Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Онтогенический анализ жильного кварца Кыштымского района для оценки качества кварцевого сырья

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Онтогенический анализ жильного кварца Кыштымского района для оценки качества кварцевого сырья"

На правах рукописи

КОТОВА Елена Леонидовна

ОНТОГЕНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЖИЛЬНОГО КВАРЦА КЫШТЫМСКОГО РАЙОНА ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КВАРЦЕВОГО СЫРЬЯ

Специальность 25.00.05 - Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005557965

Санкт-Петербург - 2014

005557965

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель —

доктор геолого-минералогических наук,

член-корреспондент РАН, профессор

Марин Юрий Борисович

Официальные оппоненты:

Поленов Юрий Алексеевич - доктор геолого-минералогических наук, Музей истории ФГБОУ Уральского государственного Горного университета, директор

Щипцов Владимир Владимирович - доктор геолого-минералогических наук, ФГБУН Институт геологии КарНЦ РАН, директор

Ведущая организация — ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского»

Защита состоится 12 декабря 2014 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.04 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по а д-ресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 10 октября 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

ГУЛЬБИН Юрий Леонидович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обеспечение стабильной и гарантированной поставки кварцевого гранулята определенного качества на длительную перспективу (не менее нескольких лет) возможно только при эксплуатации кварцевых объектов со значительными запасами, определенным качеством кварцевого сырья и относительно стабильной его обогатимостью. Чтобы сохранить конкурентоспособность на рынке, производители стремятся не повышать себестоимость кварцевых продуктов, что делает необходимым поиск новых методик технологической оценки кварцевых тел.

Начало систематическому изучению гранулированного кварца на Урале было положено кафедрой минералогии Свердловского горного института во главе с Г.Н. Вертушковым, предложившим в начале 60-х годов подход к изучению этого типа кварцевого сырья, основанный на корреляции структуры кварцевых агрегатов и технологической пригодности кварцево-жильных объектов. Его последователи (Э.Ф. Емлин, Г.А. Синкевич, В.И. Якшин, Ю.А. Поленов) выявили тесную взаимосвязь между условиями метаморфизма и структурой кварцевого агрегата, в результате чего была создана классификация кварцевых агрегатов по качественным структурно-текстурным признакам.

В настоящее время оценка качества кварцевого сырья осуществляется путем технологического опробования по результатам пробных плавок. Отсутствует методика оперативной оценки качества кварцевого сырья на стадии поисково-разведочных работ. Л а-бораторные исследования кварца направлены, в основном, на выявление особенностей, связанных с его «тонким» строением (определение коэффициента светопропускания, содержания БЮг в исходном сырье, содержания химических и минеральных примесей). Изучение минералогии кварцевых тел и типоморфных особенностей слагающих их индивидов и агрегатов с использованием о нтогени-ческого и стереометрического анализов позволит получить информацию об условиях формирования кварцевых тел и провести разбраковку их пригодности для получения того или иного типа сырья на ранних стадиях поисково-разведочных работ. Включение резуль-

татов разрабатываемых методик в технологическую схему подготовки и производства сырца для плавки повысит наукоемкость его утилизации, снизит общие затраты на получение высококачественных изделий.

Цель работы. Реконструкция на основе о нтогенического и стереометрического анализа строения кварцевых агрегатов различных месторождений Кыштымского района процессов их преобразования, прогнозирование технологических свойств с оценкой качества и создание методики выделения различных типов кварцевого сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать распределение и плотность газово-жидких и минеральных включений в зернах кварца, изучить геометрическими и топологическими методами границы индивидов кварца, в том числе ориентировки малоугловых границ субиндивидов, с получением качественных и количественных характеристик и на этой основе провести их дискриминацию с выделением морфологических типов и об условиях преобразования жильного кварца;

2. Оценить модальную долю зерен каждого из выделенных типов и характер их распределения в изученных кварцевых телах, и, как следствие, масштаб и условия преобразования в них жильного кварца;

3. Провести на основе количественных характеристик строения кварцевых индивидов и агрегатов оценку жильного кварца разных месторождений по их пригодности для получения определенных типов кварцевого сырья.

Научная новизна. На основе анализа различных параметров минеральных индивидов, слагающих кварцевые агрегаты, впервые проведена количественная минералого-петрографическая оценка гранулированного кварца, получена онтогеническая информация об условиях преобразования жильного кварца и разработаны основы типизации различных видов кварцевого сырья.

Практическая значимость. На основе онтогенического и стереометрического анализа предложена методика оперативной

оценки кварцевых тел для технологических целей на стадии поисково-разведочных работ при разбраковке уже известных и новых месторождений и в дальнейшем при разработке или корректировке схемы технологического передела кварцевого сырья. Её использование не требует значительных материальных затрат и, снизив себестоимость выходной продукции, повысит стоимость сырья, передаваемого в эксплуатацию месторождения. Полученные результаты могут быть дополнительным обоснованием для разработки массива кварцитов в качестве сырья для плавки и в стекольной промышленности, а также внедрены в учебные дисциплины «Технологическая минералогия» и «Поисковая минералогия».

