Введение

Данное учебное пособие составлено на основе опыта преподавания дисциплины «Лабораторные методы изучения вещественного состава полезных ископаемых» в период 2000–2006 годов в Оренбургском государственном университете, на факультете природных ресурсов.

Учебное пособие составлено с целью обеспечения учебного процесса кафедры геологии и разведки полезных ископаемых Томского политехнического университета.

В первом разделе учебного пособия охарактеризованы физические методы изучения химического состава и кристаллической структуры минералов, методы термического анализа и методы исследования газо-во-жидких включений в минералах.

Раздел «Физические методы лабораторных исследований минералов» составлен с использованием опубликованных работ Б.Б. Звягина, А.С. Китайгородского, А.Г. Берга, Б.С. Горобец, В.К. Гаранина, А.И. Гинзбурга, Г.В. Остроумова, Г.А. Сидоренко, В.Т. Дубинчука, Л.В. Бершова, Ю.С. Бородаева, Г.С. Грицаенко, А.И. Горшкова, П. Хирша и А. Хови, Г. Менке и Л. Менке, А. Кросса, В.П. Ивановой, А.Н. Таращан, Г.А. Горбатова и других исследователей.

Во втором разделе учебного пособия дана развёрнутая характери­стика минераграфического метода: история возникновения и развития, подробное описание рудного микроскопа, его проверки и техники рабо­ты с ним. Охарактеризованы наблюдаемые в отраженном свете оптиче­ские явления и дано разъяснение их физической природы.

Минераграфический метод остается и ныне ведущим методом при исследовании многокомпонентных руд металлов и необходим геологам для решения следующих задач:

• диагностики главных и попутных минералов в руде;

• выяснения количественного содержания рудных минералов и определения состава ценных и вредных примесей в минералах и общего баланса их распределения в рудах;

• определения продуктивных промышленных ассоциаций минералов;

• изучения текстурно-структурных особенностей минеральных агрегатов (руд) и установление взаимосвязи между слагающими минеральными парагенезисами;

• выделения этапов и стадий рудообразования;

• определения промышленно-генетического типа месторождения;

• исследования технологических качеств полезных ископаемых (руд).

Значительная часть учебного пособия посвящена детальному описанию диагностических свойств рудообразующих минералов. Диагностические свойства описаны на основе фактических данных, опубликованным в работах А.Г. Бетехтина, А.Д. Генкина, О.Д. Левицкого, Н.А. Смольянинова, И.С. Волынского, С.А. Вахромеева, Ф.Н. Шахова, Е.Е. Захарова, С.А. Юшко, О.Е. Юшко-Захаровой, Н.В. Петровской, М.П. Исаенко, П. Рамдора, Ю.Н. Кэмерона, Р. Генри и Н. Галопена, Т.Н. Чвилёвой, М.С. Безсмертной, Б.И. Вейц, Т.Н. Шадлун, А.И. Гинзбурга, А.А. Годовикова, П.С. Берштейна, Г.И. Горбунова, С.И. Лебедевой, Н.Н. Мозговой и Ю.С. Бородаева, А.Д. Ракчеева, А.Г. Булаха, Б.И. Пирогова и В.В. Пироговой и других исследователей. Использованы фактические материалы, эмпирически накопленные автором в процессе производственной работы в геологических и горных предприятиях Сибири, Казахстана и Урала в период 1980–2002 гг.

Цели и задачи лабораторных исследований минерального сырья Лабораторные исследования вещественного состава полезных ископае­мых проводятся для решения следующих задач:

• решения генетических проблем с целью получения объективных данных об условиях образования минералов, руд и пород;

• разработки методов и приёмов технологического изучения руд для усовершенствования технологии добычи и переработки минерального сырья;

• изыскания возможности применения химических, биологических и гидрометаллургических способов извлечения полезных компонентов;

• детального и всестороннего изучения свойств и состава минералов, содержаний в них элементов-примесей с целью расширения областей их применения;

• поиска новых и нетрадиционных видов минерального сырья и вовлечения их в промышленное использование;

• создания схем безотходной технологии, использования и утилизации отвальных продуктов горного производства и отходов металлургических заводов;

• исследования физико-механических свойств залежей полезных ископаемых и вмещающих пород для выяснения горно-технических условий вскрытия и эксплуатации месторождений; к такого рода свойствам относятся твёрдость, прочность, плотность, удельная масса, объёмная масса, пористость, проницаемость, водонасыщенность, устойчивость горных пород и залежей полезных ископаемых.

