Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Типоморфные особенности жильного безрудного кварца (по данным ИК- и ЭПР-спектроскпии)

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Типоморфные особенности жильного безрудного кварца (по данным ИК- и ЭПР-спектроскпии)"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И ГЕОХИМИИ. им.акад.А.Н.Заварицкого

На правах рукописи

СЕРКОБА Лариса Евгеньевна

УД{ 549.62:543.42

ТШШОРЗНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЖИЛЬНОГО БЕЗРУДНОГО КВАРЦА (по данным ИК- и ЭПР-спеятроскопии)

Специальность 04.00.20 - минералогия,

кристаллография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Свердловск - 1990

Работа выполнена на кафедре Минералогии, петрографии и геохимии Свердловского ордена Трудового Красного Знамени горного института имени В.В.Вахрушева

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор В.И.Яншин

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук С.Л.Вотяков

кандидат геолого-минералогических наук В.Н.Огородников

Ведущее предприятие: Производственное объединение "Уралкварцсамоцветы"

Зашита состоится 199 О года в У час.

на заседании специализированного совета Д 002.81.01 при Институте геологии и геохимии им.академика А.Н.Заварицкого Уральского отделения.АН СССР по адресу: 620219, г.Свердловск, ГСП-644, Почтовый переулок, 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геологии и геохимии км.академика А.Н.Заварицкого Уральского отделения АН СССР

Автореферат разослан

« // « 199 ¿/года

Ученый секретарь / / /"/7 -> ?, ,, „

специализированного совета / /¡¡^¡¿Ц^ И.С.Чашухин

'Г-, I

СЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

а| Актуальность. Проблема оценки качества полезных ископаемых ~*на'стадии геологоразведочных работ и методов его контроля в процессе технологического передела - важный элемент" создания надежной минерально-сырьевой базы страны и рационального использования минеральных ресурсов в народном хозяйстве.

На настоящем этапе развития промышленности технологические требования к качеству кварцевого сырья ограничиваются суммой минеральных примесей, валовым химическим составом и светопропусканием. Окончательно вопрос о пригодности кварцевого сырья решается на заводах-потребителях технологическим методом - по результатам опытных плавок и последующих испытаний изделий из кварцевого стекла. Нередки случаи, когда из.сырья, отвечающего всем требованиям ТУ, не удается изготовить стекло удовлетворительного качества, а по испытаниям одного и того же объекта имеют место взаимоисключающие решения. Это свидетельствует о проявлении случайных факторов и несовершенстве методов и методик контроля качества кварцевого сырья, технологии наплава.

При интенсификации научно-технического прогресса на новый уровень поднялись требования к качеству готовых изделий современных областей промышленности и науки, что потребовало повышения уровня качества исходного кварцевого сырья. Так, в концентратах, используемых в производстве изделий микроэлектроники, волоконной оптики не только повышен уровень требований к количественному содержанию элементов-примесей и светопропусканмо, но и реглам^триру-ется форма нахождения их в кварце (микро-минеральные, газово-жид-кие, структурные примеси) и их количественное соотношение.

Известно также, что содержание структурных примесей в кварце объективно отражает особенности его генезиса и может быть использовано как критерий прогнозирования и'оценки объектов, в особенности на ранних стадиях геологоразведочного процесса. Однако до сих пор применительно к жильному безрудному кварцу методика определения состава и количества структурных примесей в кварце не разработана.

Представленная работа в какой-то »ере восполняет этот пробел и показывает возможность использования для этой цели высокоточных методов ЭПР и Ж-спектроскопии.

Цель и задачи работы. Целью работы является изучение примес-юго состава жильного кварца, выявление тшоморфных особенностей

различных генетических типов наиболее промышленно значимых месторождений к определение возможности использования ИК- и ЭПР-спектро-скспии для оценки качества кварцевого сырья.

Основные задачи исследований:

1) разработать методику ИК-спектроекопических исследований применительно к сильному кварцу;

2) выявить и изучить типоморфные особенности основных форыа-цконных и промышленных типов месторождений жильного кварца Урала методами ИК- и ЗПР-спектроскопии;

3) установить состав и закономерности распределения структурных примесей в конкретных структурно-морфологических разновидностях сильного кварца: гранулированном, гигантозернистом стекловидном прозрачном и полупрозрачном кварце, генетически связанных с различными геологическими образованиями;

4) определить возможность использования ИК-спектроскопии для оценки качества кварцевого сырья и его пригодности для производства кварцевого стекла различного назначения.

Научная новизна. Впервые с использованием точных физических методов (ИКС, ЭПР) детально изучены генетические и промышленные типы ккльного безрудного кварца месторождений Урала. Установлены типоморфные особенности, состав и закономерности распределения структурных примесей в основных разновидностях жильного кварца, выявлено, что их абсолютное содержание определяется Р-Т-условиями формирования и метаморфического преобразования.

Практическая значимость. В работе доказана возможность, целесообразность и эффективность использования точных физических методов (ИКС, ЭПР и др.) для изучения жильного кварца в практике геологоразведочных работ. Выявленные ИК-спектроскопические характеристики различных генетических и промышленных типов жильного кварца являются важными классификационными параметрами и надежными критериями оценки качества и технологических свойств кварцевого сырья. Ггаоведена типизация месторождений высококачественного кварца Урала по составу и содержанию в нем структурных примесей на основе данных ЭПР и ИКС.

Основные защищаемые положения заключается в следующем.

1. Водородеодержащие дефекты ОН-(А? ), 0Н-(« -На), ОН-(АВ-И), н г -комплексы и концентрация А£-0" - центров являются типоморфными признаками для жильного безрудного кварца.

2. Содержание структурных примесей в жильном кварце изученных месторождений зависит от условий его формирования и последующего

преобразования, способствующего очищению кварцевых индивидов от элементов-примесей. Минимальным количеством структурных примесей обладает прозрачный кварц вксокобарических зклогит-глауксфаковьх комплексов.

3. ЭПР и ИК-спектроекопия, )f-облучение представляют надежна, экспрессный метод контроля качества и технологических особенностей <варцевого сырья для плавки прозрачного кварцевого стекла.

