13, 15, 38, 39, 40]

Лекция 13.(2часа). Карбонатные породы. Гипс и ангидрит

Карбонатные породы: характеристика видов пород и их примененение, генетические типы месторождений, ресурсы. Гипс и ангидрит: основные физико-химические и технологические свойства, применение, генетические типы месторождений, ресурсы.

Карбонатные породы.

Карбонатные породы составляют около 20% осадочных отложений земной коры и представлены следующими разновидностями.

Известняки - осадочные породы, состоящие в основном из кальцита (СаСО3) с примесью доломита (Ca, Mg(CO3) 2), песчаных и глинистых частиц. При содержании доломита 20-50% -доломитовый известняк.

Известняки-ракушечники состоят из обломков раковин, сцементированных карбонатным или глинисто-карбонатным цементом - легкие пористые породы.

Мел - порода состоящая на 60-70% из мельчайших остатков скелетных образований планктонных организмов и известковых водорослей, а на 30-40% из тонкозернистого порошкообразного кальцита.

Мергели - тонкозернистые осадочные горные породы, переходные от известняков и доломитов к глинистым породам и содержащие 50-70% кальцита или доломита или их смесь и 20-50% глинисто-песчаного материала.

Доломиты - карбонатные осадочные породы, состоящие (не менее чем на 90%) из минерала доломита (Са, Мg (СО3)2).

Мраморы и мраморизованные известняки - карбонатные породы, претерпевшие перекристаллизацию в результате регионального или контактового метаморфизма.

Применение в промышленности.

Основные отрасли и объемы потребления карбонатных пород следующие (в %): производство строительного и облицовочного камня -- 60, цементная промышленность -- 20, металлургическая-- 10, известковая -- 5, огнеупорная -- 2, сельское хозяйство-- 1, остальные -- 2.

Для производства строительных и облицовочных камней используются известняки, доломиты, мраморы, отличающиеся декоративностью и хорошей полируемостью, высокими физико-механическими свойствами -- твердостью, прочностью. Из карбонатных пород получают бутовый камень, щебень, крошку, штучные и облицовочные камни. Только на нужды гражданского, промышленного и дорожного строительства ежегодно расходуется около 220 млн. т карбонатных пород.

В цементной промышленности широко используются известняки, мел, мергели или их смеси с определенными соотношениями А1203, Si02, Fe203 и СаО. Кондиционными считаются маломагнезиальные карбонатные породы, содержащие не менее 40 % СаО и не более 3,5 % MgO.

Из карбонатных пород изготавливают портландцементы, глиноземистый цемент и многие другие виды вяжущих веществ. Сырьем для производства портландцемента служат различные карбонатные породы, среди которых преобладающую роль играют известняки, мел и мергели. Особую ценность имеют мергели-натуралы. Портландцементы применяются для изготовления бетонов.

В металлургической промышленности чистые карбонатные породы служат главным образом флюсами. Они переводят в шлак пустые породы и вредные примеси. Значительное количество доломитов используется как сырье для получения магния и огнеупорного материала в металлургии.

Известковая промышленность для производства гидравлической, воздушной, медленногасящейся и других видов строительной извести потребляет в основном известняки и мел.

Чистые известняки применяются в химической промышленности для производства соды, карбида кальция, едких калия и натрия, хлора и др. В пищевой- используются для очистки сахара. В сельском хозяйстве используются мягкие известняки и мел для известкования подзолистых почв. Значительное количество карбонатного сырья применяется в стекольной, бумажной, лакокрасочной, резиновой и других отраслях промышленности.

Генетические типы промышленных месторождений:

Осадочные месторождения подразделяются на морские и континентальные, которые являются второстепенными. Морские представлены известняками доломитами, мергелями и мелом. По условиям образования различаются биогенные, хемогенные и смешанные. Мелководные известняки представлены органогенными (ракушечными, оолитовыми) типами, а глубоководные - пелитоморфными разностями хемогенного кальцита. Среди доломитов по условиям формирования выделяют хемогенные, диагенетические и смешанные. Доломиты накапливались в тёплых морях в условиях аридного климата и повышенной солёности и щёлочности за счёт Мg СО3.

Геосинклинальные месторождения связаны с карбонатными (в том числе рифогенными), флишевыми, осадочно-вулканогенными и терригенными формациями. В пределах указанных формаций карбонатные породы, слагающие многочисленные выдержанные мощные (до сотен и тысяч метров) пласты и толщи, представлены в основном органогенными и кристаллическими известняками, хемогенными и диагенетическими доломитами, их переходными разностями, мраморами и мраморизованными разновидностями пород, реже мергелями.