Краткий обзор аналитических методов, применяемых в геологии и геохимии для анализа проб

При изучении минералов, руд и горных пород широкое применение получил эмиссионный спектральный анализ, благодаря невысокой стоимости его проведения, высокой производительности и чувствитель­ности (в пределах n·10^-2 – n·10^-6 %). Для спектрального анализа необхо­димы навески массой от 10 до 100 мг. Анализ минерального вещества производится по его спектру, возбуждаемому с помощью горячих ис­точников света (электрической дуги, искры, газовой горелки и др.). При этом получают линейчатые, полосчатые и сплошные спектры. Сплош­ной спектр является помехой для анализа и обусловлен свечением рас­калённых твёрдых частиц или присутствием свободных электронов. Полосчатый спектр обусловлен изменением энергии молекул, он редко используется при элементарном анализе, но может быть использован для анализа щелочноземельных и редкоземельных элементов, которые образуют в условиях анализа прочные молекулы. Для определения большого количества химических элементов, присутствующих в про­бах, используют линейчатые спектры ионизированных химических эле­ментов. Количественный спектральный анализ позволяет определять до 20 химических элементов из одной навески, а полуколичественный ана­лиз – до 50–70 элементов. Для повышения чувствительности анализа используют предварительную химическую обработку проб; для этого определяемые элементы концентрируют методами осаждения, соосаждения, экстракции, ионного обмена и другими способами, что позволяет повысить чувствительность анализа в 10–30 раз, а иногда в 100 раз.

Для анализа минералов в шлифах и аншлифах применяют лазерный эмиссионный анализ (описан в данной работе). К эмиссионному анализу близок атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении излучения элемента невозбужденными атомами того же элемента. Для наблюдения поглощения устанавливают источник зондирующего излучения. О содержании химического элемента судят по изменению интенсивности спектральных линий. Атомно-абсорбционным анализом определяют Mo, Zn, Sn, Bi, Ag, Cu, Ni, Co. Разработана методика определения ртути атомно-абсорбционным методом, основанная на переведении восстановленной до металла ртути в водный раствор, а затем из раствора – в газовую фазу и определения её концентраций в газовой фазе.

Для определения тантала используют сцинтилляционный метод эмиссионного анализа, который позволяет определять истёртые пробы, вдувая в дуговой разряд вещество пробы и регистрировать импульсные вспышки испаряющихся элементов сцинтилляционным датчиком.

Рентгеноспектральный метод позволяет анализировать состав твёрдых, жидких и газообразных веществ без их разрушения. Этот метод является экспрессным и широко применяется для анализа минерального сырья. Метод основан на облучении вещества катодным пучком электронов результатом которого является возникновение рентгеновского излучения. Рентгеновский анализ осуществляется различными методами:

• по первичным рентгеновским спектрам испарения;

• по вторичным рентгеновским спектрам испускания (флуоресцентный рентгеноспектральный метод);

• по спектрам поглощения (абсорбционный рентгеноспектральный анализ).

Для определения пород и руд метод анализа по первичным спектрам не применяется. Широкое распространение получил флуоресцентный рентгеноспектральный метод, при котором исследуемое вещество облучается рентгеновскими лучами. Для проведения анализа необходимы навески массой до 200–300 мг. Чувствительность рентгеноспектрального анализа зависит от концентрации химических элемен­тов в пробе, приёмов проведения анализа, используемой аппаратуры и времени проведения анализа, которое изменяется от 1–3 до 40 минут.

В геологоразведочной практике получили широкое применение ядернофизические методы анализа радиоактивных руд и горных пород, а при анализе нерадиоактивного сырья – рентгенорадиометрический, активационный, фотонейтронный, нейтронно-абсорбционный методы.

