Базальты ходжирбулакской свиты и оценка их пригодности в качестве базальтового волокна (горы Сурхантау, юго-западные отроги Гиссарского хребта)

Базальты ходжирбулакской свиты расположены в Алтынсайском районе Сурхандарьинской области, в 5-7 км к СЗ от с. Вахшивар. Площадь их развития составляет 9,0-9,5 км2.

Палеозойские вулканические образования Сурхантауских гор юго-западных отрогов Гиссарского хребта изучены и описаны Е.М.Головиным (1941). Их изучением в разные годы занимались И.М. Исамухаммедов и Д.П. Купченко(1964), В.А. Арапов (1971), А.В. Головченко (1985), Т.Ш. Шаякубов (1978) и др.

Впервые специализированные исследования площади развития базальтоидов в качестве камнелитейного сырья осуществлены еще в начале 60-х гг. (Попович и др., 1966), что связано с успешной раз- работкой в то время в СССР подобных технологий (Хамидов, 2011; Ходжаев и др., 2016).

На площади Южно-Сурхантауской вулканотектонической структуры выделен следующий ряд формаций: известково-алевролито-дацит-липаритовая; яшмоид-но-известняково-базальтоидная; конгломерато-песчаниково-алевролитовая; тра-хилипаритовая формация Р 1 ; трахианде-зит-трахибазальтовая. Последние две формации включают базальтоидные породы, которые представляют практический интерес для производства волокна.

В данной работе рассматриваются результаты изучения яшмоидно-известняково-базальтоидной формации, которая образована осадками ходжирбу-

лакской свиты и субвулканическими образованиями, тесно с ней связанными. Она сложена часто переслаивающимися известняками и яшмами, яшмоидами ярко-красными, лиловыми, зелеными.

Эффузивные образования имеют в данной формации подчиненное развитие и представлены лавами миндалекаменных спилитов. Спилиты состоят из подушечных образований разнообразной формы и размеров, сцементированных розовым пелитоморфным тонкополосчатым известняком. Полосчатость обусловлена чередованием тонких полос розового, белого и вишнево-красного цветов. Шары базальтов располагаются в известняке как бы во взвешенном состоянии, не соприкасаясь друг с другом. Видимо, карбонатный материал во время образования базальтов представлял собой иловую массу.

Форма подушек постепенно меняется от эллипсоидальной до шарообразной, хотя встречаются отдельности в виде остроугольных обломков. В отдельных случаях в подушках концентрическая зональность подчеркивается цветными разностями. Центральная часть подушек в момент кристаллизации не соприкасалась с соленой морской водой. Красно-фиолетовокоричневая окраска обусловлена замещением стекловатого базиса лав гематитом и гидроокислами железа или смесью их с хлоритом. Размеры подушек от нескольких сантиметров до 1 м в диаметре.

Текстура спилитов миндалекаменная, структура чаще порфировая, но встречается и афировая. Вкрапленники редкие, составляют 10-15%, представлены псевдоморфозами из карбоната по плагиоклазу и железисто-карбонатными псевдоморфозами по темноцветным минералам.

Субвулканические тела представлены базальтами, долеритами, габбро-долеритами. Эти породы тесно связаны со спилитами эффузивной фации и часто находятся в неясных взаимоотношениях с ними. Так, базальты внешне очень сходны со спилитами и не имеют видимых границ. Четкие рвущие границы установлены лишь для долеритов и габбро-долеритов.

Долериты и габбро-долериты зеленоватосерые до темнозеленовато-серых, базальты вишнево-коричневые. Долериты и габ-бро-долериты образуют преимущественно дайки, а в самих базальтах являются магмоподводящими каналами – некками.

Для всех пород характерна миндалекаменная текстура, в долеритах иногда встречается нечеткая столбчатая отдельность, значительно чаще развита шаровая отдельность. Форма шаров четко округлая, диаметр от нескольких сантиметров до 0,5м.

Многочисленные миндалины округлых и неправильных форм выполнены кальцитом, редко с примесью кварца и хлорита.

Среди субвулканических образований наблюдаются трахиандезиты, редко трахибазальты, которые образуют дайки и значительно реже штокообразные тела. От эффузивов они отличаются только степенью раскристаллизации и отсутствием оливина. Крайне редко встречаются (одиночные выходы) субщелочные габбро-долериты, долериты, которые содержат оливин.

