Геология неметаллов

 

Сера в кепроках соляных куполов. Добыча серы фраш-процессом

 

 

Общая характеристика соляных куполов приводилась в разделе, посвященном каменной соли (стр. 318). Сейчас более подробно будут описаны" породы своеобразной шапки, венчающей соляной купол, — кепрока, образованного породами, залегающими между соляным штоком и вышележащими рыхлыми осадочными породами. Мощность кепрока колеблется от нескольких футов до 1000 и более футов. Общая площадь и форма кепрока соответствуют размерам соляного штока. Добыча серы из пород кепрока (Feely, Kulp, 1957; Taylor, 1938) экономически выгодна только в тех случаях, когда глубина залегания продуктивного горизонта не превышает 2500 футов от поверхности.

 

Породы кепрока представлены преимущественно серым зернистым ангидридом, причем иногда это единственный породообразующий минерал. Обычно в породах кепрока наблюдается не очень четкая зональность ( 10.12). Непосредственно выше соли залегает слой ангидрита, подошва которого относительно ровная и сечет направление структурной полосчатости соляного штока. Вверх ангидрит постепенно переходит в трещиноватую и раздробленную «переходную зону», в которой ангидрит частично замещен гипсом и кальцитом. Количество кальцита увеличивается в верхних частях зоны, и верхний слой кепрока представлен кавернозными брекчированными известняками. Известняки слагают непрерывный слой или образуют серию не связанных друг с другом линз. Обычно это серые тонкокристаллические карбонатные породы с многочисленными пустотами, трещинами и полостями, которые часто выполнены кристаллическим кальцитом.

 

Сера приурочена главным образом к «переходной зоне» и к нижней части брекчированных известняков. Она образует зернистые массы, которые замещают в переходной зоне гипс и кальцит, а также слагает агрегаты, состоящие из хорошо образованных кристаллов, сопровождающие в трещиноватых известняках кальцит.

 

Только отдельные купола содержат серу в промышленных количествах. На продуктивных куполах мощность серусодер- жащей зоны колеблется от 25 до 300 футов и более, и в среднем, очевидно, составляет около 100 футов. Содержание серы здесь может достигать 15—25%. Содержание серы и ее количество в кепроке соляного купола не зависит от его размеров. Это хорошо видно по цифрам фактической добычи на полностью отработанных месторождениях. Купол Салфер в йгга- те Луизиана, имевший кепрок площадью 75 акров, дал 9 млн. длинных тонн серы, а купол Палангана в штате Техас, с ке- проком площадью 1800 акров, дал только 237 тыс. т серы.

 

Практически кепроки всех куполов содержат воду с высоким содержанием сероводорода, полисульфидов, хлористого натрия и других солей. Обычно с соляными сероносными куполами связаны нефть и газ, залежи которых приурочены к кепроку или к его краевым частям.

 

На основании данных, полученных геологами в течение многолетней разведки этих месторождений и обширных собственных лабораторных исследований, Фили и Калп (Feely, Kulp, 1957, стр. 1846—1851) считают, что образование типичных сероносных соляных куполов района Мексиканского залива вызвано следующей последовательностью геологических явлений. Внедрение соляных штоков начинается из соляных пластов, залегающих на глубинах, превышающих 30 тыс. футов. Когда верхушка соляного штока достигает зоны циркуляции грунтовых вод, примерно на глубине 10 тыс. футов от поверхности, происходит постепенный вынос растворимых солей и накопление шапки нерастворимого остатка ангидрита на верхушке поднимающегося купола. Мощность этой шапки на любой стадии развития купола зависит от скорости вертикального движения соли, скорости циркуляции воды через нее и от содержания ангидрита в соляной массе.

 

Наконец, кепрок достигает глубины 5 тыс. футов от поверхности. В это время температура пород кепро- ка составляет 55—60°, в них накапливается нефть и создаются условия для деятельности сульфатредуцирующих бактерий. За счет энергии углеводородов нефти эти бактерии разлагают ангидрид, выделяя С02 и сероводород.