Метотжа^исслехшшж!?. КК-спектры записывались на спектрофотометрах UR-20W и Specord-71 ИК в диапазонах 32СС-36С0 см-1, Ю00-4000 см-1 и 4C0-I7C0 см~~. Образцы готовились з виде плсско-гараллельных полированных пластин толшной 1-3jm (32С0-36С0 и '.000-4000 см-"'') и таблетск с КВг (400-1700 см"'1). Измерения просо-;илксь при комнатной температуре и температуре жидкого азота(7 7°К\

Спектры ЗПР записывались на спектрометр;: Йг.-Мсг £г\. 2ССД -Ч-ри комнатной температуре и при 77°К с предварительно облученных бразцов кварца на устанок;е "Исследователь" от источника " озой Ю7 Р.

Большая часть проб кварца предварительно подвергалась химпкэ-пек трал & ним анализам на II элементов на приборе ИСП-ЗО по мэтоди-з, разработанной ГИРЕДУ.ЕГ, пламенная фотометрия выполнялась на зтометре Й'Л, светопропусканиэ определялось на фотозлектрснсло-шетре ФЗК-56 в Центрально-Уральской геологоразведочной окспздп-:и ПО "Уралкварцсамоцвети". Показатель "влага - газ" замерялся ) методике СГИ методом "закрытой трубки". Статистическая сбработ-l проб производилась в ИЕД ПГО "Уралгеолсгия" на ЭЕМ EG-IG25.

В основу работы полсяен материал, со-акныЯ автором на месторождениях жильного кварца Урала в 198590 гг. Пробы отбирались из всех доступных для исследования сортов: в коренных обнажениях, горных выработках, керне енза-хин.

Изучено боле е 450 ИК—спектров, 100 спектсов ЗПР, использова— в работе 350 химико-спектральных анализов, определений свето-злускания - 210, "влага - газ" - 53, содержания летучих кемпо-1TOB (потери при прокаливании) - 168. Изучено более IC0 пластин ¡.рца.

Апробация работу. Основные положения диссертации дскладыва-!Ь автором на: научно-практических конференциях СГИ (Свердловск, А, 1987); У1 Всесоюзной конференции по кварцевое стеклу (Ле-град, IS87); Ш Всесоюзном семинаре молодых ученых и специалис-

"Геология, синтез и экспериментальные исследования по изучения несамоцветного сырья" (Александров, 1989); Всесоюзном семинасе

- "Повышение эффективности научно-исследовательских работ по обеспечению промышленности дефицитным особо чистым кварцевым сырьем" (Александров, 199.0); П региональном совещании "Минералогия Урала" (Миасс, 1990); I Уральском кристаллографическом совещании (Сыктывкар, 1990); региональном геологическом семинаре ПО "Уралкварцсамо-цветы" (Свердловск, 1990).

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит страниц машинописного текста, включая таблиц и */й рисунков. Список литературы включает 4/9 наименований.

Работа выполнена в Свердловском горном институте под научным руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В.И.Яншина, которому автор благодарен за постоянную поддержку и внимание в работе. Глубокую признательность автор выражает профес' сору М.И.Самойловичу, под научным руководством которого выполнены спектроскопические исследования. Особую признательность и благодарность за консультации, критические замечания автор выражает В.Н.Сазонову, А.А.Краснобаеву, А.С.Таланцеву, В.И.Кайнову, а также А.И.Новожилову, А.О.Семенковичу, Г.А.Горбачевой. А.Ф.Вахруше-вой, Н.П.Конюховой, оказавшим содействие при проведении экспериментальных исследований.

ССНОЕШЕ ПОЛШЕНИЯ, ЗАПЩАйШ В ДИССЕРТАЦИИ

В настоящей работе предпринята попытка впервые детально изучить методами 5ПР и КК-спектроекопии жильный кварц из проыышленны месторождений Южного и Среднего Урала с целью выявления типоморф-кых особенностей его высококачественных разновидностей.

Типоморфизму кварца, его физическим свойствам посвяшено боль шое количество работ (В.С.Балицкий, А.И.Белковский, Л.В.Берщов, Ш.А.Вахидов, Д.П.Григорьев, Е.И.Доломанова, Е.К.Каменцев, В.В.Ля-хович, А.С.Марфунин, В.И.Павлишин, М.И.Самойлович, В.И.Хадаи, ' Л.И.Цинобер, В .И. Франк-Каменещий, Н.П.Шкин и другие).

Метод ЭПР и ИК-спектроскопии успешно применяется при изучена рудоносного жильного кварца (Юргенсон, 1984; Доломанова, Бершов, Гасоян, 1974, и другие), кристаллохимических особенностей низкотемпературных разновидностей кварца (Пллснина, 1985), кварца гранитов, пегматитов, метасоматитов (Павлшин, 1980; Вотяков, 1990 и другие).

Специальные физические исследования с использованием ЭПР и ИКС по нильнсму безрудному кварцу единичны (Ю.Б.Корнилов, Р.й.Постов, С.К.Кузнецов, В.П.Лютоев, Б.И;Моисеев, Л.Т.Раков, Г.А.Сикке-еич, В.И.Якзин).

Разнообразие кварцево-зшльной минерализации обусловлено чрезвычайно широки« диапазоном термодинамических условий образования природного кварца.

Промышленно-генетичесяая систематика природных кварцевых образований, учитывающая последние достижения геологической науки и опыт освоения месторождений аильного кварца Урала, разработана с участием многих исследователей (В.Б.Болткрова, Г.Н.ВэртупкоЕа, Э.Зг.Емлина, Г.А.Кейльмена, Е.П.Мельникова, А.В.Осинского, В.И.Ях-икка и Др.). Выделенные генетические (формационные) типы жильного безрудного кЕарца отретсапт различия условий петрогекеза, геологической позиции объектов, вещественного.состава и геохимических особенностей слагавшего кварца, являвшихся функцией термодинамического уровня формирования кварцевых жил.

При проведении исследований объектам изучения явились преи-муцественно промьаленние иесторозденкя, пригодность сырья которых для конкретных отраслей доказана.