Усредненный химический состав (табл. 1) свидетельствует, что проанализированные пробы были представлены породами основного состава. Порода состоит преимущественно из SiO 2 , Аl 2 O 3 , СаСO 3 (СаO+СO 2 ) – основной составляющей базальтоидов. Поэтому в пробах, содержащих повышенное количество SiO 2 , должно быть относительно пониженное содержание СаО и СO 2 . Это подтверждается результатами анализа проб Ба-102, 106, 202, 204, 208и 306, в которых при высоких содержаниях SiO 2 (45,14; 43,73; 42,32; 43,02, 46,55 и 40,91%) низкие значения СаО (8,69; 10,37; 13,18; 12,34, 6,45 и 12,62 %) и соответственно СО 2 (3,74; 4,4; 6,6, 4,84, 3,08 и 6,71%) (рис.1).

Микроскопическим изучением базальтов (В.Ф. Проценко, 2016) установлено, что по петрографическому составу выделяются три группы базальтов: 1) со стекловатой массой 45-60% и миндалинами

Таблица 1. Химический состав базальтоидов ходжирбулакской свиты

Компоненты	Ба-102	Ба-106	Ба-202	Ба-204	Ба-208	Ба-306	Ср.
SiO 2	45,14	43,73	42,32	43,02	46,55	40,91	43,61
Fe 2 O 3	5,03	5,04	4,62	5,49	6,32	5,08	5,26
FeO	2,88	3,2	3,74	1,91	2,86	2,52	2,85
TiO 2	1,19	1,15	1,04	1,08	1,08	0,95	1,08
MnO	0,15	0,15	0,14	0,14	0,12	0,13	0,14
Al 2 O 3	17,95	16,61	15,94	16,61	15,27	15,6	16,33
CaO	8,69	10,37	13,18	12,34	6,45	12,62	10,61
MgO	7,06	7,06	5,44	5,64	7,46	7,66	6,72
Na 2 O	3,80	3,90	3,60	3,90	4,80	2,60	3,77
K 2 O	0,70	0,72	0,76	0,66	0,78	0,88	0,75
P 2 O 5	0,18	0,16	0,15	0,16	0,1	0,1	0,14
S общ	0,03	0,34	0,34	0,08	0,04	0,08	0,15
ППП	8,16	7,94	9,18	9,44	7,7	10,58	8,83
CO 2	3,74	4,4	6,6	4,84	3,08	6,71	4,9
SO 3	<0,1	<0,1	0,16	<0,1	0,12	<0,1	0,11
H 2 O	0,7	0,62	0,9	0,96	0,88	1,36	0,9
Мк	4,01	3,46	3,13	3,32	4,44	2,79	3,52

Рис. 1. Характер взаимоотношения основных химических компонентов в базальтоидах ход-жирбулакской свиты

Рис. 2. БА-104. Базальт миндалекаменный с буро-коричневой основной массой. Слева один николь, справа два кальцита 40-45%, 2) со стекловатой массой 60-70% и миндалинами кальцита 3035%, 3) со стекловатой массой 70-85% и миндалинами кальцита 25-30%. Базальты первой группы (обр. № 104, 105, 207, 303) отличаются гиалопилитовой структурой с неравномерным распределением таблиц и лейст плагиоклаза. Текстура миндалевидная с продуктивными сростками миндалин («крылатая лошадка» на микрофотографии, шл. БА-104) сферолитового и мелкозернистого гранобластово-го кальцита.

Вокруг миндалин отчетливо выраженная совершенно непрозрачная оболочка закаливания базальтового стекла, лишенная микролитов плагиоклаза, несмотря на то, что в базисной части микролиты иногда достигают 60% объема гиалопилито-вой основной массы. Некоторые почковидные сложно построенные миндалины кальцита (почковидные сростки нескольких округлых) достигают 10 мм по длине. Наряду со среднезернистым кальцитом в их строении принимают участие и мелкие сферолитовые образования.

