Как золото перемещается по руслу рек. Золотые самородки в углублениях плотика

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:

Что такое золотая россыпь. Элювиальные и делювиальные...

Аллювиальные россыпи

Дражный способ разработки золотоносных песков. Как работает...

Россыпь

Что такое плотик – скальное основание золотой россыпи.

Добыча золота. Землесосы и гидроэлеваторы для разработки...

Возникает вопрос: почему же тяжелые минералы, будучи в механической смеси с рыхлым материалом речных долин, при размыве последних могут перемещаться только по вертикали или наклонно в ту или иную сторону в поперечном направлении долины?

В гидродинамике, которая рассматривает движение твердых тел в речном потоке, есть исчерпывающий ответ на этот вопрос. Остановимся на трех ее положениях.

1. Принято считать, что любой сыпучий материал, плотность которого больше плотности воды, при достижении соответствующих скоростей потока подвергается переносу. Но в природе очень часто создаются условия, когда сыпучий материал при любой скорости потока не подвергается переносу. Поэтому важно знать, при каких условиях перенос рыхлого материала возможен, а при каких нет.

Особенности форм строения коренного дна долин и заполняющего их рыхлого материала столь разнообразны, что найти между ними какую-либо математическую зависимость, позволяющую понять различие этих условий, невозможно. Но если формы их строения упростить, т. е. привести к геометрически учитываемым видам, то тогда задача может быть решена.

Предположим, что верхний горизонт коренного дна () сложен из отдельностей, имеющих форму карандаша. Торцы отдельностей закруглены одинаковым радиусом кривизны. Тогда поверхность дна будет представлять собой как бы слой накатанных шаров одинакового диаметра. Поместим на эту поверхность шар А (см. 1) произвольного размера. Поскольку шар будет находиться в одном из углублений, то его тело будет делиться линией горизонта выступов (на 1 N—N) дна на две неодинаковые части. Аналитически установлено и опытом проверено (Лященко, 1940; Мацуев, 1958), что горизонтальное действие струи потока в это?л случае распространяется не на всю площадь поперечного сечения шара, а лишь на ту ее часть, которая находится выше линии горизонта. Если отношение площади верхней части этого шара ко всей его площади обозначить через S, а отношение диаметра выступов дна к диаметру шара А через п, то степень воздействия потока на шар будет выражаться функциональной зависимостью

S=-i-(l-/7+ 1/1+2п ).

1. Геометрическая схема условий перемещаемости одиночного тела на шероховатой поверхности под воздействием водного потока

Анализ формулы (вывод которой из-за громоздкости не приводится) показывает, что величина S будет положительной (т. е. сила потока вообще сможет воздействовать на поверхность шара) лишь в том случае, если а больше 4. Если же п = 4 или меньше, т. е. когда диаметр шара А в 4 раза меньше диаметра закруглений выступов дна, то 5 = 0. Это означает, «что зерна, размер которых в 4 раза меньше размера зерен постели, будут находиться вне действия горизонтальной струи потока..., передвигаться не будут и останутся между зернами постели» (Мацуев, 1958, стр.81).

Если в какое-либо из углублений поместить шар диаметром в 4 раза меньше, чем диаметр закруглений выступов (на 1 шар В), то последний будет находиться ниже линии горизонта выступов. Но шар В не полностью займет углубление между закруглениями выступов. Вокруг него останется некоторое пространство, где может поместиться несколько шаров, но уже в 4 раза меньших размеров, чем шар В. В свою очередь между ними поместятся еще несколько шаров в 4 раза меньших размеров, чем эти шары, и так вплоть до частиц пылеобразных размеров.

Таким образом, формула показывает, что при воздействии водного потока шероховатая поверхность способна удерживать на себе объем сыпучего материала различных размеров, равный объему углублений этой поверхности. Примером может служить обыкновенный шлюз, где при любом режиме потока между трафаретами всегда удерживается рыхлый материал в объеме, не превышающем объема углублений трафаретов. Исходя из этого общее условие перемещаемости сыпучего материала можно сформулировать так: перемещение любого сыпучего материала под действием энергии водного потока может происходить лишь в том случае, если его суммарный объем больше объема углублений коренного дна. Перемещаться может лишь та часть сыпучего материала, которая находится выше выступов коренного дна (т. е. избыточная часть). Если же объем сыпучего материала будет меньше объема углублений плотика, то перемещаться он не будет.

2. Минимальные скорости течения, при которых в жидкой среде начинается перемещение твердых тел одинаковых размеров, но различных плотностей, относятся между собой как их плотности, уменьшенные на единицу (на плотность воды). Алгебраическое выражение этой зависимости имеет вид

Vi _ Vi-*

V2 ' V2 1

где Vi, V2 — минимальные скорости, при которых начинается перемещение твердых тел; у\у — плотности твердых тел.

