Рудная минераграфия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

РУДНАЯ МИНЕРАГРАФИЯ

Нерадовский Юрий Николаевич

Редактор Е.В. Попова

Мурманск

2009



Оглавление

Глава 1. Понятие о методах исследования горных пород и руд микроскопическими методами. Области применения и роль минераграфии в изучении вещественного состава руд

Глава 2. Отбор образцов для геолого-минералогических исследований. Изготовление полированных шлифов для изучения минералного состава руд из твердых и сыпучих материалов

Глава 3. Методы и аппаратура, используемые в рудной минераграфии

Глава 4. Рудный микроскоп: оптическая система, настройка, приемы работы

Глава 5. Понятие о теории взаимодействия света и вещества

Глава 6. Основные свойства минералов в отраженном свете: отражение, анизотропия, двуотражение, цвет, внутренние рефлексы, магнитность, микротвердость, кристалломорфные особенности

Глава 7. Группы рудных минералов по физическим свойствам. Диагностические свойства эталонных минералов. Определительские таблицы

Глава 8. Типоморфные минеральные ассоциации и минералы в рудах. Классификация рудных месторождений

Глава 9. Минеральные ассоциации и парагенезисы в рудах главнейших типов месторождений полезных ископаемых

Глава 10. Структуры и текстуры руд. Морфогенетические особенности минеральных зерен. Главные морфологические типы текстур

Глава 11. Текстурно-структурный анализ руд в процессе изучения месторождений. Признаки последовательности выделения минералов и минеральных ассоциаций. Признаки пострудных изменений. Оценка физико-химических условий отложения. Построение схем последовательности выделения минералов

Рекомендуемая литература



Глава 1. Понятие о методах исследования горных пород и руд микроскопическими методами. Области применения и роль минераграфии в изучении вещественного состава руд

Минераграфия - наука, занимающаяся изучением минерального состава руд. Она зародилась в 60-х годах 18 столетия. При развитии метода микроскопического исследования руд в отраженном свете многие приемы были заимствованы из металлографии (изучение металлов и их сплавов).

Рудные минералы - специфическая группа минералов, отличающаяся свойствами, прежде всего от породообразующих минералов. Это, как правило, непрозрачные минералы, тесно сросшиеся друг с другом мелкозернистые агрегаты. Рудными минералами называют иногда все минералы, образующие месторождения.

Руды - это такие горные породы и минералы, добыча которых является экономически выгодной. Обычно рудой называют полезные ископаемые, содержащие металлы, а строительные камни, абразивы, глины, огнеупоры, наполнители и минеральные соли классифицируют как промышленные горные породы и минералы или как минеральное сырье.

В курсе "Рудная минераграфия" к рудным минералам относят такие природные соединения, которые содержат в своем составе металлы и характеризуются определенными физическими свойствами, позволяющими изучать их в отраженном свете на минерагафических (рудных) микроскопах. Рудные минералы широко распространены в горных породах, но в количествах, достаточных для промышленной оценки и добычи, они концентрируются лишь в исключительных случаях.

Для изучения минерального состава руд используются специальные препараты типа шлифа или аншлифа, изготавливаемые из кусочков пород и руд. Для петрографических исследований применяют поляризационные микроскопы проходящего света. Для изучения руд используются микроскопы отраженного света. Петрографический микроскоп позволяет изучать только оптические свойства минералов и исключает соприкосновение с исследуемым объектом, а минераграфические микроскопы позволяют, как изучать оптические свойства, так и воздействовать на минералы разными способами. Широко используются также стереоскопические микроскопы, особенно для изучения крупных образцов.

Определение рудных минералов является первым и наиболее важным этапом исследования руд. Определение слагающих руду минералов необходимо на всех стадиях изучения месторождений. Комплексные геолого-минералогические исследования систематически проводятся и в процессе разведки месторождения, причем минералогическое картирование и опробование должны сопутствовать геологическому картированию и разведочному опробованию на всех стадиях разведочных работ.

На поисковой стадии работ геологу необходимо знать полный комплекс минералов, присутствующих в породах исследуемого участка, выяснить, какие из них могут быть полезным ископаемым. Решается вопрос о возможности извлечения минералов из пород. На данной стадии работ первостепенную роль играет химический анализ, но он не может заменить минералогических исследований. Минераграфия позволяет определять не только минералы, но и мельчайшие включения в минералах и изучать закономерности их распределения. Только зная количество включений примесей в минерале можно точно определить его состав и рассчитать формулу. Минераграфический метод важен также для изучения парагенетических минеральных ассоциаций, структур и текстур руд, на основе которых вырабатывается концепция правильного понимания процессов рудообразования. В совокупности с геологическими и петрографическими исследованиями эти сведения позволяют установить генетический тип месторождения и тем самым более правильно подойти к его оценке и выбору наиболее эффективного метода разведки и разработки.

На стадии разведки месторождения микроскопическое изучение руды необходимо для правильного подсчета запасов и выбора технологии обогащения. При выборе метода переработки руд технолог должен знать минеральный состав руды, размеры зерен минералов и характер их срастания. Эти данные позволяют установить требуемую крупность измельчения и облегчают выбор методов обогащения руды. Основные методы обогащения основаны на использовании таких физических свойств минералов, как удельный вес (гравитационный), магнитность (магнитная сепарация), смачивающая способность поверхности (флотационный) и др. Поэтому необходимо знать основные физические свойства минералов.

На эксплуатационной стадии разведки месторождения в процессе обогащения руды микроскопический метод необходим при изучении промежуточных продуктов обогащения для контроля процесса обогащения и его оптимизации, а также состава отходов обогатительного производства. Методы наблюдения и измерения оптических свойств минералов в отраженном свете с успехом применяются при изучении качества углей, в процессе исследования состава, строения и степени метаморфизма каменного угля.

Глава 2. Отбор образцов для геолого-минералогических исследований. Изготовление полированных шлифов для изучения минералного состава руд из твердых и сыпучих материалов

Отбор образцов имеет решающее значение для полной характеристики вещественного состава руд. Методика, масштабы и объемы отбора образцов определяются состоянием полезного ископаемого и целью работ. Полезное ископаемое может быть представлено твердыми, сыпучими или дроблеными продуктами.