Основная часть базальта отличается буровато-коричневой совершенно непрозрачной стекловатой массой, пятнисто неравномерно насыщенной микролитами плагиоклаза (от редко рассеянных в зонах закала вокруг некоторых миндалин) (шл. № БА-105).

Рис. 3. БА-105. Базальт миндалекаменный с коричневой гиалопилитовой стекловатой основной массой. Слева один николь, справа два

Многие округлые миндалины с поперечником от 0,3 до 1,5 мм выполнены сферолитами кальцита, а уплотненные миндалины часто заполнены мелкозернистым гранобластовым кальцитовым агрегатом. Нередко фиксируется карбонатиза-ция стекловатой основной массы базальта в участках наиболее плотного расположения миндалин. В этих микроблоках нацело карбонатом замещены и лейсто-таблицы плагиоклаза. Последние имеют достаточно резко отличающиеся размеры, что создает впечатление о порфировидно-сти гиалопилитового базиса породы. Большинство крупных лейст и таблиц плагиоклаза почти полностью замещены кальцитом.

Базальты второй группы (шл. № 107, 202, 204, 205, 206, 208) с гиалопилитовым стекловатым базисом 60-70%, миндалинами кальцита 30-35% характеризуются порфировидной структурой и миндалекаменной текстурой. Порфировые выделения плагиоклаза составляют 25-30% площади шлифа, миндалины опала с халцедоном - 1-2%, псевдоморфозы кварца с хлоритом по кристалло-порфировым выделениям пироксена - 0,3-0,5%, окислы железа по магнетиту - 0,2-0,3%, лимонитовый пигмент - 3-5%.

Зерна плагиоклаза резко неодинаковых размеров, что создает впечатление о породе как о густопорфировой (шл. БА-205). Большое количество мелких миндалин, основная часть которых выполнена веерно-лучистым или мозаично-зернистым кальцитом.

Рис. 4. БА-205.Базальт миндалекаменный краснокаменно изменённый. Гиалопилитовый стекловатый базис - 65-70 %, порфировидные таблицы плагиоклаза - 10-15 %, миндалины кальцита - 3-5, миндалины халцедона и кварца - 2-3, псевдоморфозы кварца с хлоритом по кристалло-порфировым выделениям пироксена - 0,3-0,5. Слева один николь, справа два

Другая часть подобных по размерам и формам миндалин выполнена мозаичнозернистым халцедоном, сохранившим характерное для них погасание в виде перебегающего темного креста при вращении столика микроскопа с включенным анализатором. Рядом присутствует миндалина с кальцитом в центральной зоне и халцедоном в виде каймы вокруг нее. Более редки миндалины опаловые с оторочками халцедона (рис. 4).

Многие из выделений плагиоклаза выглядят как порфировые (шл. № БА-204). Небольшое число миндалин (иногда при- чудливых форм) выполнены кальцитом, несколько бóльшее количество неправильных миндалин до 1,5 мм в длину выполнены тончайшей смесью опала и халцедона. Для базальтов характерна частая пигментация микрокрупинками гидрогетита (краснокаменное изменение наземных базальтов).

В шлифе № БА-204 (рис. 5) черное квадратное зерно в центре представляет собой полную псевдоморфозу гётита по магнетиту. Характерны черные, почти без лейст плагиоклаза каёмки структур закаливания стекла вокруг миндалин (рис. 6).

Рис. 6. Базисная гиалопилитовая стекловатая масса 60-65%, порфировидные выделения плагиоклаза 15-20 %, миндалины кальцита 7-10 %, миндалины опала с халцедоном 1-2 %, окислы железа по магнетиту 0,2-0,3 %, лимонитовый пигмент 3-5 %. Слева один николь, справа два

Рис. 5. БА-204. Базальт порфировидный миндалекаменный краснокаменно-изменённый. Слева один николь, справа два

В шлифе № БА-206 (рис. 7) частые округлые минералы кальцита достигают 5-6 мм и выполнены то веерно-лучистым монозерном, то многочисленной группой более мелких таких же образований. Базисная основа породы представлена гиа-лопилитовой стекловатой массой с пятнисто-неравномерным распределением микролитов плагиоклаза и относительно чи-

Рис. 7. БА206.Базальт миндалекаменный краснокаменно изменённый. Слева один николь, справа два

стыми псевдоморфозами железистого карбоната по кристаллопорфировым выделениям пироксена, пронизанными микролейстами плагиоклаза (бурое зерно в шлифе). Порода интенсивно пигментирована гидроокислами железа при краснокаменном изменении, придающими ей лилово-бурую окраску.

