Общие сведения о россыпных месторождениях

Типы россыпей. Образование россыпей во многом зависит от скорости разрушения горных пород под воздействием природных явлений, от количества осадков, стекающих в долины, изменения их уклона, вследствие периодических подъемов и опусканий суши относительно уровня моря и от условий осаждения частиц разрушенных горных пород, переносимых водным потоком. В зависимости от расположения относительно коренного месторождения, из которого они образовались, различают элювиальные, делювиальные, аллювиальные и другие россыпи.

На земной поверхности россыпи залегают в поймах, на склонах и возвышенностях у водоразделов, а также в озерах и морях. Расположение россыпи определяет залегание пласта песков с полезными ископаемыми и оказывает большое влияние на технологию разработки. В зависимости от расположения на земной поверхности различают следующие наиболее распространенные типы россыпей.

Верховые (нагорные) россыпи (рис. 8) залегают преимущественно на возвышенностях, занимая пространство по склону от верхней границы выхода коренного месторождения на поверхность до ближайшей низины. Они характеризуются крутым уклоном — от 0,4 вверху склона и до 0,1 внизу — и залеганием на небольшой глубине непосредственно под слоем дерна. Наносные отложения содержат обломки пород в виде дресвы, щебня и глыб без заметного разделения по крупности. Мощность отложений составляет 0,5—5 м. Верховые россыпи относятся к элювиально-делювиальным.

Ключевые (ручьевые) россыпи (см. рис. 8) залегают в оврагах, логах, балках, распадках и долинами небольших ключей, они образуются вследствие переноса наносных отложений из верховых россыпей. Уклон изменяется от 0,1 в верховьях и до 0,01 в нижних частях. Наносные отложения содержат слабо окатанную гальку и валуны с малым разделением по крупности. Пласт песков выделяется не четко и, кроме того, он не всегда приурочен к нижней толще россыпи. Глубина отложений в верхней части небольшая, начиная с 0,5 м, к нижней части она увеличивается до 4—10 м. Протяженность таких россыпей колеблется от 0,2 до 3 км при ширине 10—50 м.

За последние годы найдены россыпи, образованные селевыми потоками и залегающие в ключах или в котловинах.

Ключевые россыпи являются переходными от делювиальных к аллювиальным и содержат делювиальные, колювиальные, пролювиальные и аллювиальные отложения.

Пойменные (долинные) россыпи (см. рис. 8) образуются от размыва ключевых и вышележащих террасовых россыпей, они залегают в поймах речек. Пласт песков распространяется на часть поймы долины и часто не связан с современным руслом потока. Наносные отложения отличаются окатанностью и отсортированностью, меньшим количеством валунов, особенно в нижних частях долин. В толще отложений встречаются отдельные просл'ойки глинистых и песчаных пород с галькой и валунами. Пласт песков выделяется достаточно четко и приурочен к нижней половине отложений. Часто в россыпи содержится несколько пластов, расположенных на разных уровнях. В больших долинах со спокойным залеганием пласты песков выдержаны на значительном протяжении и обладают относительно равномерно изменяющимся содержанием полезного ископаемого.

В долинах речек протяженность пойменных россыпей достигает 20, а иногда и 80 км; глубина их колеблется от 3 до 60 м, а ширина от 50 м до 2 км. Уклон в верховьях не превышает 0,07, в нижних же частях больших долин он снижается до 0,001.

Долинные россыпи относятся к аллювиальным. Из этих россыпей добывают большую часть полезного ископаемого, получаемого из россыпных месторождений.

Русловые и косовые россыпи (рис. 8) связаны с современным руслом речки и образуются от размыва вышележащих пойменных и увальных россыпей. Русловые россыпи залегают на две речки, непосредственно на плотике или на отложениях пойменной россыпи. Мощность отложений 0,5—1,5 м, причем россыпь не имеет торфов. В русловых россыпях пласт песков не выдержан, встречаются обогащенные струи или гнезда.

Косовые россыпи залегают на верхней части отмелей. Отложения мелкозернисты и хорошо окатаны, зерна полезного ископаемого также мелкие. Металл или минералы в верхних частях речных наносов обычно залегают в тонких пропластках, чередующихся с тонкими слоями пустых пород. Общая мощность пласта песков около 0,5 м. Металлоносный пласт не выдержан.

Русловые и косовые россыпи находятся в заметном постоянном движении и особенно быстро перемещаются по руслу во время половодья, а будучи выработанными, могут восстанавливаться.