На основе данной зависимости можно определять минимальные скорости смещения твердых тел любых плотностей и размеров по результатам измерения минимальных скоростей смещения частиц какого-либо одного вида сыпучего материала, например кварца. Опытным путем установлено (Имшенецкий, 1960), что частицы кварца (плотность 2,65) размером 4 мм, покоящиеся на сыпучем материале из того же кварца, начинают перемещаться при скорости потока 56 см/с. Частицы лимонита таких же размеров (плотность 3), залегающие на сыпучем материале из лимонита же, начинают перемещаться при скорости 68 см/с (вычисленная скорость равна 67 см/с). Соответственно частицы касситерита (плотность 7) начнут перемещаться при скорости 204 см/с, частицы свинца (плотность 11,4)—407 см/с, а частицы золота (плотность 18,2) — 582 см/с и т. д.

Следует подчеркнуть, что эта зависимость справедлива лишь в том случае, если соблюдена полная аналогия не только размеров частиц, но и условий их залегания на сыпучем материале (т. е. частицы касситерита залегают на сыпучем материале из кассите

рита, частицы свинца — на сыпучем материале из свинца и т. д.).

3. Как известно, движение воды в русле связано с выделением энергии, которую можно определить по формуле

A=PS,

где А — количество выделяемой энергии, кгм; Р — масса воды, кг, S — высота падения, м.

Эта энергия согласно закону сохранения энергии не может бесследно исчезнуть. Она переходит в какие-либо другие виды и обусловливает различные качественные изменения как в самой воде, так и в окружающей ее среде. В русле долины за счет энергии потока известны следующие четыре вида качественных изменений:

1)        поддержание в воде значительно большей температуры, чем в окружающей среде;

2)        перемещение некоторого количества отложений по дну русла;

3)        возникновение звукового эффекта;

4)        явление кавитации.

Если подсчитать количество энергии, затрачиваемой для поддержания названных четырех качественных состояний в воде и окружающей среде при падении 1 м3 воды с высоты 1 м, то с какими бы допусками этот подсчет не проводить, для поддержания данных состояний необходимо не 10 000, а все- го лишь 7000—8000 кгм. Остальные ^ 2000—3000 кгм энергии куда-то исчезают. Это обстоятельство привело автора в 1959 г. к мысли о том, что в водном потоке, кроме названных четырех качественных изменений, проислых отложениях, вызываемая ходят еще какие-то пока неизвестные действием водного потока изменения. В результате простого опыта в производственных условиях было установлено ранее неизвестное явление в природе — зоны вибрации в прирусловой части рыхлых отложений (2). Опыт заключался в следующем. В один из меженных периодов, когда в горных ручьях очень резко сокращается расход воды, в интервале 20— 30 см было расположено в крест простирания русла несколько свинцовых пуль. В паводок эти пули, подвергаясь затоплению, вместо того, чтобы сместиться по руслу, испытали лишь погружение в отложения на различную глубину. Причем погрузились не только те из них, которые подвергались затоплению, но и находившиеся на поверхности, в непосредственной близости от руслового потока. Подобное погружение пуль может происходить лишь в том случае, если сыпучая среда, па которой они покоятся, будет приведена какой-либо силой в возбужденное состояние (состояние вибрации).

Убедиться в том, что вибрация существует, можно, приложив руку к отложениям долины в непосредственной близости от бурного водотока. Это явление, разумеется, имеет количественные характеристики, но они еще не определены. В частности, неизвестны зависимости между скоростью водотока и количеством вибрирующей массы рыхлого материала в русле, между количеством воды и напряженностью вибрации (степенью соударения частиц) в отложениях, распространение ее на глубину и т. п. Со временем эти характеристики будут определены и помогут понять ряд других особенностей взаимодействия жидких и твердых тел.

Явлением вибрации можно объяснить то, что при размыве рыхлых отложений тяжелые минералы не подвергаются переносу по долине, а занимают в ней нижнее положение, образуя продуктивный пласт, а также то, что вопреки закону равнопадаемости, на шлюзах достигается очень высокий процент их извлечения. Как известно, согласно этому закону со шлюзов должно сноситься все золото размером меньше 100 мк. В действительности же шлюз улавливает даже частицы размером 73 мк (Невский, 1947).

Ознакомившись с тремя положениями гидродинамики, зададимся некоторыми определенными условиями и попытаемся понять сущность поведения одиночного тяжелого тела, находящегося в сыпучей среде в период ее размыва водным потоком. Предположим, что на поверхности размываемого сыпучего материала с плотностью 2,65 (аллювий) покоится одиночное тяжелое тело размером 4 мм с плотностью 7 (кусок касситерита). Сыпучий материал в свою очередь залегает на шероховатой поверхности, углубления которой по объему превосходят объем данного тела (3).