Рис. 8. Гиалопилитовый стекловатый базис 60-65 %, миндалины кальцита 30-35 %, псевдоморфозы железистого карбоната по порфировым выделениям пироксена 1-2 %, гидроокислы железа (пигментно всей массе породы). Слева один николь, справа два

Рис. 9. БА-202. Базальт редкопорфировый миндалекаменный. Слева один николь, справа два николя

В шлифе № БА-202 (рис. 9) на фоне лейкократовой гиалопилитовой основной массы рассредоточены семь порфировых выделений (бывшего) пироксена до 1,25 мм, нацело замещённых железистым карбонатом (бурый кристалл в центре шлифа). Миндалины кальцита, как правило, не крупнее 0,5 мм. Базальт, в том числе и карбонатизированный кристалл пироксена, пересечен тончайшими (волосовидны- ми) прожилками кальцита.Некоторые миндалины кальцита отличаются сильным удлинением (до 25 мм в длину при толщине в 1-3 мм). Сложены они часто крупнозернистым кальцитом с отчетливым полисинтетическим двойникованием вдоль удлинения миндалины (рис. 10). Многие округлые и линзовидные мелкие миндалины содержат зерна кварца или оторочены с одной из сторон.

Рис. 10. БА-208. Базальт миндалекаменный до 25 мм в длину. Слева один николь, справа два

с резко удлинёнными миндалинами кальцита

Базальты третьей группы (шлифы 101, 102, 106, 203, 304, 305) с гиалопили-товой стекловатой базой в 70-85% и миндалинами кальцита (15-30%) отличаются порфировой структурой и миндалекаменной текстурой с хаотическим распределением округлых и неправильных миндалин, выполненных кальцитом.

Базальты в шлифе БА-203 отличаются наличием относительно крупных таблитчатых выделений плагиоклаза, придающих основной массе порфировый облик (рис. 11). Многие из относительно крупных зерен плагиоклаза интенсивно сери-цитизированы, тогда как мелкие этим процессом не затронуты. Большое число миндалин выполнено мозаично- зернистым буроватым (железосодержащим) доломитом с кальцитом в центральной части. Базальтовая порода пересечена тонкими прожилками мелкозернистого кальцита. Около них все мелкие и крупные миндалины доломита замещены кальцитом. Значительно реже базальты отличаются наличием особо крупных (до 10 см в длину) округло-линзоватых миндалин перисто-гранобластового кальцита, частично или полностью оконтуренных зонами закаливания стекла, резко обедненными лейстами плагиоклаза (шл. № БА-107, м-фото 1), тогда как на удалении от миндалин стекловатая масса густо насыщена ими.

Рис. 11. БА-203. Базальт миндалекаменный с прожилками кальцита. Слева один николь, справа два

Чаще всего в структуре основной непрозрачной черной стекловатой массы выделяются микролиты плагиоклаза двух разновидностей: тонкие до игловидных и чешуйчатых с длиной от 0,005 до 0,3 мм и таблитчатые толщиной до 0,1 мм с длиной до 0,5 мм. Многие из наиболее крупных таблиц плагиоклаза нацело замещены микрозернистым гранобластовым кальцитом. В шлифе БА-101 всего два порфировых выделения (бывшего) пироксена с микропойкилитовой внутренней структурой, частично замещенных железистым карбонатом.

Общей чертой для всех описанных шлифов является обратная связь между содержаниями основной массы и содержанием кальцита: чем больше основной массы вулканитов, тем меньше кальцита, и наоборот. Аналогичная связь фиксиру- ется в химическом составе кислых эффу-зивов: с ростом содержания SiO2 и Al2O3 уменьшается количество СаО и, наоборот, чем больше СаО, тем меньше SiO2 и Al2O3.

Предварительными критериями пригодности пород для получения волокна могут служить их химический и минерально-петрографический состав, текстурно-структурные особенности, вторичные изменения, степень выветрелости, а также физико-химические свойства расплавов, к которым относятся плавкость, вязкость и ее температурная зависимость, химическая однородность и особенности кристаллизации.

