Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Геология и критерии оценки месторождений облицовочного камня Карельского перешейка

Специальность 25.00.11 - Геология, поиски и разведка месторождений твёрдых полезных ископаемых, минерагения

На правах рукописи

Тутакова Анна Яковлевна

Санкт-Петербург 2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор Лир Юрий Владимирович.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Булах Андрей Глебович

доктор геолого-минералогических наук, профессор Щипцов Владимир Владимирович

Ведущее предприятие - ООО «Геостром»

Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 г. в 17 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан ___ октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.г.-м.н., профессор А.Г. Марченко.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной архитектуре усиливается значение природного облицовочного камня как высоко декоративного, долговечного и престижного материала. Для Ленинградской области облицовочные камни в настоящее время являются одним из наиболее инвестиционно привлекательных видов полезных ископаемых. Активное изучение минерально-сырьевой базы облицовочного камня Карельского перешейка в последние годы, изменение существовавших и введение новых ГОСТов, изменение требований потенциальных инвесторов к качеству облицовочного камня и подготовленности месторождений к промышленному освоению предопределяют необходимость систематизации информации о перспективных проявлениях и месторождениях облицовочного камня региона и совершенствования критериев их оценки.

Большая часть проявлений и месторождений облицовочного камня Ленинградской области расположены на Карельском перешейке (магматические и метаморфические породы Балтийского щита), облицовочному камню именно этого региона и посвящены проведённые исследования.

Цель и задачи исследований. Целью работы является оценка состояния и перспектив развития минерально-сырьевого потенциала Карельского перешейка по облицовочному камню и совершенствование критериев оценки проявлений и месторождений облицовочного камня региона. Осуществление поставленной цели проводилось путём решения ряда задач:

- изучение особенностей геологического строения месторождений облицовочного камня Карельского перешейка;

- систематизация и анализ материалов по проявлениям и месторождениям облицовочного камня региона;

- характеристика и оценка существующей методики геологоразведочных работ на облицовочный камень;

- совершенствование методов определения основных качественных показателей облицовочного камня и критериев выбора перспективных объектов на Карельском перешейке.

Научная новизна. Установлены основные особенности размещения и состояния перспективных проявлений и месторождений облицовочного камня Карельского перешейка. Выполнена систематизация информации с представлением в виде каталога и стенда, иллюстрирующих разновидности облицовочного камня региона. Проведено ранжирование нераспределенного фонда недр по этому виду сырья согласно разработанным критериям. Предложен метод расчёта выхода блоков на основе компьютерного моделирования трещин и блоков в массиве горных пород.

Практическая значимость. Разработка методики оценки в баллах качественных характеристик месторождений облицовочного камня, систематизация сведений о современном состоянии минерально-сырьевого потенциала Карельского перешейка по облицовочному камню позволяют определить наиболее инвестиционно-привлекательные объекты с точки зрения выхода блоков, декоративности и других критериев оценки проявлений и месторождений облицовочного камня региона. Предложенный метод расчёта выхода блоков позволяет достоверно и наглядно оценивать этот показатель при проведении геологоразведочных работ.

Фактический материал и методы исследований. Диссертация основана на личном опыте участия в разведке месторождения Татьянинское (2005 г.), выполненных по собственной инициативе наблюдениях за трещиноватостью на месторождениях Ладожское (2005-2007 гг.) и Кузнечное-2 (2007 г.), а также изучении отчётов о геологоразведочных работах на облицовочный камень и литературных источников. Автор ознакомилась с 20-ю месторождениями облицовочного камня Карельского перешейка различной степени разведанности и освоенности. Всё это легко в основу создания каталога, иллюстрирующего разновидности облицовочного камня Карельского перешейка. Проанализированы методы оценки основных качественных показателей этого вида полезных ископаемых и методика проведения поисков, оценки и разведки проявлений и месторождений облицовочного камня региона. На месторождении Ладожское кроме непосредственных замеров и зарисовок трещин выполнены наблюдения за трещиноватостью с помощью георадара (под руководством проф.В.В.Глазунова). Автором построены объёмные модели трещин и блоков, вписанных в межтрещинное пространство с учётом особенностей разработки месторождений облицовочного камня на основе данных геологоразведочных работ и личных наблюдений с помощью горно-геологической информационной системы MICROMINE.