Фактический материал и методика исследований. Диссертационная работа выполнена на основе материала, собранного в ходе двух полевых сезонов (2009 и 2010 г.г.) в составе партии Института минералогии УрО РАН, работавшей на кварцево-жильных объектах Кыштымского района Урала. При посещении в 2012 г. ОАО «Кыштымский ГОК» были получены образцы основных технологических типов кварцевого сырья и консультации о современных технологиях его переработки. Было изучено 540 петрографических шлифов ж ильного кварца и кварцитов, 80 тонко-параллельных кварцевых пластинок, 50 структурных шлифов.

Микроскопическое исследование кварцевых агрегатов проведено в отделе минералогических методов ВСЕГЕИ. На основе выявленных характеристик строения проведена дискриминация кварцевых индивидов в каждом агрегате. Дискриминация кварцевых агрегатов основана на оценке относительного количества определенных типов минеральных индивидов, их распределения в пространстве агрегата, выявлении их гломерозернистых образований или субагрегатов. Дифференциация кварцевых зерен о снована на ведущих признаках-критериях онтогенического анализа: анатомии минеральных индивидов; составе и распределении включений, следах пластических и упругих деформаций, распределении и взаимоотношении блоков кристаллической решетки с малоугловой разори-ентировкой в пределах индивида (блоки облачного погасания). Учитывались также такие геометрические особенности границ сраста-

ния минеральных индивидов, которые характеризуют энергетический статус границ (энергонасыщенные или энергоемкие) и существующие различия между ними, ориентировка границ срастания индивидов в пространстве агрегата и относительно друг друга, форма случайных сечений зерен. Проведенная дискриминация кварцевых агрегатов при микроскопическом изучении в оптическом ди а-пазоне контролировалась более тонкими исследованиями.

При помощи структурного анализатора МИУ-5М было в ы-полнено стереометрическое исследование, в ходе которого выявленные качественные характеристики минеральных агрегатов были преобразованы в количественные. Для получения дополнительной генетической информации и подтверждения проведенной дискриминации были реализованы следующие виды анализов: изучение малоугловых разориентировок с помощью федоровского столика и методами монокристальной рентгеновской дифрактометрии; изучение газово-жидких включений методом гомогенизации, изучение минеральных включений с помощью микрозонда, определение к о-эффициента светопропускания, изучение тонкого строения (присутствие блоков волнистого погасания, двойников, распределение газо-во-жидких и минеральных включений) методом катодолюминес-центного микроанализа и методом обратно отраженных электронов (ЕББО).

Положения, выносимые на защиту:

1. В изученных кварцевых телах выявлено 4 типа кварцевых зерен (С>1 - С?4), находящихся в различных количественных соотношениях и отличающихся по: количеству и плотности пластических деформаций в зернах; наличию и плотности газово-жидких и минеральных включений; шероховатости границ срастания минеральных индивидов; плотности границ зерен выделенных типов в единице объема кварцевого агрегата.

2. Многократно возобновляющийся процесс рекристаллизации кварцевых агрегатов различных кварцевых тел имеет общий тренд, выраженный в уменьшении в кварцевых индивидах газово-жидких и минеральных включений, постепенном очищении зерен от

следов упругих деформаций и уменьшении шероховатости границ срастаний индивидов кварца от Q1 к Q4;

3. Для разбраковки по технологической пригодности кварцевых тел на стадии поисково-разведочных работ н аиболее информативными являются: выделение 4 типов кварцевых индивидов, их модальная доля, коэффициент агрегативности (гломерозернистости) и коэффициент светопропускания.

Достоверность защищаемых положений и рекомендаций определяется детальными минералого-петрографическими наблюдениями и реализацией онтогенического анализа в комплексе с различными методами, чувствительность которых лежит за пределами оптической микроскопии.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК. Кроме того, основные аспекты работы освещались на совещаниях: «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Ми-асс, 2009), Международный форум молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009, 2010), Годичное с о-брание РМО (Санкт-Петербург, 2009, 2013), XI Съезд РМО: Современная минералогия (Санкт-Петербург, 2010), II Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского (Санкт-Петербург, 2011), Mineralogy and analytics of high-purity Si02 raw material: Freiberger Forschungsforum Research conference (Freiberg, Germany, 2011), ICAM-2011. (Trondheim, Northway, 2011), 2nd International Conference on Competitive Materials and Technology Processes (ic-cmtp2) (Miskolc, Hungary, 2012).

Исследования были поддержаны грантами Министерства о б-разования и науки (госконтракт № 14.740.11.0192), компании ОПТЕК (Carl Zeiss) на реализацию проекта «Особенности использования методов современной электронной микроскопии при изучении границ и внутреннего строения минеральных индивидов кварца для проведения оценки качества кварцевого сырья» (2011 г.) и стипендией DAAD имени Михаила Ломоносова на проведение исследований на базе Фрайбергской горной академии (2012 - 2013 гг.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Работа изложена на 120 страницах текста, сопровождается 36 иллюстрациями, 13 таблицами. Список литературы включает 132 наименования. Обоснование защищаемых положений содержится в главах: первое - 3, 4; второе - 5; третье - 4, 5.

