Знание того, при каких условиях образуются и какое строение имеют месторождения стратегического сырья в карбонатитовых комплексах, способствует открытию новых источников железа, меди, фосфора, циркония, ниобия, тантала и редкоземельных элементов.
Объектом исследования кольских геологов стал Ковдорский фоскорит-карбонатитовый комплекс — крупнейшее в России комплексное месторождение железа, фосфора и циркония. По форме оно напоминает трубку, подобную кимберлитовым трубкам с алмазами в Сибири и Южной Африке. Месторождение сложено породами магматического происхождения, состоящими из множества минералов, в том числе очень редких, но преобладают среди них оливин, магнетит, апатит и кальцит (карбонат кальция). Если в породе больше оливина, магнетита и апатита, она называется фоскорит, а если кальцит, то порода называется карбонатит.
Промышленный интерес представляют три минерала: магнетит, апатит и бадделеит. Часть их идет на переработку в России, часть — за рубеж. Бадделеит используется в производстве всевозможных огнеупорных веществ и покрытий для космических кораблей, в ядерной энергетике, магнетит — для получения железа, апатит — в производстве фосфорных удобрений и зажигательных смесей. Все три минерала добываются открытым способом в одном из самых больших в Мурманской области карьеров.
Для изучения глубоких горизонтов трубки геологи пробурили скважины, из которых извлекли 550 образцов, положение которых — координаты x, y, z — было строго определено. Это необходимо для того, чтобы с высокой точностью изучать, как характеристики пород месторождения изменяются в объеме.
В каждом образце определили минеральный состав породы, получили данные о размере и форме зерен каждого минерала, определили содержание химических элементов в породе и в каждом минерале. Затем при помощи статистических исследований и компьютерной интерполяции — обобщения результатов и построения функций распределения свойств — получили трехмерную модель месторождения. Модель позволила выявить области одинаковых значений одной или нескольких переменных (например, концентрации фосфора в руде) и, главное, связать все эти переменные с результатами простого отбора и изучения состава пород.
Ученые пришли к выводу, что строение трубки имеет концентрическую зональность, то есть минеральный состав последовательно меняется от центра трубки к краям, равно как химический состав всех минералов. Краевая зона состоит в основном из оливина, в промежуточной зоне преобладают магнетит и апатит, а осевая обогащена кальцитом (минералом группы карбонатов). Знание пространственного распределения минералов позволяет разбить саму трубку на условные блоки, например, 5*5*15 метров, для каждого из которых ученым известно все про слагающие его породы и минералы.
«По сути, вы можете на много лет вперед планировать процесс добычи, поскольку эти блоки привязаны по координатам, и мы всегда знаем, где что находится», — пояснил автор работы, доктор геолого-минералогических наук Григорий Иванюк.
В качестве своеобразного бонуса ученые обнаружили два ранее неизвестных минерала. Первый из них — кампелит (фосфат скандия, магния и бария), который получил свое название в честь Феликса Кампеля, бывшего технического директора Ковдорского ГОКа, за его вклад в развитие технологий добычи и обогащения комплексных руд месторождения. Второй — гидроксинатропирохлор (ниобат натрия и кальция). Интересно, что оба этих природных объекта образовались в осевой зоне трубки в результате изменения рудного минерала бадделеита поздними низкотемпературными растворами.
«Наша работа носит не только фундаментальный, но и прикладной характер, поскольку это крупнейшее месторождение, и выявленные нами закономерности пространственного распределения состава минералов, размера зерен и других параметров должны быть использованы для добычи, переработки и обогащении руд», — пояснил ученый.