Важно правильно задокументировать рудное тело, и на основе документации провести опробование. Методика опробования зависит от строения конкретного объекта.

Главные опробуемые элементы рудных тел:

а) природные типы руд;

б) текстурные разновидности руд;

в) изменения параметров рудного тела:

- продольный разрез (по простиранию);

- поперечный разрез (по мощности);

- вертикальный разрез (по падению);

г) контакты с вмещающими породами;

д) раздувы рудного тела;

е) апофизы;

ж) перегибы и пережимы.

В каждом конкретном разрезе рудного тела образцы отбирают из всех разновидностей руд и приконтактовых пород (рис. 1).

Рис.1. Схема отбора образцов (1-11) из комплексной рудной жилы (Парк, Мак-Дормид, 1966). Условные обозначения: 1 - серебряная руда; 2 - сидерит; 3 - пирит; 4 - кварц;

5 - кальцит; 6-сфалерит

Образцы пород и руд отбирают для следующих целей:

1) геолого-минералогическая съемка (характеристика) месторождения или отдельных рудных тел;

2) детальное исследование различных типов руд (минеральных, текстурных, промышленных);

3) выявление зональности месторождения или отдельных рудных тел;

4) проведение парагенетического анализа и обсуждение вопросов генезиса месторождения;

5) минералого-технологическая характеристика руд для решения задач обогащения и др.

В зависимости от цели работ отбирают образцы следующих типов:

1. Текстурные, для изготовления полированных штуфов и изучения текстурно-структурных взаимоотношений оруденения и вмещающих пород или различных руд между собой. Размеры образцов обычно составляют 10-15 см или выбираются по размеру текстурной ситуации.

2. Рудно-минералогические, для изготовления полированных шлифов (аншлифов) и изучения рудных минералов.

3. Петролого-минералогические, для изготовления прозрачных шлифов и изучения петрографического состава руд и пород. Размеры образцов составляют не более 2-3 см.

4. Химико-минералогические, для производства химических анализов и выделения мономинеральных фракций минералов. Размеры образцов зависят от размеров минерала, предназначенного для анализа, вес пробы должен составлять не менее 100 г.

Образцы твердых пород и руд, предназначенные для минералогических исследований (текстурно-структурных и микроскопических) поступают в шлифовальную мастерскую на изготовление полированных препаратов и обрабатываются по специальным методикам.

Пример изготовления простейшего аншлифа из твердых руд

1. При помощи алмазной пилы отпиливается кусочек руды размером

2Ч2Ч1 см.

2. Одна сторона образца шлифуется с помощью грубого абразивного порошка крупностью 20-40 мкм для выравнивания поверхности.

3. Заготовка пропитывается клеем (канифоль, эпоксидная смола) для заполнения трещин и наружных пор, чтобы в дальнейшем в них не накапливались частицы абразива.

4. Отшлифованная сторона последовательно шлифуется с помощью более тонких абразивных порошков (14, 7 и 3 мкм) или алмазной пасты, по 2 минуты каждым порошком.

5. Отшлифованная с помощью тонких порошков поверхность, полируется на тонком (биллиардном) сукне с добавлением хромпика (обожженный Cr2O3) в течение 5-10 мин, в зависимости от состава руды.

Так можно получить достаточно качественный аншлиф породы

и руды для изучения рудных минералов. Следует помнить, что попадание грубых частиц на сукно или в тонкий порошок недопустимо, так как они испортят ранее полученный результат шлифовки или полировки.

Методика приготовления брикета из сыпучей пробы

Образцы и пробы сыпучих пород и руд, предназначенные для изготовления аншлифов, предварительно цементируются твердыми клеями типа эпоксидного.

Для приготовления брикета выполняют следующие операции:

1. Порошок промывают и сушат.

2. Смешивают с эпоксидным или другим клеем.

3. Смесь (кашицу) помещают в кювету объемом не менее 1 см3.

4. После затвердевания смеси брикет полируют также как и твердый образец.



Глава 3. Методы и аппаратура, используемые в рудной минераграфии

Глаз человека при нормальной остроте зрения на расстоянии наилучшего видения может различать мелкую структуру, при условии, что соседние элементы структуры отстоят друг от друга не меньше чем на 0,08 мм (толщина лезвия для бритья). Эта величина называется разрешающей способностью глаза. Для наблюдения мелких объектов с большим диапазоном увеличения предназначен микроскоп. Только микроскоп и отраженный свет дают возможность идентификации большинства рудных минералов. Для изучения минералов в отраженном свете применяются специальные поляризационные микроскопы и рефлекторы, создающие вертикально падающий свет. Принципы устройства поляризационных микроскопов также используются для изучения спектров отражения, твердости и химического состава минералов.

Рудные микроскопы

Микроскопы для изучения рудных минералов отличаются от петрографических тем, что имеют специальную приставку - опак-иллюминатор для направления пучка света сверху на полированную поверхность. Подобно всякому поляризационному микроскопу рудный микроскоп состоит из штатива, тубуса и предметного столика. Эти детали служат для взаимной связи между его оптическими частями (объектив, окуляр, опак-иллюминатор с осветителем и поляризатором, анализатор) и объектом, помещенным на предметный столик. Для того чтобы рудный микроскоп можно было использовать для работы в проходящем свете, в центре столика делается отверстие, под которым устанавливается зеркало для подсветки. Простейшие рудные микроскопы наиболее распространенные в России - это поляризационные рудные микроскопы отечественного производства: МИН-9, (изготовитель завод "Геологоразведка", сняты с производства, рис. 2) и агрегатные микроскопы серии "ПОЛАМ" (с индексом Р), Р-311 и др. (изготовитель АООТ ЛОМО, г. Санкт-Петербург, рис. 3).

Рис. 2. Рудный микроскоп МИН-9

Рис.3. Рудный микроскоп ПОЛАМ Р-311(1) с трансформатором (2) и минералогическим прессиком (3)

Из зарубежных микроскопов наиболее распространенными являются микроскопы серии "MIKROVAL", фирмы Carl Zeiss Jena GmbH или "Оpton" (Германия), типа "АMPLIVAL" и др. (рис. 4).

