Изучение эксплуатируемой разведки и геолого-промышленной оценки месторождений полезных ископаемых никеля и ванадия в процессе их освоения в республике Бурунди

Ростом спроса на никель и ванадий в связи с развитием электромобильной промышленности, прогрессивной металлургии, подчеркивает необходимость эффективной геологической разведки и других отраслей, использующих эти металлы

Никель входит в состав множества сплавов (бинарные сплавы Ni-Cu, Ni-Si или Ni-Mo, тройные сплавы, такие как Ni-Cr-Fe, Ni-Cr-Mo и т.д.) и активно используется в промышленности и энергетике

Геологическое разнообразие Бурунди предоставляет значительные возможности для освоения месторождений никеля и ванадия, но также требует комплексных исследований для минимизации экологических последствий и оптимизации методов добычи.

Глубина скважины достигает нескольких метров, а её преимущество заключается в том, что она вертикально прорезает ферралитовую почву, куйрассу, ферралит, сапролит (выветрившийся перидотит) и достигает коренных пород почвы (слегка выветрившийся перидотит, серпентинизированный зеленовато-серый). Процессы концентрации чёрных металлов обычно происходят в магматических (ультраосновных и мафических), осадочных (богатых органическим веществом), гидротермальных и метаморфических горных породах.

В ней подчеркивается геологическое строение, минералогический состав и проблемы освоения этих месторождений.

Горные работы, особенно связанные с добычей никеля и ванадия, создают экологические вызовы, такие как загрязнение грунтовых вод, деградация почв и выбросы парниковых газов. Это подчеркивает необходимость устойчивых методов горных работ.

В исследовании анализировались образцы горных пород с использованием гидравлического пресса, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и микрорентгенофлуоресцентного анализа. Основное внимание уделялось распределению элементов и геохимическим характеристикам никеля и ванадия. Используемые методы включают геохимические анализ образцов горных пород, особенности руд и связанных с их эксплуатацией полезных ископаемых. Оценка пространственного распределения содержания элементов в рудных телах для определения запасов и качества руды химический анализ образцов горных пород на черные металлы и другие элементы.

Многочисленные исследования минерализации, проведенные в Бурунди, показывают существование нескольких типов месторождений полезных ископаемых

По геологическим характеристикам, условиям формирования и генезису месторождения полезных ископаемых Бурунди можно разделить на восемь категорий, из которых наиболее часто эксплуатируются кустарным способом следующие (Табл. 1):

1) основные породы, минерализованные Fe-Ti и V;

2) ультраосновные породы, минерализованные Ni-Cu (± ЭПГ);

3) карбонатиты и сиениты, минерализованные редкоземельными элементами и цирконом;

4) метасоматические жилы, минерализованные редкоземельными элементами;

5) никельсодержащие латериты.

В зависимости от происхождения месторождения полезных ископаемых Бурунди также можно разделить на три группы:

- месторождения, связанные с эволюцией Кибарского орогена;

- месторождения, связанные с открытием западной ветви Восточно-Африканского рифта;

месторождения, связанные с климатическими условиями региона.

Важнейшие полезные ископаемые страны руды чёрных металлов, которые также содержат медь, кобальт и платину (месторождения в центре и на востоке, крупнейшее из которых Мусонгати)

- значительной никелевой минерализации мирового класса, сопровождаемой кобальтом и платиной;

- месторождений ванадия и редкоземельных элементов (REE);

- промышленных минералов, таких как фосфаты, известняк, каолин, глина и различные другие строительные материалы.

Бурунди расположена в самом сердце Африки, в районе «Великих озёр», в тропическом регионе.

Классификация латеритных месторождений никеля в зависимости от климата (сухой, сухой влажный, влажный) выделяет три типа профилей латеритных месторождений никеля, образующих три типа залежей:

- окисленные или лимонитовые;

- силикатные;

- глинистые.

Окисленные месторождения образуются во влажном тропическом климате. Они разрабатываются на гарцбургите и сочетают в себе Ni, Co и Mn (например, месторождения Моа-Бей на Кубе и Горо в Новой Каледонии). Эти фации также развиваются на дунитах, в которых много кремнезёма и мало глины (например, месторождение Cawse в Австралии). Никель рано задерживается в гётитовой структуре, которая развивается за счёт оливина, а также в оксидах марганца (абсолютах), осаждающихся в результате окислительно-восстановительных процессов в трещинах

Силикатные месторождения, богатые гидратированными силикатами магния и никеля, являются наиболее богатыми никелем (1,8–2,5% Ni в сапролите). Минералогия этих месторождений сложна: силикаты и алюминаты образуют твёрдые растворы между Mg и Ni. Нумеит особенно богатая никелем разновидность. Кобальт встречается в виде абсолюта, аморфного оксида.

