Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Состав, структура и технологические свойства кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Состав, структура и технологические свойства кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской"

юи

004614999

№

ИГУМЕНЦЕВА МАРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

СОСТАВ, СТРУКТУРА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ы

КВАРЦА КУЗНЕЧИХИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

J

И ЖИЛЫ БЕРКУТИНСКОЙ

Специальность 25.00.05 - «Минералогия, кристаллография»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

-2 ДЕН 2010

Екатеринбург - 2010

004614999

Работа выполнена в Институте минералогии УрО РАН (г. Миасс)

Научные руководители^

доктор химических наук

Быков Вадим Николаевич

член-корр. РАН Анфилогов Всеволод Николаевич (Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Поленов Юрий Алексеевич (Уральский Государственный горный университет, г. Екатеринбург)

кандидат геолого-минералогических наук

Савичев Александр Николаевич (Институт геологии и геохимии

им. акад. А.Н. Заварицкого УрО РАН)

Ведущая организация:

ОАО Кыштымский горно-обогатительный комбинат

Защита диссертации состоится « 23 » ноября 2010 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 004.021.02 в Институте геологии и геохимии им. акад. А.Н. Заварицкого УрО РАН по адресу: 620151, Россия, г. Екатеринбург, пер. Почтовый, 7.

'О

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института геологии и геохимии им. акад. А.Н. Заварицкого УрО РАН и на сайте http://www.igg.uran.ru

Автореферат разослан « 21 » октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 004.021.02, кандидат геолого-минералогических наук

Чащухин И.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время волоконно-оптические и лазерные технологии, а также технологии получения особо чистого кремния для микроэлектроники являются приоритетными направлениями развития современной техники. При этом в России практически отсутствует производство элементной базы современных волоконно-оптических систем и резко сокращено производство высокочистого кремния, в частности из-за отсутствия кварцевого стекла высокого качества.

Особо чистый кварц служит исходным материалом в технологии синтеза высококачественного кварцевого стекла, является стратегическим сырьем, и крупнейшие российские месторождения жильного кварца высокого качества расположены на Южном Урале (Кыштымская группа месторождений). Среди этих месторождений выделяется наиболее крупная по запасам жила № 175, на кварце которой работает Кыштымский ГОК, поставляющий кварцевые концентраты на российский и зарубежный рынок. Однако, разработка жилы ведется подземным способом, что значительно влияет на себестоимость кварцевого сырья. В этом же районе расположены ряд перспективных жил с достаточно высокими запасами, в частности это жила № 414 Кузнечихинского месторождения и жила Беркутинская Кыштымского месторождения, которые и являются предметом исследования. Для сравнения в работе изучен также кварц ряда жил Кузнечихинского месторождения (№ 191, 413), которые уже в значительной степени отработаны, но кварц, которых характеризуется высокими качественными показателями.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является изучение состава, строения и технологических свойств гранулированного кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выделение различных типов кварца на основе анализа структурно-текстурных и количественных гранулометрических характеристик кварцевых жил.

2. Определение особенностей внутреннего строения зерен кварца различных структурно-минералогических типов методами электронно-микроскопического, ИК-спектроскопического и катодолюминесцентного анализа.

3. Исследование минеральных включений в кварце (количество, состав, спектроскопические особенности).

4. Изучение воды и ОН-групп в кварце методом ИК-Фурье спектроскопии.

5. Проведение тестовых наплавов, изучение физико-химических характеристик полученных кварцевых стекол и оценка на этой основе качества кварцевого сырья.

Материал и методы исследования. Объектами исследования в работе являются кварцевые жилы Кузнечихинского месторождения (№ 191,413 и414)ижилаБеркутинская.

Для решения поставленных задач в работе использовался комплекс современных физических методов исследования вещества и программные средства обработки полученных данных. Все аналитические исследования выполнены в ЦКП по исследованию минерального вещества в Институте минералогии УрО РАН. Оптические исследования минералов были проведены в пластинах (107 шт.), шлифах (254 шт.) и аншлифах (238 шт.) на микроскопе-бинокуляре МПСУ-1, оптического микроскопа Axiolab, Olympus ВХ50 сопряженного с компьютером. ИК-спектроскопические исследования образцов были проведены на инфракрасном Фурье-спектрометре NICOLET NEXUS-870 с микроскопом Continuum (254 шт.). KP-спектры минеральных включений в кварце были зарегистрированы на приборе RMS 320 LabRam Jobin Yvon с микроскопом Olympus ВХ41 (102 шт.). Исследования методом электронной микроскопии проводились на растровом электронном микроскопе РЭММА-202М с энергодисперсионной приставкой с Si-Li детектором (184 шт.). Исследования методом импульсной катодолюминесценции проводились с использованием импульсного катодолюминесцентного анализатора веществ "КЛАВИ-Р", созданного на базе малогабаритного импульсного сильноточного ускорителя РАДАН-ЭКСПЕРТ в Институте электрофизики УрО РАН (184 шт.). Для определения гранулометрических характеристик кварца была использована программа компьютерного анализа изображения Image Tool (124 шт.). Фазовый рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре ДРОН-2 (25 шт.). Измерения мессбауэровских спектров проводились при комнатной температуре с помощью спектрометра МС-2201 с источником излучения 57Со в матрице Cr в режиме постоянных ускорений (18 шт.).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Комплексом физических методов (электронная микроскопия, ИК- KP- спектроскопия, катодолюминесценция) и компьютерным моделированием установлено, что основными минеральными примесями жильного кварца являются фенгит, биотит, полевые шпаты (высокоупорядоченные альбит и микроклин), гранаты, апатит. Содержание минеральных примесей уменьшается в ряду: мелкозернистый серый кварц (жила Беркутинская) —> тонкомелкозернистый белый кварц (жила Беркутинская) —> серый тонкозернистый кварц (Кузнечихинское месторождение).

2. Методом ИК-Фурье спектроскопии установлено, что вода в кварце в основном содержится в молекулярной форме в трещинах, каналах, межзерновом пространстве и газово-жидких включениях. В кварце присутствуют гидроксильные группы в составе тонкодасперсных водосодержащих минеральных включениях, количество которых коррелирует с содержанием молекулярной воды, и точечные дефекты, которые представляют собой А1-ОН группировки.

3. Разработан метод лабораторных плавок, позволяющий определять технологические характеристики кварцевого сырья. Этим методом установлено, что по оптическим свойствам, содержанию пузырей и свилей кварцевое стекло, наплавленное из глубокообогащенного кварца Кузнечихинского месторождения не уступает стеклу из кварца марки Iota-standard фирмы Unimin. Стекло из кварца жилы Беркутинская, характеризуется повышенным содержанием свилей, обусловленных присутствием в сырье полевых шпатов, слюды которые полностью не удаляются при используемых технологиях обогащения.

Научная новизна.

1. Разработана методика определения гранулометрических характеристик, которая применяется для анализа гранулированного кварца разных структурно-минералогических типов Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской.

2. Определено количественное содержание, состав и спектроскопические особенности минеральных включений в кварце Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской и показано, что они представлены фенгитом, биотитом, высокоупорядоченными альбитом и микроклином, Са- и Mg-альмандином, андрадитом и апатитом.

3. Для кварца изученных жил методом ИК-Фурье спектроскопии получены данные по количественному содержанию различных форм воды и определены температуры их эффективного удаления.

4. На основе систематических экспериментов по плавке кварцевого стекла с последующим определением его физико-химических характеристик проведена оценка качества кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской, а также оценка эффективности технологий его обогащения.

Практическая значимость.

1. Метод компьютерного анализа изображения дает информацию о детальных гранулометрических характеристиках кварцевых индивидов, что позволяет предложить эффективные способы его обогащения.

2. Детальное, в том числе и количественное изучение минеральных включений в кварце, является основой для разработки оптимальных схем обогащения и получения кварцевых концентратов высокой степени чистоты.

3. Полученные количественные данные по состоянию и структурному положению различных форм воды в кварце позволяют определять сырье для синтеза беспузырного кварцевого стекла.