Изучен кварц более 30 объектов 10 месторождений. Новотрокц-кое, Пугачевское, Кузнечихкнское, Мауксксе, Еязовсксе, Кыиткмское, Гер?. Хрустальная, Свет.торечекское месторождения на Средней и ¡йшом Урале известны как источники высокочистого жильного неыеталлонсс-ного КЕарца. Все зтн месторождения (за исключением Вязоеского и Пугачевского) в настоякее вреья эксплуатируются. Для сравнения л полноты освещения особенностей изученных типов природных кварцевых образований были изучены образцы кварца'из редкеметальнкх пегматитов Каябинского месторождения (Восточный Казахстан) и мусковптсЕих пегматитов Слпдяногорского месторождения (Средний Урал), а так.т.е горного хрусталя зарубежных (Бразилия и Мадагаскар) и отечественных месторождений ¡кного и Приполярного Урала, Алдана.

По результатам исследований въщелено семь промшленно-генети-геских типов жильного кварца, названия которым даны по наиболее •ипичньм представителям месторождений: новотрсицкий - !.:-эстсро:здэ-:ие Новотроицкое; уфалейский - месторождения Кьпткмсксе, ж. 175, 79, 185, Кузнечихинское; ккзтьыский - месторождения Ккяткмское, . 101, 25, 10, 21, Маукское и Вязовское; сладяногорский - место-эжденне Слвдяногорское; пугачевский --месторождение Пугачевское; ветлореченский - месторождения Светлорзченское и Гора Хрустальная;

калбинский - месторождение Калбинское (табл. I). Под п р о -мышленно-генетическим типом понимаются природные кварцевые образования, пространственно и генетически связанные с различными геологическими комплексами, обладающие определенными технологическими свойствами и использующиеся в конкретных областях промышленности.

0Н-(Д1 ~и), НР -комплексы и концентрация И_-0~ .центров_в__

жильном кварце_явлтотся.типоморфныьт приз^ для сильного безрудного кварца.

При интерпретации результатов ЙК-спектроскопических исследований в основу была положена методика, отработанная на кристаллах горного хрусталя (Комов, Самойлович, 1985), в которую были внесены дополнения, учитывающие особенности жильного кварца.

Установлено, что в области ИК-излучения 3200-3600 см~^ спектры жильного кварца отличаются от спектров горного хрусталя меньшим, набором полос поглощения, их слабой разрешенностыо, частичным рассеиванием ИК-лучей на микродефектах. В ходе экспериментов определено, что достичь удовлетворительной информативности спектров можно только в условиях низкотемпературной ( 77°К) съемки образцов, подготовленных в виде плоско-параллельных пластин толщиной 0,73 мы. Количественная оценка содержания структурных примесей основана на измерении интенсивности (площади) соответствующих полос поглощения, пропорциональной количеству поглощающих центров.

Разработана методика определения содержания (масс.%) структурного (компенсатор - протон) непосредственно по ИК-спектрам на основе выявленной корреляционной зависимости между площадью полос Ж-поглощения и концентрацией А 2 -0~-центров (по данным ЭПР), а также введенной корректировки численных значений на частичное рассеивание КК-лучей на микродефектах. Общее содержание структурного ДС получалось путем сложения - по данным ИКС и (А^',

) - по данным ЗПР. Отработан метод вычисления "водного показателя" по ИК-спектрам.

Изучение разновидностей жильного кварца показало, что они, наряду с геологическими особенностями, характеризуются комплексом типоморфкых ИК- и ЭЛР-спектроскопических признаков, отражающих состав и количественное содержание структурных примесей и указывающих на генетическую принадлежность кварцевых образований (табл. 2),

Таблица I

Промышленно-генетические типы кварцевых образований

Промышленно-генетический тип Геологическая позиция кварцевых образований Характеристика кварца (месторождения, жилы гигантозернистый, про- Новотроицкое, ж.2376 зрачный и полупрозрачный тонко-мелкозернистый, ;Кьитымское, ж.175, 179, гранулированный I135^1Кузнечихинское,

Новотроицкий высокобарические, эклогит-глаукофановые комплексы

Уфалейский гнейсовые ядра мигматитовых комплексов сланцевое обрамление мигматитовых комплексов внутренняя часть переходная часть

Кыштымский I П Ш средне-крупнозернистый гранулированный неравномернозернистый, гранулированный со стекловидными участками Кыштымское, ж Л 01, 10,35; Маукское, ж.204; Вязовское, ж.З, 36, 54 Кыштымское, ж.21, 170, 131, 141

внешняя часть гигантозернистый, стекловидный Кыштымское, ж.З, щербаковская Пугачевское, ж.88

Пугачевский зоны дислокационного метамор физма в пределах Главного Уральского разлома и приле-жаших зонах антиклинорных поднятий -крупно-гигантозернистый, молочно-белый с прозрачными участками

Светлоре-ченекий зоны тектонических нарушений в экзоконтактах гранитных массивов гигантозернистый, молочно-белый со стекловидными участками Светлореченское, Гора Хрустальная

Слюдяногор-ский мусковитовые пегматиты гнейсовых ядер мигматитовых ком-югексов _ _ редкометальные пегматиты в гранитных массивах среднезернистый, гранулированный гигантозернистый, молочно-белый со стекловидными участки«! Слюдяногорское, ж.З, 4 Калбинск ое

Калбинский

Т и'п оыорфные признаки жильного безрудного кварца

водородеодержащие дефекты - ОН(Л^), 0Н(Л£-'>-), (Ж[А£-И)} ИР -комплексы, состояние и формы вхождения примесно£ есдк к углекислоты, присутствие углеводородов и степень кристалл! кости (Кж).

гПР^спектроскопия: -0~-центры, окраска после ¿'-облученш;

Водородсодержащие дефекты отражают положение ОН-групп, харан тер водородных связей и структурные особенности кварца.

Ка КК-спектрах изученных типов безрудного кварца выявлены следующие характеристические параметры (полосы поглощения): 3315 и 3375 см-1 = ОН-(/,(?), 3440 см-1 = 0Н-(/4£-ЛУ, 3475 см"1 = СИ-Ш И). 3640 см"1 = НР , 3220 см"1 = ОН в составе воды в ГКВ, 3440 см"1 = ОН в "аморфной" фазе, 2350-2370 , 2850-2920 см"1 - (в Г к -соединения, КИ{ (полосы 780-805 см"*) - съемка проводилась при 77 °К.

