В настоящее время бентонитовые глины являются одним из дефицитнейших видов сырья, в котором Россия испытывает острую необходимость. Основная часть его импортируется из Азербайджана, Армении, Грузии, Туркмении, Украины, Греции, Болгарии, Индии и других стран. Благодаря ценным свойствам бентонитовых глин, состоящих не менее чем на 60−70% из минералов группы монтмориллонита, они широко используются в металлургии, литейном производстве, керамике, нефте-газовой и химической промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности.
Поиски бентонитовых глин в пределах Центрально-Чернозёмного региона проводились разными организациями, что позволило выявить прослои монтмориллонитовых глин в различных по возрасту кайнозойских отложениях, развитых в восточной и южной частях ЦЧР. Вместе с тем месторождений глин, в полной мере обладающих полезными технологическими свойствами, позволяющими широко использовать их в промышленности, найдено не было. И только в 1993;1994 годах по прогнозу ученых Воронежского университета, с непосредственным участием автора, было открыто Никольское месторождение бентонитовых глин на юго-востоке Воронежской области, территория которой наиболее перспективна для их поисков. Однако потребность в качественном бентонитовом сырье крайне велика, что определило постановку настоящей работы.
Основной целью работы является исследование распространения и особенностей формирования бентонитовых глин, их вещественного состава и технологических свойств на юго-востоке Воронежской антеклизы для создания минерально-сырьевой базы этого вида сырья. Для достижения цели автору необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить распространение, литологию, генетические типы бентонитовых глин.
2. Выявить условия локализации бентонитовых глин в неглубокозалегающих кайнозойских отложениях Воронежской антеклизы.
3. Детально исследовать гранулометрический, минералогический и химический составы наиболее качественных бентонитовых глин.
4. Определить изменения в составе глин различных стратиграфических подразделений по площади.
5. Изучить технологические свойства бентонитовых глин, влияние их вещественного состава на качество получаемой продукции.
0 6. Исследовать возможности активации и модификации бентонитов различными способами для улучшения качества, выявить пути использования в различных отраслях народного хозяйства.
Автором защищаются следующие положения:
1. Бентонитовые глины юго-востока Воронежской антеклизы располагаются на четырех стратиграфических уровнях: сумском, киевском, горелкинском и усманском. Глины первого уровня сформировались в морском заливе, второго — в мелководно-морском бассейне, третьего — в лиманах, четвертого — на аллювиальной равнине. Наиболее качественными являются сумские бентонитовые глины, в поле развития которых открыто Никольское месторождение.
2. В минеральном составе сумских глин преобладает железосодержащий монтмориллонит, в небольших количествах постоянно присутствуют, кварц, аморфный кремнезем, гидрослюда, каолинит, галлуазит, глауконит, эпизодически — смешаннослойный минерал типа монтмориллонит + гидрослюда, цеолиты. Такой состав обусловлен влиянием аутогенных процессов на терригенный осадок.
3. Изучение технологических свойств бентонитов Никольского месторождения показало, что они относятся к щелочноземельной разновидности со средними концентрациями обменных катионов и 3 содержаниями монтмориллонита. Активация бентонитов содой резко улучшает их технологические и эксплуатационные характеристики. Никольские глины в природном или активированном состоянии могут использоваться в качестве формовочных в литейном производстве, в изготовлении глинопорошков для буровых растворов, в керамических технологиях, производстве адсорбентов, сельском хозяйстве.
Научная новизна. Диссертантом впервые проведен сравнительный анализ глин разных стратиграфических подразделений кайнозоя Воронежской области ф и сделан вывод о наибольшей перспективности в качестве бентонитового сырья глин палеоцена на юго-востоке Воронежской антеклизы. Впервые проведенный с помощью комплекса методов минералогический анализ сумских глин показал преимущественно монтмориллонитовый их состав. Впервые выявлено месторождение бентонитовых глин «Никольское» среди отложений сумской свиты. Впервые выполненные опыты по выявлению способности к активации показали резкое улучшение свойств сумских глин и возможности использования их в различных отраслях народного хозяйства.
Практическая реализация работы. Проведенный анализ распространения бентонитовых глин разных стратиграфических уровней и выявленная приуроченность бентонитовых глин к сумским образованиям позволили резко сократить площади поисковых работ на это сырье. Открытое при активном участии автора Никольское месторождение позволяет обеспечить бентонитовым сырьём ряд предприятий ЦЧР и Центральной России.
Публикации и апробация работы. Материалы исследований неоднократно докладывались автором на ежегодных научных сессиях геологического факультета и НИИ геологии ВГУ, НТС Воронежского рудоуправления, Комитета природных ресурсов по Воронежской области, ТКЗ по Центральным районам. Отдельные положения диссертации заслушаны на Всероссийском литологическом совещании (Воронеж 2000), совещании по геологии юго-востока Русской платформы (Саратов 2002), Международном совещании «Глины и глинистые минералы» (Воронеж 2004). Основные положения диссертации освещены в 10 опубликованных работах.
Фактический материал и методика исследования. Поставленные задачи решались с помощью комплекса методов. В полевой период обследовались обнажения, документировался керн скважин, которые задавались автором, в том числе и при разведке Никольского месторождения, проводилось опробование разными методами, в том числе и выемка технологических проб.
В камеральный период автором составлялись разрезы и карты, проводилась обработка результатов гранулометрических, дифрактометрических, минералогических, электронномикроскопических, химических, зондовых, спектральных, термических и других видов анализов для выявления вещественного состава разновозрастных глин и его изменения по площади. Данные по составу глин сопоставлялись с результатами технологических испытаний для выявления зависимостей промышленных свойств минерального сырья от его состава и возможностей использования в различных целях.