4. Тестовые наплавы кварцевых стекол дают возможность проводить прямую оценку качества обогащенных кварцевых концентратов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Научной студенческой школе «Металлогения древних и современных океанов» (Миасс, 2003, 2004, 2005, 2007 г.); на Международном семинаре «Кварц. Кремнезем» (г. Сыктывкар, 2004 г.); Международной научной конференции «Спектроскопия и кристаллохимия минералов» (Екатеринбург, 2007 г.); Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (г. Москва, 2009 г.); Всероссийских научных чтениях им В.О. Полякова (Миасс, 2009 г.); на Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Миасс, 2009 г.); на Международной Школе по наукам о Земле (г. Одесса, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору химических наук В.Н. Быкову за предложенную тему исследований, постоянную поддержку, внимание и помощь в работе над диссертацией, директору ИМин УрО РАН член,-корр. РАН В.Н. Анфилогову за ценные советы и содействие. Автор признателен сотрудникам Института минералогии УрО РАН: д.г-м.н. А.И. Белковскому, к.г.-м.н. Л.Я.Кабановой, к.г.-м.н. В.А. Котлярову, к.т.н. Р.Ш. Насырову, Т.М. Рябухиной, П.В. Хворову, Р.Т. Зайнулиной, Н.К. Никандровой, А.Б. Миронову, Н.И. Кашигиной, М.А. Крыловой, М.В. Штенбергу. За обсуждение и ценные советы автор благодарит д.г,-м.н. В.А. Попова, к.г.-м.н. Е.П. Макагонова. Автор также благодарит коллектив шлифовальной мастерской ИМин УрО РАН.

Первое защищаемое положение

Комплексом физических методов (электронная микроскопия, ИК- KP- спектроскопия, катодолюминесценция) и компьютерным моделированием установлено, что основными минеральными примесями жильного кварца являются фенгит, биотит, полевые шпаты (высокоупорядоченные альбит и микроклин), гранаты, апатит. Содержание минеральных примесей уменьшается в ряду: мелкозернистый серый кварц (жила Беркутинская) —* тонкомелкозернистый белый кварц (жила Беркутинская) —► серый тонкозернистый кварц (Кузнечихинское месторождение).

При изучении структурно-текстурных особенностей, кварца Кузнечихинского месторождения (жилы № 191, 413, 414) и жилы

Беркутинской особое внимание уделялось форме, размерам кварцевых индивидов и степени изрезанное™ границ.

Основную часть кварца всех жил Кузнечихинского месторождения составляет серый тонкозернистый кварц, со средним размером зерна 0.3 мм (рис. 1а). На жиле Беркутинской выделяются два типа кварца, со средним размером зерна 0.6 мм (рис. 16, в): белый тонко-мелкозернистый кварц (I тип) и серый мелкозернистый полупрозрачный кварц (И тип) со средним размером зерна 0.8 мм. Кварц I типа составляет большую часть жилы и расположен в ее центральной части, тогда как кварц II типа встречается на участках контактов жилы с вмещающими породами.

Рис. 1. Структурные типы гранулированного кварца:

а) серый тонкозернистый «льдистоподобный» кварц «егустинского» типа (жила № 414, образец 12); б) белый тонко-мелкозернистый кварц «уфалейского» типа (Кыштымское месторождение, жила Беркутинская. образец Б_300-15); в) серый мелкозернистый кварц «уфалейского» типа (Кыштымское месторождение, жила Беркугинская, образец Б_201-31). Николи скрещены.

На рисунке 2 приведены данные по распределению размеров зерен в кварце Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской.

Рис. 2. Гистограмма количественного распределения зерен в зависимости от размера в кварце.

| - Кузнечихинехое месторождение, & - жила Беркутинская I тип, Щ - жила Беркутинская II тип.

При производстве кварцевых концентратов используемой фракцией является 0.1-0.4 мм. Из рисунка видно, что значительное количество зерен (до 75 %) размером от 0.1 до 0.4 мм присутствует в тонкозернистом кварце Кузнечихинского месторождения.

Исследования кварца методом электронной микроскопии показали, что на сколах кварца присутствует значительное количество

микродефектов таких как участки перекристаллизации, ямки травления, газово-жидкие включения и точечные включения.

Кузнечихинское месторождение и жила Беркутинская относятся к объектам, на которых может быть выделен особо чистый кварц. Степень чистоты кварца в первую очередь определяется присутствием в нем включений и примесей.

Для выделения минеральных включений в кварце и проведения количественного минералогического анализа был использован метод электромагнитной сепарации и разделение кварцевых концентратов в тяжелых жидкостях. На рисунке 3 представлена гистограмма содержания минеральных включений в кварце.

0,25

0,20

5 2

0,15

§ 1 0,10 и ^

0,05

0,00

Электромагнитная и тяжелая фракции

Легкая фракция

Л///////А

Рис. 3. Содержание минеральных включений в электромагнитной/тяжелой и легкой фракции в кварце разных структурных типов.

■ — кварц Кузнечихинского месторождения;

жила Беркутинская Щ — белый кварц (1 типа), Щ - серый кварц (II типа).

Из гистограммы видно, что в сером тонкозернистом кварце Кузнечихинского месторождения установлены самые низкие содержания минеральных включений как в электромагнитной/тяжелой, так и в легкой фракции. Несколько выше эти значения в белом тонко- мелкозернистом кварце I типа жилы Беркутинской. Наибольшее количество минеральных включений, особенно в электромагнитной и тяжелой фракции наблюдается в сером мелкозернистом кварце II типа жилы Беркутинской.

Основными минеральными включениями в кварце Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской являются: слюды (фенгит, биотит), полевые шпаты (альбит и микроклин), гранаты, апатит.

Фенгиты встречаются по границам зерен в виде мелких чешуек, пластинок и табличек. На рисунке 4 представлен химический состав белой слюды в координатах АГ, АГ

Рис. 4. Вариации составов белой слюды: а - Кузнечихинского месторождения, б - жилы Беркутинской.

Ми - .мусковит К2АШ1£1бО20)(ОН)4, РИ - фенгит К^АЬХАМ&оНОНи РМи -ферримусковит РРИ - феррифенгит К2(М& Р^Р^АШ&АоКОНи

Все образцы попадают в область промежуточного состава слюды мусковиг-фенгитового ряда. Из рисунков видно, что все слюды Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской имеют отклонение от состава стехеометрического мусковита, обусловленное замещением А141 на Ре3+ и замещением Чермака (М§, Ре2^1"', бЛ = А!41, А11У (рис. 5).

Обще содержание железа в фенгитах составляет 3.43-5.20 мае. %. По данным мессбауэровской спектроскопии фенгиты имеют высокие концентрации Ре3+ (66.3-99.4 %), что свидетельствует об образовании окисленных слюд, в которых ионы трехвалентного железа находятся в цис-позициях.

М^е

М^е

0,7 0,6

Ъ

-& 0,5 у

и.

^ 0,4 0,3 0,2

1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

А]", ф.е.

Рис. 5. Зависимость суммы магния и железа от содержания октаэдрического алюминия в белой слюде Кузнечихинского месторождения (•) и жилы Беркутинской (П).

Биотит преобладает в сером мелкозернистом кварце II типа жилы Беркутинской, тогда как в белом кварце I типа жилы Беркутинской и тонкозернистом кварце Кузнечихинского месторождения он менее распространен чем фенгит. Анализ составов биотитов из разных жил показывает, что содержание алюминия в биотитах изменяются в широких пределах, тогда как содержания магния и общего железа различаются незначительно. Обще содержание железа в биотитах составляет 18.50— 22.38 мае. %. По данным мессбауэровской спектроскопии биотитов установлено, при увеличении Fe3+ уменьшается количество Fe2^, доля Fe2+TpaHc остается практически неизменной, т.е. окисление Fe2+ происходит в цис-позициях.

Полевые шпаты на Кузнечихинском месторождении и жиле Беркутинской представлены альбитом и микроклином. Альбит встречается в кристалликах таблитчатого облика белого цвета, на гранях спайности имеет яркий стеклянный блеск. Включения микроклина наблюдаются также в виде отдельных мелких зерен в межзерновом пространстве кварца. Методом энергодисперсионного анализа установлено, что содержание альбитовой компоненты в микроклине не превышает 10 %, и содержание микроклинового минала в альбите весьма незначительно.