Рис.4. Универсальный микроскоп "AMPLIVAL"

Современные рудные микроскопы, типа "METALLUX", "ELSAM"

и др., как правило, являются сложными многоцелевыми приборами (рис. 5, 6).

Рис.5. Универсальный микроскоп "METALLUX"

Рис.6 Универсальный микроскоп "ELSAM"

Спектрофотометры

Одной из важнейших характеристик рудных минералов является отражательная способность, которая определяется приближенно с помощью стандартных эталонов или фотометрического окуляра, или измеряется количественно с помощью специальных приборов - спектрофотометров. Приборы типа МСФП, выпускавшиеся фирмой "ЛОМО", измеряют отражение минералов в диапазоне видимого глазом спектра 400-700 нм (нанометр = 10-9 м) и в ближней ультрафиолетовой (до 1 200 нм) и инфракрасной (до 250 нм) частях спектра. Спектры отражения (типы дисперсионных кривых) могут также служить диагностическим признаком минералов.

Микротвердометры

Важнейшим свойством рудных минералов является твердость. Измерение твердости может выполняться разными методами. Наиболее простой - царапание стальной и медной иглами, что позволяет по методу А.Г. Бетехтина разделить все минералы по относительной твердости на три группы: низкой, средней и высокой твердости. Для количественного измерения микротвердости созданы специальные микроскопы типа ПМТ-3 (рис. 7).

Рис.7. Прибор для измерения микротвердости минералов ПМТ-3

Современные приборы для измерения твердости, типа "LEITZ" (рис. 8) и другие снабжены автоматическими системами нагружения и контроля над процессом измерения твердости.

Магнитная порошкография

Магнитность является свойством немногочисленной группы минералов и поэтому верным диагностическим признаком. Для ее определения в минераграфии используются разные методы. Наиболее простые основаны на взаимодействии образца с магнитной стрелкой (например, компаса) или порошка минерала со стальной иглой. Но когда минералы мелкозернистые или, если в образце содержится несколько магнитных минералов, то используется метод магнитной порошкографии. Он заключается в нанесении на поверхность аншлифа эмульсии магнитного порошка какого-либо минерала или специального феррита, используемого при производстве магнитных лент для звукозаписи. Мелкие магнитные частицы притягиваются магнитными минералами и позволяют определять количество магнитных минералов и характер их срастания с другими минералами.

Микрохимические реакции

Все минералы обладают способностью растворяться в химических реактивах. При этом образуются характерные по форме, цвету и запаху продукты реакций. В рудной минераграфии разработан специальный набор химических реактивов, который позволяет по характеру взаимодействия минералов с реактивами определять их химический состав. Стандартный набор включает шесть реактивов: концентрированные кислоты - HNO3

и HCl и 20-процентные растворы KCl, FeCl3, HgCl2 и KOH. В некоторых определителях приведены данные диагностического травления всех минералов.

Микрозондовые анализаторы

Для точного определения количественного химического состава минералов применяется электронно-зондовый микроанализ или рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), который выполняется на специальных аналитических приборах - микроанализаторах. Они имеют оптические системы и рентгено-спектральные установки. Метод основан на возбуждении в исследуемом образце характеристического и тормозного рентгеновского спектра с помощью тонкого электронного пучка и разложении полученного спектра по длинам волн с помощью рентгеновского спектрометра с целью идентификации элементов и определения их содержания. Такому же воздействию подвергаются эталонные образцы (стандарты) с известным содержанием анализируемых химических элементов. Сравнение данных образца и эталона позволяет с высокой точностью определять содержание элементов в исследуемом минерале. Микрозондовые анализаторы позволяют определять состав минералов в зернах размером несколько микрон (1 микрон = 10-6 м). Наиболее известны французские (Cameka MS-46, Camebax SX-50 и др.) и японские (JXA-733, JCXA-733 и др.) микрозондовые анализаторы (рис. 9).

Приборы для измерения количества минералов

Определение относительного содержания минералов в руде или породе является необходимым для характеристики ее химического состава. Использование минералогического метода оценки химического состава занимает значительно меньше времени, чем химического и не требует сложных лабораторных химико-аналитических комплексов.

При визуальном определении количества рудного вещества в образце используется метод стандартного препарата С.А. Вахромеева (прил. 1). Он не требует специальных приборов, но применим только для мономинеральных руд (хромитовых, лопаритовых, сульфидных). Для точного измерения количества минералов, находящихся в срастании друг с другом, существуют специальные приставки к рудным микроскопам. Простейшими из них являются ручное устройство Интеграционный столик Андина (ИСА, рис. 10) и полуавтоматические минералогические интеграционные устройства МИУ-1, МИУ-3. Cовременные приборы подобного назначения оборудованы автоматическими системами сканирования и расчета количества и ряда других параметров (структуры, срастаний, размера зерен и др.).

Рис.10. Интеграционный столик Андина (ИСА-1)

Приборы для измерения размеров зерен

Размер минеральных выделений (зерен, прожилков и т. д.) является необходимым параметром для проектирования методов технологической обработки руды (обогащение, металлургия).

Простейшим прибором для измерения размеров зерен является микрометр-окуляр, прилагаемый в комплекте объективов к рудным микроскопам. В нем установлена специальная пластинка с нанесенными делениями, цена которых определяется в зависимости от увеличения микроскопа с помощью специальной линейки - объект-микрометра, также имеющейся в комплекте микроскопа. Точность определения размера с помощью микрометра-окуляра составляет 0,01 мм (в последних моделях микроскопов - 0,005 мм).

Более точным является винтовой окуляр-микрометр ОМ-9, установленный на ПМТ-3. Он позволяет измерять размеры зерен с точностью порядка 0,0002 мм, в зависимости от разрешающей способности микроскопа.

