Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Геологический очерк кыштымского района 11
1.1 Геологическая характеристика основных кварцевых месторождений и
проявлений Кыштымского района 15
1.1.1 Кыштымское месторождение 16
1.1.2 Кузнечихинское месторождение 17
1.1.3 Аргазинское месторождение 18
1.1.4 Вязовское месторождение 20
1.1.5 Иткульское месторождение 23
1.1.6 Курманское месторождение 25
ГЛАВА 2 Общая характеристика минерально-сырьевои базы кварцевого сырья россии и перспективы ее развития 26
2.1 Существующие разновидности природного кварцевого сырья и возможности его использования в промышленности 26
2.2 Основные технологические требования к кварцевому сырью 30
2.3 Актуальность использования оперативной схемы оценки промышленной пригодности кварцевого сырья для Российских месторождений 32
2.4 Анализ состояния кварцево-сырьевого потенциала Кыштымского района 34
ГЛАВА 3 Минералого-петрографические исследования особенностей строения кварцевых агрегатов 37
3.1 Микроскопическое изучение кварцевых агрегатов 37
3.1.1 Результаты микроскопических исследований 37
3.1.1.1 Жила 175 (Кыштымское месторождение) 38
3.1.1.2 Жила 414 (Кузнечихинское месторождение) 40
3.1.1.3 Жила 119 (Аргазинское месторождение) 41
3.1.1.4 Жила 5 (Вязовское месторождение) 43
3.1.1.6 Кварциты (гора Юрма) 45
3.1.2 Обобщение результатов микроскопических исследований 48
3.2 Стереометрический анализ 52
3.2.1 Оценка степени шероховатости границ срастания (D) 55
3.2.2 Оценка коэффициента агрегативности (КА) 56
3.2.3 Анализ гранулометрического состава 58
3.2.4 Анализ модального состава выделенных типов зерен для изученных
месторождений 62
3.2.5 Оценка внутренней удельной поверхности кварцевых зерен (Oi) 66
3.2.6 Обобщение результатов стереометрического анализа 69
ГЛАВА 4 Исследование анатомического строения индивидов кварца 73
4.1 Анализ газово-жидких включений 73
4.1.1 Описание «флюидного портрета» зерен из месторождений гранулированного кварца 73
4.1.2 Метод декрепитации 77
4.2 Измерение разориентировки блоков кристаллической решетки (блоков
волнистого погасания) зерен кварца 78
4.2.1 Исследование на Федоровском столике (ФС) 79
4.2.2 Исследования на монокристальном дифрактометре STOE IPDS II 80
4.3 Изучение строения кварцевых агрегатов методом дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) 84
4.4 Катодолюминесцентный анализ тонкого строения кварцевых агрегатов 87
4.5 Оценка прозрачности кварцевых агрегатов (коэффициента светопропускания) 93
4.6 Обобщение результатов по изучению строения кварцевых агрегатов 94
ГЛАВА 5 Онтогеническая модель образования кварцевых агрегатов 97
Заключение 104
Список сокращений и условных обозначений 106
Список литературы
- Кузнечихинское месторождение
- Актуальность использования оперативной схемы оценки промышленной пригодности кварцевого сырья для Российских месторождений
- Жила 175 (Кыштымское месторождение)
- Описание «флюидного портрета» зерен из месторождений гранулированного кварца
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение стабильной и гарантированной поставки кварцевого гранулята определенного качества на длительную перспективу (не менее нескольких лет) возможно только при эксплуатации кварцевых объектов со значительными запасами, определенным качеством кварцевого сырья и относительно стабильной его обогатимостью. Чтобы сохранить конкурентоспособность на рынке, производители стремятся не повышать себестоимость кварцевых продуктов, что делает необходимым поиск новых методик технологической оценки кварцевых тел.
Начало систематическому изучению гранулированного кварца на Урале было положено кафедрой минералогии Свердловского горного института во главе с Г.Н. Вертушковым, предложившим в начале 60-х годов подход к изучению этого типа кварцевого сырья, основанный на корреляции структуры кварцевых агрегатов и технологической пригодности кварцево-жильных объектов. Его последователи (Э.Ф. Емлин, Г.А. Синкевич, В.И. Якшин, Ю.А. Поленов) выявили тесную взаимосвязь между условиями метаморфизма и структурой кварцевого агрегата, в результате чего была создана классификация кварцевых агрегатов по качественным структурно-текстурным признакам.