В соответствии с работой [Остроумов, 1991] в зависимости от степени упорядоченности на ИК-спектрах отражения полевых шпатов полосы в области 700-800 см'1 и 760-780 см"1 изменяют свою интенсивность. На основании анализа соотношения интенсивностей этих полос было установлено, что изученные калиевые полевые шпаты представлены высокоупорядоченными низкими альбитом и микроклином. Необходимо отметить, что по данным выполненного количественного минералогического анализа на Кузнечихинском месторождении наиболее распространен микроклин, тогда как на жиле Беркутинской преобладает альбит.

По данным катодолюминесцентного анализа в диапазоне 350-850 нм в ИКЛ спектрах альбитов присутствуют две полосы: полоса ~ 550 нм, относящаяся к излучению ионов Мп2+ и полоса - 730 нм, связанная с люминесценцией ионов Fe3+ (рис. 6). На ИКЛ спектрах микроклинов выделяются две основные полосы ~ 470, связанная с излучением ионов [А104]4 и 730 нм, относящаяся к излучательного переходу в тетраэдрически координированных ионах Fe3+. На ИКЛ спектрах микроклина со стороны более высоких длин волн на полосе 470 нм присутствует плечо, обусловленное люминесценцией ионов Мп2+ (рис. 7).

Гранаты в кварцевых жилах распространены незначительно и встречаются в сростках с кварцем, слюдами, альбитом и микроклином.

400 500 60(1 7<Х1 800 Длина волны, нм

Рис. 6. Катодолюминесцентные спектры альбитов.

Кузнечихинское месторождение: 191-12 (1), 414-08 (3); Жила Беркутинская: Б_542-02 (2), Б_300-12 (4).

400 500 600 700 800 Длина волны, нм

Рис. 7. Катодолюминесцентные спектры микроклина.

Кузнечихинское месторождение: 191-03 (1), 414-10 (2):

Жила Беркутинская: Б_202-15 (3), Б14 (4).

По данным химического анализа гранатов установлено, что на Кузнечихинском месторождении преобладает Са-альмандин, но также встречаются Г^-альмандин и андрадит, в то время как на жиле Берутинской - наиболее распространен андрадит и в меньших количествах встречается Са-альмандин.

Апатит встречается в виде кристаллов удлиненно-призматического габитуса, иногда - короткопризматических или таблитчатых. Параметры элементарной ячейки, рассчитанные методом наименьших квадратов с использованием 13 отражений для апатита, составляют: а = Ь = 9.363 А, с = 6.874 А, с/а = 0.734 А. Данные параметры элементарной ячейки соответствуют фторапатиту.

Второе защищаемое положение

Методом ИК-Фурье спектроскопии установлено, что вода в кварце в основном содержится в молекулярной форме в трещинах, каналах, межзерновом пространстве и газово-жидких включениях. В кварце присутствуют гидроксильные группы в составе тонкодисперсных водосодержащих минеральных включениях, количество которых коррелирует с содержанием молекулярной воды, и точечные дефекты, которые представляют собой А1-ОН группировки.

Инфракрасная спектроскопия, особенно в связи с появлением современных Фурье-спектрометров, является наиболее эффективным методом для изучения состояния и структурного положения воды в кварце. ИК спектр кварца в области фундаментальных валентных

колебаний воды (3000-3800 см"1) представляет собой широкую диффузную полосу, на которую накладываются узкие полосы, так называемых Н-дефектов. Широкая полоса приписывается молекулярной воде, находящейся в основном в трещинах и газово-жидких включениях. Узкие полосы обусловлены колебаниями структурно связанной воды, к которой в первую очередь относятся гидроксильные группы, находящиеся в различном структурном окружении.

Для детального анализа спектров было выполнено моделирование «водной» области (3000-3800 см"1) на суперпозицию 7 гауссовских линий (рис. 8).

Рис. 8. Моделирование инфракрасного спектра поглощения кварца суперпозицией гауссовских линий.

Кузнечихинское месторождение, жила № 191, образец 191-01.

зооо

3200 3400 3600 Волновое число, см"'

3800

Основные полосы 3220 и 3410 см"1 принадлежат, соответственно, к симметричным и антисимметричным валентным колебаниям связи О-Н в молекулах воды. Небольшие линии с максимумами 3198 и 3296 см"1 относятся к обертонам и составным частотам основных колебаний связи Si-О в решетке кварца. Узкая полоса с максимумом 3379 см"1 связана с колебаниями группировок А1-ОН, образованных при замещении Si на А1 в сетке тетраэдров Si04. Полосы 3600 и 3750 см"1 как правило приписывают колебаниями ОН-групп в тонкодисперсных водородсодержащих минеральных включениях в кварце [Kats, 1962; Aines et al., 1984]. Эти полосы наблюдаются в спектрах слюд, которые по данным минерального анализа, являются широко распространенными минеральными включениями в кварце. Необходимо отметить, что в работе [Kronertberg, 1994] указано, что полосы 3600 и 3750 см"1 могут быть связаны, соответственно, с симметричными и антисимметричным колебаниям ОН-групп в силанольных группировках или в изолированных молекулах воды.

В соответствие с законом Бугера-Ламберта-Бера была рассчитана концентрация различных Н-дефектов. Нами использовалось упрощенное соотношение:

СН=А-А,

где Си - число атомов водорода на 106 атомов кремния, А -калибровочный коэффициент (для воды 1.05; для ОН групп 0.812), Д -нормированная интегральная интенсивность линии. Атомные количества водорода были пересчитаны в массовые концентрации соответствующих группировок.

Выполненные расчеты показали, что вода в кварце Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской в основном содержится в молекулярной форме в трещинах, каналах, межзерновом пространстве и газово-жидких включениях. Наблюдается прямая корреляция между содержанием ОН в тонкодисперсных минеральных водосодержащих включениях и концентрацией молекулярной воды (рис. 9а).

а)

60 во 100 120 140 160

КО, ррш

1,4

1.А

1,0

S а 0,8

X

О 0,6

<

0.4

0,2

0,0

б)

I ШП !

ТИП N

у. Ч

«0 SO 100 120 140 ISO lÜO, ppm

Рис. 9. Соотношение концентраций: а) молекулярной воды и гидроксильных группировок в тонкодисперсных минеральных включениях в кварце разного структурного типа, б) группировок А1-ОН и содержания молекулярной воды.

• Кузнечихинское месторождение, □ - жила Беркутинская (I тип кварца), Д -жила Беркутинская (II тип кварца).

В кварце Кузнечихинского месторождения содержание молекулярной воды лежит в интервале 20-140 ррш. Количество ОН групп в минеральных включениях составляет 3-17 ррш. Кварц жил № 191 и 413 характеризуется меньшими содержаниями воды и водосодержащих минеральных включений, по сравнению с кварцем жилы № 414.

На рисунке также отчетливо выделяются области, соответствующие кварцу I типа жилы Беркутинской (белый тонкомелкозернистый кварц) с пониженными содержаниями воды и водосодержащих минеральных включений и область, характеризующая кварц II типа (серый мелкозернистый кварц) с более высокой концентрацией водородсодержащих группировок.

На рисунке 96 представлена зависимость концентрации группировок А1-ОН от содержания молекулярной воды в изученных

образцах кварца. Из рисунка видно, что концентрация группировок А1-ОН не зависит от концентрации молекулярной воды, и она не превышает 0.5 ррт для всех жил Кузнечихинского месторождения. Содержание А1-ОН групп в кварце жилы Беркутинской изменяется от 0.4 до 1.2 ррт.

Для выяснения поведения воды в кварце Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской были проведены эксперименты по высокотемпературному отжигу в интервале 100-1200 °С с шагом 100 °С с регистрацией инфракрасного спектра после каждого отжига. На рисунке 10 для примера представлены серия инфракрасных спектров гранулированного кварца с относительно высоким и низким исходным содержанием воды, полученных после последовательного отжига до температуры 1200 °С.

Рис. 10. Инфракрасные спектры гранулированного кварца с относительно высоким (а) и низким (б) исходным содержанием воды, полученных после последовательного отжига до температуры 1200 °С.

