Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

Исландский шпат СаСО3 является прозрачной разновидностью кристаллов кальцита. Имеет следующий состав: СаО – 56 %, СО2 – 44 %, часто присутствуют MgO, FeO, а также примеси марганца, кремния, алюминия, стронция, иттрия, лантана

идругих элементов. Наиболее характерными простыми кристаллографическими формами для исландского шпата являются ромбоэдр, скаленоэдр, гексагональная призма и пинакоид.

Благодаря резко выраженной способности к двойному лучепреломлению и высокой прозрачности для ультрафиолетовых

иобычных световых лучей исландский шпат широко применяется в оптической промышленности для изготовления разнообразных поляризационных призм и приборов, используемых в различных отраслях производства (полярископы, поляриметры, микроскопы, фотометры, спектрометры, дальномеры, прицелы и т.д.).

По техническим требованиям исландский шпат, применяемый в оптической промышленности, должен обладать прозрачностью, не иметь мути, зональности, свилей, трещин, двойниковых образований, жидких и твердых включений (допускаются мелкие единичные включения) и быть бесцветным (допускается только слабая равномерная окраска).

Химически чистый исландский шпат используется в химической промышленности для изготовления стандартных растворов, применяемых при проведении объемных анализов, в производстве специальных видов стекла и т.д.

Оптический флюорит представляет собой редко встречающиеся в природе бесцветные, совершенно прозрачные кристаллы флюорита, в котором содержится 48,8 % фтора

и51,2 % кальция. Обычная форма кристаллов оптического флюорита – куб реже октаэдр.

Отсутствие явления двупреломления, низкий показатель преломления и исключительно высокое пропускание инфракрасных и ультрафиолетовых лучей делают оптический флюорит незаменимым для изготовления объективов, не имеющих сферической и хроматической аберраций, призм спектрографов и окошек в приборах, излучающих инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

Дефекты кристаллов оптического флюорита делятся на первичные дефекты роста и вторичные дефекты, связанные

71

с воздействием на кристаллы окружающей среды. К первой группе дефектов относятся аномальные формы кристаллов, зональное строение, окраска, газово-жидкие и твердые включения, ко второй – трещины, различные формы травления и коррозии кристаллов.

Промышленность предъявляет высокие требования к качеству оптического флюорита. В первую очередь он должен обладать максимальной прозрачностью и отсутствием дефектов. Размер бездефектной области (моноблока) не может быть меньше 6×6×6 мм. Поперечник кристаллов должен превышать 10 мм.

Коптическому сырью относятся также бесцветные

пластинчатые прозрачные кристаллы шпатового гипса CaSO4×2H2O (так называемое марьино стекло), используемые

впроизводстве различных оптических приспособлений, в том числе в микропетрографии (гипсовая пластинка для определения осности кристаллов).

Следует отметить, что в настоящее время природное оптическое сырье (кварц, флюорит) является очень редким и дорогим. Нужды оптической промышленности удовлетворяются главным образом за счет искусственного выращивания кристаллов этих минералов.

5.1.4.Диэлектрики

Кэтому виду индустриального сырья относятся минералы, используемые в промышленности как электроизоляционные материалы и изолирующие и поддерживающие прокладки в различных электронных приборах, главным образом в радиолампах. Во всех этих случаях необходимы тонкие, весьма совершенные пластинки площадью не менее 4 см2. Особо ценными являются бездефектные крупные пластины размером

вдесятки и сотни квадратных сантиметров, применяемые в телетехнике.

Как диэлектрики в настоящее время промышленное значение имеют мусковит и флогопит.

Мусковит и флогопит – минералы группы слюд, химиче-

ский состав которых выражается формулами KAl2[AlSi3O10] (OH, F)2 (мусковит) и KMg3[AlSi3O10](OH, F)2 (флогопит). Мусковит, как правило, бесцветен, а флогопит имеет грязно-зе- леный или бурый цвет. Основными свойствами их являются

72

весьма совершенная спайность, высокое удельное объемное и поверхностное электрические сопротивление и другие диэлектрические свойства, высокая прочность на сжатие и на разрыв. Мусковит, кроме того, устойчив к действию кислот.