Благодарности. Диссертационная работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук, члена-корреспондента РАН Ю.Б. Марина, которому автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность за огромный вклад в формирование исследовательского интереса и всестороннюю поддержку. Автор сердечно благодарит Р. JI. Бродскую (ВСЕ-ГЕИ) и О. Б. Котову за мотивацию к постановке задач, постоянную веру в успех их реализации и силы автора.

Искреннюю благодарность автор выражает Б.Н.Быкову, А.Г.Кораблеву, М.А. Игуменцевой (Институт минералогии, г. М и-асс) за предоставление возможности прохождения практики, отбора образцов и консультации по тематике диссертации. Автор сердечно признателен генеральному директору Кыштымского кварцевого ГОКа В.Г. Кузьмину и главному геологу П.А. Красильникову за предоставление образцов и важной технологической информации.

Особую благодарность автор выражает директору Института минералогии Фрайбергской горной академии проф. Г. Хайде (G. Heide), а также сотрудникам ФГА У. Кемпе (U. Кетре), Й. Гётце (J. Götze), за организацию стажировки и проведение и сследований. Значительную помощь в проведении лабораторных и сследований и обработке результатов оказали М.В. Морозов, А. И. Глазов (Горный Университет), И. В. Бильская, Ю. В. Кобзева, (ВСЕГЕИ), С. Н. Бритвин (СИГУ), Е. Г. Ожогина (ВИМС), Е. В. Толмачева (ИГГД РАН) - всем им автор выражает искреннюю благодарность.

Глава 1 Геологический очерк Кыштымского района Все изученные месторождения жильного кварца и кварцевые проявления Кыштымского района приурочены к Восточному склону Среднего и Южного Урала. Многообразие кварцевых тел разного генезиса и морфологии в пределах района определяется сложным

геологическим строением и длительной многостадийной эволюций Урала.

Территория района находится в пределах Уфалейского-антиклинория, являющегося составной частью Центрально-Уральского поднятия. Породы, являющиеся субстратом уфалейского метаморфического комплекса, относятся к двум структурным ярусам (Кейльман, 1974): нижний - верхнепротерозойский структурный ярус (уфалейская свита), занимающий центральную часть (ядро) ан-тиклинория, и верхний - ордовикско-нижнедевонский структурным ярусом, сложенным терригенными образованиями сланцевого о б-рамления ядра антиклинория (Мельников и др, 1969; Еремин, 2007).

Объектами исследования стали кварцевые тела Кыштым-ского, Кузнечихинского, Аргазинского, Вязовского, Иткульского месторождений, сложенные гранулированным кварцем и представляющие интерес для промышленности (по предварительным р е-зультатам технологического опробования из кварцевого сырья возможно получить особо чистый кварцевый концентрат, отвечающий стандартам ТУ 6726-002-11496665-97, не ниже КГО-4). Кроме того, в районе встречаются многочисленные тела ква рцитов. Одним из самых крупных тел, с наиболее близким к гранулированному кварцу строением кварцевых агрегатов, являются кварциты массива Тага-най, которые также стали предметом нашего исследования.

Глава 2 Общая характеристика минерально-сырьевой базы кварцевого сырья России и перспективы ее развития

В этой главе рассмотрены основные источники природного кварцевого сырья и основные технологические требования для п о-лучения КГО (кварц глубокого обогащения) для оптической и электронной промышленности. Осуществлен сравнительный анализ современных требований к качеству ко нечной кварцевой продукции для р оссийского производства по ТУ 5726-002-1149665-97 и для США по техническим характеристикам (High Purity Quartz Iota (I-Q), UNIMIN) компании Юнимин, которая считается почти полным монополистом на рынке особо чистого кварца. В ходе анализа выявлено, что требования к отечественной конечной продукции более низ-

кие, что может стать дополнительной проблемой для выхода России на мировой рынок, как поставщика кварцевого сырья.

Большинство производителей заинтересованы в долгосрочных поставках кварцевого сырья стабильного качества. Для получения такого гранулята есть ряд ограничивающих факторов: у российской кварцевой минерально-сырьевой базы - большое число месторождений, а на каждом и з них - несколько, часто первые десятки кварцевых жил. Каждая жила даже в пределах одного месторождения отличается от остальных по степени минерализации, светопро-пусканию и «загрязнению» химическими элементами жильного кварца. Поэтому наиболее интересными будут тела со значительными запасами.

Выделяя направление по геолого-технической переоценке существующей базы кварцевого сырья и разработке новых способов обогащения, как важнейшее в нынешних условиях, нужно понимать, что это процесс, требующий вложения средств и привлечения к работе специалистов. Повышающиеся требования по обеспечению российской промышленности особо чистым кварцевым сырьем определяют актуальность разработки методики оперативной оценки технологической пригодности кварцевых тел на стадии п оисково-разведочных работ.