 

Углекислота связывается в кальцит, что приводит к росту известняковой части кепрока. В верхней части кепрока кальцит замещает ангидрит; в верхней части зоны развития кальцита формируется переходная зона. Благодаря непрерывному поднятию соляного купола большая часть сероводорода вытесняется по трещинам в известняки и перекрывающие соль отложения.

 

К тому времени, когда соль выжимается до глубины 500—1500 футов от поверхности, кепрок приобретает грубую зональность и становится относительно стабильным. Резко выраженная куполовидность перекрывающих осадочных слоев, отложение кальцита и пирита в кепроке и перекрывающих породах ведет к закрытию трещин, по которым из кепрока мог бы удаляться сероводород. Накопившийся в образовавшейся ловушке сероводородный газ постепенно окисляется. Процесс, при помощи которого происходит окисленне сероводорода, еще точно не известен. Фили и Калп считают, что сероводород, являющийся продуктом восстановления сульфата, может быть окислен при реакции с более сульфатным ионом до элементарной серы. Количество присутствующей в кепроке соляного штока серы в любой отрезок геологического времени зависит от того, как долго соль находилась в состоянии покоя, степени непроницаемости перекрывающих пород и количества нефти, попавшей в кепрок.

 

На многих куполах, на которых когда-либо создавались условия, благоприятные для образования серных месторождений, в дальнейшем кепрок был приподнят последующими вертикальными движениями соли, что привело к трещино- ватости перекрывающих отложений и удалению сероводорода и большей части серы в виде полисульфидов. При внедрении насыщенных кислородом вод сера из месторождения будет исчезать в результате окисления и растворения. Таким образом, Фили и Калп пришли к выводу, что самородная сера в истории соляных куполов представляет собой мимолетный материал, который может образоваться, исчезнуть и появиться вновь в процессе развития купола. Количество серы, которое может быть обнаружено в данном соляном куполе, зависит от той стадии развития, в которой купол находится в настоящее время. Таким образом, даже если в процессе своего геологического развития в прошлом соляной купол выходил на некоторое время на поверхность, нет никаких оснований не считать его потенциально сероносным. Хотя вся имевшаяся в куполе в то время сера была при выходе соляного купола на поверхность разрушена, после перекрытия купола более молодыми осадками в нем могла сформироваться новая серная залежь.

 

Изложенные выше представления основываются на данных изучения изотопного состава серных руд. Эти исследования заключаются в измерении и сравнении содержаний изотопов серы S32 и S34 и изотопов углерода С12 и С1®. Было установлено, что сероводород кепрока имеет, более высокое отношение изотопов серы S32/S34, чем сульфат или ангидрит. Сульфатредуцирующие бактерии выделяют сероводород именно с таким более высоким отношением изотопов серы. Следовательно, сероводород образовался в результате жизнедеятельности бактерий. Более того, было обнаружено, что кальцит из известняков кепрока имеет более высокое отношение изотопов С12/С13, чем обычйый осадочный известняк, причем такое отношение изотопов углерода очень близко совпадает с изотропным составом углерода нефти. Следовательно, кальцит кепрока образовался в результате осаждения карбоната в процессе бактериального окисления нефти, что является дополнительным доказательством биогенного происхождения серы. «Установление бактериального происхождения месторождений самородной серы района Мексиканского залива представляет собой триумф изотопной геологии» (АиЦ, 1959, стр. 250-251).

 

Из 220 соляных куполов, известных в районе Мексиканского залива, промышленная сероносность установлена на 25 куполах. Пять из этих серных месторождений было полностью отработано, причем из них получено почти 27 млн. т серы. В конце 50-х годов в США разрабатывалось 14 месторождений самородной серы и подготавливалось к эксплуатации по крайней мере 5. Большинство продуктивных серо- носных куполов располагается ниже уровня плоской прибрежной равнины, которая отстоит от береговой линии в сторону суши на расстояние от нескольких миль до максимум 50 миль. Имеются месторождения, расположенные ниже уровня затопляемых в прилив болот дельты Миссисипи, и по крайней мере одно из таких месторождений лежит в море на расстоянии 6 миль от побережья штата Луизиана под 45:фу- товой толщей морских вод. Это месторождение, называемое куполом Гранд-Айл 18, осваивается с 1958 г. и должно было вступить в эксплуатацию в 1960 г. Запасы серы на нем оцениваются в 30 млн. т.