Отходы слюдяного производства и рудничный скрап применяются при изготовлении слюдинита и слюдопласта. Дробленая и молотая слюда идет на изготовление рубероида, художественных обоев, а также применяется в качестве тепловой изоляции. Использование мусковита и флогопита в промышленности основано на их способности расщепляться на тонкие, гибкие, прозрачные пластинки, обладающие высокими диэлектрическими показателями, большой механической прочностью, термической и химической стойкостью и очень малой гигроскопичностью.

Мусковит и флогопит – широко распространенные породообразующие минералы, встречающиеся в самых различных геологических образованиях. Однако скопления их в промышленных масштабах наблюдаются редко. Основные месторождения слюды приурочены к следующим геологическим формациям:

yy гранитных пегматитов (мусковит) (Карелия, МамскоЧуйский район и т.д.);

yy высокомагнезиальных карбонатных докембрииских метаморфических пород (флогопит) (Алдан, Слюдянка);

yy комплексов ультраосновных, щелочных пород и карбонатитов (флогопит) (Кольский полуостров).

В настоящее время использование этого вида сырья крайне ограниченно по ряду объективных причин.

5.1.5.Огнеупоры

Кэтому виду индустриального сырья относятся минералы (реже горные породы), обладающие высокой термической стойкостью и используемые для производства огнеупорных материалов. Наиболее распространенными огнеупорами являются графит, серпентин-асбест, магнезит и брусит, тальк, хромшпинелиды, огнеупорные глины, высокоглиноземное сырье и т.д.

Графит представляет собой самую распространенную полиморфную модификацию углерода, имеющую определенную

73

структуру кристаллов и кристаллизующуюся в гексагональной сингонии. Кристаллы имеют вид шестиугольных пластинок или табличек, агрегаты тонкочешуйчатые. Цвет графита железно-черный до стального; черта черная, блестящая; блеск сильный металловидный, скрытокристаллические агрегаты матовые; твердость – 1; в тонких листочках гибок; жирен на ощупь, мажет бумагу и пальцы.

Графит обладает рядом уникальных физических свойств: высокой тугоплавкостью (температура плавления в бескислородной среде – 3850±50 °С), высокими огнеупорностью, пластичностью, мягкостью, электропроводностью и т.д.

Принято выделять явнокристаллические и скрытокристаллические разновидности графита и так называемого графитоида.

Среди явнокристаллических графитов различают плотные и чешуйчатые разновидности. Первые почти целиком сложены кристаллами графита, плотно прилегающими друг к другу. Чешуйчатые руды состоят из отдельных кристаллов графита или их гнезд и более или менее равномерно рассеяны среди вмещающих пород. По размерности выделений графита руды разделяются на крупные и мелкочешуйчатые и гнездовые.

Скрытокристаллические (аморфные) руды графита представляют собой тонкомелкокристаллические массы с незначительными включениями других минералов.

К графитоидам относятся шунгиты (аморфный углерод) и высокоуглеродистые антрациты (содержание С – до 98 %) – так называемые электроантрациты.

Руды кристаллического графита считаются промышленными (при открытых разработках) уже при содержании в них 2,3–2,4 % графита. В некоторых случаях на обогатительных фабриках перерабатывают руды с меньшим содержанием кристаллического графита.

Применение графита в народном хозяйстве весьма разнообразное. Он используется в электротехнической промышленности для производства гальванических элементов, электродов, осветительных углей, углей для электросварки, скользящих контактов. В литейном деле – для производства тиглей, изложниц и т.д. Кроме того, он применяется для изготовления химически стойких изделий (электролитические ванны, варочные котлы для бумажной массы и т.д.), смазоч-

74

ных материалов и антифрикционных изделий (втулки, вкладыши для подшипников и т.п.), а также в атомно-ядерной энергетике (стержни реакторов), в производстве карандашей, красок, полировочных и противонакипных материалов.

Широкому использованию графита для производства графитовых огнеупорных материалов мешает определенный дефицит высококачественных графитовых руд.

Асбестом называют минеральные разновидности серпентина или амфиболов, имеющие волокнистое строение и способные (при механическом воздействии на них) распадаться на тонкие и тончайшие волокна.