Для геосинклинальных месторождений и бассейнов типичны линейная ориентировка, наличие интенсивных пликативных и дизъюнктивных дислокаций, проявление магматизма, широкое развитие метаморфизма. Геосинклинальным месторождениям свойственны специфические ассоциации карбонатных пород с фосфоритами (Каратау), магнезитами (Южный Урал), шунгитами (Карелия), бокситами (Восточный Урал).

Многочисленные геосинклинальные месторождения в России выявлены в следующих регионах: месторождения известняков -- на Западном Урале (D), в Кузбассе (D), на Алтае (D), в.Красноярском крае (С), на Кавказе (Кг); доломитов -- на Южном и Северном Урале (С), в Енисейском кряже и хр. Малый Хинган (PR).

К типичным геосинклинальным морским осадочным флишевым принадлежат Новороссийские месторождения цементных известняков и мергелей, прослеживающиеся вдоль побережья Черного моря в районе г. Новороссийска более чем на 50 км. Карбонатные отложения образуют маркотхскую свиту мощностью 250--300 м, в разрезе которой отмечается частое тонкое чередование известняков, мергелей, глин и их песчаных разностей. Наибольшее практическое значение имеет подсвита «мергелей-натуралов» мощностью 60--70 м, состоящая в основном из высококачественного природного цементного сырья. Ежегодная добыча цементного сырья на Новороссийских месторождениях около 8 млн. т.

Платформенные месторождения пространственно связаны с карбонатными, карбонатно-сульфатными, галогенными, терригенными, сланценосными, угленосными, красноцветными формациями. Карбонатные породы, залегающие в указанных формациях, характеризуются относительно небольшой мощностью (десятки -- сотни метров), широким распространением по площади, горизонтальным или близким к нему залеганием, слабым развитием дислокаций, интрузий и метаморфизма.

Карбонатные породы представлены органогенными, кристаллическими, обломочными, оолитовыми известняками, мелом, мергелями, диагенетическими, реже хемогенными доломитами и переходными разностями.

Карбонатные породы слоистые, часто микро- и скрытозернистые, иногда пористые и кавернозные, подверженные процессам выветривания и карстообразования.

В парагенезе с карбонатными отложениями встречаются залежи горючих сланцев (Прибалтийский бассейн), солей (Предуралье), гипсов, ангидритов и нефти (Второе Баку), ракушечных фосфоритов (Прибалтийско-Ладожский бассейн).

Платформенные палеозойские месторождения многочисленны, имеют большое практическое значение и широко представлены на Восточно-Европейской и Сибирской платформах.

Переходные месторождения приурочены к карбонатным (в том числе рифогенным), соленосным, терригенным, угленосным формациям, развитым в краевых и межгорных прогибах, а также во внутренних впадинах.

Осадочные формации характеризуются большой мощностью и быстрым выклиниванием на периферии указанных структур. Карбонатные отложения имеют переменную мощность, образуют как отдельные слои, так и мощные -- до 350 м -- толщи (Еленовское месторождение). Наряду с мощными сравнительно однородными толщами доломитов, известняков встречаются толщи, в которых карбонатные породы переслаиваются с гипсами, ангидритами, солями и песчано-глинистыми образованиями. Нередко спокойное залегание пород осложнено дизъюнктивными нарушениями и складчатостью.

Месторождения представлены органогенными, кристаллическими, реже обломочными и оолитовыми известняками, хемогенными и диагенетическими доломитами, мелом, мергелями и доломитовой мукой. Нередко карбонатные породы выветрелые, подвержены вторичной доломитизации, кавернозные, пористые, трещиноватые, закарстованные, содержат прослои и линзы сульфатных пород и солей.

В парагенезисе с карбонатными комплексами наблюдаются промышленные скопления солей (Донбасс), углей (Караганда, Кузбасс), нефти (Второе Баку), калийных солей (ГДР).

Многочисленные месторождения приурочены к Предуральскому, Донецкому, Ангаро-Ленскому и другим прогибам, а также к внутренним впадинам на Восточно-Европейской и Сибирской платформах.

Крупнейшее в Европе Еленовское месторождение известняков и доломитов, расположенное в Донецкой области типичное для переходного типа, объём добычи составляет15 млн т. в год.

Месторождения выветривания представлены месторождениями вторичных доломитов и доломитизированных известняков. Иногда вторичная доломитизация известняков имеет большие масштабы, например, в Прибалтийском бассейне.