Глава 4. Рудный микроскоп: оптическая система, настройка, приемы работы

Главной особенностью рудных микроскопов является приставка опак-иллюминатор (рис. 11), крепящийся непосредственно к основанию тубуса микроскопов типа МИН-9 и "ПОЛАМ" или встроенных в тубусодержатель ("Аmplival"). Опак-иллюминатор позволяет преобразовать свет от источника освещения в падающий перпендикулярно поверхности аншлифа пучок света и направить его отраженную часть в окуляр микроскопа.

Рис.11. Устройство опак-иллюминатора ОИ-12 к микроскопам типа МИН-9:

3 - стеклянная пластинка - светофильтр; 15 - патрон лампы осветителя; 16 - винт для центрировки нити лампочки; 17 - винт для закрепления патрона; 18 - левая часть осветителя; 19 - правая часть осветителя; 20 - заслонка; 21 - гильза; 22 - зажимный барашек во фланце оправы поляризатора; 23 - рукоятка поворота поляризатора на 45є;

24 - корпус отражателя; 25 - винт для зажима осветителя; 26 - рукоятка полевой диафрагмы; 28 - опорная втулка; 29 - рукоятка включения в ход лучей призмы или отражательной пластинки; 30 - щипцовое устройство

Преобразование света происходит благодаря специальной оптической системе. Она состоит из фокусирующих линз, поляризатора, анализатора, объектива и окуляра (рис 12). Источником света служит лампа накаливания, находящаяся в торце опак-иллюминатора. Свет от лампы проходит систему фокусирующих линз и поляризатор. На пути светового пучка установлены фильтр и две диафрагмы: апертурная и полевая. Аншлиф устанавливается на столике микроскопа с помощью специальной пластинки, пластилина и минералогического пресса.

Минералогический пресс обеспечивает строго горизонтальное положение полированной поверхности аншлифа за счет вдавливания его в пластилин. Световой пучок падает на поверхность минерала, взаимодействует с его кристаллической решеткой, частично поглощается атомами и, отражаясь от поверхности минерала, возвращается в объектив. В объективе отраженный свет через специальную призму направляется в окуляр и в глаз наблюдателя. По ходу светового потока можно включать анализатор и изучать поляризационные свойства минерала. Важными деталями рудного микроскопа являются апертурная и полевая диафрагмы, с помощью которых регулируются освещенность и контрастность изображения

Разрешающая способность. Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность, которая ограничена вследствие дифракции световых лучей. Дифракционные явления связаны с отклонением от прямолинейности световых лучей, проходящих около границы непрозрачных экранов, расположенных на пути лучей. Изображение точки вследствие дифракции в оптической системе микроскопа получается всегда не в виде точки, а в форме светового пятна (диска Эри). Следовательно, изображение двух очень близких точек сливается, и только начиная с некоторого определенного расстояния между изображениями точек можно различать темную линию раздела. Это и определяется разрешающей способностью и зависит от апертуры объектива и длины волны света. Дифракция снижает разрешающую способность и, соответственно, четкость изображения.

Увеличение микроскопа. На рис. 13 показан ход лучей, отраженных от полированного шлифа и создающих в плоскости диафрагмы окуляра действительное (обратное и увеличенное) изображение (А'Б') некоторого участка (АБ) объекта. Это изображение рассматривается через окуляр, который дает дополнительное увеличение и, действуя как лупа, образует мнимое (обратное и увеличенное) изображение (А''Б'') на расстоянии наилучшего видения. Общее увеличение микроскопа (V) определяется как произведение увеличения объектива (Vоб) и увеличения окуляра (Vок):

V = Vоб Vок.

Увеличение объектива выражается формулой:

Vоб = Lтб / fоб,

где Lтб - оптическая длина тубуса, fоб - фокусное расстояние объектива. Наиболее распространенные объективы имеют увеличения от 3Ч до 90Ч, а окуляры от 5Ч до 15Ч. Таким образом, общее увеличение микроскопа обычно находится в пределах от 15Ч до 1 350Ч.

Апертура объектива определяется выражением

А = N sin U,

где U - половина угла конического светового пучка, выходящего из точки объекта, находящейся на оптической оси и еще попадающей в объектив;

N - показатель преломления среды, находящейся между объектом и первой линзой объектива, называемой фронтальной (рис. 14).

Наименьшее расстояние между двумя несамосветящимися объектами в виде точек или линий, еще разрешаемое в микроскопе, определяется приближенной формулой:

d = г / А + А',

где d - минимальное расстояние между двумя деталями объекта; г - длина волны падающего света; А - апертура объектива и Аґ - апертура осветительной системы микроскопа.

Чем меньшая деталь объекта может быть воспроизведена (разрешена), тем больше разрешающая способность данной оптической системы. Подставляя в эту формулу конкретные значения г и А, легко вычислить предельно малые размеры деталей структуры, которые могут быть различимы под микроскопом. Если, например, разрешающая способность слабого объектива с апертурой 0,1 в зеленой области спектра равна 2,7 мкм, то объектив с апертурой 1,4 дает возможность различать две частицы, находящиеся на расстоянии 0,19 мкм.

Настройка микроскопа. Настройку микроскопа начинают с центрирования нити лампы накаливания. Для этого из тубуса вынимается окуляр и вставляется ирисовая диафрагма с небольшим отверстием, через которое без опасности для глаза рассматривается нить лампы. Чтобы ее было хорошо видно, под объектив устанавливается какой-либо высокоотражающий минерал (пирит) или зеркало. На нем должно быть отчетливо видно круглое пятно от падающего из объектива света. Четкое изображение нити лампы в поле зрения регулируется движением ламподержателя в горизонтальном направлении, при помощи винта, находящегося на ламподержателе нить устанавливается по центру поля зрения так, чтобы освещение было равномерным.

У микроскопа Н-9 наводка резкости осуществляется путем подъема (или опускания) тубуса с объективом и окуляром, при этом препарат неподвижен. В других микроскопах столик с препаратом может двигаться.

Одновременно с центрировкой нити лампы регулируется диаметр апертурной диафрагмы, которая находится сразу за фокусирующей линзой в опак-иллюминаторе по ходу луча света от лампы. Апертурная диафрагма открывается специальным винтом, вращая который по часовой стрелке устанавливают открытие на 2/3 поля видимого в отверстии светового потока.