Апробация работы и публикации. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на научных конференциях: «Полезные ископаемые и их освоение» в Санкт-Петербургском государственном горном институте в 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 гг. и «Геология, геохимия и экология Северо-Запада России» в Санкт-Петербургском государственном университете в 2005 г.

По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 219 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 78 наименований, содержит 31 рис., 35 таблиц и 128 фото.

Краткое содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе рассмотрены особенности геологического строения Карельского перешейка. Основное внимание уделено массивам тех горных пород, которые используются и могут использоваться в качестве облицовочного камня.

Вторая глава посвящена истории создания и состоянию сырьевой базы облицовочного камня Карельского перешейка в настоящее время, кроме этого дана краткая характеристика облицовочных камней других регионов России и СНГ.

В третьей главе рассмотрены геологические, технологические и горно-технические критерии оценки проявлений и месторождений облицовочного камня Карельского перешейка, разработана система их характеристики в баллах и проведено ранжирование нераспределенного фонда недр. В этой главе обосновано первое защищаемое положение.

Четвёртая глава посвящена анализу видов и объёмов работ на стадиях поисков, оценки и разведки месторождений облицовочного камня, а также методам определения основных качественных показателей месторождений. Оценена возможность использования георадара при изучении трещиноватости. Предложены методы оценки декоративности - на основе каталога и стенда, иллюстрирующих основные разновидности облицовочного камня региона и выхода блоков - на основе компьютерного моделирования трещин в массиве горных пород. В этой главе обосновано второе защищаемое положение.

В заключении сформулированы основные результаты исследований.

В приложении 1 приведён составленный автором каталог месторождений и проявлений облицовочного камня Карельского перешейка с цветными фотографиями. В приложении 2 - альбом фотографий месторождений и примеры использования облицовочного камня Карельского перешейка в архитектуре Санкт-Петербурга за последнее десятилетие.

Автор благодарит своего научного руководителя д.г.-м.н. проф. Ю.В. Лира за постоянную помощь при подготовке диссертации, ведущего специалиста по геологоразведочным работам на облицовочный камень А.З. Романовского за всестороннюю поддержку, советы и критические замечания, аспирантку И.В. Апухтину, д.г.-м.н. проф.Г.С. Поротова, к.г.-м.н. асс. Н.И. Воронцову, инженера С.В. Крутикову и всех коллег по кафедре геологии и разведке месторождений полезных ископаемых, а также М.А. Гиндина, О.К. Бедину, директора и главного инженера ЗАО «Ояярви» - М.Ю. Билько и Е.А. Иванова за дружеское участие и помощь, д.т.н. проф.В.В. Глазунова за руководство в проведении георадиолокационной съёмки.

облицовочный камень сырьевой карельский

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

1. Разработанная балльная система критериев оценки месторождений облицовочного камня Карельского перешейка позволяет обобщить и систематизировать накопленную за длительный период информацию, выполнить оценку качественных характеристик месторождений облицовочных камней и ранжировать месторождения по промышленной значимости.

На основе личных наблюдений, изучения фондовой литературы, государственных стандартов, консультаций с ведущими специалистами по геологоразведочным работам на облицовочный камень разработана балльная система критериев оценки проявлений и месторождений облицовочного камня Карельского перешейка, которая представлена в таблице 1. Каждому параметру (например, определенной величине удельной трещиноватости, выходу блоков и др.) присвоено разное количество баллов. Наибольший «вес» имеет один из основных показателей, определяющих экономическую целесообразность разработки месторождений облицовочного камня - выход блоков (блочность). В баллах оценивается не только выход блоков, но и удельная трещиноватость горных пород, т.к. на проявлениях и месторождениях облицовочного камня, в пределах которых геологоразведочные работы проводились 10-20 лет назад прогнозный выход блоков рассчитывался без учёта удельной трещиноватости. Отрицательное количество баллов имеют те параметры, которые снижают промышленную ценность месторождения облицовочного камня (не благоприятствуют освоению), например, наличие скальной вскрыши (коры выветривания интрузивных пород).

Таблица 1. Критерии оценки проявлений и месторождений облицовочного камня Карельского перешейка

Кроме названных критериев для обоснованного выбора перспективных проявлений и месторождений облицовочного камня важны эколого-природоохранные требования (соблюдение водоохранных и др. защитных и санитарно-защитных зон), а также превышение объекта над окружающей местностью и наличие естественных уступов для того, чтобы была возможность разрабатывать месторождение карьером нагорного типа. Эти критерии не использовались при ранжировании проявлений и месторождений облицовочного камня Карельского перешейка, так как все эти проявления и месторождения находятся вне защитных и санитарно-защитных зон и имеют превышение над окружающей местностью более 10 м при наличии естественных уступов.