ОН-(^) - д е ф еч: ты фиксируются наличием на КК-спектра полос 3315 и 3375 см~* и обусловлены колебаниями 0Н-групл в крем-кекислородных тетраэдрах, в которых ионы й I замещены , а ко пенсгция заряда осуществляется протоном.

Полоса 3315 см-* на ИК-спектрах изученных образцов обычно сл бо Еыражена и поэтому оценка концентраций 0Н-(Л(? )-дефектов осуществлялась по площадям полос 3375 см"1. 0Н-(/4£) -дефекты характерны для всех типов кварца, но существенно отлетаются концентрацией.

Ш-(/1£ - дефекты определяются колебаниями тех г,е ОН-групп, но "возмущенных" присутствием в качестве компенсаторов ионов А'-гХ ОН-(А£-?/а.) - дефектам соответствует полоса 3440 см . П площади этой полосы модно определить относительное содержание кат рия в межузлиях решетки.

(М-Ш -N4)- д е ф е к ты' полностью отсутствуют в особо чистом кварце новотроицкого, уфалейского и пугачевского типов (Но вотроицкого, Кузнечихинского и некоторых жил Кыштымского и Пугачевского месторождений); эта особенность может рассматриваться ка) надежный критерий определения формационной принадлежности и качества кварцевого сырья.

0Н_( ,•?£-!!) - дефектам соответствует полоса 3475 см" обусловленная колебаниями ОН-групп в "дефектных" тетраэдрах, в ко торых компенсатором выступает . Эти дефекты наиболее характер нк для кварца из редкометальных пегматитов, отмечаются в кварце слюдоносных пегматитов и кварце месторождений Светлореченское и Гора Хрустальная.

ишшгшш ШИШИ КВАРЦА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗДЕЛИЙ

ш

Тип кварца Площади полос ИК-спектоов (см-2 Концентр. Радиац.- Вязкость Козф. Срок служ-

3375сМ-1= 3440С!.Г1= 3475сМ~ - 0640- АГ^Ма.И стклул. Пасек надса- бы в час.

Ш-СА1) 0Н-(А1-К/а) СН-(А1-1л) ЗБШсгГ1« НГ ' масо.$ (511?) окраска при £ = 12С0°С ирстл усл.ед. при 13С0°С

Новотроиц- 2,9 г_ 10,1 0,9 бесцвет- ш11.3 18,0 071

кий ная ЮП

Уфалайский 8,6 - - 14,2 0,8 бесцв. 17,5 629

Киштымский бесцв., 10ю,6

I 14,7' 0,9 - 2,7 СВ.-Д1В1Ч. 12,0 360

П гранул. II СТ8КЛ. 13,2 17,2 0,9 3,0 0,2 — • 1,5 10,2 ОВ.-ДКМЧ. дымчатая га10«1 10,0 102,4

Ш 24,1 3,6 0,9 . - 25,7 дымчатая, тем. -д пл. ю9,9 8,0 102,4

Пугачевский 7,9 - - 1,3 бесцв. о с - -

Сватлорачен - 15,8 2,0 2,4 27,7 13,6 св.-дкм., ю • 2,0 48

ский ДШ..Т.-Д 10*0.4

Слвдяногор- 31,3 5,0 6,1 5,7 0,9 бесцв. 6,0 78

ский дшчатая , Ю9'4

Калбиискнй 16,2 12,5 17,5 20,9 51,2 т ем.-дцм. ь-.орионов. 4,0 50

Эксплуатационные характеристики приведены по маторпалкд завода ЭЛВАКС.

-комплексы ^фиксируются появлением сближенных полос поглощения 3640-3660 см-1 и наиболее типичны для кварца пегматитов и особо чистого кварца новотроицкого и уфалейского типов.

-'•С-0~ пентш. Методом ЭПР определялось содержание (масс.%) структурного rit по концентрации обусловленных им парамагнитных пентров Ai-ОТ, образующихся при отходе после У-облучения (доза I0fc Р) щелочных ионов, компенсирующих избыточный отрицательный заряд е "дефектном" тетраэдре А£ Вычисленные значения концентрации „-î£i + (со щелочными компенсаторами) приведены в таблице 2.

Изученные типы кварца существенно различаются по содержанию ri- (Л.с, Ди ): в кварце новотрощкого и уфалейского типов оно незначительное (0,8-0,9)-Ю-4 масс./Î и стабильное во всех изученных пробах. Наибольшая концентрация - в кварце редкометальных пегматитов. В кварце кыштымского и светлореченского типов отмечены резкие колебания содержания структурного алюминия.

Радиалионно^Т1^;шроватая^^аска. Все образцы кварца имели первоначально белую (бесцветную) окраску. После У-облучения бесцветную окраску сохранил кварц новотроицкого, уфалейского, пугачевского типов и некоторые образцы кыштымского I типа. Кварц калбинского типа стал морионовым. Для других типов кварца характерна дымчатая окраска различной интенсивности; причем кварц месторождений Светлореченскоа и. Гора Хрустальная отличается крайне неоднородной окраской - от светло-дымчатой до темно-дымчатой. Интенсивность радиационно-стимулированной окраски определяется нали-лпчием в кварце Д£ -0~ центров и коррелируется с концентрацией At3f ( Лм, Ll ) и суммарной площадью "натриевых" и "литиевых" полос на ЕК-спектрах.

ь-.С. С Ох Широкая диффузная полоса на ИК-спектрах

кварца (при 77°К) с максимумом около 3220 см~* обусловлена колебанием ОН-групп, еходяших в состав молекулярной воды, заключенной в газово-жидких включениях или адсорбированной на поверхности зерен и трещин; наличие диффузного максимума около 3440 см~* связано с ОН-группами в "аморфном" окружении.

Поглощение при 2350-2370 см--1 и 2650-2920 см"* обусловлено присутствием углекислоты и углеводородов в ПКВ. Определялся состав ГЕБ по отношению интенсивности полос 3220 и 2350 см , пропорциональной количеству поглощающих центров (^¿О и ^^г,). Показатель //¿¿V СО;, минимальный (0,49) в кварце Новотроищого месторождения, максимальный (1,21) - в стекловидном кварце Кыштымского месторождения из жил внешней зоны сланцевого обрамления. Эти результаты согласу-

ются с количественны«! значениями показателя "влага - газ", определенного методом "закрытой трубки". Углеводороды обнаружены по ИК-спектршл только в кварце уфалейского и новотроичкого типов.