а) Кузнечихипское месторождение, жила Л? 191, образец 191-01; б) Кузнечихинское месторождение, усила N2 414, образец 414-04.

Из рисунка видно, что с увеличением температуры отжига интенсивность широкой полосы 3410 см"1 убывает. При температуре 1100 °С узкая полоса 3378 см"1 практически исчезает, что указывает на дегидратацию группировок А1-ОН при этой температуре. Площадь линий обертонов и составных частот остается неизменной при различной температуре отжига, что еще раз доказывает их принадлежность к колебаниям решетки кварца.

Выполнено моделирование всех зарегистрированных спектров кварца после отжига при каждой температуре, а затем рассчитана концентрация водородсодержащих группировок.

На рисунке 11а показано изменение концентрации молекулярной воды в гранулированном кварце в зависимости от температуры отжига.

т'с т,°с

-«-б2 -»-414-12 413-02 -+-414-04 -е- «3-03 -♦-191-® -о-191-ш 4*201-02 -»-201-01 -л-300-16

Рис. 11. Изменение концентрации: а) молекулярной воды, б) группировок А1-ОН в гранулированном кварце в зависимости от температуры отжига.

Концентраты молекулярной воды убывает по экспоненциальному закону с увеличением температуры. После отжига при температуре 1200 °С концентрация молекулярной воды в образцах снижается до величины ~ 5-15 ррт. Это остаточное количество воды, вероятно, связано с субмикроскопическими включениями, которые остаются в кварце даже при такой высокой температуре.

Группировки А1-ОН начинают разрушаться при температуре ~ 600 °С (рис. 116). Вероятно, этому способствует полиморфное превращение а-|3 кварц при 573 °С, при котором тригональная решетка перестраивается в гексагональную с небольшим разуплотнением. При 1000 °С происходит полное разрушение этих группировок.

Необходимо отметить, что для всех образцов кварца наблюдается подобное поведение группировок А1-ОН. Гидроксильные группировки в составе тонкодисперсных минеральных включений начинают разрушаться при 1000 °С, именно при этой температуре происходит дегидратация слюд и амфиболов, которые являются типичными минеральными примесями в гранулированном кварце Южного Урала.

Третье защищаемое положение

Разработан метод лабораторных плавок, позволяющий определять технологические характеристики кварцевого сырья. Этим методом установлено, что по оптическим свойствам, содержанию пузырей и свилей кварцевое стекло, наплавленное из глубокообогащенного кварца Кузнечихинского месторождения не уступает стеклу из кварца марки ^а^апёаг«! фирмы иштш. Стекло из кварца жилы Беркутинская, характеризуется повышенным содержанием свилей, обусловленных присутствием в сырье полевых шпатов, слюды которые полностью не удаляются при используемых технологиях обогащения.

Для проведения сравнительного анализа качества были наплавлены кварцевые стекла из кварца разных структурно-технологических типов разной степени очистки, в том числе и из кварца предварительного обогащения.

На рисунке 12 для примера представлены теневые фотографии стекол, наплавленных из кварцевых концентратов различной степени обогащения жилы Беркутинской.

& а

К:' ;

надо ^

5К

■ ... „У" :

Рис. 12. Теневые изображения кварцевых стекол, наплавленных из кварцевых концентратов разной степени обогащения жилы Беркутинской:

1 - кварц предварительного обогащения (ООО «Кристалл»),

2 - кварц глубокого обогащения (ООО «Кристалл»),

3 - кварц глубокого обогащения (Институт минералогии).

Черные круглые включения - пузыри, светлые включения неправильной формы -свили.

Из рисунка видно улучшение качества стекол при увеличении степени обогащения кварца. В стеклах, наплавленных из кварцевых концентратов предварительного обогащения, присутствует большое количество свилей. В стеклах присутствуют также пузыри, которые на теневых фотографиях изображаются черными круглыми дефектами. Их количество во всех стеклах жилы Беркутинской не очень велико.

Газонаполненные пузыри, присутствуют в стеклах из-за наличия в кварце газово-жидких включений, воды и других летучих компонентов. На рисунке 13 приведены характерные теневые фотографии кварцевых стекол предварительного и глубокого обогащения Кузнечихинского месторождения, обработанные на компьютере для четкого выделения пузырей. Темными кружками на рисунке обозначены пузыри. Из рисунка видно, как уменьшается количество пузырей в стекле, наплавленном из глубокообогащенного кварцевого концентрата.

Рис. 13. Характерные теневые фотографии кварцевых стекол предварительного и глубокого обогащения Кузнечихинского месторождения, подвергшиеся компьютерной обработке.

1 - кварц предварительного обогащения, образец 39; 2 - кварц глубокого обогащения, образец 102.

На рисунке 14 представлены результаты подсчета количества пузырей разного размера в наплавленных стеклах. Подсчет производился с помощью программы Image Tool. Из гистограммы видно, что стекла, полученные из кварцевых концентратов глубокого обогащения Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской, по содержанию пузырей, как правило, лучше, чем стекла из кварца марки ЮТА фирмы Unimin.

Номера образцов

■ <90 090-120 0120-400 Ш>400 мкм

Рис. 14. Количество пузырей разного размера в кварцевых стеклах.

Стекла, полученные из кварца предварительного обогащения, обозначены *.

На рисунке 15 представлены спектры пропускания наплавленных кварцевых стекол в ультрафиолетовой области. Для сравнения на этом же рисунке приведен спектр стекла, наплавленного из кварцевого концентрата марки ЮТА фирмы Шипт (США).

Длина волны, мм

Рис. 15. Спектры пропускания наплавленных кварцевых стекол в ультрафиолетовой области.

Кузнечихинское месторождение: образцы Хя 39, 24, 79, 78, 102. Жила Беркутинская: образцы N° 14, 35, 77, 76, 60.

Качество кварцевого стекла определяется значением его пропускания в УФ- и видимой области, а также тем насколько сильно край фундаментального поглощения сдвинут в коротковолновую область. Из рисунка видно, что оптические свойства кварцевого стекла из сырья Кузнечихинского месторождения лучше, чем у стекла, полученного из ЮТА - кварца и кварца жилы Беркутинской.

После проведения глубокого обогащения стекла, наплавленные из кварца Кузнечихинского месторождения (жилы № 191, 413) не содержат свилей и имеют незначительное количество пузырей. В стеклах, полученных из кварца глубокого обогащения жилы № 414 количество пузырей сопоставимо с количеством пузырей в стеклах, наплавленных из концентратов жилы Беркутинской. Большое количество свилей в сером среднезернистом кварце жилы Беркутинской обусловлено присутствием в нем значительного количества минеральных примесей, в частности полевых шпатов. Полученные данные подтверждаются результатами минерального анализа кварца этих жил.

Таким образом, по оптическим свойствам, содержанию пузырей и свилей кварцевое стекло, наплавленное из глубокообогащенного кварца Кузнечихинского месторождения, не уступает стеклу из кварца марки Iota-standard фирмы Unimin. Стекла, наплавленные из кварцевых концентратов жилы Беркутинской, содержат большое количество свилей из-за присутствия в исходном кварце минеральных включений, представленных в основном полевыми шпатами и слюдами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследования кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской методом оптической микроскопии показали, что жилы Кузнечихинского месторождения сложены серым тонкозернистым кварцем. На жиле Беркутинской присутствует два типа кварца: тонкомелкозернистый белый кварц, слагающий центральную часть кварцевой жилы и мелкозернистый серый кварц, расположенный на контактах с вмещающими породами.

2. С использованием метода компьютерного анализа изображения впервые были определены детальные гранулометрические характеристики выделенных типов кварца. Установлено, что в тонкозернистом кварце Кузнечихинского месторождения средний размер зерна составляет 0.3 мм. В белом тонко-мелкозернистом кварце жилы Беркутинской средний размер зерна равен 0.6 мм, в то время как в мелкозернистом сером кварце жилы Беркутинской 0.8 мм.