Увальные и террасовые россыпи (см. рис. 8) представляют собой остатки старых пойменных россыпей, образовавшихся в то время, когда ложе долины (плотика) находилось выше современного уровня реки. Вследствие увеличения уклона долины и мощности водного потока русло речки углубилось. В последующем при уменьшении уклона долины на плотике, залегающем на более низком уровне, образовалась новая пойменная россыпь. Оставшиеся неразмытыми части старой пойменной россыпи, залегающие на четко выраженном уступе, относят к террасовым. В долинах многих речек наблюдается несколько (до семи) террасовых россыпей, расположенных выше современного уровня воды в реке на высоте от 1 до 100 м, а чаще на высоте 3-30 м.

Остатки старых пойменных россыпей, отложившихся на пологом склоне, плотик которых плавно сопрягается с плотиком современной пойменной россыпи, относят к увальным россыпям.

Террасовые и увальные россыпи могут встречаться по всей долине, в которой залегает пойменная россыпь. Длина этих россыпей, не изрезанных боковыми притоками, впадающими в долину, колеблется от 100 м до 15 км. Ширина также резко меняется — от нескольких метров до 1,5 км. По глубине и характеру наносных отложений эти россыпи отличаются большой глинистостью или большой валунистостью, чем пойменные.

Погребенные россыпи (см. рис. 8) образовались из старых пойменных россыпей. Плотик их залегает ниже плотика современной пойменной россыпи, а сверху они перекрыты делювиальными или илисто-глинистыми аллювиальными современными отложениями.

Образование погребенных россыпей вызвано уменьшением уклона долины и усиленным перемещением обломочных отложений с одного из увалов долины. Глубина погребенных россыпей достигает 200 м, а протяженность отдельных участков 0,5—5 км.

Древние пойменные россыпи (см. рис. 8) являются остатками пойменных россыпей древней речной сети. Они сохранились в основном на возвышенностях вблизи водоразделов смежных современных долин. Глубина их достигает 70 м, а протяженность отдельных сохранившихся частей не превышает 1—2 км, хотя остатки этих россыпей могут прослеживаться на десятки километров.

Морские береговые россыпи (см. рис. 8) образуются в полосе морского прибоя. Наносные отложения мелкозернистые, торфа отсутствуют, а мощность пласта колеблется от нескольких сантиметров до 1,5 м. Ширина россыпей 10—100 м, а протяженность вдоль берега может достигать нескольких десятков или даже сотен километров.

Вследствие подъема суши на некотором расстоянии от современного берега на более высоком уровне могут находиться террасовые морские береговые россыпи (см. рис. 8). Такие россыпи имеют песчанистые торфа мощностью 1—3 м, а пласт песков достигает 2—3 м.

Морские береговые россыпи преимущественно содержат такие полезные ископаемые, как ильменит, рутил, циркон, монацит.

Морские донные россыпи (см. рис. 8) имеют различное происхождение. На дне моря могут находиться пойменные, террасовые россыпи речных долин или террасовые морские береговые россыпи, затопленные морем вследствие погружения суши, например оловянные россыпи Индонезии.

Под влиянием морских течений на дне моря могут образоваться морские донные россыпи от размыва коренных месторождений, выходящих на морской дно, или от размыва затопленных россыпей.

Древние морские донные россыпи находятся на суше, они появились вследствие подъема морского дна и сохранились на возвышенных местах поверхности. Пласт песков имеет мощность от 1 до 25 м и сложен из мелкозернистых пород. Торфа мощностью 2—30 м образованы тонкозернистыми песчаными и глинистыми породами. Эти россыпи простираются в длину на многие километры, ширина их промышленной части составляет 0,5—1 км. Морские древние донные россыпи обычно содержат ильменит, рутил и циркон.

Небольшие древние морские россыпи встречаются также на самом водоразделе долины. Они являются остатками морских береговых россыпей.

Строение россыпей. Наносные обломочные отложения россыпей большей частью образованы песчано-глинисто-галечными породами (рис. 9, а), они содержат зерна обломочных отложений различной крупности. Среди этих пород различают мелкие речники, образованные из смеси песка и мелкой гальки; крупные речники — то же, что и предыдущие, но включающие и крупную гальку; глинистые речники, содержащие кроме песка и гальки еще глину.

Породы также подразделяют по количеству находящихся в них валунов (в % к общему объему) на следующие разновидности: маловалунистые — менее 1%, средневалунистые 1—3%, валунистые 3—10%, весьма валунистые 10—30%, очень валунистые более 30%.