 

При добыче серы фраш-процессом вода, нагретая до 163°, нагнетается в сероносные породы кепрока через скважины, пробуренные роторным методом. Горячая вода из скважин, проходя через породы, отдает им свое тепло. Когда температура их достигнет 100°, сера начинает выплавляться из породы. Так как удельный вес серы почти вдвое больше, чем у воды, выплавленная сера скапливается в нижней части скважины. Затем сера извлекается на поверхность по обсадной трубе, внутри которой находится колонна для нагнетания в скважину воды. Эрлифт создается сжатым воздухом; воздух подается" через, тонкую трубу, вставленную в обсадную колонну, по которой поднимается сера. На поверхность из скважины поступает черная жидкость, содержащая 99,5% самородной расплавленной серы. Далее расплавленная сера направляется в бункеры, где она остывает и затвердевает. После остывания получаются крупные монолитные блоки ярко-желтой серы высотой 30 футов и длиной в несколько сот футов. Эти блоки затем измельчаются и сера отправляется потребителям.

 

Основной проблемой в организации добычи серы фраш- процессом является достаточное бесперебойное снабжение скважин водой, потребление которой крупным предприятием достигает 100 млн. галлонов в день. Перед нагнетанием в скважины вода обрабатывается специальными реагентами для уменьшения коррозии металла и предотвращения образования накипи. Вода забирается из рек или специально сооруженных водохранилищ. В 1951 г. был разработан процесс с использованием соленой воды, но этот процесс дорогой и применяется только на месторождениях, расположенных в затопляемых морским приливом прибрежных болотах, где невозможно получить достаточное количество пресной воды. Для нагревания воды в котлах высокого давления используется дешевый природный газ.

 

Так как при добыче серы методом Фраша рядом с соляным куполом необходимо построить крупный дорогостоящий завод для обеспечения процесса, при принятии решения об освоении нового месторождения учитывается физическая реальность сооружения такого завода. Ланди (Lundy, 1934) и Хайнес (Haynes, 1942) приводят интересные иллюстрированные проекты освоения месторождения Гранд-Экайлл ( 10.12), которое расположено ниже труднопроходимых болотных отложений дельты реки Миссисипи. Бартлетт и др. (Bartlett et al., 1952) описал процесс разработки на нескольких серных месторождениях, расположенных в луизианских маршах. Чтобы подготовить к эксплуатации серное месторождение Гранд-Айл, расположенное в открытом море, был сооружен стальной остров, на котором разместился завод для нагревания воды, а также другое оборудование и жилые помещения на 250 человек.

 

Большинство соляных куполов в районе Мексиканского залива обнаружено геофизической разведкой на нефть. Размеры купола, глубина залегания и конфигурация кепрока уточняются детальными гравиметрическими исследованиями. Сероносность купола может быть обнаружена только бурением. Применение алмазных буровых колонок обеспечивает полный выход керна и относительно точную оценку содержания серы. Промышленность никогда не была щедрой на сообщения о запасах, и положение остается здесь неясным. Однако запасы на ближайшее будущее кажутся вполне достаточными.

Другие месторождения

 

На юге центральной части острова . Сицилия в нижней части миоценовой гипсовой формации встречаются слои и линзы сероносных известняков. Гипсы подстилаются диатомовыми землями (трепелами) и перекрываются глинами или известняками. Эти отложения выполняют небольшие, от 1 до 5 миль длиной, бассейны, не связанные друг с другом.