Карбонатиты -- сложные по составу, иногда крупные массивы карбонатных пород, генетически связанные с щелочно ультраосновными интрузивными телами, содержащими ценные металлические и неметаллические полезные ископаемые. Карбонатиты должны рассматриваться как комплексное сырье, в том числе карбонатное, получаемое в процессе обогащения.

Гидротермальные месторождения доломитов представлены в основном мелкими жилами, штокверками, развитыми в известняках и ультраосновных породах и практического значения не имеют.

Метаморфические месторождения мраморов и мраморизованных пород образуются в процессе регионального и термально-контактового метаморфизма карбонатных пород, и приурочены к геосинклинальным зонам. (Белогорское м-е в Карелии, Коелгинское на Урале).

Мировое потребление карбонатного сырья более 5млрд.т. в год. Наиболее крупными потребителями являются США, Россия, Япония.

Ресурсы карбонатных пород России огромны, Распределены они на территории крайне неравномерно. Около 50% запасов сосредоточено в европейской части. Наименее обеспеченные районы - Карелия и Мурманская область, а также Тюменская, Омская, Камчатская и Калининградская области. К регионам богатым карбонатным сырьём относятся значительная часть Восточно-Европейской и Сибирской платформ, Урал, Таймыр, Алтай, Саяны и Кавказ.

Гипс (CaSO4 2H2O) и ангидрит (CaSO4)

Гипс и ангидрит как полезное ископаемое представляют собой мономинеральную породу, содержащую примеси песчанистых частиц, карбонатов, галита, серы, глинистого вещества. Гипс и ангидрит наиболее распространены среди соленосных образований и сходны между собой. Гипс представляет собой слоистую или массивную породу зернистого строения белого цвета. Кристаллы гипса таблитчатого и призматического облика прозрачны, зернистые агрегаты окрашены примесями в разные цвета; тонкозернистый просвечивающий агрегат - алебастр; тонковолокнистый с шелковистым блеском- селенит или лунный камень. Невысокая твердость -2, легко поддаётся обработке, слабо растворим в воде. Ангидрит имеет твёрдость 3-3,5, кристаллы редки, агрегаты сплошные зернистые. Встречается вместе с гипсом.

При прокаливании гипс теряет кристаллизационную воду. При t = 100-180°С переходят в полугидрат (CaSO4 · 0,5H2O); при t = 200-220°С - искусственный ангидрит, растворимый в воде; при t = 800-1000°С - эстрих-гипс, при t = 1600°С - в жженую известь СаО. (Рис.6)

Ангидрит от гипса отличается большими плотностью и прочностью и обладает значительно худшими вяжущими свойствами.



Рис. 7 - Схема образования модификаций гипса

Основное свойство гипса, определяющее его промышленное использование, это способность терять при нагревании кристаллизационную воду и давать при затворении водой пластичную массу, постепенно твердеющую на воздухе и превращающуюся в прочный искусственный камень.

Применение в промышленности.

Из гипсовых вяжущих наиболее широко применяется строительный гипс для штукатурных и отделочных работ, изготовления строительных конструкций. Для получения строительного гипса природный гипс дробят и размалывают, а затем обжигают во вращающихся или шахтных печах при 130--180°С в течение 1,5--2 часов. При обработке природного гипса насыщенным паром под давлением получают высокопрочный полуводный гипс -- вяжущее вещество с малыми сроками схватывания и твердения, обладающее повышенной механической прочностью используемое как формовочный и медицинский гипс. Первый употребляется для изготовления рабочих форм в фарфоро-фаянсовом и керамическом производстве, для литья металлов и сплавов, выполнения различных скульптурных работ; второй применяется в хирургии и зубоврачебном деле. Эстрих-гипс медленно соединяется с водой и становится вяжущим веществом, применяемым для изготовления плиточных и бесшовных полов, строительных растворов, подоконников и ступеней, искусственного мрамора и др. Гипс широко используется при производстве различных цементов. Гипсошлаковый цемент успешно применяется при строительстве подземных и подводных сооружений, подвергающихся действию выщелачивания и сульфатной агрессии.

При производстве гипсовых вяжущих веществ и в качестве добавок к цементам потребляется более 90 % всего добываемого гипса и ангидрита. В небольшом количестве гипс и ангидрит используется в качестве облицовочного и поделочного камня, флюса при плавке окисленных никелевых руд, в химической промышленности, сельском хозяйстве и при изготовлении бумаги.

Генетические типы промышленных месторождений.

