ценка качества и перспектив использования в промышленности недефицитных кварцевых пород - кварцитов и кварцевого песка, которые могут служить источником дешевого, но высокочистого кварцевого сырья, является крайне актуальной в последние годы.
Кварциты Антоновской группы месторождений (Западная Сибирь, Россия) [1-3] относятся к осадочно-метаморфическим отложениям и являются продуктом литификации в условиях раннего метагенеза кварцево-гидрослюдисто-серицитовой фации. В результате метаморфизма кремнистой биогенной толщи происходила кристаллизация аморфного кремнезёма и появление кристаллической фазы a-кварца. Образующиеся кварциты отличаются структурой и степенью чистоты в зависимости от степени их преобразования.
Нами сделано предположение [4], что оценку степени преобразования кремнистой толщи и, таким образом, выявление наиболее чистых разновидностей кварцитов, возможно провести путём определения индекса кристалличности Ki, который использовался в работах [5, 6] при исследовании структурной неупорядоченности халцедонов методом инфракрасной (ИК) спектрометрии.
Методика эксперимента. Для исследования отобраны пробы кварцитов разных технологических марок разрабатываемого месторождения «Сопка-248».
Спектры ИК-поглощения регистрировались на спектрофотометре Specord M40 в интервале 400...4000 см-1 с разрешением 0,01 см-1, а также на спектрофотометре с преобразователем Фурье IRPrestige-21 фирмы «Shimadzu» (FTIR-8400S) в интервале 300...4000 см-1 с разрешением 0,001 см-1, с помощью программного обеспечения IRsolution.Результаты и обсуждение. В инфракрасных спектрах кварцитов обнаруживается спектральная картина a-кварца: интенсивная полоса в области 1165-1090 см-1 (Si-O-валентные колебания), средней интенсивности двойной пик (дублет) 800...778 см-1 (колебания связанных SiO4-тетраэдров), полоса меньшей интенсивности 693 см-1, и две весьма интенсивные полосы около 525 и 465 см-1, а также полосы 370 и 395 см-1, которые связаны с O-Si-O деформационными колебаниями (рис. 1).
Рис. 1. Фрагменты спектров ИК-поглощения в области 2000...400 см-1 образцов кварцитов Антоновского месторождения: 1 - белого; 2 - серого кварцита
Однако, в отличие от крупнокристаллического aa-кварца, в ИК-спектрах кварцитов, также как и в спектрах халцедонов [5, 6], полоса 1165...1090 см-1 становится более диффузной (она уширяется за счет правого плеча 1000...950 см-1), уменьшается интенсивность дублета {797, 778} см-1, а полоса 525 см-1 смещается к значениям 508...510 см-1, что свидетельствует о структурной неупорядоченности и понижении степени кристалличности кварцитов.
Впервые для оценки степени структурной неупорядоченности кварца К. Murata и М. Norman [7] предложили определять «индекс кристалличности» путём расчёта отношений интенсивностей двойного пика при 2θ = 67,74° на рентгенограммах, полученных методом рентгеновской спектрометрии.
Кристаллическая фаза aa-кварца определяется наличием двойного пика поглощения 800...778 см-1. С изменением степени кристалличности вид данного дублета меняется. Характерный для α-кварца двойной пик ИК-поглощения при 778 и 797 см-1 обусловлен фундаментальными колебаниями разного типа симметрии Si-O-Si связей в кремнекислородном тетраэдре [8]. По мнению И.И. Плюсниной [5] именно этот двойной пик можно использовать для получения относительного критерия оценки кристалличности кварца, отражающей степень его изменения. Положение этого двойного пика по спектру, средняя интенсивность, отсутствие суперпозиции других полос и большая чувствительность к структурным изменениям явилась причиной его использования для расчёта индекса кристалличности по формуле
Кi = 10 f a/b,
где f - коэффициент пропорциональности для эталонного кварца (2,8); a/b - отношение величины слабого пика 778 см-1 к его коротковолновому плечу (рис. 2).