По количеству камня диаметром более 15—25 мм (в % к общему объему) породы подразделяются на малокаменистые — менее 30%; средней каменистости — 30—60% и каменистые — более 60%.

Отдельные россыпи, расположенные за Полярным кругом, в наносных отложениях содержат лед (рис. 9, б), который в основном сосредоточен в торфах, но отдельными клиньями иногда входит в пласт песков до плотика.

При отсутствии в породах глины водный поток быстро размывает и разрыхляет породу, что значительно облегчает извлечение зерен полезного ископаемого. По скорости размыва речники и песчанистые породы относятся к промывистым, легкие суглинистые породы — к среднепромывистым и тяжелые суглинистые и глинистые породы — к труднопромывистым.

Иногда породу, извлекаемую из горных выработок, неправильно именуют грунтом. Под грунтом следует понимать породу, являющуюся основанием различных сооружений. Термин грунт в инженерной геологии применяют в таких же целях, как термины пески и руда в горном деле. Переносить термин грунт в процессы разработки месторождений так же нецелесообразно, как и термины пески и руда для наименований естественных оснований в строительном деле.

В наиболее распространенных условиях талые породы россыпей имеют коэффициент крепости f = 0,5/1,5 и относятся к I—III категориям.

Коэффициент крепости у песка в зависимости от влажности изменяется от 0,1 до 0,8, а у глин — от 0,1 до 1,5. Под воздействием железистых, кварцевых и других растворов отдельные слои россыпи могут быть сцементированы, и коэффициент их крепости повышается до f = 2 — 6.

Наносные отложения россыпей всегда содержат воду, находящуюся в свободном или физически связанном состоянии. Во время мороза вода превращается в лед, увеличиваясь в объеме на 9%.' При температуре минус 1° С вода, находящаяся в свободном состоянии, замерзает, и породы смерзаются, превращаясь как бы в скальные, а коэффициент крепости в зависимости от количества влаги, зернового состава, температуры повышается в 1,5—5 раз.

Во время замерзания происходит перераспределение влаги, часто образуются мелкие трещины, которые заполняются льдом. При оттаивании породы разрыхляются, и коэффициент их крепости уменьшается даже по сравнению с коэффициентом крепости до замерзания.

Объемный вес пород в плотном теле на россыпных месторождениях составляет 1,8—2,1 т/м3 и в наиболее распространенных случаях для речников равен 1,95 т/м3. С повышением валунистости объемный вес увеличивается, а с повышением льдистости — уменьшается и для льдистого — илистого растительного торфа снижается до 1,2 т/м3.

Металлоносным породам — пескам в общих случаях более свойственна крупнозернистость, т. е. они в основном представлены речниками или песком. Торфа в общих случаях сложены из тонкозернистых пород, т. е. песчано-глинистых, глин и реже мелкозернистых речников. Четко выраженной границы между пластом песков и торфами может и не быть, тогда пески с уменьшением содержания полезного ископаемого постепенно переходят в торфа и последние содержат металл.

Россыпи залегают в ложе долин на изверженных или осадочных скальных породах, образующих основные россыпи, называемые плотиком (почвой, постелью, бедроком). Плотик может быть представлен гранитом, дунитом, змеевиками, глинистыми сланцами, известняками и другими породами (см. рис. 9, а), причем на протяжении одной россыпи эти породы могут быть различными.

Породы плотика с поверхности разрушены. Верхняя часть плотика может быть представлена даже дресвой на глубину до 1,5 м. C глубиной кусковатость постепенно увеличивается, и дресва переходит в щебень, а далее в плитняк. На других россыпях плотик с поверхности представлен сильнотрещиноватой, легко поддающейся разработке скалой или малотрещиноватой скалой.

Неровная поверхность плотика и наличие в нем трещин создают благоприятные условия для задержания металла или минерала, который может проникнуть на некоторую глубину в плотик. В таких россыпях верхний слой плотика может быть металлоносным.

В зависимости от свойств горных пород поверхность плотика может быть различной. Так, плотик, образованный кристаллическими породами, имеет относительно ровную поверхность с небольшой волнистостью (см. рис. 9, а). У плотика, сложенного известняками, на поверхности образуются углубления, ямы, карманы, карсты глубиной до 5 м и более. В плотике, сложенном из напластованных под углом глинистых сланцев, отсутствуют глубокие впадины, но он имеет ребристую щеткообразную поверхность. Большое влияние на задержание металла или минерала оказывают направление и угол падения напластований сланца.