Осадочные месторождения -- основной генетический тип месторождений гипса и ангидрита; месторождения крупные и средние по масштабам, характерны залежи пластовой или линзообразной формы, иногда невыдержанные по мощности. Вмещающие породы -- известняки, доломиты, мергели. Наиболее крупные месторождения формировались в областях сухого и жаркого климата в изолированных соленосных лагунах и водных бассейнах, богатых солями сернокислого кальция. Гипс и ангидрит выделяются в начальные стадии галогенеза когда концентрация других солей невысокая (15--25%)- В связи с этим на многих месторождениях солей гипс и ангидрит залегают в основании соленосных толщ

Сингенетические месторождения возникают в результате непосредственного осаждения гипса или ангидрита из истинных растворов.

К наиболее характерным сингенетическим месторождениям относятся Приднестровские месторождения гипса, расположенные в Западной Украине. Второй пример -- месторождения девонских гипсов Коми АССР, Псковской, Тульской, Московской областей. Крупнейшим является эксплуатируемое Новомосковское месторождение в Тульской области: его площадь более 32 км2. Гипсоносная толща мощностью около 70 м имеет сложное строение: в нижней части наблюдается переслаивание гипсов с доломитами, в верхней выделяется пласт, представленный мелкокристаллическим, реже волокнистым гипсом общей мощностью 20--25 м. Содержание в промышленном пласте CaS04-2H20 в среднем по месторождению 88,78 %.

Эпигенетические месторождения формируются в результате гидратации подземными водами ангидрита сингенетических месторождений. Формы эпигенетических залежей осложнены вследствие вздутия и вспучивания породы при переходе ангидрита в гипс. К данному типу относятся крупнейшие пластовые месторождения в СНГ и в мире. Важное промышленное значение имеют месторождения в Донбассе и на востоке Восточно-Европейской платформы, а также месторождения в Иркутской области, в частности крупнейшее Заларинское месторождение.

Все главнейшие месторождения Архангельской области связаны с нижнепермскими отложениями, в нижней части которых развиты доломиты и доломитизированные известняки, а в верхней -- гипсы и ангидриты. Известно около 50 месторождений и проявлений гипса.

Выходы гипс-ангидритовой толщи Звозского месторождения прослежены по берегам Северной Двины на расстояние до 25 км; с поверхности породы толщи закарстованы. В составе гипс-ангидритовой толщи выделяют верхний гипсовый и нижний ангидритовый горизонты Запасы по промышленным категориям 40 млн. т, однако они составляют лишь небольшую часть ресурсов месторождения.

Остаточные месторождения типа «гипсовых шляп» возникают в результате накопления гипса и ангидрита, представляющих собой остаточные продукты выщелачивания каменной соли.

К этому типу относится позднедевонское Бриневское месторождение в Белоруссии, приуроченное к локальному поднятию в пределах Припятской впадины. Прогнозные ресурсы этого месторождения оцениваются в 1 млрд. т. Оно образовалось, по-видимому, в результате накопления при выщелачивании каменной соли сульфатных пород и последующей гидратации ангидрита.

Инфильтрационные месторождения разделяют на два подтипа. Месторождения первого подтипа формируются при растворении гипса, рассеянного в осадочных породах, переносе его грунтовыми и поверхностными водами и отложении (нередко в мелких водоемах) в смеси с песчанистыми, глинистыми и известковистыми частицами. Формы залежей: линзы, гнезда, прожилки, пласты. Месторождения многочисленные, мелкие (Северный Кавказ, Средняя Азия, Казахстан), но удобные для эксплуатации; разрабатываются для местных нужд.

Месторождения второго подтипа редки, возникают при воздействии на карбонатные породы сернокислых вод, источником которых обычно являются сульфиды. Небольшие месторождения данного метасоматического подтипа обнаружены в известняках Хакасии.

По природным ресурсам СНГ занимает одно из первых мест в мире; на территории СНГ разрабатывается свыше 100 месторождений гипса и гипсоносных пород.

Разведанные запасы гипса, ангидрита и гипсоносных пород имеются во всех странах СНГ, 75% запасов сосредоточены в России,.

Запасы гипса и ангидрита в России размещены неравномерно: 95% их находится в европейской части и лишь 5% -- в азиатской. Большая часть гипсового сырья России (58%) находится в Центральном районе, где расположены крупнейшие из разведанных и разрабатываемых месторождений.

Из общей добычи гипсоангидритовых пород в странах СНГ 59% приходится на Россию,

В мире разведаны большие запасы гипса -- порядка 7 млрд т, в том числе в Европе более 5, в США -- около 1, Канаде -- 0,5 млрд т.

