- •Оглавление
- •Раздел I.
- •Глава 1. Методы исследования химического состава, кристаллической структуры минералов и особенностей их внутреннего строения ..…….11
- •Раздел II.
- •Глава 3. Минераграфические исследования руд ......................................41
- •Введение
- •Раздел 1. Физические методы лабораторных исследований минералов
- •Глава 1. Методы исследования химического состава, кристаллической структуры минералов и особенностей их внутреннего строения
- •1.1. Лазерный эмиссионный анализ
- •1.2. Электронография
- •1.3. Электронная микроскопия
- •1.4. Электронно-зондовый микроанализ
- •1.5. Рентгеноструктурный анализ
- •1.6. Инфракрасная спектроскопия
- •1.7. Радиоспектроскопические исследования
- •Глава 2. Методы изучения физико-химических превращений минералов при изменении температуры. Исследование состава, температуры и давления минералообразующих растворов
- •2.1. Термический анализ минерального сырья
- •2.2. Методы исследования газово-жидких включений в минералах
- •Раздел II. Лабораторные методы исследования вещественного состава руд и диагностика рудообразующих минералов
- •Глава 3. Минераграфические исследования руд
- •3.1. Минераграфия
- •3.1.1. Цели и задачи минераграфических исследований
- •3.1.2. История возникновения и развития минераграфии
- •3.1.3. Отбор штуфных образцов для минераграфических исследований
- •3.1.4. Изготовление аншлифов и дефекты полировки
- •3.1.5. Рудный микроскоп, главные детали в его устройстве и правила работы с ним
- •3.1.6. Методика изучения рудных минералов в отраженном свете с помощью рудного микроскопа
- •3.1.7. Изучение электрических и магнитных свойств минералов в аншлифах
- •3.1.8. Метод диагностического и структурного травления аншлифов
- •3.1.9. Изучение твёрдости минералов в аншлифах
- •3.2. Оптические явления, наблюдаемые в отраженном поляризованном свете, и их использование для диагностики минералов
- •3.3. Фотометрические исследования
- •3.4. Эллипсометрические исследования
- •3.5. Изучение рудных минералов в отраженном свете
- •3.5.1. Диагностические свойства, наблюдаемые без анализатора
- •3.5.2. Диагностические свойства, наблюдаемые в скрещенных николях в параллельном и в сходящемся свете
- •Глава 4. Руды черных, цветных и благородных металлов. Диагностические свойства главных рудообразующих и сопутствующих им минералов в отраженном свете
- •4.1. Руды железа, титана, марганца, хрома Железные руды
- •Минералы бурых железняков
- •Главные минералы железных руд
- •Марганцевые руды
- •Минералы марганца
- •Руды хрома
- •4.2. Руды ванадия
- •4.3. Руды никеля и кобальта
- •Минералы никеля
- •68Х. Кузнецкий Алатау
- •68Х. Кузнецкий Алатау
- •Минералы кобальта
- •4.4. Руды молибдена и вольфрама Руды молибдена
- •Руды вольфрама
- •4.5. Руды меди, свинца и цинка
- •Минералы меди
- •Руды свинца и цинка
- •Минералы свинца и цинка
- •4.6. Руды висмута
- •4.7. Руды мышьяка, сурьмы и ртути
- •Минералы мышьяка
- •4.8. Руды олова
- •Минералы олова
- •4.9. Руды благородных металлов Руды золота и серебра
- •Теллуриды золота и серебра
- •Минералы серебра
- •Серебряные колчеданы
- •Руды металлов платиновой группы
- •Список литературы
- •Алфавитный список минералов
2.2. Методы исследования газово-жидких включений в минералах
В полостях минералов, составляющих руды и горные породы, законсервированы минералообразующие растворы, захваченные при их кристаллизации. Эти растворы являются многокомпонентными геохимическими системами, которые имеют определённое агрегатное состояние [6].