При оценке промышленной значимости проявлений и месторождений не использовался критерий количества запасов облицовочного камня, так как обеспеченность балансовыми запасами месторождений облицовочного камня Карельского перешейка составляет от 30-40 лет до 180 лет и более. Для всех месторождений возможен прирост запасов на глубину. В последние годы наблюдается тенденция относительно небольшого объёма добычи на каждом разрабатываемом месторождении (от 1-2 тыс.м3 до 8-13 тыс.м3 горной массы, кроме месторождения Возрождение-участок 8: около 25-44 тыс.м3 за 2002-2005 г.), но за счёт вовлечения в эксплуатацию новых объектов - расширение цветовой палитры добываемых облицовочных камней.

Далее проведено ранжирование проявлений и месторождений облицовочного камня Выборгского и Приозерского районов Ленинградской обл., которые относятся к нераспределенному фонду недр (всего их 13, в том числе 6 из них учтены балансом облицовочного камня в группе «государственный резерв» на 01.01.2006). Результаты проведённого ранжирования представлены на рис.1.

Рис.1. Гистограмма, отражающая результаты ранжирования по промышленной значимости проявлений и месторождений Карельского перешейка из нераспределенного фонда недр. Тёмно-серым цветом показаны объекты, учтённые балансом запасов в группе «гос.резерв»

В результате проведённого ранжирования без учёта декоративных свойств большее количество баллов по сравнению с другими проявлениями и месторождениями получили: в Выборгском районе Ленинградской области - проявление Красногорское (13 баллов), проявления и месторождение Сайрольской группы (11 баллов), месторождение Сосновая Горка (11 баллов); в Приозерском районе - проявление Солнечное (12 баллов), месторождения Бакунинское, Севастьяновское, Богатыри (по 11 баллов).

По величине удельной трещиноватости ранжируемые объекты преимущественно относятся к средне-трещиноватым и умеренно-трещиноватым с неравномерным распределением удельной трещиноватости по площади месторождения. Выход блоков (в основном прогнозный, то есть теоретический) на половине месторождений составил 20-25%, на двух месторождениях - 25-30%. Надо учитывать, что на большей части объектов были проведены поисковые работы или поиски и оценка, то есть вышеуказанные числовые характеристики в результате разведки могут измениться в ту или иную сторону, так как метод опытной добычи является единственным, позволяющим с определенной степенью достоверности определить выход блоков - один из важнейших критериев оценки месторождений облицовочного камня. По величине суммарной удельной активности естественных радионуклидов 8 из 13 проявлений и месторождений относятся к I классу (без ограничений в применении). Ко II классу (использование преимущественно для наружной облицовки) относятся проявления и месторождения гранитов-рапакиви Выборгского массива и некоторые объекты Лазурненского массива. Что касается транспортного положения ранжируемых проявлений и месторождений, то расстояние от объекта до автомобильной или железной дороги регионального значения преимущественно менее 300 м, но требуется улучшение этой лесной или грунтовой дороги (за некоторыми исключениями). Вскрышные породы в основном представлены рыхлыми четвертичными отложениями, в 2-х случаях возможно наличие коры выветривания интрузивных пород. Четвертичные отложения имеют мощность преимущественно до 2 м, в том числе почти половина проявлений и месторождений покрыты лишь маломощным почвенно-растительным слоем.