Ведущими экспортерами гипса и ангидрита являются Канада, Таиланд, Испания. Основные импортеры -- США и Япония

Литература: [3]с.502-509, 460-462; [2]с.252-275; [1]238-240; [4]с.287-300, 267-272; [41,42,43,44]

Лекция14 (2часа). Естественные строительные и облицовочные камни

Строительные камни: общие сведения, применение и виды продукции, промышленные свойства, генетические типы месторождений и их география, ресурсы. Облицовочные камни: промышленные свойства, использование, география и типы месторождений, ресурсы.

Строительные камни.

Строительные камни представляют обширную группу нерудных полезных ископаемых, занимающих по объемам потребления одно из первых мест в строительном производстве. Являясь инертными материалами, они включают пильные (стеновые) и облицовочные камни и наряду с песками и песчано-гравийными смесями составляют главный комплекс природных строительных материалов, используемых в естественном состоянии без применения термохимической обработки.

Под строительными камнями понимаются скальные горные породы, перерабатываемые на различные материалы (монолиты, блоки, плиты, щебень, песок дробления и др.) механическим путем: дроблением, распиловкой, фракционированием и т.п. В качестве строительных камней используют горные породы разного происхождения: интрузивные, эффузивные, осадочные, метаморфические. Определяющими являются физико-механические свойства, зависящие не только от состава, но и от структуры и текстуры пород. В наибольших количествах применяют карбонатные породы, граниты и сходные с ними горные породы. Реже используют габброиды, базальтоиды, песчаники.

От вида получаемого конечного продукта зависит и способ добычи и обработки камня. Выделяют дроблёный или «рваный» камень и штучный камень. «Рваный» камень получают в результате взрывных работ в карьерах, а штучный - путём распиловки и последующей обработки. В результате получают следующие виды продукции.

Бутовый камень (бут) -- камень неправильной формы размером более 140 мм, используется для кладки фундаментов, стен нежилых зданий и других сооружений в качестве заполнителя бутобетона при возведении массивных сооружений (плотины, молы, дамбы и др.), а также для отмосток при дорожном строительстве и других работах.

Штучные камни представляют собой изделия правильной геометрической формы с обработанными поверхностями. Основной вид такой продукции -- бортовые камни, предназначаемые для выделения проезжей части дорог, въездов, тротуаров. Брусчатые камни (брусчатка) -- весьма долговечный материал для дорожных покрытий.

Прочие виды штучных изделий: архитектурно-отделочные детали, парапеты, ступени, плиты подоконные, цокольные и облицовочные, промышленные каменные изделия (валы, бегуны, жернова) производятся преимущественно на карьерах облицовочных камней и специальных предприятиях. Они широко используются для кладки стен зданий и промышленных сооружений, для облицовки стен (облицовочный камень). Монументально-декоративный камень, как правило, подвергается специальной распиловке, шлифовке, полировке и применяется для сооружения памятников, монументов, специальных постаментов, изготовления декоративных изделий, отделки зданий и др.

Пильные камни -- блоки стандартного размера вырезаются дисковыми фрезами непосредственно в массиве горной породы. Представляют они эффективный стеновой материал, используются также для изготовления тонких армированных перегородок, перемычек. Дома из пильного камня отличаются повышенными звуко- и теплоизоляционными свойствами и не требуют ремонта внешних стен.

Щебень -- наиболее массовый продукт, его выпуск составляет обычно 85-95% от объема всей товарной продукции. Щебень выпускается разделенным на фракции. Щебень используют:

в качестве основного заполнителя (тяжелого) бетона во всех бетонных и железобетонных строительных конструкциях;

в качестве крупного заполнителя асфальто-(и цементо-) бетона и балластного слоя покрытий автомобильных дорог и аэродромов;

для балластировки железнодорожных путей;

для всякого рода отсыпок, отмосток, планировочных работ.

Инертные строительные материалы, получаемые при переработке строительных камней используют в качестве заполнителей тяжёлых бетонов.

Для легких бетонов используют щебень, полученный из пористых горных пород, а также искусственные пористые материалы, обычно керамзит, реже термолит, металлургические и топливные шлаки и др.

Дробленый песок-отсев используют в качестве заполнителя совместно со щебнем в бетонных (и асфальтобетонных) смесях и самостоятельно в штукатурных и кладочных растворах, а также во всякого рода балластных и планировочных отсыпках.

Промышленные требования к естественным строительным материалам чрезвычайно разнообразны, поскольку разнообразны и области их использования, основывающегося на различных физических и технологических свойствах камня.