После центрировки лампы и апертурной диафрагмы из тубуса вынимают ирисовую диафрагму и вставляют окуляр с перекрестием нитей. Следующая операция - регулировка полевой диафрагмы. Она расположена в опак-иллюминаторе по ходу луча после апертурной диафрагмы. Полевая диафрагма должна быть отчетливо видна в поле зрения, обычно резкость ее совпадает с резкостью изображения поверхности аншлифа. Вращая винт вокруг оси, открывают диафрагму до границ поля зрения. Если при закрытом положении освещенный участок располагается не по центру поля зрения, необходимо повращать ручкой 29 (рис. 11) стеклянную пластинку вокруг оси или сместить ее в горизонтальном направлении.

После центрировки и настройки лампы накаливания, апертурной

и полевой диафрагм, производят центрировку объектива. Для этого на винты объектива устанавливают специальные регулировочные винты (из комплекта к микроскопу), с помощью которых добиваются, чтобы изображение в центре поля зрения при вращении предметного столика оставалось строго по центру, совпадающему с окулярным перекрестьем. В зависимости от того, где находится центр вращения поля зрения, его перемещают к центру окулярного перекрестья с помощью центрировочных винтов.

Резкость изображения нитей устанавливается путем вращения диоптрийного механизма на окуляре.

Приемы работы на рудном микроскопе

Приступая к работе на рудном микроскопе, следует выполнять ряд условий:

1. В распоряжении начинающего минералога должен быть следующий набор принадлежностей:

- набор стандартных эталонов;

- пластинка с пластилином;

- две иглы: медная и стальная в оправке из пластмассы или в специальном держателе типа цангового карандаша или головки дрели;

- мягкая фильтровальная бумага;

- полировальный станок или суконная тряпочка на деревянной оправ-ке;

- раствор хромпика.

2. Перед началом работы обязательна проверка освещения и центрировки микроскопа, зачистка поверхности аншлифа.

3. Минеральный состав руды любого месторождения должен исследоваться по определенной стандартной методике.

4. Для того чтобы не пропустить в образце никакие выделения минеральных фаз, следует использовать для просмотра препаратоводители типа СТ-11 или СТ-12 и другие, с помощью которых вся поверхность аншлифа последовательно осматривается путем перемещения в поле зрения на шаг, соответствующий диаметру поля зрения объектива. Полосы просмотра должны перекрывать одна другую. Осмотр аншлифа следует производить при средних увеличениях (объективы 9Ч или 21Ч).

Подготовка минералов для микрозондового и рентгеновского анализа

Микрозондовый химический анализ минералов производится на специальных приборах. Минералы для анализа выбирают в аншлифе.

1) Аншлиф для микрозондового анализа должен иметь высокое качество полированной поверхности. В нем выбирают место для анализа.

2) Если минерал, выбранный для анализа, находится в аншлифе, то место его расположения отмечают кружочком, прочерченным алмазной иглой.

3) Если минерал выбран из порошка какой-либо пробы, например под бинокулярной лупой, то его сначала запечатывают в эпоксидный клей или другую твердеющую массу и полируют. В связующий материал рекомендуется добавить 1/3 проводящего металлического порошка меди, никеля или угля.

4) Из аншлифа или искусственно приготовленного препарата вырезают шайбу диаметром не более 14 мм и толщиной не более 5 мм.

5) Место анализа фотографируют и на отпечатанной фотографии точно указывают точки анализа.

Минимальный размер анализируемого зерна для микрозондового рентгеноспектрального анализа должен быть не менее 5 мкм (0,005 мм), для качественного определения состава размер зерна должен быть не менее 20-30 мкм.

Подготовка образца для рентгеновского анализа

Для изучения кристаллической структуры минерала также сначала выбирают зерно в аншлифе, а из аншлифа отбирается под микроскопом микроколичество порошка. Для этого выполняют ряд следующих операций:

а) минерал устанавливается в поле зрения, выбирается достаточно крупное зерно (не менее 0,5 мм);

б) на поверхность под микроскопом наносится капелька чистого резинового клея;

в) в поле зрения вводится стальная игла и с ее помощью под слоем резинового клея выковыривается частичка минерала, при этом игла должна быть направлена на минерал как можно круче (рис. 15);

Рис.15. Положение острия иглы относительно поверхности аншлифа при царапании или получении порошка:

а - правильное, б - неправильное

г) полученный порошок закатывается в клей, шарик помещается в пакет и передается в рентгеновскую лабораторию.



Глава 5. Понятие о теории взаимодействия света и вещества

Изображение, видимое в окуляре, является результатом сложных взаимодействий вертикально падающей световой волны и полированной поверхности минерала. Согласно электронной теории, взаимодействие света и вещества обусловлено взаимодействием электромагнитного поля световой волны с атомами и молекулами вещества. Действие световой волны на электроны вещества и обратное воздействие вещества на световую волну выражаются возбуждением колебаний электронов, совпадающих с колебанием электрического вектора световой волны.

Свет и вещество имеют весьма сложную природу. Известно, что свет представляет собой электромагнитные волны, а вещество - систему электрически заряженных частиц (электроны и ионы), которые под действием световых электромагнитных волн совершают колебательные движения в такт колебаниям световых волн. Частота колебаний света значительна (1014-1015 колебаний в секунду). При такой частоте колебаний за изменением светового поля успевают следовать лишь заряды, обладающие малой массой (электроны); более тяжелые электрические заряды (ионы) не успевают смещаться под действием переменного электрического поля световой волны. Поэтому практически учитывается взаимодействие света с электронами. Световая волна, взаимодействуя с электронами, передает им энергию. Энергия, приобретенная электронами, расходуется на излучение вторичных электромагнитых волн и лишь частично на взаимодействие с ионами. Энергия световых волн выражается в электрон-вольтах, она уменьшается с увеличением длины волны и для видимого спектра имеет следующие значения: л 300 нм - 4,11 эВ; л 400 нм - 3.09 эВ; л 500 нм - 2,47 эВ; л 600 - 2,06 эВ; л 700 нм - 1,763 эВ; л 800 нм - 1,543 эВ.