Исследования газово-жидких включений начаты в XIX веке. В 1858 году Т.К. Сорби опубликовал работу, в которой описал результаты исследования минералообразующих сред методом нагревания минеральных препаратов с газово-жидкими включениями. В дальнейшем развитию этого метода способствовали работы Брюстера, Циркеля, Фогельмана, Хартли, Филлипса. В России первые исследования газово-жидких включений, содержащихся в аметистах Урала, предпринял А.П. Карпинский. Он выяснил, что эти включения являются углекислотой и сделал попытку оценить температуру и давление, при которых происходило образование аметиста.
В 1929 году Г.Г. Лемлейн впервые систематизировал включения в минералах по их генетическому признаку. Среди этих включений он выделил следующие генетические типы:
остаточно-магматические включения (силикатные стёкла, кристаллы, флюидные включения расплавов и рассолов);
пневматолитовые (газовые, газово-водные, газово-углекислотные) включения;
жидкие гидротермальные включения, законсервированные в минералах.
По времени образования газово-жидкие включения разделяются на две группы:
первичные (сингенетические) включения, образовавшиеся в процессе роста кристаллов и фиксирующие зоны их роста (такого рода включения характеризуют условия минералообразования);
вторичные (эпигенетические) включения, которые локализуются в трещинах, залеченных новыми порциями растворов; включения второго рода характеризуют новый этап минералообразования и изменение физико-химических условий.
Основоположником практического применения в России методов изучения газово-жидких включений является Н.П. Ермаков.
Изучение газово-жидких включений проводились по трём главным направлениям:
изучение состава, концентрации и агрегатного состояния растворов и расплавов включений;
разработка методов определения температуры и давления минералообразующих растворов по включениям в минералах и изготовление соответствующей аппаратуры;
применение методов термометрического анализа включений для установления физико-химических условий формирования минеральных комплексов и использования полученной информации в качестве поискового признака связи рудных месторождений с общим ходом развития тектоно-магматической деятельности.
Для нахождения в минералах газово-жидких включений отбирают образцы минералов, руд и пород. Из этих образцов изготавливают при-полированные с обеих сторон пластинки, толщиной от долей миллиметра до нескольких миллиметров, в зависимости от степени прозрачности исследуемых минералов. В этих пластинках должны быть представлены разные генерации минералов.
Для определения температуры минералообразования по газово-жидким включениям применяют:
метод гомогенизации;
метод декрепитации;
метод криометрии (изучение поведения газово-жидких включений в области отрицательных температур).
Кислотность-щелочность минералообразующих растворов (рН среды) определяется способами:
электрометрическим;
колориметрическим;
расчётом по данным химического анализа водных вытяжек из раздробленных минералов.
Состав крупных включений в прозрачных минералах определяется методом спектрального анализа или методом водной вытяжки.
При исследовании температуры минералообразующих растворов наиболее широко применяется метод гомогенизации.
Метод гомогенизации впервые был разработан Г.К. Сорби в 1857 году и им была сконструирована термокамера. Техника этого метода была усовершенствована Н.П. Ермаковым в 40-50-х годах прошлого столетия.
Дальнейшему развитию метода гомогенизации посвящены работы Л Н. Хетчикова, Б.А. Дороговина, Л.А. Самойлова, В.Б. Наумова и других исследователей.
Для исследований применяется термокамера, позволяющая нагревать препараты с газово-жидкими включениями непосредственно на столике микроскопа до температуры 600–700 °С, что значительно расширяет возможности исследования температур [11].
Термокамера имеет цилиндрический корпус из асбоцемента. В корпусе термокамеры имеются два отверстия, в которые вставлены клеммы и к ним крепятся обмотки нагревательного элемента. Для термоизоляции камеры используется ультралегковесный кирпич. Поверхность термокамеры нагревается до 60 °С.
Для исследований подготовленную пластинку с включениями помещают в термокамеру, которая медленно нагревается в результате постепенного увеличения напряжения тока, поскольку быстрое нагревание приводит к растрескиванию препарата. Нагревание производится до момента гомогенизации включения. Для замеров температуры используется плати-но-платинородиевая термопара, которая позволяет измерять температуры в широких пределах – от 100 до 1600 °С. Термопара помещается под препаратом (пластинкой с газово-жидкими включениями). Свободные концы термопары заключены в прочные хлорвиниловые оболочки. Градуировка термопары производится с препаратами, которые содержат включения с известными температурами фазовых превращений минеральных веществ, переходящих при нагревании в расплавленное состояние.