Наиболее важные свойства -- прочность и долговечность. Прочность -- это способность камня не нарушать целостности при механических воздействиях, определяемых сжатием, растяжением, изгибом, абразивным износом и др.

Долговечность обусловливает способность камня сохранять прочностные, а для облицовочного и особенно монументного камней также и декоративные характеристики в результате длительного воздействия на породу агентов физического и химического выветривания.

Прочность и долговечность строительного камня зависят от минерального состава породы, структурно-текстурных особенностей, трещиноватости, пористости и многих других факторов.

Таблица 3 - Долговечность горных пород (в годах)

Порода	Начало разрушения	Угрожающее состояние	Окончательное разрушение
Кварциты граниты, лабрадориты и др. Мраморы	650 220--350 20 - 130	> 1460 220-1070 33-400	- >1625 100 - 1200

Минеральный состав в первую очередь предопределяет долговечность строительного камня. Из породообразующих минералов магматических горных пород наиболее стойким к химическому и механическому разрушению является кварц. Поэтому такие породы, как кварциты,-- наиболее устойчивы и долговечны. (Табл.3)

Полевые шпаты менее устойчивы, они подвергаются разложению в процессе выветривания, что снижает прочностные характеристики породы и ее долговечность. Но в свежем, невыветренном виде кварц-полевошпатовые породы (граниты, сиениты, диориты и др.) относятся к высокопрочностным и долговечным.

Темноцветные минералы (пироксены, амфиболы) и нефелин в свежем виде обладают высокой механической прочностью, но под действием колебаний температуры и окисления эти минералы со временем разлагаются, порода, состоящая из них, теряет прочностные свойства.

Еще более сказывается на долговечности породы присутствие в ней слюды -- мусковита и биотита. В процессе морозного выветривания минералы расслаиваются, а порода становится трещиноватой, менее прочной.

Карбонатные породы - известняки, доломиты и мраморы, несмотря на невысокое сопротивление карбонатных минералов абразивному износу, характеризуются относительно высокой прочностью на сжатие и представляют собой прекрасный строительный камень, идущий как для внутренней, так и для наружной отделки строений.

Важным обстоятельством в оценке прочностных характеристик строительного камня являются текстурно-структурные особенности горной породы. Так, породы с массивной текстурой в целом более долговечны по сравнению с аналогичными по минеральному составу породами с полосчатой или сланцеватой текстурами. Крупнозернистые породы менее устойчивы по сравнению с мелко- и тонкозернистыми.

На прочностные характеристики строительного камня большое влияние оказывает трещиноватость. Различают микро- и макротрещиноватость. Сильно трещиноватые породы наблюдаются в зоне тектонических деформаций; они характеризуются пониженной по сравнению с нетрещиноватыми породами прочностью. Макротрещиноватость выражается наличием в породе хорошо различимых трещин отдельности и кливажа. От их расположения зависит размер наиболее крупных монолитных кусков породы.

Окончательно оценивается горная порода как строительный камень по результатам лабораторных испытаний. Для всех пород устанавливаются объемная масса и плотность, пористость, водопоглощение, морозоустойчивость, прочность на сжатие, растяжение и изгиб, абразивная истираемость, вязкость и др.

Способность камня впитывать воду в атмосферных условиях называется водопоглощением. Строительные камни с малой величиной водопоглощения устойчивы к выветриванию,, в то время как породы с высокой водопогло-тительной способностью (более 5%) недолговечны.

О морозостойкости породы свидетельствует значение коэффициента морозоустойчивости, который показывает, насколько прочность строительного камня во влажном состоянии снижается после цикличного (15--25 раз) замораживания и оттаивания по сравнению с прочностью в сухом состоянии. Чем ниже пористость, тем выше долговечность и морозостойкость камня. Предел прочности на сжатие -- исключительно важная характеристика строительного камня, регламентируемая ГОСТами для различных видов строительных работ.

Для строительных материалов, используемых для дорожного покрытия, лестничных маршей, тротуаров, устанавливают абразивную истираемость

В зависимости от применения камня дополнительно изучают такие его свойства, как обрабатываемость, вязкость, огнеупорность, полируемость, устойчивость окраски и др.