В настоящее время оценка качества кварцевого сырья осуществляется путем технологического опробования по результатам пробных плавок. Отсутствует методика оперативной оценки качества кварцевого сырья на стадии поисково-разведочных работ. Лабораторные исследования кварца направлены, в основном, на выявление особенностей, связанных с его «тонким» строением (определение коэффициента светопропускания, содержания SiO2 в исходном сырье, содержания химических и минеральных примесей). Изучение минералогии кварцевых тел и типоморфных особенностей слагающих их индивидов и агрегатов с использованием онтогенического и стереометрического анализов позволит получить информацию об условиях формирования кварцевых тел и провести разбраковку их пригодности для получения того или иного типа сырья на ранних стадиях поисково-разведочных работ. Включение результатов разрабатываемых методик в технологическую схему подготовки и производства сырца для плавки повысит наукоемкость его утилизации, снизит общие затраты на получение высококачественных изделий.
Цель работы. Реконструкция на основе онтогенического и стереометрического анализа строения кварцевых агрегатов различных месторождений Кыштымского района процессов их преобразования, прогнозирование технологических свойств с оценкой качества и создание методики выделения различных типов кварцевого сырья.
Для достижения поставленной цели были поставлены решалисследующие задачи:
-
исследовать распределение и плотность газово-жидких и минеральных включений в зернах кварца, изучить геометрическими и топологическими методами границы индивидов кварца, в том числе ориентировки малоугловых границ субиндивидов, с получением качественных и количественных характеристик и на этой основе провести их дискриминацию с выделением морфологических типов и об условиях преобразования жильного кварца;
-
оценить модальную долю зерен каждого из выделенных типов и характер их распределения в изученных кварцевых телах, и, как следствие, масштаб и условия преобразования в них жильного кварца;
-
провести на основе количественных характеристик строения кварцевых индивидов и агрегатов оценку жильного кварца разных месторождений по их пригодности для получения определенных типов кварцевого сырья.
Научная новизна. На основе анализа различных параметров минеральных индивидов, слагающих кварцевые агрегаты, впервые проведена количественная минералого-петрографическая оценка гранулированного кварца, получена онтогеническая информация об условиях преобразования жильного кварца и разработаны основы типизации различных видов кварцевого сырья.
Практическая значимость. На основе онтогенического и стереометрического анализа предложена методика оперативной оценки кварцевых тел для технологических целей на стадии поисково-разведочных работ при разбраковке уже известных и новых месторождений и в дальнейшем при разработке или корректировке схемы технологического передела кварцевого сырья. Её использование не требует значительных материальных затрат и, снизив себестоимость выходной продукции, повысит стоимость сырья, передаваемого в эксплуатацию месторождения. Полученные результаты могут быть дополнительным обоснованием для разработки массива кварцитов в качестве сырья для плавки и в стекольной промышленности, а также внедрены в учебные дисциплины «Технологическая минералогия» и «Поисковая минералогия».
Фактический материал и методика исследований. Диссертационная работа выполнена на основе материала, собранного в ходе двух полевых сезонов (2009 и 2010 г.г.) в составе партии Института минералогии УрО РАН, работавшей на кварцево-жильных объектах Кыштымского района Урала. При посещении в 2012 г. ОАО «Кыштымский ГОК» были получены образцы основных технологических типов кварцевого сырья и консультации о современных технологиях его переработки. Было изучено 540 петрографических шлифов жильного кварца и кварцитов, 80 тонко-параллельных кварцевых пластинок, 50 структурных шлифов.