^^ек^щисталличности (Кик) определялся по соотношению интен-сивностей полос 780-805 см-^ (образцы готовились в виде таблеток с КВг') и позволяет оценивать степень совершенства кристаллической решетки. Самые высокие значения Кж (8,5) характерны для новотроицкого и уфалейского типов.

кваще^зучещт^есттеоздени^завига

и^оследушего_пр^образрвадияспособствуюшего_оч1шенип_кв§рцевь1х зщзен^т^леметто^тошес^

ко^ановги_кгапмиссов.

На Урале установлена приуроченность различных тшов кварца к ряду специфических структур и геологических комплексов (Кейльман, 1974; Ленных, 1977; Мельников, 1985 и др.). К таким структурным зонам относятся гнейсово-мигматитовые и эклогит-глаукофановые комплексы общеуральских поднятий, синклинорные зоны прогибов и поднятий первого порядка, сиаяическая зона Главного гранитного пояса Урала и иовная зека дислокационного метаморфизма Главного Уральского глубинного разлома.

Наибольший набор формаций и типов кварца фиксируется для наиболее древних полиметаморфических гнейсово-мигматитовых и эклогит-глауксфановкх комплексов: для гнэйеово-мигматитовых комплексов характерно наличке высококачественного гранулированного кварца (месторождения Кыштымское, Кузнечихинское и др.), а для эклогит-глау-кофан-сланцевкх-жил • кристаллического прозрачного кварца (месторождение Новотроицкое).

Новотроигпое месторождение расположено в Ыаксвтовском эклогит-глаукофаловом сланцевом комплексе. По возрасту Ыаксютовский комплекс кристаллических сланцев и кварцитов с гранатом, графитом, гла-укофаном, телами эклогитов и метабазитов относится к среднему ри-фею, что не является окончательно установленным (Ленных, 1977). Н.А.Добрецов, Н.В.Соболев'(1986) определяют термодинамические условия на уровне Т = 500-550°С и Р = 1200-1400 Ша, что полностью согласуется с общепринятыми представлениями об образовании глауко-фан-сланцевых комплексов и ассоциирующихся с ними эклогитами в специфических условиях. Метаморфизм эклогит-глаукофан-слалцевых комплексов В.Б.Болтыровым, О.Н.Грязновым, Г.А.Кейльманом (1968) рас-

скатривается как самостоятельный дислокационный тип метаморфизма, который проявился в линейно-аовных зонах сочленения океанической и континентальной коры, фиксируя избыточное динамическое давление.

На Новотроицком месторождении вьделены две группы гидротерналь-но-ыегаморфогенньх кварцевых кил, формирование которых происходило ка стадиях глаукофак-сланцевого и зелено-сланцевого диафтореза пород Мексютовского комплекса.

Новотроицкое месторождение представлено кварцевыми килами I этапа диафтореза (Ленных, 1977), является уникальным по качеству жильного кварца, что обусловлено спецификой условий его формирования в условиях умеренных температур и, самое главное, свехвысоких давлений (Ленных, 1977; Добрецов, Соболев, 19В6; Страиненко, Мельников, 1939). '

Прозрачный кварц Новотроицкого месторождения рассматривается как новогроицкий тип, сырье повышенной химической чистоты.

Большим разнообразием кварцевых образований отличаются на Урале гнейсово-мигматитовые комплексы, в особенности Уфалейский. Уфа-лейский комплекс образует в тектоническом отношении одноименный антжлккорий, составлявший часть Уралтауского мегантиклинория, входящего в Центрально-Уральское поднятие. На западе Уфалейский анткклинорий граничит с Тараташским антиклинорием, отделяясь от него региональным тектонически: нарузением. Восточной границей комплекса является Главный Уральский глубинный разлом, отчленяющий комплекс осадочно-вулканогенных толщ Тагильско-Магнитогорского прогиба. В Уфалейском комплексе ввделяются две главные структурные и, соответственно, стратиграфические единицы: брахиморфное гнейсовое ядро и конформно его окружающее сланцевое обрамление, представленное пародами с простой линейной складчатостью. .Еще одна отличительная особенность геологии Уфалейского комплекса - наличие ряда дол-гоживуших тектонически подвижных зон. Одна из которых совпадает с контактом гнейсового ядра и сланцевого обрамления. В -этой зоне со-стэедоточена большая часть жил, и среди них уникальная по размерам к вмешавщая более 70 % всех запасов, кила 175 Кыштымского месторождения, а также Кузнечихинское, Ыаукское месторождения.

Специфика формирования Уфалейского гнейсо-ыигматитового комплекса наложила отпечаток и на характер проявившихся в его пределах метаморфических процессов и своеобразие образовавшихся кварцевых жил. Метаморфизм пород рассматриваемого комплекса, имеющего зональный характер, достигает в ядре термодинамического уровня аыфиболи-тоеой фации, развиваясь на фоне зеленосланцевого метаморфизма обще-

уральских региональных поднятий. В Уфалейскои комплексе отчетливо наблюдается спад интенсивности метаморфизма от гнейсового ядта к периферии. При этом достаточно ясно обнаруживается концентрическая метаморфическая зональность с приуроченностью относительно низкотемпературных фаций к сланцевому обрамлению комплекса, а высокотемпературных - к гнейсовому ядру. Эта зональность, различные термодинамические условия формирования нашли отражение в типоморфнкх особенностях жильного КЕарца: структуре, химической чистоте, сЕетопро-пускакии и, как установлено настоящими исследованиями, различного рода микродефектами, зафиксированными ЗПР и ИК-спектроскопией (таблица 2).

Месторождения особо химически чистого гранулированного кварца уфалейского типа (мелкозернистого киарца Кузкечихкнского и некоторых объектов Кштшского месторождения) сосредоточены исключительно в породах гнейсового ядра, метаыорфизованных в условиях, достигающих уровня высокотемпературной субрации ам£иболитовой фации.