Промышленные требования к качеству строительного камня чрезвычайно разнообразны; они зависят от назначения камня и регламентируются соответствующими ГОСТами. Так бутовый камень, камень для дорожного покрытия, для гидротехнических сооружений должны обладать высокой прочностью на сжатие. Иным требованиям должен удовлетворять стеновой камень (туфы, ракушняки); для этих целей применимы горные породы с низкой объемной массой и достаточно высокой общей пористостью. Такие породы характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами. Кроме того, стеновой камень должен легко распиливаться и обрабатываться на блоки и плиты требуемых размеров, а также выдерживать без повреждений не менее 10-15 замораживаний

Генетические типы промышленных месторождений.

По происхождению выделяют магматические, осадочные и метаморфогенные месторождения строительного камня. (Табл.4).

Магматические месторождения представлены интрузивными массивами и покровами, потоками, экструзивными телами вулканических излившихся продуктов и их пирокластических аналогов, сложенных разнообразными породами (граниты, сиениты, диориты, габбро, диабазы, базальты, андезиты, липариты, туфы и т. п.) освоенных районах и могли отрабатываться карьерами. Эти месторождения разнообразны по возрасту горных пород и приурочены к горно-складчатым геосинклинальным областям и выступам древних кристаллических массивов. На долю магматических месторождений приходится большая часть добываемого строительного камня. Причем производство штучного и особенно монументного камня в основном связано с этими месторождениями. Осадочные месторождения строительного камня образованы пластовыми залежами литифицированных обломочных (песчаники, конгломераты) и органогенно-химических (ракушечники, известняки, доломиты и др.) пород палеозойского (Прибалтика, центр европейской части СССР, Урал, Казахстан) и мезо.

месторождение алмаз графит слюда

Таблица 4 - Промышленные типы месторождений строительных камней

Типы	Формы продуктивных тел	Продуктивные породы	Генетические типы	Размеры, м	Примеры эксплуатируемых месторождений
				в плане	мощность
Крупные массивы	Батолиты, крупные штоки	Грани-тоиды	Магматогенные-интрузивные	Тысячи	Каменногорское (Мурманская обл.), Смолинское (Урал)
Штоки, мощные жилы и дайки, купола	Штокообразные тела	Габброиды		Сотни	Гусевогорское (Урал)
	Рифы	Известняки	Биогенные	Сотни	Десятки сотни	Шах-Тау (Башкирия)
Пласты, пластообразные залежи	Покровы, потоки	Базальтоиды, туфы вулканические	Магматоген но-эффузивные	Тысячи	До сотен	Кайерканское (Красноярский край), Октемберянское (Армения)
	Толщи	Мраморы, кварциты	Метаморфогенные			Слюдянское (Иркутская обл.), Шокшинское (Карелия)
	Слои	Карбонатные породы, песчаники и др.	Осадочные			Мелехово-Федотовское (Владимирская обл.), Аникинское (Ростовская обл.)

Магматические месторождения представлены интрузивными массивами и покровами, потоками, экструзивными телами вулканических излившихся продуктов и их пирокластических аналогов, сложенных разнообразными породами (граниты, сиениты, диориты, габбро, диабазы, базальты, андезиты, липариты, туфы и т. п.) освоенных районах и могли отрабатываться карьерами. Эти месторождения разнообразны по возрасту горных пород и приурочены к горно-складчатым геосинклинальным областям и выступам древних кристаллических массивов. На долю магматических месторождений приходится большая часть добываемого строительного камня. Причем производство штучного и особенно монументного камня в основном связано с этими месторождениями.

Осадочные месторождения строительного камня образованы пластовыми залежами литифицированных обломочных (песчаники, конгломераты) и органогенно-химических (ракушечники, известняки, доломиты и др.) пород палеозойского (Прибалтика, центр европейской части СССР, Урал, Казахстан) и мезо-кайнозойского (юг Украины, Кавказ) возраста. Разрабатываются осадочные месторождения в основном для получения щебня и бута, в меньшей степени для стенового и облицовочного камня. Так как эти месторождения расположены в экономически наиболее развитых районах страны, где существует дефицит магматогенного строительного камня, они интенсивно эксплуатируются и дают около трети всей продукции.

Метаморфогенные месторождения представлены преимущественно пластообразными залежами мраморов, кварцитов, гнейсов, амфиболитов среди докембрийских кристаллических (Украина, Карело-Кольский регион), палеозойских (Урал, Казахстан,) и мезозойских (Кавказ) пород. Главное значение имеет отработка месторождений мраморов, использующихся для самых различных строительных целей.

На территории России учтено более 1000 месторождений строительных камней с запасами по промышленным категориям порядка 20 млрд м3. Разрабатывается более 500 месторождений. Ежегодно добывают около 100 млн м3 строительных камней.

Запасы пильных известняков в России составляют примерно 110 млн м3. В год их добывают более 100 тыс. м3.