Нейтронный активационный анализ минерального сырья применяют для определения в пробах Мn, V, Al, Si, In с порогом чувствительности n·10^-1 – n·10^-2 %.

Фотонейтронный анализ применяют для анализа бериллиевых руд.

Нейтронно-абсорбционный анализ применяют для анализа руд и горных пород, содержащих в своем составе химические элементы, ядра которых обладают высоким поперечным сечением захвата или рас­сеяния медленных нейтронов (например, содержащих бор, кадмий, ли­тий, хлор). Порог чувствительности нейтронно-абсорбционного метода около n·10^-1 – n·10^-2 %.

Для определения низких концентраций химических элементов в пробах применяют спектрофотометрические и флуоресцентные методы.

При массовых спектральных качественных анализах минерального сырья широкое применение получили кварцевые спектрографы ИСП-28, ИСП-30, ИСП-5 отечественного производства, PG-2 (Германия).

Для определения следов редких и радиоактивных элементов применяются методы люминисцентного анализа.

Люминисцентные методы используют для изучения урансодержащих минералов, а для выявления радиоактивных фосфатов, карбонатов, сульфатов применяют методы фотолюминисценции.

Для обнаружения радиоактивных руд используют ряд методов: радиографию, метод отпечатка, α-, β-, γ- методы.

Для определения урана, тория, редких земель, циркония, гафния применяют рентгеноспектральный анализ.

Для определения щелочных и щелочноземельных элементов в вулканических стёклах, минералах и горных породах применяют ме­тод фотометрии пламени; анализ проводится с помощью плазменного спектрофотометра.

Для определения концентраций кадмия, присутствующего в цин­ковых рудах, применяют ядерно-физические, эмиссионно-спектральные, атомно-абсорбционный и полярографический методы.

Галлий, индий, таллий, рассеянные в сульфидных рудах и горных породах, определяют спектральным анализом.

Германий рассеян не только в сульфидных рудах и породах, но его высокие концентрации отмечаются и в каустобиолитах (лигнитах, бурых и каменных углях), в торфах. Концентрации германия выявляют химическими методами и эмиссионным спектральным анализом.

Ниобий и тантал концентрируются в карбонатитах, пегматитах, кварц-полевошпатовых метасоматитах, в комплексных месторождениях, пространственно связанных со щелочными гранитоидами. Концентрации ниобия и тантала определяют с помощью нейтронно-активационного, флуоресцентно-рентгенорадиометрического, рентгеноспектрального, фотометрического и флюорометрического методов анализа.

Редкоземельные элементы (РЗЭ) концентрируются в основных и кислых изверженных породах, в глинах, сланцах и входят в состав различных минералов (силикатов, карбонатов, оксидов, фосфатов, фторидов). Главными минералами-носителями РЗЭ являются монацит, бастнезит, эвксенит, лопарит. Для определения редкоземельных минералов используют метод химико-спектрографического анализа. РЗЭ в породах определяют физическими методами: применяют эмиссионный спектральный анализ, нейтронно-активационный анализ, метод искровой масс-спектрометрии, рентгеноспектральный и фотометрический методы. Последний является ведущим.

Цирконий концентрируется в кислых щелочных и основных изверженных породах, в пегматитах. Для определения циркония применяют нейтронно-активационный, эмиссионный, спектральный, атомно-абсорбционный и фотометрический методы анализа.

Для определения кларковых концентраций химических элементов в минеральном сырье применяют высокочувствительные методы анализа:

• рентгеноспектральный анализ,

• атомно-эмиссионную спектрометрию,

• масс-спектрометрию,

• атомно-флуоресцентную спектрометрию,

• нейтронный активационный анализ,

• метод индуктивно-связанной плазмы,

• метод изотопного разбавления,

• плазменно-фотометрический анализ.

Для определения микроколичества битумов в породах применяют люминисцентно-хроматографические и люминисцентно-спектрографические методы.

Присутствие рассеянного органического вещества в породах и подземных водах изучают методами масс-спектрометрии, газовой хроматографии, спектральными методами. Содержание органического вещества в породах определяют люминисцентно-битумологическим и люминисцентно-микроскопическим методами.