Еще более отчетливо проявляются различия в параметрах сильного кварца в напраатении падения урогня метаморфизма от гнейсового ядра к внешней зоне сланцевого обретения, что назло отражение в образовании различных структурно-морфологических, геохимических и других особенностей слагающего пильного кварца, соответственно представленного кыштыкским типом I - срздне-крустозерниеткм гранулировании.! кварцем, кьитымским типом П - неравномеряозернксткм гранулированным с участками стекловидного и ккптнмгкга типом И - ги-гантозернистш стекловидным, слабо затронутым процессами гранулят ции. Эти разновидности .кварца существенно различаются и по типомор-фным особенностям состава и содержания структурных примесей, которые выявились при изучении этих типов кварца методами ЗПР и ИН-спе-ктроскопии, и отражают различия термодинамических условий их формирования.

Из месторождений гетерогенного жильного кварца уфалейского гнейсо-нигматитового комплекса особую промышленную ценность представляют жилы тонковернистого гранулированного кварца, известного только в гнейсовом ядре, как источники сырья высокой химической чистоты и повышенной прозрачности, использующиеся для производства кварцевого стекла наиболее ответственного назначения.

Наряду С рассмотренными вше генетическими типами жильного неметаллоносного кварца были изучены природные кварцевые образования из других геологических комплексов Урала.

В шовной зоне дислокационного метаморфизма Главного Уральско-»

го глубинного разлома локализуются кварцевые жилы, содержащие повышенное количество прозрачных участков (Пугачевское месторождение).

Ь синклинорных зонах региональных прогибов и поднятий, выполз ненных слабо метаморфизованными вулканогенно-осадочными толщами, локализуются жилы молочно-белого кварца со стекловидными участками. С гранитоидами верхнепалеозойской гранитоидной формации Главного Гранитного пояса Урала, с зонами тектонических нарушений связаны уникальные месторождения Светлореченское и Гора Хрустальная (Ёмлин и др., 1968; Оболкин и др., 1981; Мельников, 1961). Температуры и давления образования кварца этих месторождений, установленные по изучению гаэово-жидких включений, находятся в пределах 420-560°С и 60-150 МПа, метаморфизм выражается в разлистовании, рекристаллизации.

Повышенное содержание структурного алюминия в этом кварце, определенное ЭПР () = 22-10"^ масс.$), обусловлено как его типоморфным вхождением в структурную решетку кварца, так и увеличенным содержанием неструктурных микропримесей, выявленных при электронно-микроскопических исследованиях (Остапчук, 1968).

Своеобразным показателем условий формирования кварца является широкий спектр радиационно-стимулированной окраски от бесцветной до темно-дымчатой, что свидетельствует о нестабильности свойств кварца и пульсирующем характере минералообразующих растворов.

Кварц светлореченского типа характеризуется тем же набором характеристических параметров, что и кварц из мусковитовых пегматитов Слюдяногорского месторождения и редкометальных пегматитов Казахстана, отличаясь от них лишь количественной концентрацией.

В качестве генотипа кварца, "засоренного" структурными примесями, изучался кварц из редкометальных пегматитов Казахстана (кал-бинский тип).

Редкометальные пегматиты, наряду с промышленными содержаниями в них редких металлов и слюд, служат источниками кварцевого сырья для флюсов, ферросплавов, фильтров, оптического и непрозрачного кварцевого стекла. Блоково-кварцевые тела редкометальных пегматитов связаны пространственно и генетически с гнейсо-гранитными комплексами, гранитами средних и больших глубин. Р-Т-условия формирования кварцевых образований редкометальных пегматитов находятся' в диапазоне Р = 50-200 МПа и Т = 450-550°С (Таланцев, 1988; Лу-ксаев, 1984).

Кварц редкометальных пегматитов характеризуется не только самым широким набором тиломорфных признаков, характеристических па-

раметров, 0Н-(.42)-, ОН-(ле-л'и)-, 0Н-(Л£-¿^-дефектов, цент-

рами, но и самыми высокими из всех изученных типов кварца их значениями. В нем зафиксированы самая высокая концентрация .41'-0" центров, наиболее интенсивная (морионовая) радиационно-стимулироЕан-ная окраска, что в совокупности свидетельствует о содержании з этом генетическом типе кварца максимальных значений структурного М и подтверждает выводы других авторов (Вотяков, 1990).

Обобщая результаты исследований можно сделать следующие выводы.

1. Изученные месторождения жильного кварца являются гетерогенными образованиями. Многообразие свойств, выявленное ЭПР и НЕС-спек-троскопическими исследованиями, указывает на лирокий диапазон термодинамических условий его формирования.

2. Главными факторами, определяющими формирование кварца повышенной химической чистоты (новотроицкий и уфалейский типы), обусловивших "бездефектность" внутреннего строения кварца и его стерильность з отношении структурных примесей явились высокие давления з совокупности с относительно высокими температурами. Развитие только 0Н-(ЛП-дефектов и И ^-комплексов указывает на кислотный характер минералообраэуюших растворов.

3. Идентичность сПР и ИК-спектроскопических параметров бысо-кочистого кварца из кил Уфалейского гнейсово-мигматитового комплекса и Маясютовского гклогит-глауксфан-сланцевого комплекса свидетельствует о близкой генетической природе. Эти типы могут рассматриваться как эталоны кварца уникальной химической чистоты и стабильности свойств и сопоставимы с самыми высокими сортами природного горного хрусталя и синтетического кварца.

4. Вторичные метаморфические изменения, сопровождавшиеся процессами перекристаллизации (грануляции), привели к очищению кварца от структурных примесей и выравниванию свойств кварца, что количественно подтверждают ЭПР и КК-спектроскопичесхие исследования различных типов кварца Кьштымского месторождения (типы I, П, и). Процессы грануляции сопровождались уменьшением не только 3' (••'', ), но'и исчезновением или существенным сокращением дефектов, типичных для первичного стекловидного кварца (кыштымский тип П и Ш, табл.2). Отсутствие в гранулированном кварце кыштшского типа .Ь>-комллекссэ

и высокая концентрация ,+£.'-0" центров свидетельствует о существенно щелочном характере среды минералообразования. Изменение кислотно-щелочного потенциала обусловило резко неоднородный характер примесного состава кварца, отчетливо проявляющегося в различной ин-

тенсивности радиационно-стимулярованной окраски, значительных вариациях характеристических параметров Ш- и ЭПР-спектров.