В глинистых отложениях (сухих латеритах) наблюдается частичное выщелачивание кремнезёма в результате поверхностного выветривания. Затем сапролит содержит смектиты (нонтрониты натрия), которые связывают никель. Месторождения развиваются на серпентинизированных перидотитах, в менее агрессивном климате и на небольших холмах

В Бурунди окисленные и силикатные типы месторождений присутствуют примерно в равных пропорциях, а глинистые месторождения незначительны. Никель в окисленном типе связан с гётитом, а в силикатном с минералами группы серпентина (хризотил, антигорит) и глинистыми минералами (пимелит и нонтронит)

Распределение элементов платиновой группы было определено на основании анализов, проведенных по профилю скважины. Элементы группы платины и редкоземельных элементов были изучены для оценки их концентраций. Эти элементы входят в состав ультраосновных пород, таких как оливин, гиперстен, антигорит, хризотил и сульфидные минералы

Щелочи и щелочные земли (Si, Mg, Na, K, Ca) выщелачиваются во всех латеритных горизонтах, и их уровень постоянно ниже или близок к пределу обнаружения. Ti показывает лишь незначительный прирост массы в куйрассе (CU) и латеритной почве (SL), в то время как Al и Fe увеличивают массу от 2 до 20% на этих уровнях

Среди микроэлементов следует отметить, что Cu выщелачивается из всех латеритных горизонтов. Ni, Cu, Co и Mn выщелачиваются из латеритной почвы и брони, в то время как они постепенно обогащаются от ферралита к сапролиту

[13]

. На уровне сапролита никель показывает значительный прирост, достигая около 10 000 ppm.

Рисунок 1 - Распределение элементов платиновой группы основано на анализах, проведенных по профилю скважины

DOI:10.60797/GEO.2025.2.4.2

Ультраосновные породы представляют собой наиболее важные горные единицы, на которых развиваются никеленосные латериты

[2]

. Глубина скважины достигает нескольких метров, и её преимущество заключается в том, что она вертикально прорезает изменённый перидотит и достигает коренной породы. Как обсуждается выше в разделах петрографии, можно выделить три основные ультраосновные единицы: дуниты, гарцбургиты и перидотиты. В районе Муканды, образованный интрузивным массивом Муканда-Бухоро, имеются геоморфологические и педологические характеристики, контрастирующие с осадочными вмещающими породами. Геологическая порода в почве, описанная при бурении как перидотит, является дунитом. Для каждого типа пород можно рассчитать среднее арифметическое значение результатов геохимического анализа

[14]

. Эти средние значения могут быть использованы в качестве начального значения для процессов латеритизации. Эти режимы наблюдаются на самых высоких частотах, представляя собой состав, наиболее близкий к латеритным ультраосновным породам. Они составляют почвенный профиль. Он используется для мониторинга эволюции изменения ультраосновных пород, физического (по буровому керну), химического и минералогического на большой глубине

[2]

,

[14]

.

Характеристика минерализации месторождений элементов чёрных металлов в Бурунди необходима для понимания распределения, качества и экономического потенциала этих ресурсов. Бурунди представляет геологию с докембрийскими формациями, которые могут содержать месторождения железа

Одной из причин быстрого освоения геологических техногенных массивов полезных ископаемых никеля является повышение эффективности условий освоения руд черных металлов в Республике Бурунди. Генезис месторождений полезных ископаемых определяет их основные геологические и промышленные характеристики: условия залегания, формы и размеры минеральных тел, состав материалов и структурно-текстурные характеристики.

Предложенное ранее разделение промышленных типов для техногенных месторождений чёрных металлов и благородных металлов основано на их генетической классификации. Так, для никелевых предприятий цветной металлургии выделены следующие геолого-промышленные типы:

1) отвалы, связанные с добычей никелевой руды;

2) отвалы остатков обогатительного производства;

3) отвалы металлургического передела.

Наиболее важными из этих геолого-промышленных типов, представляющими в настоящее время особый интерес, являются отвалы металлургических шлаков, расположенные на крупных предприятиях

Никель и ванадий встречаются в различных геологических средах с отличительными геохимическими профилями. Исследование предлагает понимание характеристик минерализации этих месторождений, делая акцент на устойчивой добыче и охране окружающей среды.