Микроскопическое исследование кварцевых агрегатов проведено в отделе минералогических методов ВСЕГЕИ. На основе выявленных характеристик строения проведена дискриминация кварцевых индивидов в каждом агрегате. Дискриминация кварцевых агрегатов основана на оценке относительного количества определенных типов минеральных индивидов, их распределения в пространстве агрегата, выявлении их гломерозернистых образований или субагрегатов. Дифференциация кварцевых зерен основана на ведущих признаках-критериях онтогенического анализа: анатомии минеральных индивидов; составе и распределении включений, следах пластических и упругих деформаций, распределении и взаимоотношении блоков кристаллической решетки с малоугловой разориентировкой в пределах индивида (блоки облачного погасания). Учитывались также такие геометрические особенности границ срастания минеральных индивидов, которые характеризуют энергетический статус границ (энергонасыщенные или энергоемкие) и существующие различия между ними, ориентировка границ срастания индивидов в пространстве агрегата и относительно друг друга, форма случайных сечений зерен. Проведенная дискриминация кварцевых агрегатов при микроскопическом изучении в оптическом диапазоне контролировалась более тонкими исследованиями.
При помощи структурного анализатора МИУ-5М было выполнено стереометрическое исследование, в ходе которого выявленные качественные характеристики минеральных агрегатов были преобразованы в количественные. Для получения дополнительной генетической информации и подтверждения проведенной дискриминации были реализованы следующие виды анализов: изучение малоугловых разориентировок c помощью федоровского столика и методами монокристальной рентгеновской дифрактометрии; изучение газово-жидких включений методом гомогенизации, изучение минеральных включений с помощью микрозонда, определение коэффициента светопропускания, изучение тонкого строения (присутствие блоков волнистого погасания, двойников, распределение газово-жидких и минеральных включений) методом катодолюминесцентного микроанализа и методом обратно отраженных электронов (EBSD).
Положения, выносимые на защиту:
1. В изученных кварцевых телах выявлено 4 типа кварцевых зерен (Q1 - Q4), находящихся в различных количественных соотношениях и отличающихся по: количеству и плотности пластических деформаций в зернах; наличию и плотности газово-жидких и минеральных включений; шероховатости границ срастания минеральных индивидов; плотности границ зерен выделенных типов в единице объема кварцевого агрегата.
2. Многократно возобновляющийся процесс рекристаллизации кварцевых агрегатов различных кварцевых тел имеет общий тренд, выраженный в уменьшении в кварцевых индивидах газово-жидких и минеральных включений, постепенном очищении зерен от следов упругих деформаций и уменьшении шероховатости границ срастаний индивидов кварца от Q1 к Q4;
3. Для разбраковки по технологической пригодности кварцевых тел на стадии поисково-разведочных работ наиболее информативными являются: выделение 4 типов кварцевых индивидов, их модальная доля, коэффициент агрегативности (гломерозернистости) и коэффициент светопропускания.
Достоверность защищаемых положений и рекомендаций определяется детальными минералого-петрографическими наблюдениями и реализацией онтогенического анализа в комплексе с различными методами, чувствительность которых лежит за пределами оптической микроскопии.
Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК. Кроме того, основные аспекты работы освещались на совещаниях: «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Миасс, 2009), Международный форум молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009, 2010), Годичное собрание РМО (Санкт-Петербург, 2009, 2013), XI Съезд РМО: Современная минералогия (Санкт-Петербург, 2010), II Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского (Санкт-Петербург, 2011), Mineralogy and analytics of high-purity SiO2 raw material: Freiberger Forschungsforum Research conference (Freiberg, Germany, 2011), ICAM-2011. (Trondheim, Northway, 2011), 2nd International Conference on Competitive Materials and Technology Processes (ic-cmtp2) (Miskolc, Hungary, 2012).
Исследования были поддержаны грантами Министерства образования и науки (госконтракт № 14.740.11.0192), компании ОПТЕК (Carl Zeiss) на реализацию проекта «Особенности использования методов современной электронной микроскопии при изучении границ и внутреннего строения минеральных индивидов кварца для проведения оценки качества кварцевого сырья» (2011 г.) и стипендией DAAD имени Михаила Ломоносова на проведение исследований на базе Фрайбергской горной академии (2012 – 2013 гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Работа изложена на 120 страницах текста, сопровождается 36 иллюстрациями, 13 таблицами. Список литературы включает 132 наименования. Обоснование защищаемых положений содержится в главах: первое – 3,4, второе – 5, третье – 4, 5.