5. ЭПР и ИК-спектроскопические особенности кварца являются отражением градиента, зональности и фациального уровня метаморфизма и эволюции геохимического и термодинамического режимов регионального метаморфизма (алюмошелочггке центры первично стекловидного квар- ■ ца заменяются алюыоводородныыи - в гранулированном, с одновременным' уменьшением их количества).

ставляют надежный и экспрессный метод контроля качества и техноло- ,

гических особенностей кварцевого сырья для плавки прозрачного__

кварцевого стекла.

Качество кварцевого сырья в настоящее время оценивается по содержанию в нем газово-яидких включений (Т, %),твердых минеральных включений и элементов-примесей, которые определяются химико-слект-ральным анализом. Результаты химико-спектрального анализа отражают валовый химический состав кварцевого концентрата, который во многих случаях определяется степенью обогащения. Использование ЭПР и ИК-спектрсскопическкх методов дает возможность оценить предельную чистоту сырья, которую мскно получить после удаления из него твердых минеральных примесей.

Основными объектами исследований явились промышленные месторождения кварцевого сырья, пригодность которого уже доказана, что дало возможность изучить влияние состава и количества структурных примесей на качество наплавляемого кварцевого стекла и количественно определить ЭПР-и ИК-епектроскопические параметры для изученных типов кварца. Генетические типы кварца можно рассматривать как промышленные, а численные характеристики типоморфных параметров как оценочные критерии.

Высококачественное кварцевое сырье используется для наплава кварцевого стекла следующего назначения: прозрачное особо чистое, прозрачное рядовое и светотехническое и техническое.

Прозрачное особо чистое кварцевое стекло производится из кварцевого сырья новотрокцхого л уфалейского типов, которое отвечает самым высоким техническим требованиям: суммарное содеряание примесей до 20-Ю"4, в том числе АС - Ю-Ю"4, Мл.- З'Ю"4 (масс.%). Химико-спектральные анализы показали широкий разброс значений: минимальные в кварце новотроицкого типа (42 - б-Ю-1 масс .50, максимальные в кварце уфадейского типа (,42 до 150-10"^ масс.$). По данным ЗПВ-и ИК-спектроскопии кварц и того и другого типов показыва-

ет уникальную стерильность по структурным примесям и исключительную стабильность свойствСТр.= (4-10)-Ю-4 масс.?, щелочные ионы отсутствуют, радиационно-стимулиронанная окраска бесцветная. Перечисленные параметры могут служить оценочным критерием пригодности кварцевого сырья для производства особо-чистого прозрачного кварцевого стекла.

Различия в содержании элементов-примесей по данным химико-епектрального анализа объясняется высок игл содержанием твердых минеральных примесей в кварце уфалейского типа. Они могут быть удал=-ны при соответствующем режиме обогащения, а теоретически есзмсжкып предел обогащения определяется содержанием структурных псимесей.

Прозрачный кварц Пугачевского месторождения характеризуется ЗПР и ИК-спектроскопическшли характеристиками, аналогичными кварцу новотроицкого и уфалейского типов, что позволяет определить его пригодность также для получения особо чистого кварцевого стекла.

Для наплава прозрачного рядового и светотехнического стекла используется кварц кыитымского типа всех разновидностей. По содержанию элеметов-примесей, определенных хшико-спектральнкм анализом, этот тип кварца близок уфалейсксму, однако сПР-КК-спектральные исследования показывают многообразие дефектов и сравнительно Еысскуэ концентрацию:£ СТр# изменяется от 15 до 35*10"^ гласс.?, обязательно присутствуют в качестве структурных примесей щелочные ионы (Мг., 1-1 ), их количество широко варьирует, радиационная окраска резко неоднородная и изменяется от бесцветной до темно-дымчатой. Большую часть определяемых химкко-спектральныгл анализом элементов-примесей, в отличии от кварца уфалейского и новотроицкого типов, составляют структурные примеси. Они не могут быть удалены при обогащении, что снижает качество наплавляемого.кварцевого стекла, ограничивает области использования сырья. Нестабильность свойств отражается в изменчивости эксплуатационных характеристик.

Проведенные исследования показали, что качество стекла зависит не только от суммарного содержания элементных примесей в структуре кварца, но и от их качественного состава и в первую очередь от концентрации структурно-связанных щелочей. Эксплуатационные характеристики изделий приведены в таблице 2 (по данным завода ЭЛВАКС). Б жильном кварце устанавливается четко выраженная корреляционная зависимость плотности радиационно-стиглулированной окраски от содержания в нем М '"(Л'а.). По результатам ¿Г-о б лучения можно достаточно точно оценивать качество кварцевого сырья.

Не менее важной: особенностью, чем состав и содержание струк-

Г7

турных примесей, определяющей качество кварцевого сырья, является стабильность параметров, информацию о которой можно получить, ис- . пользуя в комплексе ¿'-облучение, ЭПР и КК-спек троек опию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных систематических исследований на основных месторождениях высококачественного кварцевого сырья Среднего и Южного Урала установлен типоморфизм примесного состава кварца различной промышленной ценности и широкого генетического диапазона.

I. Максимальным набором и содержанием элементов-примесей обладает кварц пегматитовых месторождений, минимальный примесный состав фиксируется в кристаллическом прозрачном кварце месторождений экло-гит-глаукофан-сланцевых комплексов. В порядке уменьшения количест-веш.ого содержания структурных примесей и возрастания стабильности состава свойств кварца выявлен следующий ряд природных кварцевых обрас.ваний: I) молочно-белый кварц редаометальных пегматитов; 2) молочно-белый со стекловидными участками кварц светлореченского типа; 3) гранулированный кварц слюдоносных пегматитов; 4) гранулированный кварц кыштымского типа; 5) прозрачный кЕарц пугачевского типа; 6) гранулированный кварц уфалейского типа; 7) прозрачный кварц новотроицкого типа. Отсюда следует и еще один вывод, получивший по нашим дашшм численное выражение, - примесный состав кварца определяется не только условиями формирования, но и условиями его последующего преобразования.