Результаты картирования химических элементов показывают нулевые изменения объема элементов (рис. 2). Анализы с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгеновской дифрактографии позволяют выявить элементы, которые с наибольшей вероятностью будут группироваться вместе, и пересчитать объемные коэффициенты, соответствующие относительной неподвижности элементов в группах платиновых металлов (EGP) или оксидах в выбранных образцах

Разведка месторождений никеля (Ni) и ванадия (V) обычно включает геохимические и геофизические исследования, а также бурение и анализ керна. Добыча месторождений элементов черной металлургии Ni-V (никеля и ванадия) зависит от типа месторождения и содержания металла. К распространенным методам добычи относятся открытая, подземная добыча и выщелачивание

Анализы полученных результатов наглядного распределения химических микроэлементов в образцах были выполнены с использованием метода рентгенофлуоресцентного анализа Spectroscan-MAX GV и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии

Анализируя карты распределения элементов, можно отметить, что в состав условий освоения месторождений твердых полезных ископаемых руд черных металлов входят элементы группы платиновых металлов и микроэлементы в следующих соотношениях: Mg – 21,80-17,90%, Si – 13,63-9,69%, Fe – 7,06-2,52%, и небольшое количество Al – 1,9-1,42%, Ti – 0,26-0,11%, Ca – 0,23-0,11%, Mn – 0,21-0,08%, Ni – 0,22-0,07% и др. В результате геохимических исследований было установлено, что в образцах были обнаружены высокие концентрации магний, кремния, железа, алюминия и других элементов. Высокие концентрации этих элементов, скорее всего, связаны с процессами окисления гипергена. Понятие латеритов никелевых охватывает концепцию относительного или абсолютного накопления Fe2O3, SiO2 и MgO, а также частичные или полные потери в Al2O3, MnO, Ni2O3 и других оксидах.

Рисунок 2 - Результаты картирования химических элементов энергодисперсионная рентгеносвкая спектроскопия: 

а - спектральное изображение магния; б - таблица содержания химических элементов; в - график, отображающий содержание и концентрацию элементов

Примечание: EDX - спектр магний (с примесью оксидов кремния и алюминия) и железа

DOI:10.60797/GEO.2025.2.4.3

Содержание Cl, Ca, Ti, Ni, Mn, Cr встречаются в низких концентрациях, в основном в посткумулусе, за исключением мафических и ультрамафических пород Мусонгати, Ньябикере и Вага, где они образуют относительно толстые линзы (от 1 до 500 м) латеритных никеленосных отложений и высокие концентрации магния, кремния и железа. Сульфиды также широко рассеяны в основных кумулятах, за исключением Мусонгати, Ньябикере и Вага, где они образуют линзы (дуниты, гарцбургиты и перидотиты) в верхней части оксидной минерализации и на восточном краю интрузии

[17]

. Основными никелевыми рудами являются пентландит ((Fe, Ni)₉S₈), миллерит (NiS), гарниерит (Ni, Mg)₆Si₄O₁₀(OH)₈ и лимонит (FeO(OH), H₂O). Он обычно концентрируется в ультраосновных магматических породах, таких как перидотиты и дуниты, и в сульфидах никеля, образующихся в магматических и гидротермальных средах

[4]

,

[21]

.

По данным элементного химического картирования и петрографического анализа шлифов для образца, установлено присутствие Mg, Al, Si, Ti, Fe, V и др (перечисленные элементы, где весовой процент (массовая доля) и атомный процент выше 0,05%). Анализируя карты распределения элементов, можно отметить, что в состав руд черных металлов входят следующие элементы в следующих соотношениях: Fe 37,13-17,19%, Ti 10,61-5,73%, Al 5,42-5,2% и небольшое количество Si 3,22-2,96%, V 1,31-0,66% и других элементов. (рис. 3)

В результате геохимических исследований было установлено, что в исследуемых абразивах имеются высокие концентрации железа, титана и алюминия. Высокие концентрации этих элементов обусловлены гипергенетическими окислительными процессами. С точки зрения химического элементного окислительного состава, понятие «ванадоносный» охватывает концепцию относительного или абсолютного накопления Fe₂O₃ и Al₂O₃, а также частичные или полные потери в SiO₂ и других оксидах.

Рисунок 3 - Результаты картирования химических элементов энергодисперсионная рентгеносвкая спектроскопия: 

а - спектральное изображение магния; б - таблица содержания химических элементов; в - график, отображающий содержание и концентрацию элементов

Примечание: EDX - спектр магний (с примесью оксидов кремния и алюминия) и железа

DOI:10.60797/GEO.2025.2.4.4

Содержание Mg, V и Si встречаются в низких концентрациях, в основном в посткумулусе, за исключением анортозитов Муканды, где они образуют относительно толстую линзу (от 1 до 500 м) ванадоносного титаномагнетита (месторождение Муканда) и высокие концентрации железа, титана, и др

[22]

. В оксидах Fe-Ti концентрация одного из элементов увеличивается, в то время как другого уменьшается в залежах ванадия. Сульфиды также сильно рассеяны в основных кумулятах, за исключением Муканды, где они формируют линзы (пирротин) в верхней части оксидной минерализации и на восточном краю интрузии (Итаба-Фуньянгесо)

[19]

. В габбровых породах иногда встречаются дайки и жилы лампрофира. Эта порфировая микролитовая порода характеризуется обилием мелких красно-коричневых ламелей биотита и присутствием сильно вытянутых моноклинных кристаллов пироксена. Остальная часть матрицы представлена очень тонкозернистым полевошпатовым веществом.