В основу работы положен фактический материал, собранный автором за 12 лет работы, сначала в ГГП «Воронежгеология» и, в основном, в Воронежском рудоуправлении в должности старшего и ведущего геолога. Диссертантом использованы в основном авторские описания около 50 обнажений и 300 скважин, заказано и обработано 850 гранулометрических, 310 дифрактометрических, 30 минералогических (иммерсионных), 25 электронномикроскопических, 40 зондовых, 30 термических, 200 химических анализов, 250 технологических испытаний бентонитовых глин, в том числе данных по их активации. Анализы проводились в лабораториях Воронежского рудоуправления, ГГП «Воронежгеология», Воронежского университета, Института геологии и геохимии месторождений РАН, НИИ «Литмаш», НПО д.
Бурение", НИИ «Строймашкерамика» и других.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В первой главе приведен краткий геологический очерк, во второй рассматривается история, в третьей — методика исследований. Четвертая глава посвящена генетическим типам бентонитовых глин и закономерностям их распространения, пятая — вещественному составу бентонитов, шестаятехнологическим свойствам и областям использования в народном хозяйстве. Работа содержит 221 страницу, 40 иллюстраций, 80 таблиц.
Список литературы
насчитывает 125 наименований источников.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Бентонитовые глины в пределах юго-востока Воронежской антеклизы присутствуют на четырех стратиграфических уровнях — палеоценовом (сумском), эоценовом (киевском), миоценовом (горелкинском) и плиоценовом (усманском). Наибольшим распространением пользуются киевские глины, на более ограниченных площадях — сумские на юге и горелкинские на северо-востоке территории и на отдельных участках северной части — усманские.
2. В сумское время глины формировались в относительно глубоководном морском заливе на крайнем юго-востоке территории, в киевское — в открытых зонах эпиконтинентального морского бассейна, горелкинское — в лимане, усманское — на аллювиальной равнине. На состав глин особенно большое влияние оказали диагенетические преобразования осадка в сумское время, меньшее в киевское и горелкинское, и очень слабое в усманское.
3. В составе глинистой фракции (менее 0,005мм) сумских глин содержание монтмориллонита достигает 95%, киевских — 63%, горелкинских — 70%, усманских — 63%. Песчаная и алевритовая примесь колеблется от 9,08% до 31,06% и мало отличается по возрастным уровням.
4. Анализ минерального состава и технологических свойств бентонитовых глин указанных выше стратиграфических уровней показал, что наилучшими технологическими свойствами обладают сумские глины. С ними связано открытие эксплуатируемого в настоящее время Никольского месторождения. Эта информация позволяет более целенаправленно искать месторождения бентонитов и значительно экономить деньги на поисках этого сырья.
5 Выявленное при непосредственном участии автора месторождение Никольское представлено пластом глин мощностью 2−5 метров. Глины находятся среди сумских алеврито-песчаных пород, залегающих на сантонских мергелях и перекрытых эоцено-олигоценовыми глинисто-песчаными породами.
6. На месторождении выделяются пять участков, в пределах которых мощности пласта глин, вскрышных пород, содержание глинистой и обломочной составляющей, состав обменных катионов и сорбционная способность несколько отличаются. Общая площадь месторождения 500 км², пргнозные ресурсы бентонита составляют около 1 миллиарда тонн.
7. Прецезионный анализ частиц монтмориллонита показал значительное содержание железа в его решетке, что влияет на технологические свойства, особенно термическую устойчивость этого минерала.
8. Из глинистых минералов, кроме монтмориллонита, в сумских глинах присутствуют гидрослюда, каолинит, галлуазит, фиксируемые на рентгенограммах характерными рефлексами и повышенными содержаниями оксида алюминия по данным зондовых анализов, а также неупорядоченно смешаннослойные минералы типа монтмориллонит + гидрослюда.
9. Из неглинистых минералов устанавливаются обломочный кварц, аморфный кремнезем, обычно слагающий остатки микроорганизмов, глауконит, гидроокислы железа в виде пленок и тончайших вкрапленников, импрегрирующих глинистые частицы. Изредка присутствуют цеолиты и ильменит.
10. Никольские бентониты относятся к магнезиально-кальциевой разновидности, а соотношение между катионами выражается неравенством Са > > № > К > Ре, а общая сумма обменных катионов колеблется от 45 до 75, в природных разновидностях до 95 мг. экв/г в активированных.
11. Анализ возможностей сохранения природных свойств бентонита при повышении температуры, его дегидратации и регидратации показало, что предельно допустимая температура его сушки без разрушения кристаллической структуры составляет 350−400° С. Для сохранения всех реологических свойств температура обработки не должна превышать 150 °C.
12. Опыты по активации бентонита в суспензии кальцинированной содой и ЫаС1 при исследовании кинетики катионного обмена показали, что результаты действия этих двух реагентов близки, а значительная часть магния и кальция замещаются натрием. В результате активации значительно возрастают технологические свойства глин.
13. Проведенные промышленные и технологические испытания показали возможности использования бенгтонитов Никольского месторождения в литейном производстве при изготовлении формовочных смесей, в производстве глинопорошков для буровых расворов, адсорбентов и для минеральных добавок в комбикорма. Начавшаяся эксплуатация Никольского месторождения позволяет поставлять бентониты для этих целей.
14. Обработка глин Никольского месторождения небольшим количеством кальцинированной соды или других химических реагентов, использование аддитивного способа — активации в совокупности с различными способами переработки глинистого сырья позволяют получить высокодисперсные, набухающие бентониты аналогичные природным щелочным. Это позволяет использовать их в различных областях народного хозяйства.