3. Горизонтально направление сила потока (Р) не смещает отдельное тело, находящееся в механической смеси с сыпучим материалом меньшей плотности

Если скорость потока достигает 56 см/с, то согласно экспериментальным данным (Имшенецкий, 1960) все верхние кусочки аллювия, начиная с пылеобразных и кончая частицами размером 4 мм, придут в движение. Одновременно некоторая часть нижележащего рыхлого материала будет приведена потоком в состояние вибрации. Чтобы сместить кусок касситерита, этой скорости, разумеется, далеко не достаточно (для этого необходима скорость 204 см/с). Но поскольку под куском касситерита сыпучий материал будет приведен в состояние вибрации, то касситерит погрузится в последний на некоторую глубину. Если скорость увеличить в 2 раза (112 см/с), то согласно закону Эри объем перемещаемых частиц рыхлого материала увеличивается пропорционально шестой степени, т. е. в 64 раза, что будет соответствовать примерно величине куриного яйца. Но и этой скорости для смещения куска касситерита будет недостаточно. Причем, поскольку с увеличением скорости потока увеличится и объем вибрирующей массы отложений, то этот кусок опустится в последние еще ниже.

При удвоении скорости потока (224 см/с) будут перемещаться валуны диаметром 15—20 см. Этой скорости вполне достаточно для того, чтобы сместить кусок касситерита. Но его смещение произойдет лишь в том случае, если он залегает на сыпучем материале из того же касситерита или на материале еще большей плотности. В наших же условиях он только опустится на еще большую глубину и тем самым выйдет из сферы воздействия горизонтальной струи потока. При строго вертикальном врезании потока в сыпучую среду кусок касситерита будет опускаться также строго вертикально, а если размыв к тому же будет сопровождаться еще и боковым смещением потока в какую-либо сторону, то он по образовавшемуся склону сместится вслед за отступающим потоком (боковое смещение). Когда же поток, углубляясь в сыпучий материал, достигнет выступов шероховатой постели, этот кусок опустится в одно из ее углублений. Поскольку объем куска касситерита меньше объема любого из этих углублений, то он уже не может быть захвачен и смещен потоком.

Таким образом, при размыве сыпучей среды с залегающим на ней куском минерала относительно большой плотности происходит лишь вертикальное или наклонное его перемещение в поперечном направлении. Горизонтального перемещения происходить не будет. Справедливость данного вывода подтверждается и\ таким опытом. Если в обыкновенный шлюз насыпать слой аллювия в 30—40 см, и на его поверхность положить кусочек железа, бронзы и т. п., то после смыва аллювия они остаются на трафаретах в тех же сечениях, что и были раньше.

Следует заметить, что перед кем бы автору не приходилось ставить данную задачу, она обыкновенно всеми решалась так: поскольку на данное тело одновременно действует горизонтально направленная сила (Р) и сила собственной массы (q), то за счет сложения этих сил возникает наклонная равнодействующая сила (Q), которая и приведет тело к некоторому горизонтальному смещению. Такое решение задачи является ошибочным потому, что не учитывается качественное изменение, производимое потоком в сыпучей среде.

В условиях долины врезание водотока происходит путем расшатывания и удаления отдельных кусков коренных пород. В этом случае зерна тяжелых минералов после образования пустот сразу опускаются в них и тем самым остаются в одних и тех же сечениях долин.

В природе так ведут себя частицы всех тяжелых минералов, масса которых в состоянии нарушить силы поверхностного натяжения воды. В противном случае они будут плавать на поверхности последней (так называемое «плавучее золото»).

Для отдельных тяжелых минералов иногда могут создаваться условия для частичной их перемещаемости по простиранию долин. Например, если их концентрации достигают таких значений, что они с избытком заполняют углубления в плотике. В этих случаях в фазу глубинной эрозии зерна тяжелых минералов, вытеснив из углублений плотика аллювий как материал меньшей плотности, превратятся в однородную по плотности сыпучую среду, которая будет уже удовлетворять условиям перемещаемости сыпучего материала. При достижении необходимых скоростей водного потока избыточная часть его начнет перемещаться по долине. Автору довелось наблюдать такие концентрации в отдельных местах касситеритовой россыпи (р. Золотистая). Что же касается золота, так его концентрации в природе (даже в уникальных россыпях) столь малы, что составляют тысячные доли объемов в углублениях плотика. Поэтому оно не может перемещаться по простиранию долин. Плотиков, плохо улавливающих золото, в природе не существует.

Несколько слов об алмазе. Среди тяжелых минералов алмаз по плотности занимает последнее место. Исследованиями по обогащению россыпей (Мацуев, 1958 и др.) установлено, что разделение, т. е. осаждение тяжелых минералов в динамической водно- аллювиальной среде происходит в том случае, если отношение их плотностей к плотности аллювия превышает 1,26. Следовательно, алмаз (плотность 3,5, отношение его плотности к плотности аллювия 1,32) не должен перемещаться водным потоком и строение его россыпей должно быть таким же, как и россыпей более тяжелых минералов. Но, как известно (Трофимов, 1967), алмаз обладает свойством несмачиваемости, что, возможно, сказывается на его поведении в россыпях. К сожалению, автору не довелось исследовать алмазные россыпи и сказать что-либо определенное по этому поводу он не может.

К содержанию книги: ОБРАЗОВАНИЕ, СТРОЕНИЕ И РАЗВЕДКА ЗОЛОТЫХ РОССЫПЕЙ