Из физики известно, что внутренняя энергия вещества, которая выражается в электрон-вольтах, обусловлена наличием в кристаллах соответствующих для каждого из них энергетических уровней (рис. 16).

Результат колебаний электронов - возникновение вторичной электромагнитной волны света той же частоты, что и первичная. Вторичные волны когерентны первичной волне и могут взаимно интерферировать (накладываться одна на другую). Интерференцией первичной и вторичной волн света обусловлены процессы отражения, преломления и рассеяния. Установлено также, что в кристаллах происходит объединение отдельных энергетических уровней (электронов и ионов) в энергетические зоны (рис. 16). Нижнюю, полностью заполненную зону называют валентной зоной, верхнюю - зоной проводимости, между ними находится энергетически запрещенная зона. Этот энергетический зазор между "потолком" валентной зоны и "дном" зоны проводимости называют шириной запрещенной зоны.

Переход электронов в твердом теле с одного уровня на другой и из валентной зоны в зону проводимости происходит с различным поглощением энергии. Минимальная величина энергии, достаточная для перехода электронов из верхней валентной зоны в зону проводимости, определяет ширину зоны проводимости. Экспериментально установлено, что по ширине запрещенной энергетической зоны твердые тела, минералы можно классифицировать на три группы. Так, выделяют группу металлов, у которых зона проводимости полностью перекрывает запрещенную энергетическую зону. Для этого вида твердых тел запрещенная зона практически отсутствует. У полупроводников ширина запрещенной зоны узкая - не более 3,5 эВ; у диэлектриков широкая - больше 3,5 эВ. Концентрация электронов у металлов в валентной зоне достигает 10-23 в 1 см3, в то время как в зоне проводимости концентрация электронов не превышает 10-20 в 1 см3. Поскольку оптические и другие физические свойства (электропроводность, плотность, микротвердость и др.) любого твердого тела являются, прежде всего, результатом поведения наружных валентных электронов, их взаимодействие между собой и с соседними атомными островами определяется преобладанием определенного типа химической связи (металлической - ковалентной - ионной). Причем минералы с преобладанием металлической связи характеризуются низкой твердостью, высоким коэффициентом поглощения, пластичностью. При увеличении в минералах доли ковалентной связи возрастает твердость, плотность, уменьшается пластичность и увеличивается показатель преломления. Известно также, что у них длинноволновый край полосы собственного поглощения, т. е. максимальное поглощение и отражение, смещается в область больших энергий. При преобладании ионной составляющей твердость минералов увеличивается, плотность уменьшается, уменьшается также показатель поглощения и показатель преломления.

Глава 6. Основные свойства минералов в отраженном свете: отражение, анизотропия, двуотражение, цвет, внутренние рефлексы, магнитность, микротвердость, кристалломорфные особенности

К основным свойствам рудных минералов относятся следующие:

1. отражательная способность;

2. анизотропия;

3. двуотражение;

4. цвет;

5. внутренние рефлексы;

6. магнитность;

7. твердость;

8. внутреннее строение;

9. кристаллографические формы;

10. кислотостойкость.

Эти свойства являются главными физическими свойствами, используемыми в минераграфии для диагностики минералов. Набор этих свойств, а также данные по парагенезису или ассоциации, позволяет, пользуясь таблицами-определителями, точно диагностировать минералы.

Отражательная способность характеризует отношение интенсивности отраженного света Ir к интенсивности падающего света Ii. Она выражается в процентах и обозначается - R % (коэффициент отражения). Точное определение R % производится, как отмечено выше, на специальных спектрофотометрах и является сложным процессом.

На практике отражательная способность минералов определяется путем сравнения с известными минералами (эталонами). К эталонам относятся: пирит - FeS2 (R = 54 %), галенит - PbS (R = 44 %), блеклая руда теннантит Cu12As4S13; тетраэдрит - Cu12Sb4S13 (R = 30 %), сфалерит - ZnS (R = 18 %).

Для приближенного определения отражательной способности необходимо сравнить отражение определяемого минерала с каким-либо хорошо известным минералом (эталоном), находящимся с ним в срастании или приставить минерал к эталону из коллекции (рис. 17). Для этого находят зерно минерала на краю аншлифа и последовательно приставляют к нему зерна эталонных минералов.

Рис.17. Схема установки аншлифов для сравнения отражательной способности минералов: 1 - стеклянная пластинка с пластилином (2), 3 - аншлифы с эталонным минералом (а) и с определяемым минералом (b).

Зная коэффициенты отражения эталонов, определяют группу отражательной способности определяемого минерала. Эталоны позволяют определить R c точностью до 10 %. Этому значению соответствует и наименьшая величина разницы показателей отражения, воспринимаемая глазом.

Анизотропия (оптическая неоднородность) - основной качественный диагностический признак, наблюдается в скрещенных николях. Рудные минералы в поляризованном отраженном свете подразделяются на изотропные и анизотропные. Изотропный минерал при скрещенных николях становится темным и не просветляется при повороте столика на 360°. Анизотропные минералы при скрещенных николях обнаруживают изменение цвета или яркости. Наблюдается четырехкратное угасание анизотропного кристалла через каждые 90° при вращении столика микроскопа.

Понятие "анизотропия" рудных минералов подобно понятию "индикатрисы" у прозрачных минералов. Только здесь речь идет о форме вращения плоскости поляризации падающего света, которая у рудных минералов разных сингоний аналогична форме оптической индикатрисы у кристаллов прозрачных минералов тех же сингоний. У кристаллов кубической сингонии индикатриса шарообразная, у кристаллов тетрагональной, гексагональной и тригональной сингоний индикатриса имеет вид эллипсоида вращения с двумя перпендикулярными осями, у кристаллов ромбической, моноклинной и триклинной сингоний - эллипсоида с тремя разными взаимноперпендикулярными осями.

В группу изотропных минералов в основном входят минералы кубической сингонии и аморфные. В группу анизотропных - минералы остальных сингоний (тетрагональной, гексагональной, тригональной, ромбической, моноклинной и триклинной). У некоторых минералов анизотропия сопровождается цветовым эффектом, который указан в справочниках и является одним из диагностических признаков.