3. Методом электронной микроскопии высокого разрешения на субмикронном уровне установлен ряд дефектов, таких как участки перекристаллизованного и растворенного кварца, газово-жидкие включения, малоугловые и болыпеугловые дислокации. Показано, что кварц жилы Беркутинской более перекристаллизован и содержит большое количество мелких газово-жидких включений. Кварц жилы Беркутинской менее перекристаллизован и содержит незначительное количество крупных газово-жидких включений.

4. Исследование ИК-спектров пропускания кварца показало, что все образцы обладают высокой степенью кристалличности. Установлено, что изменение относительных интенсивностей структурно-чувствительного дублета 780-800 см"1 на ИК-спектрах отражения кварца может быть связано с различной ориентацией зерен относительно падающего луча.

5. Методом количественного минералогического анализа и оптической микроскопии показано, что основными минеральными включениями в кварце являются слюды, полевые шпаты, гранаты, апатит. Определены химический состав включений и их спектроскопические характеристики.

6. Установлено, что самые низкие содержания минеральных включений наблюдаются в сером тонкозернистом кварце Кузнечихинского месторождения. Наибольшее количество минеральных включений, особенно в электромагнитной и тяжелой фракции выявлено в сером мелкозернистом кварце жилы Беркутинской. Показано, что белая слюда попадает в область промежуточного состава мусковит-фенгитового ряда, а полевые шпаты представлены высокоупорядоченным низким альбитом и микроклином.

7. По данным мессбауэровской спектроскопии установлено, что фенгиты имеют высокую степень окисления, и ионы трехвалентного железа находятся в цис-позициях. В биотитах при увеличении Fe3+ уменьшается количество Fe2+mC, доля Fe2+ipaHC остается практически неизменной, т.е. окисление Fe2+ происходит в цис-позициях.

8. В кварце глубокого обогащения Кузнечихинского месторождения содержание структурных примесей близки к значениям кварца марки ЮТА, в то время как в кварце жилы Беркутинской наблюдается превышение допустимых значений по основным элементам (Al, Fe, Na, К).

9. Исследования кварца методом импульсной катодолюминес-ценции показали, что в спектрах кварца кроме основной полосы 490 нм, обусловленной ионами алюминия, изоморфно замещающими атомы кремния, присутствуют полосы, связанные с ионами Мп2+ и Fe2+ в минеральных включениях. Установлено, что интенсивность полосы 490 нм изменяется в широких пределах и зависит как от содержания алюминия, так и РТ-условий образования кварца.

10. Анализ ИК-спектров кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской показал, что все изученные образцы обладают одним набором водосодержащих группировок, концентрация которых изменяется в зависимости от структурно-технологического типа кварца. Вода в кварце в основном содержится в молекулярной форме в трещинах, каналах, межзерновом пространстве и газово-жидких включениях.

11. Анализ инфракрасных спектров кварца, подвергнутого последовательному отжигу в интервале температур 100-1200 °С показал, что с увеличением температуры интенсивность основной полосы в спектрах и соответственно содержание молекулярной воды последовательно убывает. Дегидратация группировок А1-ОН начинается при температуре 600 °С и они практически полностью исчезают при температуре 1000 °С. Содержание гидроксильных групп в составе тонкодисперсных минеральных включений уменьшается до единиц ррш при температуре 1200 °С.

12. При изучении физико-химических характеристик кварцевых стекол, полученных методом плавления в вакууме, установлено, что основными дефектами являются пузыри и разноокрашенные свили. Показано, что кварцевое стекло, наплавленное из глубокообогащенного кварца Кузнечихинского месторождения сопоставимо по своим физико-химическим показателям со стеклом из кварца марки Iota-standard фирмы Unimin, в то время как стекло, полученное из кварца жилы Беркутинской, содержит большое количество свилей. Существование свилей обусловлено присутствием в исходном кварцевом сырье минеральных включений, таких как полевые шпаты, которые не были полностью удалены при используемых технологиях обогащения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах перечня ВАК

1. Игуменцева М.А., Кораблев А.Г., Быков В.Н. Применение компьютерного анализа изображения для количественной характеристики структуры гранулированного кварца // ЗВМО. 2007. № 3. С. 128—131.

2. Насыров Р.Ш., Быков В.Н., Кораблев А.Г., Шатров А.Р., Игуменцева М.А. Тестовые наплавы кварцевого стекла как метод оценки качества кварцевых концентратов // Разведка и охрана недр. 2007. С. 46-47.

3. Штенберг М.В., Игуменцева М.А., Быков В.Н. Инфракрасная Фурье спектроскопия воды и Н-дефектов в гранулированном кварце Кузнечихинского месторождения (Ю. Урал) // Литосфера. 2010. № 4. С. 152-156.

В других изданиях

4. Аткарская А. Б., Игуменцева М.А., Еремяшев В.Е. Кристобалитизация кремнезема и ее влияние на качество синтетического кварцевого стекла // Материалы Международного семинара «Кварц. Кремнезем». Сыктывкар: Геопринт, 2004. С. 239.

5. Быков В.Н, Игуменцева М.А., Соловьева С.А. Исследование кварца месторождений южного Урала методом инфракрасной спектроскопии и импульсной катодолюминесценции // Материалы Международного семинара «Кварц. Кремнезем». Сыктывкар: Геопринт, 2004. С. 83-84.

6. Насыров Р.Ш., Кораблев А.Г., Шатров А.Р., Игуменцева М.А., Быков В.Н. Природный кварц Урала как сырье для синтеза кварцевого стекла // Материалы Международного семинара «Кварц. Кремнезем». Сыктывкар: Геопринт, 2004. С. 192.

7. Игуменцева М.А., Орешенкова Е.В. Светопропускание жильного кварца Кузнечихинского и Кыштымского месторождений (Урал) // Металлогения древних и современных океанов - 2005. Миасс: ИМин УрО РАН, 2005. Т. 2. С. 142-144.

8. Соловьева С.А., Игуменцева М.А., Быков В.Н. Исследование кварца Кыштымского и Караяновского месторождений методом импульсной катодолюминесценции // Уральский минералогический сборник № 13. Миасс: ИМин УрО РАН, 2005.

9. Игуменцева М.А., Шатров А.Р., Насыров Р.Ш., Еремяшев В.Е. Импульсная катодолюминесценция как экспрессный метод оценки качества кварцевого сырья // Спектроскопия и кристаллохимия минералов 2007. Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2007. С. 47.

10. Игуменцева М.А., Быков В.Н. Оценка эффективности обогащения кварца месторождений Южного Урала // Материалы ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ЕСЭМПГ). Тезисы докладов. 2007. С. 31.

11. Игуменцева МЛ. Исследования кварца Кузнечихинского и Кыштымского месторождений как сырья для получения беспузырного кварцевого стекла // Металлогения древних и современных океанов - 2007. Миасс: ИМин УрО РАН, 2007. Т. 2. С. 119-123.

12. Игуменцева М.А., Шатров А.Р., Насыров Р.Ш. Определение степени кристобалитизации кварца методом рентгеновской дифракции и ИК-спектроскопии // Кристаллохимия и рентгенография минералов. Миасс: ИМин УрО РАН, 2007. С. 255-257.

13. Игуменцева МЛ., Быков В.Н. Люминесцентные исследования примесных дефектов в гранулированном кварце Кузнечихинского месторождения // Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследований». Миасс: УрО РАН, 2009. С. 157-158.

14. Игуменцева МЛ., Котляров В. А. Растровая электронная микроскопия жильного кварца Кузнечихинского месторождения // Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследований». Миасс: УрО РАН,

2009. С. 159-161.

15. Игуменцева МЛ., Быков В.Н. Реальная дефектная структура кварца Кузнечихинского месторождения (Южный Урал) // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ЕСЭМПГ - 2009). С. 36.

16. Игуменцева МЛ., Быков В.Н. Минеральные включения в гранулированном кварце Кыштымской группы месторождений // Материалы Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследований». Миасс: УрО РАН,

2010. С. 181-182.

Подписано в печать 16.10.2010 Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.4. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Информационно-издательской группе Ильменского государственного заповедника им. В.И. Ленина

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Игуменцева, Мария Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УФАЛЕЙСКИЙ МЕТАМОРФИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС.

1.1. Геологическое строение Уфалейского гнейсо-мигматитового комплекса.