 

Осадочные породы таких бассейнов несколько нарушены сбросами и смяты в пологие складки. Максимальная мощность сероносных известняков составляет 90 футов, а в среднем их мощность обычно не превышает 10—12 футов. Серо- носные слои отделены друг от друга тонкими не содержащими серы слоями битуминозных сланцев. Сера образует полосчатые или вкрапленные руды в пористых известняках коричневого и серого цвета. Содержание, серы в рудах колеблется от 12 до 50%. На большей части месторождений добыча производится подземными работами. Подобные месторождения серы имеются и на прилегающей к Сицилии части Италии, но они к настоящему времени no4tH полностью выработаны. Хант (Hunt, 1915) считает, что генезис этих серных месторождений можно объяснить следующим образом. В результате жизнедеятельности анаэробных бактерий в замкнутых лагунных бассейнах происходило восстановление сульфатов кальция с образованием сероводорода, после окисления которого происходило осаждение самородной серы.

 

Осадочные месторождения самородной серы СССР описаны П. М. Мурзаевым (Murzaiev, 1937). Их генезис, вероятно, аналогичен генезису месторождений Сицилии. По Алфельду (Ahlfeld, 1937), исходным материалом осадочных месторождений серы являются «лагунные битуминозные известняки, доломиты или мергели, образовавшиеся в условиях жаркого сухого климата». Выделяемый бактериями сероводород накапливается в известняках, затем поднятия и эрозия приводят сероводородсодержащие пласты в соприкосновение с насыщенными кислородом водами, которые окисляют сероводород до самородной серы.

 

Огромное количество проявлений элементарной серы известно в верхних частях склонов вулканических конусов, протягивающихся вдоль западной Кордильеры Анд на расстояние свыше I тыс. миль. Эти месторождения очень труднодоступны, так как разница в высотных отметках достигает 18 тыс. футов на коротких расстояниях. Несмотря на то что здесь известно свыше 100 месторождений, причем запасы высокосортных руд (Lundy, 1950) на некоторых из них достигают многих миллионов тонн, эти месторождения в настоящее время могут рассматриваться только в качестве потенциального источника серы. Серные месторождения Чили описаны Рудольфом (Rudolph, 1952) в хорошо иллюстрированной статье. Вулканические потенциально промышленные месторождения серы известны также на цепи вулканов, протягивающейся через главные острова Японии. Здесь имеется по меньшей мере 40 месторождений. Вулканическая сера, по Ланди (Lundy, 1950), образовалась в результате прямой конденсации серных паров, возникших при реакции между сероводородом и S02 или в результате окисления сероводорода атмосферным воздухом.

 

Небольшие месторождения самородной серы в штатах области Скалистых гор описаны Уайдменом (Wideman, 1957). Большая часть этих месторождений фумарольного происхождения. Серусодержащие туфы добывались на речке Ков- Крик в округах Бивер и Миллард в штате Юта, примерно в 150 милях южнее Солт-Лейк-Сити. Сера здесь выполняет полости Б брекчированных туфах. Местами самородная сера образует цилиндрические ядра размерами в поперечнике 10—15 футов, которые, по-видимому, представляют собой вулканические жилы. Почти все месторождения самородной серы Калифорнии (Lydon, 1957) также связаны с вулканическими породами. На месторождении Левиатан в округе Алпайн, например, расположенном почти у границы со штатом Невада, скопления и жилы серы залегают в серых измененных андезитах. Эти породы содержат около 28% серы. Здесь она используется для получения серной кислоты, которая идет на выщелачивание низкосортных медных руд на заводе в Йерингтон в штате Невада. Другое более или менее значительное серное месторождение в Калифорнии расположено в Ласт-Чанс-Рейндж в графстве Инио; здесь сера образует илы и массивные скопления в третичных риолитах

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Au It W. U. (1959). Isotopic fractionation of sulfur In £eochemical processes, Researches in Geochemistry, New York, Wiley, 241—259.

Banfield A. F. (1954). Volcanic deposits of elemental sulfur, Can. Min. and Met. Bull., 47, № 511, 769—775.

