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 типовметодами электронно-микроскопического, ИК-спектроскопическогои катодолюминссцентного анализа.

3. Исследование минеральных включений вкварце. (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 этойоснове, качества: кварцевого сырья.

Научная новизна.

1. Разработанаметодика 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,' Саи М^-альмандином, андрадитом и апатитом.

3: Для кварцаизученных жил методомИК-Фурье спектроскопии, получены данные по количественному содержанию различныхформ воды и определены температуры их эффективного удаления-. 4. На основе систематическихэкспериментов по плавке кварцевого" стекла с, последующим определением его физико-химических характеристик, проведена оценка качествакварцаКузнечихинского месторождения' и жилы Беркугинской, а также оценка эффективности технологий его обогащения.

Основные защищаемые положения.

1. Комплексом физических методов (электронная микроскопия, ИККР-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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Исследования кварца Кузнечихинского месторожденияи жилы Беркутинской методомоптической микроскопии показали, что жильт. Кузнечихинского месторождения сложены серым тонкозернистыми кварцем:. На: жиле Беркутинской. присутствует .два типа кварца: тонко-мелкозернистыйбелый кварцслагающий центральную часть кварцевой жилы и мелкозернистый серый, кварцрасположенный: 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 кварцеКузнечихинского месторождения средний размер зерна составляет 0.3 ммВ 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 иболынеугловые дислокации. Показано^ что кварц* жилы Беркутинской. более перекристаллизован и содержит большое количество мелких газово-жидких включений. Кварцжилы / Беркутинской менее перекристаллизован: и содержит незначительное: количество крупных газово-жидких включений.

4. Исследование ИК-спектров пропускания кварца, показало, что все образцы обладают высокойстепенью 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 минеральныхвключений 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 °C, и они пракгически полностью исчезают при температуре 1000 °C. Содержание гидроксильных групп в составе тонкодисперсных минеральных включений уменьшается до единиц ррш при температуре 1200 °C.

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.