1.2. Кузнечихинское месторождение и жила Беркутинская.

ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА. 3. ЖИЛЬНЫЙ КВАРЦ.

3.1. Структурно-технологические типы кварца.

3.2. Структуры и текстуры кварца.

3.3. Гранулометрические характеристики кварца.

3.4. Растровая электронная микроскопия жильного кварца.

3.5. Инфракрасная спектроскопия кварца.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ВКЛЮЧЕНИЯ И ПРИМЕСИ В КВАРЦЕ.

4.1. Минеральные включения в кварце.

4.2. Особенности химического состава и спектроскопия минеральных включений

4.3. Примесный состав кварца.

4.4. Импульсная кагодолюминесценция включений и дефектов в кварце.

4.5. Инфракрасная Фурье спектроскопия воды и Н-дефекгов в кварце.

4.6. Выводы.

ГЛАВА. 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРЦА.

5.1. Обогащение кварца и получение плавок кварцевого стекла.

5.2. Физико-химические характеристики кварцевых стекол.

5.3. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Состав, структура и технологические свойства кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской"

Актуальность исследований

В настоящее время волоконно-оптические и лазерные технологии, а также технологии получения особо чистого кремния для микроэлектроники являются приоритетными направлениями развития современной техники. При этом в России практически отсутствует производство элементной базы современных волоконно-оптических систем и резко сокращено производство высокочисюго кремния, в частности из-за отсутствия кварцевого стекла высокого качества.

Особо чистый кварц служит исходным материалом в технологии синтеза высококачественного кварцевого стекла, является стратегическим сырьем, и крупнейшие российские месторождения жильного кварца высокого качества расположены на Южном Урале (Кыштымская группа месторождений). Среди* этих месторождений выделяется наиболее крупная по запасам жила № 175, на кварце которой работает Кышгымский ГОК, поставляющий кварцевые концентраты на российский и зарубежный рынок. Однако, разработка жилы ведется подземным способом, что значительно влияет на себестоимость кварцевого сырья. В этом же районе расположены ряд перспективных жил с достаточно высокими запасами, в частности это жила № 414 Кузнечихинского месторождения и жила Беркутинская Кыштымского месторождения, которые и являются предметом исследования. Для сравнения в работе изучен также кварц ряда жил Кузнечихинского месторождения (№ 191, 413), которые уже в значительной1 степени отработаны, но кварц, которых характеризуется высокими качественными показателями.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является изучение состава, строения и технологических свойств гранулированного кварца Кузнечихинского месторождения и жилы Беркутинской.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Выделение различных типов кварца на основе анализа структурно-текстурных и количественных гранулометрических характеристик кварцевых жил.

2. Определение особенностей внутреннего строения зерен кварца различных структурно-минералогических типов; методами электронно-микроскопического, ИК-спектроскопическогои катодолюминссцентного анализа.

3. Исследование минеральных включений в; кварце . (количество, состав-спектроскопические особенности). . ■''•■':■ ■ . ' 4. Изучение воды и ОН-групп в кварце методом ИК-Фурье спектроскопии.

5. Проведение тестовых наплавов, изучение физико-химических: характеристик полученных кварцевых стекол и оценка1 на этой; основе,качества: кварцевого сырья.

Научная новизна

1. Разработана; методика определения гранулометрических характеристик, которая применяется для анализа гранулированного кварца разных структурно-минералогических типовКузнечихинского месторождения и жилы Беркугинской.

2. Определено' количественное содержание, состав и спекгроскопическис ■особенности'минеральных включений в кварце Кузнечихинского месторождения и жилы Беркугинской и, показано^ что они представлены фенгитом, биотитом, высокоупорядоченными: альбитом и микроклином,' Са- и М^-альмандином, андрадитом и апатитом.

3: Для кварца- изученных жил методом; ИК-Фурье спектроскопии, получены данные по количественному содержанию различных; форм воды и определены температуры их эффективного удаления; . 4. На основе систематических- экспериментов по плавке кварцевого« стекла с, последующим определением его физико-химических характеристик, проведена оценка качества- кварца- Кузнечихинского месторождения' и жилы Беркугинской, а также оценка эффективности технологий его обогащения.

Основные защищаемые положения

1. Комплексом физических методов (электронная микроскопия, ИК- КР-спектроскопия, катод олюминесценция) и компьютерным моделированием установлено, что основными минеральными примесями жильного кварца являются фенгит, биотит, полевые шпаты.(высокоупорядоченные альбит и микроклин); гранаты, апатит. Содержание минеральных примесей уменьшается в ряду: мелкозернистый серый кварц (жила Беркутинская) —> тонко-мелкозернистый белый кварц (жила Беркутинская) —» серый тонкозернистый кварц (Кузнечихинское месторождение).

2. Методом ИК-Фурье спектроскопии установлено, чго вода в кварце в основном содержится в молекулярной форме в трещинах, каналах, межзерновом пространстве и газово-жидких включениях. В кварце присутствуют гидроксильные группы в составе тонкодисперсных водосодержащих минеральных включениях, количество которых коррелирует с содержанием молекулярной воды, и точечные дефекты, которые представляют собой А1-ОН группировки.

3. Разработан метод лабораторных плавок, позволяющий определять технологические характеристики кварцевого сырья. Этим методом установлено, что по оптическим свойствам, содержанию пузырей и свилей кварцевое стекло, наплавленное из глубокообогащенного кварца Кузнечихинского месторождения не уступает стеклу из кварца марки Iota-standard фирмы Unimin. Стекло из кварца жилы Беркутинская, характеризуется повышенным содержанием свилей, обусловленных присутствием в сырье полевых шпатов, слюды которые полностью не удаляются при используемых технологиях обогащения.'

Практическая значимость

1. Метод компьютерного анализа изображения дает информацию о детальных гранулометрических характеристиках кварцевых индивидов, что позволяет предложить эффективные способы его обогащения.

2. Детальное, в том"числе и количественное изучение минеральных включений в кварце, является основой для разработки оптимальных схем обогащения и получения кварцевых концентратов высокой степени чистоты.

3. Полученные количественные данные по состоянию и структурному положению различных форм воды в кварце позволяют определять сырье для синтеза бсспузырного кварцевого стекла.

4. Тестовые наплавы кварцевых стекол дают возможность проводить прямую оценку качества обогащенных кварцевых концентратов.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на Научной студенческой школе «Металлогения древних и современных океанов» (Миасс, 2003, 2004, 2005, 2007 г.); на Международном семинаре «Кварц. Кремнезем» (г. Сыктывкар, 2004 г.); Международной научной конференции «Спектроскопия и кристаллохимия минералов» (Екатеринбург, 2007 г.); Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (г. Москва, 2009 г.); Всероссийских научных чтениях им В.О. Полякова (Миасс, 2009 г.); на Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Миасс, 2009 г.); на Международной Школе по наукам о Земле (г. Одесса, 2009 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору химических наук В.Н. Быкову за предложенную тему исследований, постоянную поддержку, внимание и помощь в работе над диссертацией, директору ИМин УрО РАН член.-корр. РАН В.Н. Анфилогову за ценные советы и содействие. Автор признателен сотрудникам Института минералогии УрО РАН: д.г-м.н. А.И. Белковскому, к.г.-м.н. ЛЛ.Кабановой, к.г.-м.н. В.А. Котлярову, к.т.н. P.III. Насырову, Т.М. Рябухиной, П.В. Хворову, Р.Т. Зайнулиной, Н.К. Никандровой, А.Б. Миронову, Н.И. Кашигиной, М.А. Крыловой, М.В. Штенбергу. За обсуждение и ценные советы автор благодарит д.г.-м.н. В.А. Попова, к.г.-м.н. Е.П. Макагонова. Автор также благодарит коллектив шлифовальной мастерской ИМин УрО РАН.

Заключение Диссертация по теме "Минералогия, кристаллография", Игуменцева, Мария Александровна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследования кварца Кузнечихинского месторождения- и жилы Беркутинской методом; оптической микроскопии показали, что жильт .Кузнечихинского месторождения сложены серым тонкозернистыми кварцем:. На : жиле Беркутинской. присутствует .два типа кварца: тонко-мелкозернистый; белый кварц; слагающий центральную часть кварцевой жилы и мелкозернистый серый, кварц; расположенный: на контактах с вмещающими породами.