Глава 3 Минералого-петрографические исследования особенностей строения кварцевых агрегатов

При проведении микроскопических исследований были в ы-явлены следующие общие закономерности строения кварцевых агрегатов:

1) в кварцевой матрице наблюдаются зерна разных морфологических и анатомических типов (возможно, генераций) - реликтовые зерна исходной кварцевой породы и индивиды, которые образовались за счет изменения морфологии и анатомии первичных зерен в процессе их рекристаллизации;

2) кварцевые зерна обладают неравномерным распределением различных видов включений, различной плотностью блоков волнистого погасания (некоторые индивиды полностью свободны от различных дефектов) в пределах зерен.

Для упрощения дальнейшего анализа и систематизации кварцевых агрегатов была проведена типизация кварцевых индивидов. Их первый тип (Q1) представлен зернами с сильно «изрезанными» границами срастания, наличием большого количества минеральных и газово-жидких (ГЖ) включений, большим количеством блоков волнистого погасания. Ко второму типу (Q2) отнесены зерна с более гладкими, чем у типа Q1, границами срастания друг с другом, небольшим количеством минеральных и ГЖ включений, меньшим чем у Q1 типа количеством блоков волнистого погасания. В третий тип (Q3) объединены зерна со слабо изрезанными границами, в них обычно отсутствуют включения, почти не наблюдаются блоки волнистого погасания. Тип з ерен кварца (Q4) включает индивиды с плоскими или гладкими границами срастания, иногда это следы простых форм. В зернах Q4 отсутствуют какие-либо включения (рисунок 1) (Котова, 2010).

Для получения дополнительной информации о строении кварцевых индивидов и проверки корректности проведенной нами дискриминации кварцевых зерен был использован

стереометрический анализ. Это исследование осуществлено на основе топологических методов (гармоническое разложение Фурье и аппарат фрактального анализа формы границ минеральных индивидов FAENA). Топологическая и геометрическая оценка строения минерального агрегата (Бродская, 1988; Войтеховский, 2004) выполняется для того, чтобы построить онтогеническую модель развития агрегата и получить количественную оценку структурных п араметров породы, которая может служить основой для разделения пород (и образованных ими тел) по технологической пригодности для определенных типов кварцевого сырья.

Стереометрический анализ проводился при помощи минералогического анализатора структуры МИУ-5М. Прибор реализует непрерывный, синхронный со сканированием, интеграционный геометрический метод анализа. Из 24 параметров строения минеральных агрегатов, измеряемых на МИУ-5М, использованы следующие: модальный минеральный состав, гранулометрический состав, коэффициент агрегативности,

внутренняя удельная поверхность. Последняя характеристика, в отличие от остальных, может быть и интегральной, и индивидуальной. Эта топологическая оценка получена тремя способами: путем расчета фрактальной размерности (методом Фаена), методом гармонического разложения Фурье, при анализе контура сечения зерен в шлифе, и благодаря способу оценки удельной поверхности минеральных зерен для каждого выделенного типа зерен (т.е. интегральной по площади анализа шлифа).

Проведенный стереометрический анализ строения кварцевых агрегатов позволил получить количественные параметры минеральных индивидов, подтверждающие проведенную при микроскопических исследованиях дискриминацию кварцевых зерен. Так как о д-ним из главных признаков для разделения кварцевых зерен на типы является степень шероховатости границ срастания индивидов, этому параметру при стереометрическом анализе уделено наибольшее внимание. Построен график значений фрактальной размерности границ срастания индивидов кварца разных типов (по средним значениям величины шероховатости для каждого из 4 типов зерен кварца во всех жилах - рисунок 2).

Установлено, что во всех месторождениях наблюдается о б-щая закономерность: уменьшение фрактальной размерности границ зерен от к С>4 типу. Вероятно, это является следствием рекристаллизации, сопровождающейся выполаживанием границ срастания индивидов, а тип С>4 содержит признаки, наиболее приближающие его к зернам завершенной рекристаллизации. Индивиды этого типа имеют наиболее «гладкие» границы, зерна практически св о-бодны от блоков волнистого погасания и всех видов включений.

Корректность выделения четырех типов кварцевых зерен по полученным значениям фрактальной размерности границ срастания индивидов кварца проверена с помощью графиков величин вероятных ошибок определения среднего. Эта проверка показала, что доверительные интервалы средних значений фрактальной размерности не перекрывают доверительных интервалов средних значений других типов кварца (при погрешности 0,01%).

Рисунок 1 - Выделенные 4 типа кварца по морфологии, анатомии, шероховатости границ срастания минеральных индивидов. На рисунках отчетливо видно уменьшение размера зерен, выполаживание границ срастания, уменьшение блоков волнистого погасания, очищение от минеральных и газово-жидких включений, постепенно, от 1 типа к 4 типу кварцевых зерен.