Существуют следующие разновидности асбестовых минералов:

yy группа серпентина, или хризотил-асбеста Mg6[SiO2](OН)8 (a – поперечно-волокнистый, b – продольно-волокнистый, g – спутанно-волокнистый);

yy группа амфибол-асбестов: актинолит-асбест Ca(Mg, Fe)5[Si4О11](ОН)2; тремолит-асбест Ca2Mg5 [Si4O11]2(OH)2 и т.д.

Главное промышленное значение имеет хризотил-асбест. Важнейшими физическими свойствами асбестовых мине-

ралов являются способность расщепляться на тончайшие волокна, прочность, гибкость, эластичность, огнестойкость и кислотоупорность, длина волокна и т.д. Хризотил-асбест практически расщепляется на волокна толщиной менее 0,001 мм; элементарные волокна имеют диаметр около 0,0001 мм. Прочность волокон на разрыв очень высока и достигает 32 МПа/мм2. Температура плавления – 1550 °С. Волокна хризотил-асбеста имеют длину от десятых и сотых долей миллиметра до 300 мм.

Кроме длины большое значение при промышленной оценке имеют механические свойства его волокон – прочность на разрыв и гибкость (эластичность). По прочности волокон на разрыв хризотил-асбест подразделяется на нормальный (высокой прочности), полуломкий (пониженной прочности) и ломкий (слабой прочности). Чем выше прочность и эластичность волокон, тем выше качество асбеста. Цвет хризотил-асбеста чаще золотисто-желтый, желто-зеленый, светло-зеленый, серебристо- или снежно-белый, реже травяноили изумрудно-зеле- ный. В распушенном виде цвет волокон хризотил-асбеста за редким исключением снежно-белый.

75

Все амфиболит-асбесты нерастворимы или трудно растворимы в кислотах, этим они отличаются от хризотил-асбеста. Кроме того, они значительно хуже расщепляются на тонкие волокна по сравнению с хризотил-асбестом.

Асбест в чистом виде или в виде соединений с другими материалами применяется для изготовления всевозможных изделий в различных отраслях промышленности. В подавляющем большинстве асбестовых изделий используется хризотил-ас- бест. Амфиболовые асбесты, доля которых в асбестообрабатывающей промышленности не превышает 4 %, применяются в изделиях, к которым предъявляются требования повышенной кислотостойкости.

Хризотил-асбест является очень качественным огнеупором

ииспользуется при изготовлении термоизоляционных асбестовых, а также асбестобитумных материалов, а также в текстильной, цементной, картонной, бумажной, резиновой отраслях промышленности.

Тальком называют слоистый силикатный минерал, имею-

щий формулу Mg3[Si4O10][ОН]2.

Обычно тальк встречается в природе в виде листоватых и чешуйчатых агрегатов, а также в виде тонкозернистых сливных масс (мыльный камень). Для него характерна низкая твердость (1 по шкале Мооса), весьма совершенная спайность

ижирность на ощупь. Цвет талька преимущественно белый, бело-серый, бело-зеленоватый, в зависимости от наличия примесей может быть темно-серым, грязно-зеленым, бурым и т.д. Природные скопления талька в зависимости от соотношения

вних талька и других минералов принято делить на талькиты (от 75–80–95 % талька) и тальковые камни (менее 75 % талька). Среди них наиболее распространены тальк-брейнеритовые (магнезиты), тальк-хлоритовые, тальк-актинолитовые и тальк-тремолитовые камни.

Высокая термическая стойкость талька позволяет использовать массивные разновидности тальковых камней для получения огнеупорных кирпичей и плит, применяемых в металлургической и химической промышленности.

Основная часть талька используется в молотом виде. Молотый тальк применяется в керамической, химической, бумажной, лакокрасочной, резиновой, кабельной, парфюмерной

76

идругих отраслях производства. Важную роль он играет как инертный наполнитель.