Одним из основных показателей пригодности базальтового волокна является модуль кислотности: (SiO2+Al2O3)/ (CaO+MgO). Причем, чем выше модуль кислотности, тем более устойчиво волокно к воздействию воды и влаги и, следовательно, тем более долговечно. Однако возрастание модуля кислотности за счет увеличения SiO2+Al2O3 приводит к повышению температуры плавления, повышению вязкости расплава и понижению производительности выплавки конечного продукта. Опытным путем установлено, что модуль кислотности должен составлять не менее 1,5-1,8, а для базальтовых однокомпонентных шихт может подниматься до 4,0, а иногда до 5,5-7,0 (Перевозчиков, 2009; Хакбердиев, Хамидов, 2016). Химический состав исследуемых горных пород, определенный методом силикатного анализа в лаборатории ФХМИ ГП «НИИМР», приведен в табл. 2.

Таблица 2. Сопоставительный анализ химического состава сырья с требованиями промышленности

Окислы	1	2	3	4	5
SiO 2	43,0-51,0/47,0	46,0-52,0/49,0	47,5-52,5/50,0	52,0-54,5/53,25	43,61
Al 2 O 3	10,0-17,0/13,5	13,0-18,0/15,5	14,0-18,0/16,0	14,0-16,3/15,15	16,33
FeО	10,0-18,0/14,0	8,0-15,0/11,5	7,0-13,5/10,25	4,5-5,5/5,0	5,26
Fe 2 O 3				3,5-4,5/4,0	2,85
CaO	8,0-13,0/10,5	6,5-11,0/8,75	8,0-11,0/9,5	8,0-9,0/8,5	10,61
MgO	4,0-12,0/8,0	3,5-10,0/6,75	3,5-8,5/6,0	6,5-7,5/7,0	6,72
K 2 O	2,0-5,0/3,5	2,0-6,0/4,0	2,5-6,0/4,25	0,7-1,6/1,65	0,75
Na 2 O				3,0-3,5/3,25	3,77
TiO 2	0,2-1,6/0,9	0,2-1,6/0,9	0,2-2,0/1,1	1,3-1,6/1,45	1,08
MnO	0,40	0,5	0,2	Не регламентируется	0,14
SO 3	1,0	0,5	0,2		0,11
п.п.п.	5,0	5,0	4,0		8,83
Мк	4,42-2,72/3,27	5,9-3,33/4,16	5,35-3,62/4,25	4,55-4,29/4,41	3,52

Примечание: 1 – РСТ УССР 5020-80; 2 - ТУ 21 УССР 410-86; 3 –ТУ 21 ГССР 137-84; 4 - ТУ компании SATBIC (КНР); 5 –Бадава (усредненный).

Для предварительной оценки сырья на пригодность получения базальтового волокна определен модуль кислотности – 3,52, лучший для получения базальтового волокна различного назначения. В опубликованной литературе для производства базальтового непрерывного волокна модули кислотности рекомендуются на уровне 4,77-6,82, а разработчики месторождений Берестовское (Украина) и Барнеульское (Грузия) предлагают модули кислотности соответственно 4,0 (3,24,9) и 4,3 (3,6-5,4). Помимо этого, химический состав этих месторождений многими геологами принят как эталонный. Магматические породы, близкие к эталонным базальтам по составу и модулю кислотности, могут быть использованы в качестве сырья для производства базальтового волокна как в виде однокомпонентных шихт, так и с добавками карбонатных пород (Перевозчиков, 2009).

Из табл. 2 видно, что базальтоиды ходжирбулакской свиты по всем компонентам соответствуют требованиям РСТ УССР 5020-80 в качестве сырья из горных пород для производства штапельного волокна, ТУ 21 УССР 410-86 в качестве сырья из горных пород для производства штапельного супертонкого волокна и ТУ 21 ГССР 137-84 как сырье из горных пород для производства непрерывного волокна (за исключением содержания SiO 2 ).

Работа выполнена по гранту ЁА-13-006 при поддержке Координационного комитета по развитию науки и технологии при кабинете министров Республики Узбекистан.