При нагревании газово-жидкие включения переходят в гомогенную фазу (газовый пузырёк исчезает и образуется только жидкая фаза). Температура гомогенизации принимается за минимальную температуру кристаллизации данного кристалла, если это включение первичное, при этом принимается во внимание глубина минералообразования, которая оценивается по геологическим данным. В условиях небольшой глубины и, соответственно, небольшом внешнем давлении газово-жидкие включения не будут находиться в сжатом состоянии и будут гомогенизироваться при температуре, близкой к температуре минералообразования. Но в условиях больших глубин и, соответственно, внешнего всестороннего давления, газово-жидкие включения будут находиться в сильно сжатом состоянии, и температура гомогенизации будет ниже той температуры, при
которой произошел захват растущим минералом газово-жидкого пузырька, поэтому для оценки истинной температуры минералообразования необходимо ввести поправку на сжимающее действие внешнего давления. Поправки установлены эмпирически в ходе экспериментальных исследований (при давлении до 500 атм. – поправка составляет 30–40 °С, при давлении до 1000 атм. – поправка составляет 60–85 °С).
В 50-х годах Н.П. Ермаков высказал идею изучения расплавных включений. Наиболее существенные данные в этой области были получены сибирской школой исследователей, которые охарактеризовали температурные условия формирования минералов пирокластических и вулкано-плутонических пород.
В конце 60-х годов Ю.А. Долгов, B.C. Соболев, И.Т. Бакуменко и другие исследователи начали изучать включения магматических расплавов. В результате этих исследований были получены сведения об особенностях магматогенной кристаллизации минералов. Вопрос о соответствии температур гомогенизации расплавных включений истинным температурам кристаллизации вулканических и плутонических пород изучал В.И. Чупин (1975); он пришел к выводу, что при оценке истинной температуры кристаллизации к полученным результатам гомогенизации необходимо вводить поправки на сжимаемость расплава и эти поправки должны быть всегда положительны.
Метод декрепитации был применён в 1948 году Г.Ф. Скоттом.
Он выяснил, что до момента гомогенизации нагреваемого газово-жидкого включения давление в его полости постепенно возрастает, по мере повышения температуры нагревания исследуемой пробы. Выше температуры гомогенизации скорость возрастания давления становится в несколько раз больше, гомогенизированная жидкость расширяется и давит на стенки этой полости. Это и приводит к растрескиванию минерала, то есть декрепитации. Термин «декрепитация» перешел из английской литературы и означает «растрескивание». Этот метод основан на исследовании температуры перехода газово-жидких включений в гомогенное состояние и фиксировании температуры массового взрыва включений (растрескивании стенок полостей в минералах – вакуолей). Но мельчайшие включения могут совсем не взрываться. Обычно быстро растрескиваются минералы с хорошей спайностью (например, сфалерит, кальцит, барит, флюорит, вольфрамит).
Прибор-декрепитограф был сконструирован в Томском политехническом институте в 1960 году. В 1970 году прибор-декрепитограф сконструирован в Московском государственном университете.
Приборы-декрепитографы позволяют нагревать пробы до температуры +900 °С. Регистрация импульсов декрепитации производится на диаграммной бумаге с помощью звукозаписи. Для этого прибор снабжен звукоизоляционным ящиком. В настоящее время звуковые декрепи-гографы снабжены пьезодатчиками, где используются пьезокристаллы.
Ю.А. Долговым и А.И. Серебряковым были разработаны термовакуумные установки. В этих установках исследуемая проба помещается в вакуумную камеру и нагревается. В ходе нагревания газово-жидкие включения взрываются и выделяют пары и газы, которые накапливаясь, изменяют давление в камере. Изменение давления регистрируется чувствительными манометрами. Достоинством вакуумных декрепитографов является большая чувствительность. Но вакуумные декрепитографы нельзя использовать для исследования минералов, которые подвержены быстрому термическому разложению и выделяют пары и газы, не связанные с наличием газово-жидких включений. При исследовании сульфидных минералов, нагреваемых на воздухе, регистрируется аномальная декрепитация, что обусловлено окислительными процессами.