Кузнечихинское месторождение
Месторождение приурочено к восточному крылу Кизильской антиклинали и протягивается в виде узкой полосы от озера Большой Агордяш на юге до г. Шарабрина – на севере (Петров, 1964ф). Общая протяженность месторождения в субмеридиональном направлении 15 км при ширине 1-3 км. Кыштымское месторождение представляет собой крупное скопление кварцевых жил, приуроченных к толще метаморфических пород верхнего протерозоя и ордовика, прослеживающихся узкой полосой вдоль восточного контакта уфалейского гнейсово-мигматитового комплекса (Поленов, 2008).
Жильные тела месторождения можно сгруппировать в три морфологических типа: линзовидные, плитообразные и неправильной формы. Самый распространенный – первый морфологический тип, включающий собственно линзовидные тела с острым и тупым выклиниванием, веретенообразные и коробчатые тела. Тела этой группы отличаются наибольшими размерами (до 100-150 м) при мощности, редко превышающей 2-2,5 м. Второй тип – плитообразные тела с ровными параллельными зальбандами и резким тупым выклиниванием (Петров, 1964ф).
Основным породообразующий минералом жил является кварц (от 90 до 99%). Второстепенные минералы жил (от 10 до 1 %) находятся в тесной связи с составом вмещающих пород. Так, в жилах, залегающих среди гнейсов и амфиболитов уфалейской свиты, они представлены биотитом, амфиболом, плагиоклазом, титанитом, апатитом, в жилах, залегающих среди кристаллических сланцев и амфиболитов куртинской свиты, - мусковитом, плагиоклазом, эпидотом, рутилом, турмалином, титанитом, сульфидами (Сигаев, 1979ф, 1980ф).
Самой крупной жилой месторождения является жила 175. Располагается она на западном склоне г. Острой в пределах слюдяногорской подсвиты уфалейской свиты верхнего протерозоя. Жила имеет плитовидную форму и залегает согласно с вмещающими мигматизированными биотит-амфиболовыми гнейсами. Элементы залегания: азимут падения 130-150 с углом 32-45. Мощность от 0,7 м на северном фланге до 14 м. прослеженная длина по простиранию 320 м, протяженность по падению 180 м.
Кварц, слагающий жилу, гранулированный мелкозернистый, гранобластовой структуры. Жила имеет сложное строение, рассечена многочисленными прожилками гнейсогранитов и кварц-полевошпатовыми пегматитовыми прожилками. Отмечаются скопления крупнозернистого амфибола, иногда совместно с биотитом, обособляющиеся в виде неправильных пятен размером от 5 см до 0,5 м или цепочек небольших гнезд, ориентированных параллельно трещиноватости, совпадающей с залеганием жилы. В виде таких же пятен и гнезд, но значительно реже, отмечаются выделения крупных зерен полевых шпатов. Из других минералов в жильном кварце отмечены биотит и мусковит (по трещинам), карбонаты, сульфиды, апатит в виде отдельных зерен по зальбандам, в верхней части жилы – гидроксиды железа и марганца. Карбонаты встречаются преимущественно на выклинивании жилы по падению. Средний минеральный состав жилы: гранулированный кварц 98%, минеральные примеси 2%.
Месторождение приурочено к восточному крылу Кизильской антиклинали. На площади месторождения и его флангах (около 90 км2) выявлено более трех десятков жил гранулированного кварца. Большинство кварцевых жил группируется в кварцево-жильные узлы (зоны), представляющие собой группы сближенных кварцевых жил с единой геолого-структурной позицией. Кварцевые тела залегают в крупном теле высокотитанистых габброидов, метаморфизованных в условиях амфиболитовой фации. Все породы месторождения - габброиды и развитые по ним амфиболиты, кварцевые жилы - секутся гранитными прожилками (Кейльман, 1974; Поленов, 2008). Комплекс посткварцевых образований представлен дайками плагиоаплитов, аплитов, плагиоклазитов, субщелочных гранитов. Наиболее крупные кварцевые жилы месторождения (191, 193, 413 и 414) пространственно связаны с поздним комплексом субщелочных пород (Страшенко, 2002ф).