2. С использованием метода компьютерного анализа: изображения впервые были определены детальные гранулометрические характеристики выделенных, типов кварца. Установлено, что в тонкозернистом кварце; Кузнечихинского месторождения средний размер зерна составляет 0.3 мм; В белом тонко-мелкозернистом кварце жилы Беркутинской средний размер зерна равен 0.6 мм, в то время < как в: мелкозернистом сером кварце жилы Беркутинской 0.8 мм.

3. Методом электронной, микроскопии: высокого разрешения на субмикронном уровне установлен ряд дефектов, таких как участки перекристаллизованного и растворенного кварца, газово-жидкие включения, , малоугловые и; болынеугловые дислокации. Показано^ что кварц* жилы Беркутинской. более перекристаллизован и содержит большое количество мелких газово-жидких включений. Кварц; жилы / Беркутинской менее перекристаллизован: и содержит незначительное: количество крупных газово-жидких включений.

4. Исследование ИК-спектров пропускания кварца, показало, что все образцы обладают высокой; степенью кристалличности: Установлено, что , изменение относительных' интенсивностей структурно-чувствительного дублета; 780-800 см"1 на ИК-спектрах отражения кварца может быть связано с различной ориентацией зерен относительно падающего луча.

5. Методом количественного минералогического анализа, и оптической микроскопии показано, что основными минеральными включениями в кварце . являются слюды, полевые шпаты, гранаты, апатит. Определены химический, состав включений и их спектроскопические характеристики.

6. Установлено, что самые - низкие. содержания минеральных- включений наблюдаются в сером тонкозернистом кварце Кузнечихинского месторождения. Наибольшее количество^ минеральных включений, особенно в электромагнитной и тяжелой фракции выявлено в сером мелкозернистом кварце жилы Беркутинской. Показано, что белая слюда попадает в область промежуточного состава мусковит-фенгитового ряда, а полевые шпаты представлены высокоупорядоченным низким альбитом и микроклином.

7. По данным мессбауэровской спектроскопии установлено, что фенгиты имеют высокую степень окисления, и ионы трехвалентного железа находятся в цисо I позициях. В био гитах при увеличении Бе уменьшается количество Ре циС, доля Бе2+транс остается практически неизменной, т.е. окисление Бе2+ происходит в цис-позициях.

8. В кварце глубокого обогащения Кузнечихинского месторождения содержания структурных примесей близки к значениям кварца марки ЮТА, в то время как в кварце жилы Беркутинской наблюдается превышение допустимых значений по основным элементам (А1, Бе, N3, К).

9. Исследования кварца методом импульсной1 катодолюминесценции показали, что в спектрах кварца кроме основной полосы 490 нм, обусловленной ионами алюминия, изоморфно замещающими атомы кремния, присутствуют полосы, связанные с ионами Мп2+ и Бе2+ в минеральных включениях. Установлено, что интенсивность полосы 490 нм изменяется в широких пределах и зависит как от содержания алюминия, так и РТ-условий образования кварца.

10. Анализ ИК-спектров кварца Кузнечихинского месторождения, и' жилы Беркутинской показал, что все изученные образцы обладают одним набором водосодержащих группировок, концентрация которых изменяется в зависимости от структурно-технологического типа кварца. Вода в кварце в основном содержится в молекулярной форме в трещинах, каналах, межзерновом пространстве и газово-жидких включениях.

11. Анализ инфракрасных спектров кварца, подвергнутого'последовательному отжигу в интервале температур 100-1200 °С показал, что с увеличением температуры интенсивность основной полосы в спектрах и соответственно содержание молекулярной воды последовательно убывает. Дегидратация группировок А1-ОН начинается при температуре 600 °С, и они пракгически полностью исчезают при температуре 1000 °С. Содержание гидроксильных групп в составе тонкодисперсных минеральных включений уменьшается до единиц ррш при температуре 1200 °С.

12. При изучении физико-химических характеристик кварцевых стекол, полученных методом плавления в вакууме, установлено, что основными дефектами являются пузыри и разноокрашенные свили. Показано, чго кварцевое стекло, наплавленное из глубокообогащенного кварца Кузнечихинского месторождения сопоставимо по своим физико-химическим показателям со стеклом из кварца марки ЮТА^апёагё фирмы иштт, в то время как стекло, полученное из кварца жилы Беркутинской, содержит большое количество свилей. Существование свилей обусловлено присутствием в исходном кварцевом сырье минеральных включений, таких как полевые шпаты, которые не были полностью удалены при используемых технологиях обогащения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Игуменцева, Мария Александровна, Екатеринбург

1. Балакирев В .Г., Мельников Е.П. Электронно-микроскопическая фрактография кварца. Мин-во геол. СССР, Всесоюз. науч.-исслед. ин-т синтеза минер, сырья. М.: Недра, 1991. 120 с.

2. Белковский А.И., Нестеров А.Р., Красильников П.А. Растровая электронная микроскопия жильного кварца // Разведка и охрана недр. 1999. С. 23-24.

3. Белянкин Д.С., Соколов Г.А. Геологическая карта Урала. Лист №-41-1. М., 1933.67 с.

4. Болдырев А.И. Инфракрасные спектры минералов. М.: Недра, 1976. 199 с.

5. Быков В.Н., Игуменцева М.А., Соловьева С.А. Исследование кварца месторождений южного Урала методом инфракрасной спектроскопии и импульсной катодолюминесценции//Кварц. Кремнезем, Сыктывкар: Геопринт. 2004. С. 83-84.

6. Вертушков Г.Н. Жилы альпийского типа на Урале // Доклады АН СССР. 1937. Т. 16, №7. С. 379-383.

7. Вертушков Г.Н., Борисков Ф.Ф., Емлин Э.Ф. Жильный кварц восточного склона Урала: Тр. СГИ, вып. 66. Свердловск, 1969. 100 с.

8. Власова Е.В., Скосырева М.В., Яхонтова Л.К. ИК-спектры мусковита из месторождений различного генезиса // Геохимия. 1976. № 12. С. 1814-1820.

9. Вотяков С.Л., Бородина Н.С., Быков В.Н., Бушляков И.Н., Миронов А.Б., Пальгуева Г.В. Внутрикристаллическое распределение ионов железа в биотитах из грани гопдов Урала // Геохимия. 1994. № 2. С. 239-251.

10. Вотяков С.Л., Крохалев В.Я., Пуртов В.К., Краснобаев A.A. Люминесцентный анализ структурного несовершенства кварца. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. 71 с.

11. Гордиенко В.В., Жукова И.А., Заикина Л.И., Зорина М.Л., Нестеров А.Р., Соседко Т.А. Об оценке структурного состояния калиевых полевых шпатов по ИК-спектрам в области 500-800 см"1 // ЗВМО. 1981. Вып. 6. С. 734-738.

12. Горобец Б.С., Рогожин A.A. Спектры люминесценции минералов. Справочник. М.: ВИМС, 2001.312 с.

13. Гульбин IO.JI. О стереологических реконструкциях размеров зерен в агрегатах // ЗВМО. 2004. №4. С. 71-91.

14. Данилевская Л.А., Скамницкая Л.С., Щипцов В.В. Кварцевое сырье Карелии. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2004. 226 с.

15. Емлин Э.Ф., Синкевич Г.А., Якшин В.И. Жильный кварц Урала в науке и технике. Свердловск: Сред.-Урал. кн. изд-во, 1988. 272 с.

16. Жильный кварц Урала в науке и технике. Геология основных месторождений кварцевого сырья / A.A. Евстропов, Ю. И. Бурьян, Н. С. Кухарь и др. М., 1995. 207 с.

17. Зорина М.Л. Возможности ИК-спектроскопии при изучении структурной неупорядоченности полевых шпатов // Вопросы геохимии и гипоморфизм минералов. Л.: Изд. ЛГУ. 1985. Вып. 3. С. 52-60.

18. Иванова В.П., Касатов Б.К., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и горных пород. Л.: Недра, 1974. 399 с.