Декоративные свойства по действующим с 01.01.2001 ГОСТам должны определяться по балльной методике с присвоением определенного класса декоративности. На Карельском перешейке согласно этой методике наиболее декоративными (имеющими большее количество баллов) являются красновато-коричневые, розово-красные и розовые гранитоиды. Но ещё в 1980 г. А.В.Рылеев отметил, что по балльной классификации заведомо меньше баллов получают все виды камня ахроматических цветов: черных, серых, белых (Рылеев, 1980). А цена на облицовочные плиты может зависеть не только от цветовых оттенков и рисунка камня, но и от моды на те или иные разновидности облицовочного камня, его востребованности, известности на определённый момент времени, в связи с чем проведение маркетинговых исследований рынка облицовочного камня становится необходимым видом работ при оценке и разведке месторождения. Представляется целесообразным оценивать декоративность облицовочного камня по каталогу и/или стенду, иллюстрирующим разновидности облицовочного камня региона с краткой характеристикой, цветной фотографией или образцом (вместе с оценкой в баллах с присвоением определенного класса декоративности согласно ГОСТ). Такой каталог перспективных проявлений и месторождений Карельского перешейка в табличной форме с цветными фотографиями и примерами использования в архитектуре Санкт-Петербурга составлен автором на основе изучения отчётов о геологоразведочных работах, балансов запасов облицовочных камней по Ленинградской области и личных наблюдений по состоянию на 2006-2007 гг. (пример представления месторождения в каталоге приведён в приложении). Стенд подготовлен автором в 2004 году при участии А.З.Романовского и используется в учебном процессе на кафедре геологии и разведки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного института (технического университета).

Выполненная оценка промышленной значимости проявлений и месторождений облицовочного камня Карельского перешейка не является категоричной истиной. Но, по мнению автора, позволяет выделить инвестиционно привлекательные объекты на данной стадии их изученности. Идея ранжирования в баллах применима и к другим регионам при оценке проявлений и месторождений облицовочного камня (после соответствующей корректировки для конкретного региона).

2. Объёмное моделирование трещин в массиве горных пород позволяет достоверно и наглядно оценивать прогнозный выход блоков при геологоразведочных работах, а также производить опережающий расчёт выхода блоков при эксплуатации месторождений облицовочного камня.

Существует целый ряд методов оценки выхода блоков на месторождениях облицовочного камня, которые применительно к одним геологическим условиям обеспечивают достаточно хорошие результаты, а к другим - лишь в приближённом варианте.

Используемые на Северо-Западе России методы расчёта теоретической (прогнозной) блочности базируются преимущественно на основе анализа систем трещин в массиве горных пород, расчете средних расстояний между трещинами в определенных системах и вычислении средних размеров блоков. Рассчитанная таким образом прогнозная блочность сопоставима с фактической при наличии в массиве в основном не более 3-х систем трещин: две субортогональные вертикальные и одна горизонтальная системы при относительно выдержанной трещиноватости. На Карельском перешейке многие месторождения и вновь выявляемые объекты имеют по 4-6 систем трещин (в ряде случаев нечётко выделяемые), со значительными вариациями расстояний между трещинами в системах и неравномерным распределением трещин по площади месторождения. Как правило, от 20 до 40% трещин относятся к внесистемным.

При разведке на облицовочный камень участка 8 месторождения Возрождение была установлена и выражена графически обратно пропорциональная зависимость выхода блоков (в том числе I-III группы) от площадной удельной трещиноватости (Романовский, 1981). В последние годы при проведении геологоразведочных работ на облицовочный камень на Карельском перешейке используется преимущественно именно этот метод расчёта теоретической (прогнозной) блочности с коэффициентом сходимости с фактическим выходом блоков 0,84-0,91 (Романовский, 2003). Для упрощения и ускорения расчётов автором график был построен с помощью компьютерной программы, что позволило получить уравнение этой зависимости. Возможность использования этого уравнения была оценена автором на эксплуатируемом месторождении облицовочного камня Ладожское по замерам 1997, 2003 и 2005 гг. (с учётом коэффициента потерь, учитывающего пассировку блоков и скрытые трещины). При сравнении рассчитанного выхода товарных блоков и фактического оказалось, что в первые годы эксплуатации эти цифры были сопоставимы, а для последующих лет эксплуатации рассчитанный по уравнению выход товарных блоков завышен на 5-10%.

Чтобы учесть реальное расположение трещин при расчёте выхода блоков, стенки карьера на месторождении Ладожское автором были представлены в объёмном виде (в трёхмерных координатах) при помощи горно-геологической информационной системы MICROMINE. Согласно элементам залегания трещины были продолжены на глубину преимущественно до 1 м. В межтрещинное пространство вписаны блоки с учётом их минимально рентабельного объёма и особенностями разработки карьера облицовочного камня. Далее был рассчитан объём блоков и объём изучаемого участка. Умножив объём природных блоков (в процентах) на коэффициент потерь на этом и аналогичных месторождениях, учитывающий пассировку блоков и наличие скрытых трещин, получаем выход товарных блоков.