Магнезит MgCO3 – природный карбонат магния, теоретический состав 47,62 % MgO и 52,38 % СО2. Обычно содержит изоморфные примеси Fe, Ca и Мn, при увеличении их количе-

ства переходит в другие карбонаты – брейнерит (Mg, Fe)CO3, сидерит FeCO3. Твердость – 3,5–4,5, плотность – 3 г/см3. Цвет в зависимости от характера примесей изменяется от белого до черного.

Впромышленности под магнезитом понимается карбонатная горная порода кристаллического или аморфного строения, состоящая в основном из минерала магнезита с примесями сидеромагнезита, доломита, кальцита, талька, хлорита, глинистого и углистого вещества.

Брусит MgOH2 – природная кристаллическая гидроксид магния, содержит до 69 % MgO. В брусите магний частично замещается железом – ферробрусит, марганцем – мангабрусит. Цвет белый, зеленоватый или коричневый, желтый. Твердость – 2,5, плотность – 2,4 г/см3. Брусит является породообразующим минералом бруситов, практически мономинеральных пород, а также бруситовых мраморов.

Основным потребителем магнезита является промышленность огнеупорных изделий и вяжущих материалов. В огнеупорной промышленности используется только кристаллический магнезит, идущий на изготовление металлургического магнезитового порошка, магнезитового, магнезит-хромитового, хроммагнезитового и форстеритового кирпича и других огнеупорных изделий. Магнезит используется также в химической, фармацевтической, резиновой, сахарной и керамической отраслях.

Брусит – ценное сырье, применяется при производстве огнеупорных изделий и целлюлозы.

Кроме перечисленных выше минералов при производстве огнеупоров могут применяться хромшпинелиды (производство хром-магнезитового и магнезит-хромитового кирпичей)

ивысокоглиноземистые минералы – дистен, андалузит и сил-

лимагнит, имеющие сходные формулы Al2[SiO4]O или AlSiO5 и температуру плавления – 1200 °С.

Важным сырьем для производства огнеупорных материалов являются также огнеупорные глины – глинистые поро-

77

ды с температурой плавления 1580 °С и выше, состоящие из минералов группы каолинита (Al4[Si4O10](OН)8) и минералов свободного глинозема (Al2O3), применяемые для производства специальной керамики и футировочных кирпичей.

5.1.6. Камнесамоцветное сырье

Обширная группа драгоценных, полудрагоценных и цветных камней в геологии и потребляющей их промышленности называется камнесамоцветным сырьем. Оно подразделяется на ограночные и поделочные камни.

Ограночные камни (драгоценные и полудрагоценные) – это минералы, обладающие высокой твердостью, стойкостью к химическому воздействию, бесцветные или чаще всего красивой окраски чистых тонов, прозрачные и полупрозрачные, поддающиеся огранке и шлифовке. Применяются они для вставок в различные ювелирные изделия (броши, серьги, кольца, диадемы, ордена и т.д.).

Поделочные камни в отличие от ограночных в большинстве случаев являются не только отдельными минералами, но и горными породами, обладающими красивой окраской, часто с причудливым рисунком. Они также хорошо шлифуются и полируются. Благодаря указанным особенностям поделочные камни широко применяются при изготовлении художествен- но-декоративных изделий (ваз, статуэток, шкатулок и т.д.), частично в ювелирных изделиях.

На ограночные и поделочные камни, кроме алмаза и янтаря, в настоящее время действуют соответствующие технические условия.

Ограночные камни. Алмаз относится к драгоценным камням. Твердость его по шкале Мооса наивысшая – 10, плотность – 3,5 г/см3. Бесцветные разновидности алмаза состоят из чистого углерода, в окрашенных и непрозрачных разновидностях обнаруживаются MgO, CaO, FeO, Fe2O3, Аl2О3, TiO2 и т.д. Кристаллизуется алмаз в кубической сингонии.

Облик кристаллов октаэдрический, реже додекаэдрический, кубический. Алмаз может быть бесцветным, водянопрозрачным или окрашенным в голубой, синий, желтый, бурый и черный цвет. Блеск его сильный, алмазный. Размеры кристаллов варьируют от мельчайших до очень крупных, ве-

78

сящих несколько сот и даже тысяч каратов (метрический карат равен 0,2 г); электропроводность слабая. Обладает спайностью.