01 (?2 (}3 04

Типы кварцевых зерен

Рисунок 2 - Фрактальная размерность (О) индивидов кварца в выделенных типах по всем

изученным месторождениям

/ су £ & 2

а б

Рисунок 3 — Газово-жидкие включения в кварце а) №С1 в <31, ув. 1000; б) - шероховатая граница СЬ , ув. 500; в) - углекислотноводное включение в рь ув. 1000 Состав включений: жЬЬО гССЬ + кристаллы солей

Рисунок 4 - Газово-жидкие включения в кварце. Состав включений: жН20 гСОг + кристаллы солей а) Углекислотное включение в СЬУв. хЮОО; б) - КС1 в зернах <32,Ув. хЮОО; в) - Граница Ог.Ув. х500

Рисунок 5 - Газово-жидкие включения в кварце. Ув. 500. Состав включений: ж и гН20 + гС02 а) включение с водным флюидом в <3з;б) - углекислотноводное включение в (Зз; в) - включение с

водным флюидом в С>3

ус

* ' и

* ♦

! ув.500

ув.1000 /

ув.ЮОО

Рисунок 6 - Газово-жидкие включения в кварцитах в индивидах первого типа. Состав включений: жН,0 + гС02 + кристаллы солей а) газово-жидкие, углекислотно-водные включения в зоне перекристаллизации кварца; б) - водные включения, в> зоне

перекристаллизации кварца О,; в) - включения в участках непеРекРистаЛ™3^Н°нГа°ч^ (Н?0 +КС1+газовые пузырьки); г) - раннее флюидное включение в зоне начальной

перекристаллизации кварца (жН20 + гС02 + жС02+кристаллы солей). У в. 1000.

гС02

ь

ув.ЮОО

О

Рисунок 7 - Газово-жидкие включения в кварце. Состав включений: жН20 + гС02; а) газовое углекислотное первичное включение 2 типа б) - вскипание флюида, поступающего в зоны рекристаллизации кварца 2 типа, ув.

- зона рекристаллизации 2 типа кварцевых зерен, ув.ЗОО

Таблица 1- Результаты декрепитации ГЖВ в кварцевых зернах

в кварце 1000.; в)

Месторождение Температура гомогенизации

01 02 03 04

Кыштымское 260-262 246-251 203-210 -

Кузнечихинское 275-280 240-238 218-224 -

Аргазинское 294-296 282-287 220-230 -

Вязовское 280-283 242-246 226-228 -

Иткульское 273-280 253-259 234-241 -

| Г. Юрма 269-271 249-252 219-227 -

Примечание. Температура декрепитации для кварца в 01,02, 03 была измерена по первичным включениям, в 04 включения отсутствуют.

ЛI 9

160x120 Г™С1пН 8 " Из0браЖ6НИе КикУ™ полос кварцевых агрегатов. Разрешение изображений

субграниц зепен бГ " ДЛЯ ПеР°ð ™Пв КВаРЦа (Ф} ХаРактеРна повышенная плотность разориентировок суограниц зерен, б) - для индивидов четвертого типа характерно фактическое отсутствие разориентповок что связано с отсутствием блоков волнистого погасания для СМ; в) - для кварцевый зерен второго ;

типа характерна постепенная аннигиляция дефектов зерен; г) зерна 4 типа, более свободные от дефектов

образуют срастания друг с другом.

1(5иаП2 175В: МО ауегзде _Рх: ^9.04 ртМарВке: 160.x 120

|п |п

а) - 175 жила (Кыштымское месторождение) б) - 414 жила (Кузнечихинское месторождение)

|п | П

в) -119 жила (Аргазинского месторождения) г) 5 жила (Вязовского месторождения)

1 п

д) 14 жила Иткульского месторождения

е) - кварциты г. Юрма (Таганайское месторождение)

Условные обозначения цветного зонирования карты:

| от 15 до 10 точек О от 10 до 6 точек I I от 6 до 4 точек □ от 4 до 2 точек ■ от 1 до 2точек точки отс\.тсгв\тот

Рисунок 9 - Карты плотности оптических осей кварцевых зерен разных типов. Римскими цифрами показаны типы зерен, п , Ь - сферические координаты, отчеты по которым снимались в ходе работы на Федоровском столике.

к^ ^^см^ 6

Технологические критерий Месторождения кварца

Кузнечихинское Кыштымкое Кварциты г. Юрма Вязовское Аргазинское Иткульсоке

Коэффициент светопропускания (Т,%) 89 84 79 76 74 72

Модальный состав зерен разных типов (%) 6 9 33 38 50,4 42

(22 19 20 28 34 29,6 37

<23 30 31 21 18 13,7 13

<24 45 40 18 10 6,3 8

Примечание. Последовательность месторождений в таблице приведена соответственно убыванию технологической пригодности кварцевого сырья

1

ЕС

0 Ч

1 в

пН ий

и

К <

I лап

.зтяп

ЭТАПЫКЗАРЦЕВ(Ю АП¥ГАТА

Рисунок 10 - Схема онтогенических стадий формирования и преобразования строения кварцевого

агрегата.

*

При анализе значений коэффициентов агрегативности выявлено, что среди изученных месторождений жильного кварца жила '14 Кузнечихинского месторождения характеризуется не только наибольшим содержанием кварца 4 типа, но его индивиды образуют в агрегатах этой жилы наибольшее количество собственных субагрегатов (КА =1,8), по сравнению с остальными месторождениями. Эта информация важна для технологов, так как кварцевые тела с максимальным содержанием кварца 4 типа - наиболее подходящие для производства кварцевого сырья для оптики.