Для Ладожского месторождения построено 4 модели: стенки карьера в разное время разработки (по зарисовкам и замерам, выполненным автором в 2005, 2006 и 2007 гг.). При сравнении рассчитанного выхода блоков и фактического (именно на этих участках месторождения!) коэффициент сходимости составил 0,90-0,98. По модели, выполненной по зарисовке 2005 г. (длина стенки карьера 27 м, площадь зарисовки 118,4 м2), рассчитанный выход блоков (15,7%) оказался практически равен среднему выходу товарных блоков за 2005-2007 гг. (15,5%). Эта модель представлена на рис.2. По одной из моделей стенки карьера в 2007 г. рассчитан выход блоков для различных частей отрабатываемого участка, что позволило сделать вывод о возможности получения крупных блоков с более высоким выходом в одной части участка по сравнению с другой частью, где будут получены блоки только III группы (по объёму) с меньшим выходом блоков.

Для эпизодически эксплуатируемого месторождения Кузнечное-2 (в 400 м от месторождения Ладожское) построено 6 моделей: 4 субгоризонтальные расчистки и 1 субвертикальная расчистка - в разных частях месторождения, задокументированные при разведке месторождения в 1998-2000 гг. и стенка карьера, задокументированная автором в августе 2007 г. Две из моделей представлены на рис.3 и 4. По моделям расчисток выход блоков I-III групп составил 14-24%, по модели стенки карьера - 11% (только III группы). На модели расчистки №2 блоки вписаны в межтрещинное пространство согласно сначала одной из основных систем трещин, а потом другой. Расчеты показали, что при изменении азимута продвижения забоя карьера выход блоков увеличится на 3,4%. При попытке изменить азимут продвижения забоя карьера на других расчистках (построить блоки параллельно другой системе трещин) выход блоков различался на 0,2-0,5%. То есть уверенно рекомендовать изменить направление продвижения забоя карьера на данном этапе исследований не представляется целесообразным. Но при документации одной из стенок карьера в 2007 г. было видно, что забой карьера образует острый угол с одной из систем крутопадающих трещин, а также стали проявляться наклонные трещины с углами падения 20-600, практически не выявленные при разведке месторождения. Эти факторы отрицательно влияют на выход блоков, который составил в последнее время преимущественно 10-15% (по забоям в разных частях месторождения), а по опытному карьеру объёмом 200 м3 на одном из участков - 25% .

Рассчитанный при помощи объёмного моделирования выход блоков имеет хорошую сходимость с фактическим, что позволяет использовать этот метод для определения теоретической (прогнозной) блочности на стадии оценки месторождений облицовочного камня Карельского перешейка. Кроме этого, объёмное моделирование позволяет планировать объём и выход блоков на эксплуатируемых месторождениях.

Заключение

Систематизация информации о перспективных проявлениях и месторождениях облицовочного камня Карельского перешейка с представлением в виде каталога и стенда, иллюстрирующих основные разновидности облицовочного камня региона, проведённое ранжирование нераспределенного фонда недр согласно разработанной балльной системе критериев оценки позволили оценить качественные характеристики месторождений облицовочного камня региона и определить наиболее промышленно значимые объекты. Предложенный метод расчёта выхода блоков на основе компьютерного объёмного моделирования трещин в массиве горных пород и блоков, вписанных в межтрещинное пространство будет способствовать эффективной оценке этого показателя при проведении геологоразведочных работ на облицовочный камень.

Список публикаций

1. Тутакова А.Я. Опыт экспертной оценки декоративности облицовочного гранита // Записки Горного института, т.155, ч.1, СПГГИ (ТУ), 2003, с.39-43.

2. Романовский А.З., Тутакова А.Я. Сырьевая база облицовочного камня Карельского перешейка в Ленинградской области и критерии оценки месторождений // журнал «Разведка и охрана недр», 2005, №5, с.25-28.

3. Романовский А.З., Тутакова А.Я. Облицовочный камень Ленинградской области (магматические и метаморфические породы) // Материалы I международной научной конференции «Геология, геохимия и экология Северо-Запада России», Санкт-Петербург, 2005, с.76-78.

4. Тутакова А.Я. Сравнительный анализ методов определения качественных характеристик облицовочного камня Карельского перешейка // Записки Горного института, т.167, ч.1, СПГГИ (ТУ), 2006, с.41-44.

Размещено на Allbest.ur