Алмаз очень устойчив по отношению к физическим и химическим агентам выветривания, но является хрупким минералом.

Различают алмазы ювелирные и технические. К ювелирным относятся хорошо образованные прозрачные, бесцветные или слабоокрашенные кристаллы без повреждений и включений посторонних минералов. Ограненные кристаллы алмазов называются бриллиантами.

Сапфир и рубин – разновидности минерала корунда – встречаются в виде кристаллов столбчатой, бочонковидной, пирамидальной и пластинчатой форм. Крупные кристаллы нередко изогнуты. Рубин имеет красно-розовый и кроваво-крас- ный цвет, а сапфир – густо-синий. Твердость минералов – 9. Спайностью не обладает. Излом неровный. Блеск стеклянный до алмазного. Происхождение магматическое, контактно-ме- тасоматическое, метаморфическое. Встречается в россыпях.

Александрит – разновидность минерала хризоберилла BeA- l2O4 темно-зеленой окраски при дневном цвете, а при электрическом освещении – фиолетово-красного цвета. Встречается в виде кристаллов толстотаблитчатой, иногда короткоили длиннопризматической формы в пегматитах или в контакто- во-пневматолитовых образованиях на границе сланцев с гранитными интрузиями. В россыпях встречается в виде окатанных галек.

Изумруд и аквамарин – разновидности минерала берилла Be3Al2Si6O18. Изумруд имеет густой ярко-зеленый цвет, аквамарин – синевато-голубой.

Топаз Al3[SiO4](OH, F)2 встречается в виде кристаллов призматической формы. Сингония ромбическая, большей частью имеет светлые оттенки желтого, винно-желтого, соломенножелтого, голубого, фиолетового, зеленого, розового, изредка красного цвета. Бесцветные, водяно-прозрачные разновидности сравнительно редки. Встречается в миаролитовых пустотах главным образом среди кислых изверженных пород (гранитов, риолитов) часто в пегматитовых жилах и грейзенах. В россыпях этот минерал хорошо сохраняется вместе с кварцем и бериллом.

79

Турмалин – кристаллы турмалина обычно бывают столбчатыми и вытянутыми вдоль тройной оси симметрии, изредка встречаются короткопризматические кристаллы. Цвет исключительно разнообразен: турмалин черного цвета носит название шерл, темно-синего – индиголит, темно-красного – рубеллит. Кристаллы с различной окраской называются полихромными турмалинами. Электризуется при нагревании, трении, давлении, причем один конец кристалла заряжается положительно, другой – отрицательно. Красиво окрашенные прозрачные разновидности турмалина применяются в ювелирном деле, крупные кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, – в электротехнике. Турмалины встречаются в пегматитах в ассоциации с другими минералами, содержащими летучие и редкие компоненты (литий, рубидий и др.).

Как химически стойкий минерал при выветривании пород турмалин накапливается в россыпях.

Аметист – прозрачная фиолетовая разновидность кварца. Окраска аметиста может быть различной интенсивности. Наибольшую ценность имеют камни, окрашенные в вишнево-фио- летовый (бархатный) цвет.

Ювелирный кварц – к ювелирному кварцу помимо аметиста относятся следующие разновидности кристаллического кварца: горный хрусталь – бесцветные водяно-прозрачные кристаллы; раухтопаз – дымчатые прозрачные разновидности, окрашенные в сероватые или буроватые тона; морион – черные кристаллы; цитрин – золотисто-желтые или ли- монно-желтые кристаллы; празем – зеленоватый кварц с включениями иголочек зеленого актинолита; авантюрин – желтоватый или буровато-красный кварц с мерцающим отливом, обусловленным наличием мельчайших включений слюды или гематита – железной слюдки.

Кристаллы ювелирного кварца встречаются в пустотах среди пегматитов в ассоциации с полевыми, шпатами, мусковитом, иногда топазом, бериллом, турмалином и другими минералами. Кристаллы оптического горного хрусталя встречаются в пустотах и трещинах жил альпийского типа. Образует россыпи.

Хризолит – принятое в ювелирном деле название прозрачных красиво окрашенных и не затронутых метаморфизмом

80