Морфология жил достаточно простая. В зависимости от характера выклинивания, жилы подразделяются на линзовидные и веретенообразные. Размеры жил варьируют от первых до 120 м по простиранию при мощности от 0,3 до 10-12 м. Залегание кварцевых жил большей части согласное с вмещающими их амфиболитовыми гнейсами, реже – секущее (Красильников, 1988ф). Основным минералом жил является кварц (от 90 до 99%). Второстепенные минералы представлены в основном слюдами (фенгит, биотит), полевыми шпатами, эпидотом, амфиболом, реже сульфидами, гранатом, апатитом (Мельников и др., 1968).
Самой крупной и перспективной, с технологической точки зрения, является жила 414, которая располагается на южном фланге месторождения. Жила залегает согласно в биотит-амфиболовых гнейсах и имеет линзовидную форму и субширотное простирание (Кокшин, 2001ф). Кварц, слагающий жилу, от среднезернистого светло-серого гранулированного до полупрозрачного и прозрачного тонко-мелкозернистого. Жила почти мономинеральна: кварц – 99,8%, второстепенные минералы (0,2-0,3 %) представлены в основном слюдами, полевыми шпатами, эпидотом, гидроксидами железа, амфиболом, реже сульфидами, гранатом, апатитом. Наиболее распространены минеральные примеси, образующие в кварцевом стекле прозрачные бесцветные включения (полевые шпаты, слюды, эпидот), причем ведущую роль играют полевые шпаты.
Актуальность использования оперативной схемы оценки промышленной пригодности кварцевого сырья для Российских месторождений
В настоящее время мировой рынок производства и потребления кварцевого сырья можно характеризовать как стабильный, с тенденцией роста потребления наиболее химически чистых разновидностей кварцевого сырья. Это касается всех тонких отраслей промышленности от электронной до оптической. Если жесткие неизменные требования к кварцевому сырью при производстве стекол для оптики связаны с менее жесткими подходами к чистоте многих дополнительных компонентов при его получении и в данном случае Россия обеспечена сырьем на значительную перспективу, то для производства монокомпонентных стекол и синтеза искусственных кристаллов кварца (ИКК) существует угроза интервенции на отечественный рынок кварцевой продукции нероссийского производства. Для получения искусственных кристаллов кварца необходимы сегодня сотни тонн шихты с самыми высокими требованиями к кварцевому сырью. Для наплава прозрачного кварцевого стекла в ближайшей перспективе будут нужны тысячи тонн чистых кварцевых концентратов (Бурьян,2007; Борисов, 2007; Красильников, 2007).
Обращаясь к требованиям производителей и оценивая ТУ к кварцевому сырью в России, можно констатировать существующую угрозу отсутствия интереса к отечественному сырью. Кроме того, теперь широко известны и производителям, и потребителям кварцевого сырья стандарты (таблица 1.1) на глубокообогощенный гранулят фирмы «Юнимин» (США).
Стабильная и гарантированная поставка кварцевого гранулята нужного качества на длительную перспективу (не менее 5 лет) возможна только при эксплуатации кварцевых объектов со значительными запасами и относительно ровной обогатимостью. Можно прикинуть необходимый объем запасов, который потребуется для обеспечения стабильных поставок гранулята. При годовой производительности фабрики в 2000 т глубокообогащенного концентрата (реальная производительность для существующих фабрик) и выходе его на уровне 15-20 % объем добываемого кварцевого сырья должен составлять 10-12 тыс. т. в год, а запасы кварцевых объектов, подлежащие оценке в ходе геологоразведочных работ, должны составлять 80 тыс. т и более.
В отношении стоимости производимого концентрата можно принять схему, по которой цена за производимую продукцию не должна превышать цены указанной выше сорта фирмы «Юнимин». На условиях фирмы цена за 1 кг сорта «Йота – стандарт» составляет 3 долл., а «Йота-4» - 5,1 долл. США. Российским потребителям в случае приобретения у «Юнимин» с оплатой НДС, пошлин и таможенных сборов эти концентраты обойдутся соответственно в 4,14 и 6, 76 долл. США.