Проведенный анализ методом г армонического разложения Фурье выявил, что 1 тип зерен кварца изометричный, но с наиболее шероховатыми границами; индивиды второго типа тяготеют к вытянутым формам, а четвертый тип характеризуется изометричными формами с гладкими границами. Этот метод еще раз подтвердил выявленную тенденцию уменьшения шероховатости границ индивидов от первого типа к четвертому.

Глава 4 Исследование анатомического строения индивидов кварца

Главными объектами исследования с целью получить качественные и количественные характеристики, которые могли бы обосновать или опровергнуть проведенную дискриминацию кварцевых индивидов на типы стали: распределение и плотность газово-жидких и минеральных включений в зернах кварца, собственные границы индивидов кварца, в том числе ориентировки их малоугловых границ.

В ходе анализа газово-жидких включений методами «флюидного портрета» и декрепитации описан облик включений из различных типов кварцевых зерен, получены данные об их примерном химическом составе и температурных характеристиках (рисунки 3,4,5,6,7 и таблица 1). Результаты исследования газово-жидких включений позволяют говорить о сложности и многостадийном характере эволюции кварцевых индивидов.

Изучено строения кварцевых агрегатов методом дифракции обратно рассеянных электронов (ЕВЯО), в результате которого получены карты ориентаций кварцевых индивидов. Анализ

изображений показал, что в результате рекристаллизации индивиды претерпевают аннигиляцию дефектов строения, что в ыражается в перемещении блоков субграниц к краевым зонам индивидов. Этот процесс отражается в пространственной разориентировке центральной и краевой части кварцевых зерен (рисунок 8).

Большая часть преобразований в структуре кварцевых а г-регатов происходит в направлении минимизации свободной внутренней энергии а грегата при корреляции с изменяющимися внешними условиями, находя отражение в последовательном изменении строения индивидов. Так, для кварца при анализе изображений Кикучи наблюдаем большое количество блоков волнистого погасания, что является следствием разориентировки субграниц внутри кварцевых зерен (рисунок 8 а, б), для остальных типов зерен наблюдается общий тренд перемещения к краевой части зерен и постепенная аннигиляция дефектов (рисунок 8 в, г).

Катодолюминесцентный анализ строения кварцевых агрегатов показал, что д ля всех агрегатов характерна темно-синяя КЛ. Эксперименты обнаружили общую закономерность: все индивиды кварца имеют четкую зональность, которая выражается в изменении цветов КЛ от центральных частей зерен к периферии. Присутствует как прямая зональность - уменьшение интенсивности КЛ из центра к краям зерен (<31), так и обратная - увеличение от центра к периферии индивидов (для 04). Это может свидетельствовать о миграции дефектов от центральной части зерен к их границам соответственно от (^1 к С?4.

Эволюция кварцевых индивидов коррелирует с общим уменьшением интенсивности КЛ и гомогенизацией КЛ окраски. Этот факт связан с освобождением зерен кварца от дефектов при рекристаллизации. Понижение интенсивности КЛ в краевых зонах кварцевых зерен свидетельствует о миграции структурных дефектов от центральной части к их периферии. Повышенная интенсивность люминесценции для 01 связана с повышенной концентрацией д е-фектов. Скорее всего, дефекты образовывались в основном на ранних этапах роста кристаллов. При рекристаллизации дефекты «мигрируют» к периферии (для зерен 04).

Измерение разориентировки блоков кристаллической р е-шетки (блоков волнистого погасания) зерен кварца реализовано двумя независимыми методами - с помощью универсального федоровского столика (НМСУ «Горный») и монокристального дифрак-тометра STOE Image Plate Diffraction System II (СПбГУ). Оба метода позволили получить сопоставимые результаты с допустимой п о-грешностью для данного вида измерений. На основе р езультатов измерений получены ориентировки оптических осей разных типов кварца и измерена разница значений малоугловых разориентировок субзерен кварца. При помощи данных, полученных с помощью федоровского столика, выполнен микроструктурный анализ для выявления особенностей ориентировки оптических осей кварца, их соотношения с ориентировками кварца по форме зерен и получения информации об условиях формирования и преобразования породы.

В ходе минералого-петрографического анализа выявлено, что в матрице кварцевых агрегатов присутствуют б олее крупные зерна, относимые к так называемому «первичному» кварцу, возникшему на первом этапе образования кварцевых жил. Доказательством этого возможно является то, что во всех изученных кварцевых агрегатах зерна этого типа образуют отдельные отчетливые «облака» плотности точек проекций оптических осей-С (рисунок 9). Полюса распределения точек для этого типа кварца имеют наибольшую площадь. «Облака» плотностей проекций оптических осей для второго и третьего типа кварцевых зерен не всегда обр азуют четкие и отдельные скопления (рисунок 9). Зачастую, в изученных агрегатах два этих типа кварца образуют почти сливающиеся скопления - вытянутые «пояса». Это может быть свидетельством того, что второй и третий тип кварцевых зерен возникали в ходе одного этапа перекри-стализации агрегата.