По интенсивности эффекта поляризации анизотропные минералы разделяются на три группы: сильно анизотропные минералы - эффект анизотропии заметен в монокристаллах при вращении столика микроскопа (молибденит - MoS2, ковеллин - CuS, графит - C, валлериит-4(Fe,Cu)S.3(Mg,Al)(OH)2, пирротин - Fe1-xS, антимонит - Sb2S3 и др.). Отчетливо анизотропные минералы - эффект анизотропии наблюдается в агрегате разноориентированных зерен (вольфрамит - (Fe,Mn)WO4, киноварь - HgS, буланжерит - Pb5Sb4S11, касситерит - SnO2, ильменит - FeTiO3). Слабо анизотропные минералы - эффект анизотропии наблюдаетя только в агрегате разноориентированных зерен при наблюдении в иммерсии (халькопирит - CuFeS2).

Изучение эффекта анизотропии производят следующим образом: проверяют настройку микроскопа с помощью сильно анизотропного минерала, затем ставят исследуемый минерал в поле зрения, включают анализатор и наблюдают анизотропию. Необходимо включить наиболее сильное освещение лампы, иногда следует слегка развернуть анализатор - создать условия неполного скрещивания николей. Эффект анизотропии можно усилить, применив иммерсию. Иммерсионный метод основан на изучении оптических свойств минералов в более плотных, чем воздух, средах. Для этого между объективом и минералом помещается один из иммерсионных препаратов, например сосновое масло.

Двуотражение (дисперсия отражательной способности), является свойством анизотропных минералов, но наблюдается без анализатора. Как уже упоминалось, отражательная способность связана с другими свойствами минералов - преломлением и поглощением, поэтому зависит от длины волны падающего света и направления распространения света, а также от коэффициента поглощения среды. Электромагнитные волны неодинаковой длины различаются энергией, поэтому один и тот же минерал при воздействии на него разными волнами светового спектра (от 400 до 700 нм), как правило, проявляет различную отражательную способность. Известно также, что поляризованный свет распространяется в определенной плоскости. Если среда (минерал), на которую падает поляризованный свет, неоднородна, то ее отражательная способность будет меняться в зависимости от направления падения поляризованного света. Большая часть минералов является неоднородными средами в силу неоднородного строения кристаллических решеток. Поэтому при вращении столика микроскопа на 360є часть минералов при освещении поляризованным светом меняет четыре раза свою отражательную способность.

Для наблюдения двуотражения необходимо поставить объектив малого увеличения(4,7х или 9х), ввести в поле зрения мономинеральный участок, где есть несколько разноориентированных зерен исследуемого минерала. Далее следует вращать столик микроскопа, внимательно наблюдая за изменением отражения отдельных зерен минерала.

Сильное двуотражение имеют - молибденит - MoS2, ковеллин - CuS, графит-C, валлериит- 4(Fe,Cu)S.3(Mg,Al)(OH)2, пирротин - Fe1-xS, стибнит - Sb2S3, арсенопирит - FeAsS.

Цвет минералов. Физическое понятие цвета - функция длины световой волны. Волны имеют следующие цвета:

фиолетовый, длина волны 390-450 нм;

синий -"- 450-480 нм;

голубой -"- 480-510 нм;

зеленый -"- 510-550 нм;

желтый -"- 550-585 нм;

оранжевый -"- 585-620 нм;

красный -"- 620-760 нм.

Цвет минерала под микроскопом - функция взаимодействия отраженного света и восприятия глаза. В общем случае глаз видит те волны, которые отражает минерал и не видит те, которые он поглощает. Например, красные минералы поглощают короткие волны, голубые - длинные, а желтые - те и другие. Однако на практике видимый цвет минерала часто не соответствует его физическому значению из-за влияния окружающей среды.

Каждый наблюдатель должен давать свое собственное описание цвета минерала. Глаз человека обладает большой чувствительностью к очень слабым различиям цвета и яркости двух объектов, расположенных рядом.

По цвету рудные минералы в отраженном свете делятся на две группы: 1) бесцветные и слабоокрашенные; 2) ясноокрашенные. К бесцветным относится подавляющая масса рудных минералов. Цвет их белый, светло-серый и серый. Эталонами бесцветных минералов являются: галенит - белый; сфалерит - серый; шеелит - темно-серый; кварц - темно-серый. Слабоокрашенные минералы - это бесцветные минералы со слабыми оттенками бледных пастельных тонов: голубоватые, желтоватые, розоватые, коричневатые, зеленоватые. Оттенок цвета минерала определяется на фоне галенита или в масле. Слабоокрашенные минералы меньше распространены, чем бесцветные.

Группа ясноокрашенных, или цветных, минералов самая небольшая. Цвет ясноокрашенных минералов легко устанавливается под микроскопом. Выделяются минералы желтого, розового и синего цвета. Эталонами ясноокрашенных минералов являются: халькопирит - желтый; борнит (свежеотполированный) - розовый; ковеллин - синий.

При определении цвета исключительно большую роль играет фон окружающих минералов. Халькопирит в контакте с галенитом отчетливо желтый, рядом с золотом воспринимается как зеленовато-желтый. Пирит в халькопирите становится почти белым, пирротин в галените приобретает красный оттенок и т. п.

Цвет минерала зависит от плотности среды, через которую проходят лучи света. Цвета минералов в воздухе отличаются от цвета минералов в масляной иммерсии. Для одних минералов такие различия в цвете незначительны, для других - цветовой оттенок резко усиливается.

Для определения цвета минерала под микроскопом необходимо соблюдать следующие условия: Вывести из хода лучей анализатор; хорошо отцентрировать микроскоп; откорректировать освещение микроскопа. Для этого следует дать полный накал лампе, широко раскрыть апертурную и полевую диафрагмы, вставить один из слабых объективов (4,7х или 9х); ввести в ход лучей стеклянную пластинку в опак-иллюминаторе. В поле зрения микроскопа необходимо поместить в контакте хорошо отполированные и чистые поверхности исследуемого минерала и одного из эталонов (галенит, сфалерит).