С помощью метода декрепитации можно решать следующие задачи:
определить общую насыщенность образцов газово-жидкими включениями;
оценить число генераций газово-жидких включений;
расчленить по характеру эффекта декрепитации геологические образования различного возраста.
Соотношения между температурами декрепитации и истинными температурами минералообразования и температурами гомогенизации оказываются очень сложными, если во включениях содержится углекислота. Температура гомогенизации всегда меньше температуры декрепитации, но с увеличением количества углекислоты во включениях температура декрепитации резко понижается по сравнению с температурой гомогенизации. Углекислота является распространённым компонентом включений в минералах гидротермальных месторождений. Было установлено, что температура декрепитации всегда выше температуры гомогенизации, но если в составе газово-жидких включений содержится большое количество углекислоты, то температура декрепитации резко понижается, по сравнению с температурой гомогенизации. Поэтому методом декрепитации в таких случаях температурный режим минерало-ооразования оценить очень трудно.
Реже для изучения газово-жидких включений применяется метод изучения поведения включений в области низких температур – метод криометрии [11].
Метод криометрии основан на физическом явлении Пельтье. Это явление заключается в следующем: при прохождении электрического тока через термобатарею, состоящую из полупроводников, соединённых последовательно, в местах их спая поглощается или выделяется (в зависимости от направления электрического тока) некоторое количество тепла, пропорциональное количеству электричества, прошедшему через зону спая (контакта). В результате этого одна сторона термобатареи нагревается, а другая – охлаждается. Берут столик микроскопа и устанавливают на холодном конце батареи. Для питания полупроводниковой батареи используется выпрямитель переменного тока. К столику подводится вода для охлаждения горячего спая термобатареи (для охлаждения может использоваться хлористый натрий со льдом, твёрдая углекислота, хлористый аммоний и азотнокислый калий). При замерзании газово-жидких включений сначала происходит деформация газового пузырька, этот пузырёк сокращается, а затем исчезает и образуется криогидрат. Момент замерзания фиксируется по резкому мгновенному потемнению включений, которые приобретают буроватый оттенок. При повышении температуры криогидрат становится чёрным, тёмно-бурым до светло-серого и может иметь мозаичный вид.
Ю.А. Долгов, В.М. Макагон, B.C. Соболев и другие исследователи применяли метод криометрии для изучения процессов прогрессивного метаморфизма, поскольку развивающееся метаморфогенное минерало-образование протекает при высоких давлениях, то включения в минералах находятся в гомогенном состоянии. Для того, чтобы получить настоящую температуру гомогенизации и по ней оценить существовавшее давление, эти включения нужно исследовать методом криометрии [7].
Для диагностики и изучения кристалломорфологии ультрамелких минеральных включений (минералов-узников) используют методы электронной микроскопии. Метод электронной микроскопии позволяет обнаружить мельчайшие полости в минералах и ультрамелкие включения. Свежеприготовленные сколы минералов улавливают с помощью полистироловой или коллодиевой плёнок, затем с этих плёнок микрочастицы переносят на угольную подложку и полученную угольную реплику исследуют в режиме дифракции или методом отражения электронов прямо со спайных сколов минералов и получают электронограммы, которые позволяют выяснить состав мельчайших включений.
В непрозрачных минералах газово-жидкие включения изучаются с помощью инфракрасного микроскопа. Термолюминисцентный метод позволяет исследовать включения жидких и газообразных углеводородов, битумов, антраксолитов [11]. К середине 80-х годов в нашей стране были получены сведения о природе люминисценции примерно 240 минералов [4] и построена классификация люминисцирующих минералов, основанная на физических и кристаллохимических свойствах минералов. На этой основе стали развиваться люминисцентно-спектроскопические методы диагностики трудноопределяемых минералов и количественной оценки их в рудах.