Если двигаться от конца процесса производства гранулята и принять за эталон сорт «Йота-стандарт», то на основе имеющихся сведений (фирмы «Юнимин», «Хераус») затраты на глубокое обогащение сырья составляет 1,502 долл. США на 1 кг. Следовательно, на добычу транспортировку, измельчение и предварительное обогащение должно уходить также не более 1-1,5 долл. США на 1 кг концентрата, т.е. самым дорогим и наиболее ответственным является процесс глубокого обогащения. Таким образом, выиграет производитель, у которого будут минимальные затраты на добычу и транспортировку сырья, а само сырье будет легкообогатимым.
Исходя из вышесказанного, потребители особо чистых кварцевых концентратов при реализации программ использования на своем производстве гранулята конкретного поставщика будут принимать во внимание три главные составляющие: качество и технологичность гранулята; стабильность и гарантированность поставок; уровень цены (Бурьян, 1999).
Переходя к рассмотрению российского кварцевого потенциала, как сырьевой базы для наплава прозрачного однокомпонентного кварцевого стекла, можно констатировать, что он характеризуется значительными запасами разнокачественного кварца практически одного генетического типа. Целесообразность дальнейших геологоразведочных работ в этом направлении сомнительна. Сырье себя исчерпало в количественных показателях и в нынешних условиях требует только качественной переоценки, оно годится преимущественно для светотехнической промышленности. Но здесь нужно учесть некоторые тенденции мирового рынка. Сейчас наблюдается тенденция возврата от использования горного хрусталя к хорошо обогатимым и дешевым пескам. Несмотря на технологические ограничения этого типа сырья, суммарные затраты на обогащение песков оказываются ниже, чем на переработку кварцевого сырья других генетических типов месторождений (Кокшин, 2001ф).
При геолого-технической переоценке МСБ важнейшей задачей является выделение тех объектов кварцевого сырья, которые при существующих и предлагаемых системах обогащения позволяли бы получить гранулят для производства кварцевого стекла полупроводникового качества. Традиционные «длинные» или полные схемы обогащения будут как экономически, так и качественно малоприменимыми из-за необходимости неоднократного прохождения концентрата по отдельным циклам. Для наших типов сырья (преимущественно гранулированный и прозрачный кварц) необходимы новые разработки способов обогащения, поскольку на существующих схемах будем получать в лучшем случае добротный гранулят для технического стекла. Осложняющий момент в получении гранулята стабильного качества – большое число месторождений, а на каждом из них – несколько, а часто первые десятки кварцевых жил. Каждая отдельная жила даже в пределах одного месторождения отличается от остальных по степени минерализации, светопропусканию и «загрязнению» отдельными химическими элементами кварца. Поэтому переоценку можно производить только для жил со значительными запасами. Идеально в этом случае подошли бы жила №175 Кыштымского месторождения и 414 жила Кузнечихинского месторождения (Страшенко, 2002ф).
Жила 175 (Кыштымское месторождение)
Для получения дополнительной генетической информации и подтверждения правильности проведенной дискриминации кварцевых зерен проведена оценка их удельной поверхности. Внутренняя удельная поверхность (Oi) минерала в шлифе - это площадь поверхности всех минеральных зерен (Osp), отнесенная к их объему. Размерность удельной поверхности, в соответствии с определением, выражается в [мкм2/мкм3] или 1/мкм. На основании теоремы Харкера (Harker., 1908) до сих пор являющейся основанием для количественных трехмерных оценок структуры и текстуры по плоским двумерным сечениям-метрические отношения в объеме пропорциональны метрическим отношениям на плоскости случайного среза некоторого объема – все отношения объемные оцениваются по линейным измерениям и их отношениям на плоскости. Так, для того, чтобы получить значения удельной поверхности кварцевых зерен, рассчитывается длина границ срастания индивидов кварца друг с другом и зернами других минералов (если они присутствуют) и определяется отношение этой величины к интегральной площади. Osp не зависит от модальной доли минерала в агрегате, от характера его распределения в пространстве. Понятно, что зерна, имеющие шероховатую поверхность, обладают более высокой удельной поверхностью, чем зерна равного объема, но имеющие гладкую поверхность (Blasсhke, 1970; Бродская, 2005). В общем случае, чем меньше значение отношения площади поверхности зерна Osp к его объему, тем менее извилистой (шероховатой) будет форма границы срастаний минеральных индивидов или чем больше поверхность зерна, тем больше энергоемкость этой поверхности.