Максимумы, соответствующие скоплениям точек ориента-ций кварцевых зерен 4 типа располагаются на диаграммах, образуя четкие и отдельные «облака», не образующие пересечений с максимумами 1,2, 3 типа зерен. Это позволяет предположить, что индивиды 4 типа образовались в ходе отдельного этапа метаморфизма.

Проведен сравнительный анализ полученных результатов

онтогенического анализа с технологическими данными. Так, наше заключение по качеству кварца 414 жилы и других тел, основанное на результатах онтогенического и стереометрического анализа, полностью совпадает с технологической характеристикой этих объектов, что может быть дополнительным обоснованием существования корреляции между модальной долей выделенных типов кварца и технологической сортностью кварцевого сырья (таблица 2).

Полученное подтверждение расчетных, экспериментальных и практических результатов может служить дополнительным аргументом для использования комплексных онтогенических и стереометрических характеристик строения кварцевых агрегатов для оценки пригодности новых месторождений кварца или переоценке уже имеющихся.

Глава 5 Онтогеническая модель образования кварцевых агрегатов

Онтогенический подход в комплексе с современными методами исследования минеральных агрегатов позволяет провести оценку однородности и «совершенства» особенностей конституции и анатомии индивидов, которые определяются условиями формирования минерального агрегата. Таким образом, полученная при из учении морфологии и анатомии минеральных индивидов информация позволяет восстановить историю формирования и преобразования минерального агрегата (Руденко и др., 1978).

На основе имеющихся геологических данных об условиях формирования кварцевых тел и результатах онтогенического анализа (главы 3,4) предложена следующая последовательность образования кварцевых индивидов в ходе формирования изученных кварцевых тел :

1) агрегаты, состоящие в основном из первичных кварцевых индивидов СИ (матрица породы);

2) их преобразование за счет рекристаллизация более крупнозернистого первичного кварца (01) с образованием более мелкозернистого гранулированного с более гладкими границами срастаний минеральных индивидов; на этом этапе можно выделить появление двух типов индивидов <32 и С?3;

3) аннигиляция дефектов кварцевых индивидов в условиях повторно наложенных процессов метаморфизма с появлением индивидов «особо чистого» гранулированного кварца. Эти зерна стремятся образовать сростки, кластеры и субагрегаты. В шлифах наблюдаются ансамбли зерен <34, состоящие из непостоянного количества индивидов близкого гранулометрического состава.

Для обоснования предложенной эволюции строения кварцевых агрегатов необходимо обратиться к геологическим предпосылкам возможности их формирования.

По мнению большинства исследователей (Г.А. Кейльмана Г.Н. Вертушкова, Е.П. Мельникова), ведущая роль в формировании кварцевых тел, сложенных гранулированным кварцем, в изученном районе принадлежит многоэтапным и длительным процессам метаморфизма, с которыми коррелируют этапы формирования кварцевых тел, что выражается в многократно возобновляющемся процессе перекристаллизации кварцевых агрегатов. Все эти процессы фиксируются по изменению структуры и текстуры агрегатов.

Первый этап метаморфизма, связанный с процессами формирования Уфалейского антиклинория, развивавшегося на фоне общеуральских региональных поднятий, протекал в две стадии - прогрессивную и регрессивную. Особенностью прогрессивной стадии является вертикальное перемещение пластических масс, носящих диапироидный характер, что привело к формированию кварцевых тел, сложенных первичным кварцем (01). Перемещение пластических масс и многочисленные процессы деформации нашли свое отражение в анатомии кварца первого типа, который характеризуется большим количеством блоков волнистого погасания и обогащенно-стью различными дефектами кристаллической структуры. Об отнесении кварца первого типа к 1 стадии метаморфизма может свидетельствовать и обогащенность газово-жидких включений кварцевых индивидов этого типа жидкой углекислотой, что характерно для РТ-условий амфиболитовой и эпидот-амфиболитовой ф ации (Поленов, 2008).

Метаморфизм второй стадии носил регрессивный характер для пород гнейсового ядра и связан с интенсивными процессами

гранитизации, которые протекали в условиях амфиболитовой фации. Процессы второго этапа фиксируются по рекристаллизации и образованию 02 и (¡)3.