По этой методике вычислены значения индекса кристалличности образцов кварцитов месторождения «Сопка-248», представленные в таблице.
|
Образец кварцита |
Кi |
|
Кварцит белый |
2,21 |
|
Кварцит сероватого цвета с примазками глинистого вещества |
2,66 |
|
Кварцит серый с примазками оксидов железа |
2,52 |
|
Кварцит черного цвета |
2,75 |
|
Кварцит серого цвета с примазками оксидов Mn |
3,16 |
|
Яшмовидный кварцит буровато-вишневого цвета с черными прожилками |
5,6 |
Рис. 2. Пояснение к методике расчёта индекса кристалличности по изменению двойного пика 800...778 см-1 в спектрах инфракрасного поглощения
Приведенные в таблице усреднённые значения индекса кристалличности получены по результатам измерения 5-7 образцов. Эти значения отражают некоторые относительные значения индекса кристалличности, отражающие, по нашему мнению, степень преобразования кварцитов.
Действительно, мелкокристаллические кварциты месторождения «Сопка-248», отличающиеся достаточно высокой чистотой [3], как правило, характеризуются расчётными значениями индекса кристалличности в пределах 2,21...2,28. С глубиной, а также от центральных участков рудного тела к периферии кварциты изменяют свой химический состав и цвет; степень кристалличности их повышается до значений 2,75...3,16. Общее содержание элементов - примесей даже в необогащенной породе показывает, что данные кварциты практически не уступают традиционно чистому гранулированному кварцу. Общее содержание примесей в зерне составляет менее 10 ppm. Кварциты почти полностью состоят из кварцевых микрозерен с плотной упаковкой, размер которых варьирует в пределах от 0,01 до 50 мкм.
В локальных участках, особенно в зонах повышенного дробления, изначально химически чистые кварциты под влиянием гипергенных процессов ухудшают свои качественные характеристики, но индекс кристалличности повышается для отдельных образцов до значений 5,6.
Заключение. В пределах месторождения кварцитов «Сопка-248» Антоновской группы месторождений (Россия, Западная Сибирь) возможно проведение оценки степени преобразования осадочно-метаморфической толщи кварцитов с помощью определения индекса кристалличности, рассчитанного по параметрам двойного пика при 778 и 797 см-1 в спектрах инфракрасного поглощения. Учитывая, что наиболее чистые разновидности характеризуются наименьшими значениями индекса кристалличности, такая оценка может служить генетическим признаком и использоваться для дальнейшего технологического картирования.
Список литература
-
Захаров В.Б. Геологическое строение Антоновской группы месторождений кварцитов // Горный журнал. - 2000. - № 7. - С. 7-9.
-
Ананьев Ю.С., Ананьева Л.Г., Долгов И.В., Коробейников А.Ф., Коровкин М.В. Поиски, оценка и обогащение кварцевого сырья для высоких технологий // Известия Томского политехнического университета. - 2001. - Т. 304, № 1. - С. 123-130.
-
Ананьева Л.Г., Коровкин М.В. Минералого-геохимическое изучение кварцитов Антоновской группы месторождений // Известия Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306, № 3. - С. 50-55.
-
Ананьева Л.Г., Анциферова А.А., Коровкин М.В. Оценка степени преобразования кварцитов методом инфракрасной спектрометрии // Матер. Всеросс. минералогического семинара с международным участием. - Сыктывкар: Геопринт, 2010. - С. 39-40.
-
Плюснина И.И. Исследование структурной неупорядоченности халцедонов методом инфракрасной спектроскопии // Доклады Академии наук СССР. - 1978. - Т. 240, № 4. - С. 839-842.
-
Барсанов Г.П., Плюснина И.И., Яковлева М.Е. Особенности состава, некоторых физических свойств и структуры халцедона // Новые данные о минералах СССР. - М.: Наука, 1979. - Вып.28. - С. 3-33.
-
Murata K.J., Norman II M.B. An index of crystallinity for quartz // American Journal of Science. - 1976. - Vol. 276. - P. 1120-1130.
-
Силинь А.Р., Трухин А.Н. Точеные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO2. - Рига: Зинатне, 1985. - 244 с.