В работах, посвященных геометрическим и энергетическим характеристикам строения минеральных агрегатов (Бродская, 1990; Бродская и др., 2011; Бродская и др., 2012) показано, что морфология и шероховатость границ срастания минеральных индивидов не только коррелируют с их поверхностной энергией, но могут служить мерой энергетического равновесия структуры агрегата или мерой степени завершенности адаптации агрегата к изменившимся условиям формирования. Минеральные индивиды образуются и агрегируются в кластеры и ансамбли в разных геологических условиях, меняющихся во времени. При этом, границы минеральных зерен, границы их срастаний поглощают разное количество энергии. Именно это обстоятельство определяет поведение границ в новых условиях. С позиции резерва аккумулированной энергии на границах минеральных индивидов можно дифференцировать их как энергоемкие и энергонасыщенные (Бродская, 1989).
Для образования габитусных граней, т. е граней с низкими кристаллографическими символами, часто встречающихся в огранении кристаллов, требуется (сравнительно) большое количество энергии. Такие грани естественно считать энергонасыщенными. Эти грани состоят из самого большого количества атомов кристаллической решетки минерала, т.е. обладают максимальной атомарной или ретикулярной плотностью. Расстояния между атомами в таких гранях наименьшее из разрешенных кристаллической структурой минерала. Они имеют низкие (простые) кристаллографические символы. Энергонасыщенные грани обладают большим запасом устойчивости в большом диапазоне параметров меняющихся термодинамических условий.
Альтернативой энергонасыщенным граням в огранении минеральных индивидов служат границы, энергоемкие. Они являются атомарно рыхлыми, т.к. их атомарная плотность существенно отличается от плотности энергонасыщенных плоскостей кристаллической решетки минерала. Их структуру составляет малое количество атомов с большими расстояниями между ними. Эти грани индексируются высокими кристаллографическими символами.
Энергоемкие грани более подвижны при миграции, растворении и росте. Они поглощают при своем образовании меньшие количества энергии. Они менее устойчивы, чем энергонасыщенные. Их роль в меняющихся условиях существования и функционирования минерального агрегата весьма значительна. Адаптация минерального агрегата к новым термодинамическим условиям происходит за счет мобильности, изменения ориентировки таких границ относительно кристаллической решетки минерального индивида и силового поля минерального агрегата. Благодаря миграции энергоемких границ минеральный агрегат адаптируется к изменившимся внешним условиям, откликаясь на них индуктированным процессом перекристаллизации. При появлении или изменении внешнего силового поля мобильные или энергоемкие границы мигрируют к положению устойчивому в силовом поле и полю кристаллических решеток зерен соседей. В результате такого взаимодействия может происходить перекристаллизация с увеличением или уменьшением размеров минеральных зерен, их рост или растворение.
Равные поверхностные энергии зерен по обе стороны границы срастания образуют границу энергетически сбалансированную или равновесную. Неравные количества энергии по разные стороны границы срастания генерируют неравновесную границу срастания. Как и всякое неравновесие – неравновесные границы могут быть устойчивыми и неустойчивыми.
Описание «флюидного портрета» зерен из месторождений гранулированного кварца
В обширной литературе (Вертушков, 1976; Емлин и др, 1988; Поленов, 2008 и др.), посвященной вопросам использования кварцевых агрегатов для специальных технологических целей, термин «гранулированный кварц» почти идентичен понятию «кварцевое сырье», то есть сырье пригодное для плавки прозрачного кварцевого стекла. В реальности кварцевые жилы и месторождения гранулированного кварца – неоднородны, хорошо известен разброс технологической пригодности гранулированного кварца в пределах отдельных тел и месторождений. Существующие критерии для дифференциации кварцевого сырья по сортам принятым по ТУ 5726-002-1149665-9 выработаны на основании результатов технологических плавок и не учитывают связи технологических сортов с минералого-петрографическими особенностями кварцевого сырья.