Третий этап метаморфизма является завершающим для «метаморфической истории» формирования Уфалейского антикли-нория и носит сложных многоступенчатый характер. В ходе этого этапа образовались к варцевые индивиды четвертого типа (С>4), к о-торые характеризуются гладкими, т.е. плоскими, границами срастания. Появление кварца четвертого типа может свидетельствовать о том, что система - кварцевый агрегат - приближается к состоянию близкому к структурному равновесию границ срастания. Для большей наглядности онтогенической модели формирования строения кварцевого агрегата приведен схематический рисунок 10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение комплексной методики онтогенического и стереометрического анализов исследования гранулированного кварца позволило сделать следующие выводы:

- онтогенический анализ индивидов кварца выявил общие закономерности формирования кварца в изученных месторождениях: тренд к уменьшению в индивидах кварца от типа СЬ к <34 количества газово-жидких и минеральных включений, постепенное очищение зерен от следов упругих деформаций, уменьшение шероховатости границ индивидов; результаты оценки степени шероховатости позволяют сделать вывод о том, что 1 тип кварца относится к ранней стадии онтогенеза, 2, 3 и 4 соответственно к последующим стадиям рекристаллизации кварцевых агрегатов;

- индивиды кварца 4 типа формируют субагрегаты, образуя гломерозернистую структуру, что отражается в значении коэффициента агрегативности. Гломерозернистые структуры формируются на завершающем этапе формирования минерального агрегата; кварцевые тела с наибольшей модальной долей кварца 4 типа являются наиболее перспективными для использования в качестве сырья для оптической промышленности;

- предложенная модель формирования кварцевых агрегатов предполагает наличие трех этапов их преобразования, коррелируе-

мых с метаморфической эволюцией района. С первым этапом метаморфизма связано формирование кварцевых тел, сложенных первичным кварцем (Q1). Процессы второй стадии фиксируются по рекристаллизации Q1 с образованием Q2 и Q3. Третий этап метаморфизма является завершающим для «метаморфической истории» формирования Уфалейского антиклинория. В ходе этого этапа в жилах возникали кварцевые индивиды четвертого типа (Q4);

Предложенная методика изучения гранулированного кварца позволяет оперативно разбраковывать по технологической пр и-годности жильный кварц на стадии поисково-разведочных работ и использоваться технологами при разработке или корректировке схемы технологического передела. Как показала практика, измерение только коэффициента светопропускания для оценки технологической пригодности кварцевого сырья не всегда достаточно. Кварцевые агрегаты визуально близкого строения и одинаковой прозрачности могут иметь совершенно разные результаты технологических оценок при проведении пробных плавок.

Основные положения работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Котова ЕЛ. Онтогенический анализ жильного кварца некоторых месторождений Южного Урала // Записки Горного института, Национальный Минерально-сырьевой университет «Горный» -2010.-т. 186.-391с.-С. 18-22.

2. Котова E.J1. Сравнительный анализ кварцевого сырья разного генезиса Урала // Записки Горного института, Национальный Минерально-сырьевой университет «Горный», - 2012. - т 195 -386с.-С. 45-49.

Публикации в иностранных изданиях

1. Kotova E.L. Stereometric Analysis of Ore Aggregatesfor Predicting Energy Savings During Disintegration of Ores / R. L. Brodskaya, E. L. Kotova// Materials of ICAM. Brisbane, Australia. - 2008. - С 681686.

2. Kotova E.L. Correlation between quantity of quartz raw material and stage of ontogeny development / E. L. Kotova // Material bei

Freiberger Forschungsforum 69, BERG UNT HÜTTENMÄNNISCHER TAG, Freiberg, Deutschland. - 2011.- C. 21-22.

3. Kotova E. L. Petrographic crystallography in solving problems of applied mineralogy / R.L. Brodskaya, E.L. Kotova // Materials of ICAM-2011. Northway, 2011. - C.76-78

4. Kotova E.L. Specific way of using of a modem electron microscopy methods for studying of boundaries and inner fabric of the mineral quartz individuals during quality estimation of the quartz raw material / E. L. Kotova // Materials of The 2nd International Conference on Competitive Materials and Technology Processes (ic-cmtp2), Miskolc, Hungary, 2012 - C. 32-34.

5. Kotova E.L. Micro-texture and cathodoluminescence (CL) characteristics of high-purity quartz from Russia / R. L. Brodskaya, J. Götze, E.L. // CORALS-2013 (Conference on Raman and Luminescence Spectroscopy in the Earth Sciences), Wien, Austria, 2013. - C.59-60.

Другие печатные издания

1. Котова E.JI. Оитогенический анализ жильного кварца и оценка кварцевого сырья / E.JI. Котова // Материалы Годичного собрания РМО. СПб, 2009. - С. 309-311.

2. Котова E.JI. Границы минеральных зерен в породе - «свидетели» геологических событий и энергетических трансформаций в агрегате / Р.Л. Бродская, И.В. Бильская, Е.Л. Котова// XI Съезд РМО Современная минералогия: от теории к практике. Материалы конференции. 2010.-С. 150-152.

3. Котова Е. Л. Связь между качеством минерального сырья и стадией онтогенического развития агрегата / Е.Л. Котова // Материалы II Международной научно-практической конференции м о-лодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского. 2011.-С. 79-82.

4. Котова Е.Л. Особенности использования методов современной электронной микроскопии при изучении границ и внутреннего строения минеральных индивидов кварца для проведения оценки качества кварцевого сырья/ Е.Л. Котова// Сборник лауреатов грантов компании ОПТЭК (Carl Zeiss), 2011. - С. 94-97.

РИЦ Горного университета. 10.10.2014. 3.748. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2