Bart let t Z. W„ Lee С. O., Feier abend R. H. (1952). Development and operation of sulphur deposits in the Louisiana marshes, paper presented at annual meeting of Amer. Inst. Min. Met. Eng., New York, Feb. 18-21, 1952.

Espen shade G. H., Broedel С. H. (1952). Annotated bibliography and index map of sulfur and pyrites deposits in the United States and Alaska, U. S. Geol. Survey Circ., 157.

Feel у H. W., Kulp J. L. (1957). Origin of Gulf Coast salt-dome sulfur deposits, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol., 41, 1802—1853.

Forbath T. P. (1953). Sulphur recovery from low-grade surface -deposits, Amer. Inst. Min. Met. Eng. Trans., 196, 881—885.

Goldman M. I. (1952). DeFormation, metamorphism, and mineralization in gypsum-anhydrite cap rock, Sulphur salt dome, Louisiana, Geol. Soc. Amer. Memoir, 50.

Haynes W. (1942). The Stone That Bums, New York, Van Nostrand.

Haynes W. (1957). Jungle brimstone, Sci. Montly, 84, 128—134.

Hunt W. F. (1915). The origin of the sulphur deposits of Sicily, Econ. Geology, 10, 543—579.

Industrial and Engineering Chemistry (1950). Sulfur symposium, Ind. and Eng. Chem., 42, 2186—2302.

Jones G. E. et a I. (1956). Biological origin of native sulfur in salt domes of Texas and Louisiana, Science, 123, № 3208, 1124.

Lundy W. T. (1934). The development of the Grand Ecaille salt dome, Amer. Inst. Min. Met. Eng. Trans., 109, 354—369.

Lundy W. T. (1950). Known and potential sulfur resources of the world, Ind. and Eng. Chem., 42, 2199—2201.

Lydon P. A. (1957). Sulfur and sulfuric acid, Calif. Div. Mines Bull., 176, 613—622.

Lynton E. D. (1938). Sulphur deposits of Inyo County, California, Calif. Jour. Mines and Geology, 34, 563—590.

Rudolph W. E. (1952). Sulphur in Chile, Geographical Review, 42, 562-590.

Shearon W. H., Jr., Poll and J. H. (1950). Modern sulfur mining, Ind. and Eng. Chem., 42, 2188—2198.

Swager W. L„ Sullivan J. D. (1951). Sulphur, Min. Eng., 3, 403—409.

Taylor R. E. (1938). Origin of the cap rock of Louisiana salt domes, La. Geol. Survey Bull., 11.

Wideman F. L. (1957). A reconnaissance of sulfur resources in Wyoming, Colorado, Utah, New Mexico, and Arizona, U. S. Bur. Mines Inf. Circ., 7770.

 

 

 

 Смотрите также:

 

СЕРА. содержание серы в растениях, серные удобрения

СЕРА. Хотя содержание серы в травах может колебаться в пределах 0,02-2,11% ( 2), в среднем ее содержится 0,20- 0,45%, Злаковые и бобовые содержат примерно одинаковое количество серы (211, 58).
Серой с уксусом и содой обмывают тело от зуда. Сопутствующие процессы.

 

Неметаллическое сырье. Сера, фосфор, азот, кислород, хлор.

К рентабельной можно отнести добычу и переработку гипса (CaSO4 · 2Н2О), ангидрита (CaSO4) и кизерита (MgSO4·H20). В перспективе баланс серы будет сохранен в результате переработки отходящих газов сернистых производств, количество серы в которых существенно...

 

Месторождения нерудных полезных ископаемых. Фосфориты...

Значительные запасы серы и самородной серы расположены в Самарской области, а также на Северном Кавказе (Республика Дагестан) и на Дальнем Востоке (Хабаровский край). Основным районом залежей и добычи серного колчедана является Урал.

 

Химический элемент сера, где используют серу

Весь процесс плавки длится около двух часов.
Вез нее трудно получить азотную, соляную и уксусную кислоты; и понятно, что в истории промышленного развития с начала XIX в. сера играет огромную роль.