Проведенные нами исследования кварцевых агрегатов, объединившие анализ морфологии, анатомии, распределения зерен в агрегате, характера границ срастания дали нам основание провести корреляцию между модальной долей выделенных типов в пределах кварцевого агрегата и их технологической сортностью, как кварцевого сырья.
Границы кварцевых индивидов, как каркас строения минерального агрегата, анатомия индивидов, их свойства и особенности тонкой (кристаллической) структуры являются комплексным отражением эволюции геологической системы, ее онтогенеза. В системе «минеральный агрегат» между минеральными индивидами существует сильная энергетическая и силовая взаимосвязь, определяющая прочностные характеристики породы в целом. Преобразование минерального агрегата возможно до тех пор, пока имеется приток энергии и(или) вещества в систему, то есть до тех пор пока система не находится в термодинамическом равновесии. Приток энергии часто служит толчком или импульсом начала преобразования; в энергетический процесс, питающий это преобразование, включаются силы неравновесных границ срастания минеральных зерен, и потоки и энергия дефектов кристаллической решетки (Пригожин, 1980).
В настоящее время в литературе существует несколько точек зрения на генезис гранулированного кварца. По мнению Г.А. Кейльмана (Кейльман, 1970) главным условием его формирования является проявление метаморфизма двух этапов: с первым связано возникновение кварцевых жил, а со вторым – рекристаллизация зерен кварца, сопровождаемая освобождением индивидов от различных примесей. Г.Н. Вертушков считал, что гранулированный кварц образуется из исходного гигантозернистого прозрачного или в различной степени замутненного кварца (Вертушков, 1970). Группа геологов (Емлин Э.Ф., Суставов О.А., Синкевич Г.А., Якшин В.И.), расширили предложенную Г.Н. Вертушковым модель, сохранив её основы.
Е.П. Мельников предположил, что проявления гранулированного кварца в пределах Уфалейского комплекса связано с метаморфическими этапами преобразования двух генетических типов: метаморфогенно-пегматитового и метаморфогенно-гидротермального. Под первым Е.П Мельников понимает формирование силекситов («преимущественно кварцевые пегматиты метаморфогенного происхождения» - Мельников, 1970). Тела силекситов, по мнению Е.П Мельникова, локализуются в пределах гнейсового ядра, а в пределах сланцевого обрамления образуются метаморфогенные кварцевые тела второго генетического типа. Он же связывает эволюцию строения кварцевых агрегатов с двумя этапами образования кварцевых тел: раннеметаморфическим, в результате которого происходило формирование кварцевых жил со стекловидным или молочно-белым кварцем, и позднеметаморфическим, приведшим к структурной перестройке, очищению от примесей и появлению рекресталлизованного грунулированного кварца.
Одна из последних предложенных генетических моделей формирования гранулированного кварца принадлежит Ю.А. Поленову (Поленов, 2008). Ю.А. Поленов, основываясь на генетической классификации Г.Н. Вертушкова (Вертушков, 1970, 1980), считает, что тонко-мелкозернистый неоднородно гранулированный кварц (уфалейский тип) «является результатом процесса перекристаллизации с укрупнением зерна», а средне-крупнозернистый однородно гранулированный кварц (кыштымский тип) – «следствием рекристаллизации крупно-гигантозернистого кварца». Кроме того, Ю.А. Поленов дополнительно к кварцевым типам Г.Н. Вертушкова выделяет слюдяногорский тип (образовавшийся в результате процесса перекристаллизации с укрупнением зерна) и егустинский тип (среднетемпературный метасоматический кварц, который развивается по всем типам гранулированного кварца, но наиболее четко проявлен в образованиях уфалейского и кыштымского типа).
Вышеперечисленные точки зрения на генезис гранулированного кварца, по мнению автора, требуют некоторых дополнений и уточнений.
Онтогенический подход в комплексе с современными методами исследования минеральных агрегатов позволяет провести оценку однородности и «совершенства» особенностей конституции и анатомии индивидов, которые определяются особенностями условий формирования минерального агрегата. Таким образом, полученная при изучении морфологии и анатомии минеральных индивидов информация позволяет восстановить историю формирования и преобразования минерального агрегата (Руденко идр., 1978).