Полученные данные ЗПР и ИК-спектроскопии, надежность и экс-прессность разработанной методжи дают возможность считать содержание структурных примесей в кварце об^ектив1гым показателем термодинамических условий его формирования (генетическим признаком месторождения) и рекомендовать его в качестве нормативного критерия оценки качества кварца на ранних стадиях геологоразведочных работ и в процессе его технологического передела. Это подтверждает ранее установлен!!ую теоретическую, экспериментальную и геологическую закономерность - содержание примесей в кварце уменьшается с повышением давления и снижением температуры. Не нарушается такое правило и при изучении состава примесей слюдоносных и редкометальных пегматитов. Температуры образования пегматитов близки (4б0-660°С), но по давлению они резко различаются: Рредком.пегмГ170-150 МПа, РСЛюд.пегм. = 500-900 МПа. В связи с этим кварц из слюдоносных пегматитов Урала, как установлено нами, содержит меньше структурных примесей.

Прецизионные ЭПР- и КК-спектроскспические определения состава и содержания структурных примесей в гранулированном и негранулиро-ванном кварце пегматитовых и гидротермальных кварцевых кил позео-лгаи выявить зависимость их количества от степени метаморфических изменений (грануляции).

Результаты исследований кварца методами ЗПР- и Ш-спектроско-пии позволяют внести в минералого-петрографическую характеристику типов конкретность параметров и показать, что типоморфизм примесного состава кварца обусловлен генезисом месторождений и является функцией термо-динамическгас условий их формирования (Т, Р, состав мшералообразуэщзй среды). Кильный кварц гнейсово-мип^атитовых л жлогит-глаукофан-слакцеЕьк комплексов уфалейского и новотроицкого типов, обладающий незначительным содержанием элементов-примесей, образуется при умеренных температурах (Т= 350-550°С) и очень еысо-итх давлениях (Р= 500—1400 КЛа), что и определяет его стерильность в отношении структурных примесей. Кварц редкометальных пегматитов золее загрязнен примесями, в том числе и структурными, что отрола-;т условия его возникновения (Т= 460-570°С, 1 = 70-150 Ш1а) при еы-:оких температурах и низких давлениях.

4. Ш- и ЭПР-спектроскопкчесхие методы позволяют с высокой точностью и надежностью определять качественный состав, количест-йнное содержание структурных примесей, теоретический предел чисто-ы кварцевого концентрата, который может быть достигнут при обога-ении. Это особенно важно при получении кварцевого стекла с особы-и свойствами для микроэлектроники, где даже ничтожно малые содер-анкя Йх , ^ и других компонентов существенно снижают эксплуатаци-ннке характеристики изделий1еко, 1989;1еко, Мазурия, 1985).

5. Установленные типоморфные признаки и характеристические па-метры способствуют решению вопросов формационной, генетической и эомышленно-технологической классификаций и повышении эффективно-ги научно-исследовательских и геологоразведочных работ.

6. Использование ИК-спектроскопии и ЭПР в комплексе с другим! эадиционными методами позволяет повысить уровень контроля качест-I кварцевого сырья на всех стадиях геологоразведочного процесса обогатительно-технологического передела.

7. Разработанная методика проведения КК-спектроек опических ис-едований жильного безрудного кварца и интерпретация результатов жет быть использована всеми заинтересованными организациями.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Кварц пегматитовых формаций как сырье для получения кварцевого стекла./Аеэ.докл.У1 научно-технической конференции по кварцевому стеклу. Ленинград, 12-13 октября 1987. М., 1987. С.9.(Соавт.: Е.П.Мельников, Т.Н.Кожбахтеева).

2. Алюминий в кварце силекситов // Тез.докл. Ш Всесоюзного семинара молодых ученых и специалистов "Геология, синтез и экспериментальные исследования по изучению каынесамоцветного сырья" / ВНИИ эк он.минер.сырья и геол.-развед.работ (ВИЕМС). М.: ВИЗМС, 1988.

С.39. (Соавт.: В.В.Остапчук).

3. Газово-жидкие включения как показатель формирования кварца силекситовой формации // Тез .докл. Ш Всес.семинара молодых ученых и специалистов "Геология, синтез и экспериментальные исследований

по изучению камнесамоцветного сырья" /ВНИИ экон.минер.сырья и геол.-развед.работ (ВИЗМС).М.:ВИЭМС,1988. С.52-53. (Соавт.: Н.Е.Шаненко).

4. Ж-спектроскопия как метод оценки жильного кварца // Тез. докл.Всес.семинара ."Повышение эффективности научно-исследовательских и геологоразведочных работ по обеспечению промышленности дефицитным особо чистым кварцевым сырьем" / ВНИИ экон.минер.сырья и ге ол. -раз вед. раб от (ВИШС).М.: ВИШС, 1989. С.58-60. (Соавт.: М.И.Самойлович).

5. Об особенностях формирования тектонических зон в связи с их кварценосностыо // Тез .докл.Всес.семинара "Повышение эффективности научно-исследовательских и геологоразведочных работ по обеспечению промышленности дефицитным особо чистым кварцевым сырьем" / /ВНИИ экон.минер.сырья и геол.-раз вед. раб от (ВИЭМС). М.: ВИШС, 1989. С.33-34. (Соавт. Н.Е.Шаненко).

6. Кварц слюдоносных и редкометальных пегматитов // Изв.АН СССР, * 10, 1989. С.70-75.(Соавт.:М.И.Самойлович, Т.Н.Кожбахтеева).

7. Особенности содержания структурных примесей в жильном кварце // Тез.докл. П регионального совещания "Минералогия Урала". Миасс, УрО АН СССР, 1990. С.146-149.

8. Структурные примеси в жильном кварце по данным ИК-спектро-скопии // Тез .докл. I Уральского кристаллографического совещания "Минералогическая кристаллография, кристаллогенезис, кристаллосин-тез (информационные материалы)". Сыктывкар, УрО АН СССР. С.55-56..

9. ИК-спектроскопический метод изучения и оценки качества кварцевого сырья // В кн.: Методы изучения и оценки месторождений кварцевого сырья / Мин-во геол.СССР: Всесоюзн.научно-исслед.ин-т синтеза минер.сырья. М.: Недра, 1990. С.69-89. (Соавт.: М.И.Самой-

лович)