Коэффициент крепости плотика в зависимости от степени его разрушения находится в пределах от 1 до 10, в основном f = 3/6.

На россыпном месторождении необходимо различать следующие элементы залегания — падение, простирание и глубину. Падение россыпи соответствует основному направлению движения водного потока, образовавшего россыпь. Протяженность россыпи по падению является длиной россыпи. Простирание россыпи перпендикулярно основному направлению движения водного потока и представляет линию пересечения залежи с горизонтальной плоскостью. Протяженность россыпи по простиранию является ее шириной. Глубина, или мощность россыпи — это расстояние по вертикали от поверхности до плотика. Глубина залегания пласта определяет расстояние от поверхности до кровли пласта песков.

На россыпях с простым строением в толще наносных отложений имеется один пласт песков, который обычно залегает на плотике 1 (рис. 9, б). Многие россыпи, особенно глубокие, имеют сложное строение, в них встречается ряд металлоносных пропластков, залегающих на равных уровнях (рис. 9, в). В таких россыпях пустые породы, подстилающие верхние пласты песков, являются ложным плотиком.

Ширина пласта россыпей изменяется от 5 м до 2 км. По ширине россыпи следует подразделять на очень узкие шириной менее 20 м, узкие 20—50 м, средние (неширокие) 50—150 м, широкие 150—500 м, очень широкие — более 500 м.

Мощность пласта россыпей речных долин изменяется обычно от 0,2 до 3 м и только в отдельных раздувах и западениях увеличивается до 5—15 м. Пласт мощностью от 0,8 до 1,2 м обычно относят к средней мощности. В поперечном сечении долины мощность пласта непостоянная: обычно пласт выклинивается к краям, в средней же части — месте расположения древнего русла — мощность пласта больше.

По глубине (мощности) россыпи следует подразделять на мелкие — глубиной менее 4 м, неглубокие 4—8 м, средней глубины 8—16 м; глубокие 16—30 м, весьма глубокие 30—60 м, очень глубокие — более 60 м.

В верховьях россыпь обычно имеет наименьшую глубину. Вниз по падению глубина россыпи увеличивается, достигая наибольших значений несколько ниже среднего течения, после чего глубина ее постепенно уменьшается. Условия отложения наносов в долине по ее протяженности могут резко изменяться, тогда указанная закономерность не выдерживается и наибольшая глубина наблюдается в местах, где условия осаждения наносов наиболее благоприятны.

Количество химически чистого металла в 1 м3 песков, выраженное в миллиграммах или граммах, называется содержанием. Содержание на массу определяет среднее количество металла на 1 м3 во всей толще наносных отложений россыпи, включая торфа. При добыче ценных минералов содержание указывается в граммах или килограммах минерала, алмазов — в миллиграммах, граммах или каратах (1 г — 5 каратам).

Содержание металла или ценных минералов в песках изменяется по длине и ширине россыпи. В распределении металла наблюдается известная закономерность; так, преимущественно в средней части россыпи по ширине сосредоточиваются пески с наиболее высоким содержанием металла, называемые струей, а по направлению к увалам долины содержание постепенно уменьшается. В отдельных случаях струя может смещаться и располагаться ближе к одному из увалов долины. Содержание металла постепенно уменьшается также вниз по долине по мере удаления от коренного месторождения. Отдельные коренные месторождения могут залегать на протяжении нескольких десятков километров вдоль долины. В таких случаях закономерность в изменении содержания металла россыпи может быть иная.

По степени выдержанности пласта и распределению металла россыпи подразделяются на выдержанные, средней выдержанности, невыдержанные и очень невыдержанные (кусковые). Подразделение россыпей по этому признаку на четыре типа недостаточно, поскольку затрудняется выбор наиболее целесообразного расположения разведочных линий и выработок. Большого внимания заслуживает подразделение россыпей на пять групп, предложенное Ю.А. Билибиным.

Водоносность. Большинство россыпей отличается значительной водоносностью. Вода поступает на месторождения в виде осадков и из речек, а также от подземного притока. На верховых, террасовых и некоторых увальных россыпях основным источником обводнения являются осадки, а подземный приток может совершенно отсутствовать. Пласт таких россыпей остается сухим на протяжении всего года, если торфа представлены водонепроницаемыми породами.

Ключевые россыпи более водоносны, поскольку весной и осенью по руслу обязательно стекают поверхностные воды. Летом (в зависимости от местности) ручей пересыхает, и поверхностный сток прекращается или снижается до 1—10 л/сек. Подземный приток на талых ключевых россыпях может отсутствовать или быть незначительным. Ключевые россыпи с вечной мерзлотой обычно не имеют притока подземных вод.