Основными ванадиевыми рудами являются ванадинит (Pb5(VO4)3Cl), патронит (VS4), роскоэлит (K(V, Al,Fe)2(AlSi3O10)(OH)2) и ванадат (V2O5). Ванадий концентрируется в магматических породах, в органически богатых осадочных породах и угольных месторождениях

[23]

.

Рисунок 4 - Химические элементы в месторождениях черных металлов и тяжелых металлов

DOI:10.60797/GEO.2025.2.4.5

При анализе химических элементов отмечаются очень высокие концентрации V и Ni, что связано с процессами образования тяжелых металлов и снижением содержания Cl. Содержание железа очень близко к значениям, приведенным в литературе по базальтам и габбровым породам. Из перечисленных методов для нашей задачи хорошо подходит рентгенофлуоресцентный анализ. Он позволяет быстро определить элементное содержание тяжелых металлов: S, Cl, V, Ni, Cu, Zn, Sr, Zr и т.д.

[20]

.

Результаты исследования показали, что образцы, собранные в Республике Бурунди, содержат микроэлементы и черных металлов (Табл.2). Статистические данные показывают минимальные, максимальные и средние значения содержания микроэлементов: S 0,05095321%,Cl 0,00118179%,V 0,90111287%, Ni 0,0797123424%, Cu 0,01235546%,Zn 0,03921816%, Sr 0,0521715%, Zr 0,07753108%.

Месторождения никеля часто связаны с ультраосновными формациями, а ванадий можно найти в железных рудах и других типах пород. Развитие горнодобывающей промышленности может внести значительный вклад в экономику Бурунди, и ванадий (особенно для технологий возобновляемой энергии) предлагает интересные перспективы

Исследование минерализации месторождений Ni и V в Бурунди требует комплексного подхода с учетом геологических, минералогических, экономических и экологических факторов. Применение современных методов анализа, таких как ЭДС (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) и XRD (X-ray Diffraction), позволяет получить детальную информацию о составе руд и процессах формирования месторождений. Дальнейшие исследования необходимы для более точной оценки потенциала этих ресурсов и разработки стратегий устойчивой добычи, минимизирующих воздействие на окружающую среду.

Рисунок 5 - Ферралит состоящий из никельсодержащего гетита: 

а - при х николях; б - при II николях

DOI:10.60797/GEO.2025.2.4.6

Структура ферралита землистая, часто слоистая, а иногда и зональная. В верхней части ферралит постепенно переходит в куирассе, отмеченное коллоидными гетитовыми структурами и пизолитами гетит-гематитового состава. Если для сапролита характерны более или менее изоволюмические изменения, то ферралит более подвержен разрушению и потере объема, удерживаясь вместе чрезвычайно хрупкими структурами (Рис 4).

Разведка месторождений никеля и ванадия обычно включает геохимические и геофизические исследования, а также бурение и анализ химического элементного окислительного состава. В исследованных образцах обнаружены высокие концентрации V и Ni, что связано с процессами образования тяжелых металлов и снижением содержания Cl. Добыча месторождений элементов черных металлов Ni-V (никеля и ванадия) зависит от типа месторождения и содержания металла. Распространенные методы добычи включают открытую, подземную и выщелачивающую добычу.

Разработка и оценка месторождений черных металлов в Бурунди требует комплексного подхода, сочетающего геологические знания, передовые методы разведки, экологические соображения и стремление к устойчивому развитию. Это потенциально может изменить экономический ландшафт страны при соблюдении экологических стандартов и социальных норм.

Понимание петрографических и геохимических характеристик месторождений никеля и ванадия имеет ключевое значение для их устойчивого освоения. В данной статье подчеркивается важность согласования горных практик с охраной окружающей среды, а также использования передовых методов разведки для максимальной эффективности. При правильном подходе Бурунди может использовать свои минеральные ресурсы для устойчивого экономического роста. Месторождения никеля и ванадия встречаются в различных породах и геологических средах, и их свойства существенно различаются. Важно учитывать потенциальное воздействие добычи этих металлов на окружающую среду и способствовать практике устойчивой эксплуатации.