Внутренние рефлексы. У прозрачных и полупрозрачных минералов при скрещенных николях или косом освещении иногда наблюдаются своеобразные световые блики - внутренние рефлексы. Они обусловлены тем, что падающий свет проходит вглубь прозрачного минерала и испытывает отражение под другими углами от трещин или иных дефектов внутри минерала. При этом первоначальное направление колебаний света может измениться (особенно это характерно для оптически активных минералов, таких, как кварц, киноварь) и часть света пройдет через анализатор. Внутренние рефлексы имеют яркую окраску в красноватых, коричневатых, оранжевых, реже зеленых и синих тонах. У нерудных минералов обычно наблюдаются бесцветные внутренние рефлексы. Поскольку внутренние рефлексы обнаруживаются лишь у ограниченного числа рудных минералов, то они имеют диагностическое значение. Внутренние рефлексы отсутствуют у минералов со значениями R > 44 %.

С физической точки зрения цвет внутренних рефлексов характеризует начало края поглощения, т. е. ту область спектра, где прозрачность минерала резко падает, а значения R соответственно сильно возрастают. Фотометрические исследования внутренних рефлексов позволяют приближенно оценить ширину запрещенной зоны рудного минерала - одну из фундаментальных констант твердых тел.

Для наблюдения внутренних рефлексов нужно установить один из объективов с большой апертурой (увеличение 21х, 40х, и более), включить анализатор и наиболее сильное освещение, ввести призму в опак-иллюминаторе. Наиболее характерные места проявления внутренних рефлексов - плоскости спайности, косые трещины и сколы в минералах. Вдоль них чаще всего возникают условия для образования внутренних рефлексов. Внутренние рефлексы отчетливо наблюдаются в порошке минерала, который можно получить, сделав ямку концом стальной иглы. В осколках вокруг ямки внутренние рефлексы проявляются отчетливо. Порошок следует рассматривать при большом увеличении.

Яркие внутренние рефлексы имеют минералы: малахит - Cu2CO2(OH)2, азурит - Cu3(CO3)2(OH)2, аурипигмент - As2S3, сфалерит -ZnS, касситерит -SnO2, киноварь - HgS, куприт - Cu2O, гематит - Fe2O3.

Магнитность. Магнитность - свойство, характерное для небольшой группы рудных минералов. Упрощенный физический смысл магнитности - свойство вещества приобретать магнитный момент при помещении его в магнитное поле. В минералогии различаются парамагнитные (притягиваются магнитом), ферромагнитные (сами притягивают к себе магнитные вещества) и диамагнитные (отталкиваются от магнита) минералы.

К числу сильно магнитных рудных минералов относятся: самородное железо - Fe, магнетит FeFe2O4, франклинит (Zn,Fe,Mn)O·Fe2O3, поликсен - (Pt,Fe), пирротин Fe1-xS, кубанит -CuFe2S4, реньерит -Cu3(Fe,Ge)S4.

Определение магнитности минералов можно производить с помощью магнитной стрелки и магнитной стальной иглы. Аншлиф подносят к стрелке (северному или южному полюсу) и наблюдают за ее поведением. Магнитные минералы притягивают конец стрелки к поверхности шлифа. Таким образом определяется присутствие магнитных минералов в образце. Намагниченная стальная игла притягивает порошок минерала, полученный при царапании полированной поверхности.

Если магнитный минерал представлен мелкими выделениями (сотые доли - несколько миллиметров в поперечнике), которые вкраплены в немагнитные минералы, и его количество изменяется долями или несколькими процентами, то для определения магнитности применяется метод магнитной порошкографии. Этот метод используется при диагностике магнитных минералов, а также для различения похожих в отраженном свете магнитных минералов от немагнитных и слабомагнитных (троилит - пирротин, магнетит - маггемит, моноклинный пирротин - гексагональный пирротин и др.). Метод применяется также при изучении структур распада немагнитных с магнитными минералами (магнетит + ильменит; пирротин + пентландит).

Методика магнитной порошкографии состоит в том, что суспензию магнитного порошка (феррита) наносят кисточкой на всю поверхность или на некоторые участки полированного шлифа при горизонтальном положении столика микроскопа. Она выдерживается на поверхности шлифа 1-2 мин. По истечении времени осаждения шлиф наклоняется и суспензия смывается струей воды. Магнитный порошок остается закрепленным на поверхности магнитных фаз. В результате пленка магнитного порошка показывает, где располагается магнитная фаза, и чем она представлена, даже видны сложные структуры доменного типа и структуры распада твердых растворов. Особенно хорошо виден порошок в скрещенных николях по ярко-красным рефлексам, но структуру лучше рассматривать при одном николе.

Следует отметить, что магнитные порошки осаждаются не только на ферромагнитных зернах, выходящих на полированную поверхность шлифа, но могут отмечать ферромагнитные включения, расположенные ниже поверхности шлифа на глубине 0,01-0,1 мм, поэтому иногда порошок ложится на немагнитные минералы.

Фигуры осаждения порошка на магнитных минералах можно фотографировать (например, формы срастания магнетита и ильменита). Выбранный участок шлифа следует фотографировать два раза: до покрытия магнитным порошком, с одним николем или при скрещенных николях, и после покрытия магнитным порошком, без анализатора. Снимки должны быть сделаны с одного и того же участка шлифа.

Удаление порошка с полированной поверхности шлифа производится замшей или сухой ватой.

Способ приготовления магнитной суспензии: вначале магнитый порошок, типа Ф-600 и др., разводится в воде до однородной суспензии, затем в нее добавляется мыльный раствор, для получения которого лучше применять "Детское" мыло, поскольку оно наиболее чистое и на его основе получаются более устойчивые мыльные растворы. Мыльный раствор вносится постепенно мокрой кисточкой с кусочка мыла, до появления светлой пленки на суспензии и способности ее равномерно покрывать изучаемую поверхность, не сворачиваясь в комочки. После этого раствор готов для работы. При высыхании или расходовании суспензии, нужно добавлять воду порошок и мыльный раствор.

...