Пойменные россыпи относятся к одним из наиболее водоносных. Поверхностный сток в долине обычно поддерживается на протяжении всего года, причем в зависимости от площади водосбора, местности и времен года секундный расход может изменяться от 1 л до 400 м3. Летом секундный расход обычно от 50 л до 5 м3. Поверхностный сток воды может прекращаться при малых площадях водосбора в наиболее жаркие летние месяцы, а на мерзлых россыпях — зимой, когда речки и россыпи полностью промерзают.

Подземный приток на талых пойменных россыпях во многом зависит от водоносности речки и водопроницаемости (коэффициента фильтрации) наносных отложений.

На мерзлых россыпях приток подземных вод зависит также от наличия межмерзлотных вод, которые перемещаются по таликам. Если межмерзлотных вод нет, то подземный приток отсутствует; при наличии же водоносных таликов он может быть таким же, как и на талых россыпях.

Водоносность морских россыпей во многом определяется расположением их относительно ближайших водных источников. Если древние морские донные россыпи залегают на возвышенностях и на ложном плотике, сложенном песчаными породами, подземный приток на них отсутствует.

Промышленное значение россыпей. При разработке россыпей под полезными ископаемыми понимают конечную продукцию, сдаваемую приисками, т. е. самородные металлы, ценные кристаллы или концентрат минералов. Промышленное значение имеют россыпи, содержащие нерастворяющиеся в воде, достаточно прочные зерна полезного ископаемого, которые не могут быстро измельчаться при переносе их водным потоком. Из россыпей добывают следующие полезные ископаемые: самородные металлы — золото и платину; ценные кристаллы — алмазы, оптический кварц и янтарь; титановые минералы — ильменит и рутил; редкометальные и редкоземельные минералы — циркон, монацит; оловянно-вольфрамовые минералы — оловянный камень (касситерит), вольфрамит, гюбнерит; тантало-ниобиеые минералы — танталит, колумбит, лопарит, пирохлор и др.

Удельный вес добычи этих полезных ископаемых из россыпных месторождений в Советском Союзе примерно следующий: 100% янтаря, 70% золота, 60% титана, тантала, циркония, оптического кварца и редкоземельных металлов, 30% олова и алмазов, 7% платины. В дальнейшем намечается значительный рост добычи из россыпей тантала и ниобия.

По объему горных работ и обогащению предприятия, разрабатывающие россыпные месторождения, занимают одно из первых мест в горнодобывающей промышленности России. Большой удельный вес добычи благородных и редких металлов из россыпей объясняется тем, что россыпные месторождения требуют меньших капитальных вложений на строительство предприятий и обеспечивают меньшую среднюю себестоимость добычи металла.

Большинство полезных ископаемых, добываемых из россыпей, извлекают также и из рудных месторождений. При разработке россыпей имеются следующие преимущества перед разработкой рудных месторождений.

1. При разработке большинства россыпей не нужны дорогостоящие и трудоемкие буровзрывные работы, затраты на которые значительны при добыче руд, представленных обычно крепкими скальными породами.

2. Основные запасы полезных ископаемых находятся в россыпях на глубине менее 25 м, что позволяет разрабатывать их в основном открытым способом с применением мощных и высокопроизводительных горных машин при небольших удельных капитальных вложениях и с невысокой себестоимостью выемки песков.

3. Для извлечения полезного ископаемого из песков не нужно применять дорогостоящие обогатительные процессы, например дробление, флотацию, цианирование и др. Полезное ископаемое из песков извлекают наиболее дешевыми и высокопроизводительными способами путем промывки песков в воде с выделением зерен полезного ископаемого из массы пустых пород на основе разницы в их удельных весах.

4. Условия разработки россыпей благоприятствуют применению поточной организации производства, комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

Поэтому добыча песков обходится дешево. Например, на наиболее крупных уральских 380-литровых драгах добыча 1 м3 обходится, включая выемку и промывку, 15 коп., а подземная добыча мерзлых песков с промывкой на небольших, но механизированных шахтах 12 руб. Таким образом, извлечение из недр и обработка единицы объема песков из россыпных месторождений на подземных работах в 1,5—6 раз, а на открытых работах в 20—80 раз дешевле добычи и обработки единицы объема руды тех же металлов на рудных месторождениях. Этим объясняется широкое развитие добычи полезных ископаемых из россыпей.