19. Игуменцева М.А. Исследования кварца Кузнечихинского и Кыпггымского месторождений как сырья для получения беспузырного кварцевого, стекла // Металлогения древних и современных океанов 2007. Т. 2. Миасс: Имин УрО РАН. 2007. С. 119-123.

20. Игуменцева М.А., Кораблев А.Г., Быков В.Н. Применение компьютерного анализа изображения для количественной характеристики структуры гранулированного кварца // ЗВМО. 2007. № 3. С. 128-131.

21. Ильиченко Е.А., Геворкьян C.B. Особенности ИК-спектроскбпического исследования биотитов. Минералогический журнал. 1989. Т. 11. № 4. С. 40-48.

22. Ксйльман Г.А. Мигматитовые комплексы подвижных поясов. М.: Недра, 1974. 200 с.

23. Кораблев А.Г., Насыров Р.Ш., Быков В.Н., Шакиров А.Р. Экспериментальное исследование свилей в плавленом кварце жилы Беркутинской // Разведка и охрана недр. 2007. С. 47-49.

24. Кораго A.A., Козлов A.B. Текстуры и структуры жильного кварца хрусталеносных областей. JL: Недра, 1988. 159 с.

25. Красильников П.А. Кварцевые жилы Кузнечихинского месторождения гранулированного кварца // Разведка и охрана недр. 1999. С. 11-15.

26. Кузнецов С.В., Щипцов В.В. ИК-спектры отражения мусковита из гранитных пегматитов // Минер, журн. 1985. Т. 7. № 2. С. 91-95.

27. Кузнецов С.К. Жильный кварц Приполярного Урала. СПб.: Наука. 1988. 203 с.

28. Кузнецова Л.Г. Применение ИК-спектроскопии для определения степени упорядоченности калиевых полевых шпатов // Минерал. Сб. 1970. № 25. Вып. 2. С. 236-241.

29. Куражковская B.C., Боровикова Е.Ю. ИК-спектры гранатов гроссуляр-андрадитового ряда // ЗВМО. 2002. № 5. С. 70-75.

30. Лазарев А.Н. Колебательные спектры и строение силикатов Л.: Наука, 1968. 347 с.

31. Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985. 166 с.

32. Марфунин A.C. Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. М.: Недра, 1975. 327 с.

33. Мархилевич И.И. Петрографическое описание Верхнее-Уфалейской дачи. М.: НКТП СССР, 1933. Вып. 52. 52 с.

34. Мельников Е.П. Геология, генезис и промышленные типы месторождений кварца. М.: Недра, 1988. 216 с.

35. Мельников Е.П и др. Эволюция метаморфогенных кварцево-жильных образований Уральского подвижного пояса // Геология метаморфических комплексов. Свердловск: СГИ, Вып. VI, 1977. С. 99-102.

36. Минералургия жильного кварца // Кыштымский горно-обогатительный комбинат, под. ред. В.Г. Кузьмина, Б.Н. Кравца. М.: Недра, 1990. 294 с.

37. Михайлов С.Г., Осипов В.В, Соломонов В.И., Клюкин В.Ю. Способ количественного анализа минеральных микропримесей в кварцевом сырье и автоматический анализатор минеральных микропримесей в кварцевом сырье. Авторское свидетельство № 2056627. 1996 г.

38. Мусафронов В.М., Серых Н. М. Сырьевая база природного особо чистого кварца // Минеральные ресурсы России. 1997. № 2. С. 7-10.

39. Огородников B.II., Сазонов В.Н., Ю.А. Поленов. Минерагения шовных зон Урала. Ч. 1. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. 216 с.

40. Огородников В.Н., Сазонов В.Н., Ю.А. Поленов. Минерагения шовных зон Урала. Екатеринбург: Изд-во ИГиГ УрО РАН УГГУ, 2007. 187 с.

41. Остроумов М.Н. Методика определения степени упорядоченности щелочных полевых шпатов по ИК-спектрам отражения // ЗВМО. 1991. № 5. С. 94-99.

42. Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов // М.: Изд-во МГУ, 1976. 175 с.

43. Плюснина И.И. Исследование структурной неупорядоченности халцедонов методом инфракрасной спектроскопии // ДАН СССР, 1978. Т. 240, № 4. С. 839-842.

44. Поленов Ю.А. Эндогенные кварцево-жильные образования Урала. Урал. гос. горный ун-т. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. 269 с.

45. Серкова JI.A. Типоморфные особенности жильного безрудного кварца: дисс. канд. геол.-минерал. наук/JI.A. Серкова. Свердловск, 1990. 206 с.

46. Серых Н.М., Борисов JI.A., Гулин E.H., Федотов В.К. Проблемы воспроизводства минерально-сырьевой базы особо чистого кварца на современном этапе // Руды и металлы. 2004. № 1. С. 51-52.

47. Скабичевский П.П. О Нижнее-Уфалейском гранитном массиве // Сов. Геология. 1940. № 10. С. 106-108.

48. Солнцева Л.С., Кривоконева Г.К. Сопосшвление рентгенографических и ИК-спектроскопических характеристик структурного состояния калиевых полевых шпатов // Рентгенография минерального сырья и реальное строение минералов. М.: ВИМС. 1978. С. 83-87.

49. Соломонов В.И., Михайлов С.Г., Клюкин И.Ю. Возможности люминесцентного анализа природного кварца // Кварц. Кремнезем: Материалы Международного семинара. Сыктывкар: Геопринт. 2004. С. 32-34.

50. Стенина Н.Г. О формах вхождения воды в кристаллический кварц // Минералогический журнал. 1987. Т. 9. № 5. С. 58-69.

51. Суставов О.А., Строение блокованного жильного кварца из Сысертского района на Урале // Жильный кварц восточного склона Урала. Свердловск: СГИ, 1970. Вып. 80.J С. 86-90.

52. Таращан А.Н. Люминесценция минералов. К.: Наук. Думка, 1978. 296 с.

53. Херлбат К., Клейн К. Минералогия по системе Дена. Пер. с англ. М.: Недра, 1982. 728 с.

54. Юсупов С.Ш., Мельников Е.П., Фаттахутдинов С.Г. РТ-условия грануляции жильного кварца Урала // Докл. Баш ФАН СССР. Уфа, 1979. 46 с.

55. Юшкин Н.П. Кварц в современной минералогии. Тез. докл. Совещания «Минералогия кварца». Сыктывкар, 1992. С. 5-7.

56. Aines R.D., Rossman G.R. Water in minerals? A peak in the infrared // Journal of Geophysical Research. 1984. V. 89. № B6. P. 4059-4071.

57. Aines R.D., Rossman G.R. The high temperature behavior of trace hydrous components in silicate minerals // American Mineralogist. 1985. V. 70. P. 1169-1179.

58. Grant K., Gleeson S.A., Roberts S. The high-temperature behavior of defect hydrogen species in quartz: Implications for hydrogen isotope studies // American Mineralogist. 2003. V. 88. P. 262-270.

59. Guidotti С. Micas in metamorphic rocks // Rev. Miner. 1984. V. 13. P. 357-467.

60. Kats A. Hydrogen in Alpha-quartz // Philips Research Reports. 1962. V. 17. P. 201279.

61. Kroncnberg A.K. Hydrogen speciation and chemical weakening of quartz. // Rev. Miner. 1994. V. 29. P. 123-176.

62. Libowitzky E., Rossman G.R. An IR absorption calibration for water in minerals // American Mineralogist. 1997. V. 82. P. 1111-1115.

63. Wang A., Freeman К. Raman Spectroscopic Characterization of Phyllosilicates // Lunar and Planetary Science XXXIII. 2002. P. 1374.

64. Zalkind O.A., Gershenkop A.S. IR spectral determination of mica in multicomponent systems // J. Analytical Chemistry. 2006. V. 61. № 7. P. 644-646.1. Фондовая

65. Красильников П.А. Отчет о разведке жилы Беркутинская. пос. Слюдорудник, «Министерство геологии СССР», 1994 г. 150 с.

66. Страшненко Г.И., Собянин В.А. Прогнозная оценка Южного и среднего Урала на особо чистый кварц. С. Новоалексеевское, 2002. 233 с.