На территории России учтено более 1000 месторождений строительных камней с запасами по промышленным категориям порядка 20 млрд м3. Разрабатывается более 500 месторождений. Ежегодно добывают около 100 млн м3 строительных камней.

Запасы пильных известняков в России составляют примерно 110 млн м3. В год их добывают более 100 тыс. м3.

Облицовочные камни.

Природные облицовочные камни представляют специфическую группу строительных материалов, промышленная ценность которых определяется прежде всего их декоративными свойствами. Наряду с этим важным свойством облицовочных камней является механическая прочность, способность принимать различные виды обработки поверхности и сопротивляемость атмосферным воздействиям -- погодоустойчивость.

В качестве облицовочных камней используются горные породы различного происхождения: интрузивные -- граниты, сиениты, диориты, габбро-нориты, лабрадориты; эффузивные -- базальты, диабазы, андезиты, порфиры, порфириты, вулканические туфы; метаморфические -- мраморы, кварциты; осадочные -- известняки, доломиты, травертины, гипсы, песчаники, конгломераты и брекчии. Наиболее широко используются граниты и мраморы.

Не менее важным фактором для оценки таких пород как граниты, габбро, сиениты, лабродориты является способность раскалываться в заданном направлении под ударным напряжением. Выход блоков из горной массы зависит от системы трещиноватости массива и способов добычи блоков. Благоприятная система трещиноватости на месторождении гранита Возрождение (Ленинградская область, РСФСР) позволяет добывать монолиты длиной 10м и более, что даёт возможность использовать их для производства валов размерами 8-10м.

К декоративным свойствам камня относятся: 1) цвет (окраска) горной породы; 2) наличие рисунка; 3) структурно-текстурные особенности. В частности, для статуарного мрамора крайне важны его однородность и способность просвечиваться на глубину 1-3 см.

Декоративные свойства облицовочного камня усиливают архитектурную выразительность интерьеров, а иногда и сооружения в целом. Мавзолей В. И. Ленина облицован красным гранитом (Лезниковское месторождение), черным габбро (Слипчицкое месторождение) и лабрадоритами (Головинское и Турчинское месторождения).

Облицовочные камни используют следующим образом:

Основное назначение -- облицовка поверхностей строительных конструкций плитами для защиты их от разрушения в процессе эксплуатации и придание им декоративности;

блочный камень -- для кладки цокольных поясов зданий, стенок набережных, устоев мостов и других сооружений;

монолитные крупноразмерные блоки -- для колонн, скульптурных композиций, мемориальных и других сооружений, а также дефибрерные валы для целлюлозно-бумажного производства;

архитектурно-отделочные детали, профильные элементы, ступени, подоконники, бортовые камни, электротехнические доски и другие более сложные резные детали;

мраморный щебень и крошка -- как декоративный наполнитель различных мозаичных изделий, отделочных деталей, наружной штукатурки;

художественно-поделочные изделия, скульптуры, памятники;

В России крупным районом добычи магматических и метаморфических пород высокого качества является Балтийский щит (Кольский полуостров, Карелия): граниты разных расцветок и рисунков используемые в качестве облицовочного и монументального камня. В Карело-Кольском регионе, включающем северную часть Ленинградской области, эксплуатируются месторождения изверженных и метаморфических пород. Граниты в окрестностях городов Выборга и Питерлакса характеризуются очень крупной отдельностью, обусловленной редкой трещиноватостью гранитного массива. Это обеспечивает возможность добычи крупных монолитов. Высота колонн Исаакиевского собора в Ленинграде, сделанных из этого гранита, 17 м, Александровской колонны, воздвигнутой в ознаменование победы над Наполеоном, 26,6 м.

Общепризнана архитектурно-декоративная ценность монументного и облицовочного камня многих месторождений, представленных разнообразными по текстурно-структурным признакам и рисункам гранитами, сиенитами, монцонитами, габброноритами и другими породами. Исключительными свойствами обладают малиново-красные кварциты Шокшинского месторождения, использовавшиеся при сооружении Мавзолея В.И. Ленина. Другим крупным районом является Урал. Облицовочные и монументные камни Урала (граниты яшмы, мрамор) широко использованы при облицовке станций метрополитенов в Москве, Ленинграде и других городах (месторождения Мраморское, Уфалейское, Нижне-Тагильское и Др.). Многочисленные месторождения магматических и метаморфических пород известны на Алтае, Саянах, Забайкалье, Приморском крае (граниты, базальты, габбро-диабазы, туфы).