МЕТОДЫ МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В студенческой практике, для того чтобы научиться простыми методами определять распространенные в земной коре минералы, приходится иметь дело с более или менее крупными кристаллами или же с однородными минеральными массами. Для этой цели обычно пользуются внешними диагностическими признаками изучаемых минералов. Многие из минералов, особенно те, которые могут содержать ценные для промышленности металлы, требуют дополнительных исследований с помощью паяльной трубки и элементарных качественно-химических реакций, излагаемых в специально составленных определителях.

Однако более редко встречающиеся или трудно определимые простыми методами минералы, обнаруживаемые при систематических минералогических исследованиях, могут быть достоверно определены лишь при условии применения более совершенных методик. Необходимость этих детальных исследований появляется во всех случаях, когда возникает задача более полного познания состава природных образований:

· при петрографическом изучении горных пород, необходимом для составления геологических карт;

· при освоении какого-либо нового месторождения, в связи с чем ставится задача всестороннего изучения вещественного состава руд с целью решения вопросов о комплексном использовании всех компонентов сырья;

· при специальных исследованиях в районах, особо интересных в минералогическом отношении;

· при решении вопросов геохимии, требующих углубленных исследований минерального вещества, и т. д.

При детальном изучении минералов в случае необходимости применяют обычно следующие методы исследования: кристаллохимический, рентгенометрический, кристаллооптический, термический и химикоаналитический совместно с спектральным и иногда рентгеноспектральным анализом.

Кристаллохимический анализ, разработанный Е. С. Федоровым, может быть применен в тех случаях, когда мы имеем дело с кристаллами, и притом достаточно крупными, чтобы можно было измерить углы между гранями кристаллов на гониометре. Этим путем удается не только установить сингонию и вид симметрии кристаллов, но и определить состав минерала.

Рентгенометрический анализ, применяемый для определения вещества путем сравнения рентгенограмм, может быть произведен различными методами, из которых наиболее употребительны: метод вращения кристалла (Поляни), метод рентгеновского гониометра (Вейссенберга) и метод порошка (Дебая). Первые два метода применяются в тех случаях, когда мы имеем дело с монокристаллами. Под методом вращения кристалла подразумевается рентгеносъемка вращающегося кристалла при облучении монохроматическими рентгеновскими лучами. В противоположность этому, в методе Лауэ кристалл неподвижен и облучается непрерывным спектром рентгеновской трубки. При более широко применяемой рентгеносъемке по методу Вейссенберга, помимо вращения кристалла, производится также поступательное движение цилиндрической пленки параллельно оси вращения кристалла, т. е. перпендикулярно к рентгеновскому лучу. Вид рентгенограмм, полученных по методу Вейссенберга, весьма характерен по расположению интерференционных пятен вдоль кривых; они позволяют сравнительно легко (геометрическим путем) производить расчет индексов.

Метод Дебая обладает тем важным преимуществом, что позволяет изучать агрегатные массы минерала, включая скрытокристаллические и тонкодисперсные вещества, и поэтому широко применяется в практике минералогов с целью диагностики. Рентгенограмма, называемая обычно дебаеграммой, получается в специальной камере на полоске светочувствительной пленки, на которой после проявления видны различной интенсивности линии-дужки (части колец, создаваемых конусами рентгеновских лучей, отраженных от наиболее плотно упакованных плоскостей в кристаллических осколках растертого испытуемого вещества).

Сравнивая полученную дебаеграмму (по интенсивности линий и вычисленным межплоскостным расстояниям) с дебаеграммами других известных веществ, на которые похоже по внешним признакам испытуемое вещество, можно точно определить данный минерал, имея результаты спектральных исследований и хотя бы некоторые оптические константы. Достоинство этого метода заключается также в том, что для получения дебаеграммы достаточно 5 мм³ вещества в виде порошка; это важно особенно в тех случаях, когда не удается набрать материала для полного химического анализа. Следует, однако, указать, что очень тонкодисперсные вещества дают слабо выраженные, завуалированные дебаеграммы, а аморфные тела (в собственном смысле) вообще не обнаруживают отражения рентгеновских лучей.

Кристаллооптический анализ сводится к определению с помощью микроскопа ряда оптических констант, свойственных изучаемому минералу.

Прозрачные минералы горных пород и руд исследуются в тонких шлифах (толщиной около 0,02 мм) или в виде порошков. Этот метод определения прозрачных минералов с помощью поляризационного микроскопа в проходящем свете в последнее время достиг высокой степени совершенства, особенно для плагиоклазов. Этим методом могут быть точно определены даже мельчайшие кристаллические зерна (диаметром в несколько сотых миллиметра), устанавливаемые в тонких прозрачных шлифах в виде включений. В этом заключается его большое достоинство. Разработаны специальные определители прозрачных минералов под микроскопом в виде таблиц. Они широко используются петрографами при микроскопическом изучении горных пород. Применение этого метода требует овладения работой на микроскопе и усвоения ряда специальных приемов исследования. Непрозрачные минералы, слагающие главным образом руды месторождений металлических полезных ископаемых, а также встречающиеся в виде включений в горных породах, изучаются в зеркально отполированных шлифах в отраженном свете под микроскопом с помощью специального осветителя, называемого опак-иллюминатором. К числу оптических констант относятся: показатель отражения R (способность минерала отражать то или иное количество падающего света, измеряемая с помощью микрофотометрокуляра или фотоэлемента), а для оптически анизотропных двуосных минералов - главные показатели отражения Rg, Rm и Rp, двуотражение Rg-Rp и др. Методика определения оптических констант для анизотропных, особенно двуосных, минералов еще не разработана. Тем не менее определение показателя отражения в комбинации с данными определения прочих свойств изучаемых под микроскопом минералов (твердость, цвет, отношение к реактивам и др.) оказывает большую услугу при изучении руд под микроскопом в отраженном свете. Этим путем во многих случаях могут быть определены даже мельчайшие включения рудных минералов размером в тысячные доли миллиметра.

Термический анализ, введенный в практику исследований акад. Н. С. Курнаковым, сводится к получению кривых нагревания (или охлаждения) вещества с целью установления эндо- и экзотермических эффектов, обусловливаемых физическими и химическими превращениями, происходящими в исследуемом веществе при повышении температуры (выделение воды, окисление, восстановление, переход в новую полиморфную модификацию и др.). Запись кривых нагревания производится обычно автоматически при помощи регистрирующего пирометра, соединенного с комбинированной (простой и дифференциальной) термопарой, опущенной в тигель, разделенный специальной перегородкой на две части. В одну часть помещается измельченный испытуемый минерал, в другую - какое-либо эталонное индиферентное вещество (MgO, Al₂O₃ и др.). В ту и другую цепь включены зеркальные гальванометры (Gt и Gd), каждый из которых посылает свою световую точку на светочувствительную бумагу, натянутую на медленно вращающийся при помощи часового механизма барабан В.В процессе нагревания гальванометр простой термопары на светочувствительной бумаге записывает ход температурной кривой, на которой в случае происходящих превращений в нагреваемом веществе фиксируются местные изменения наклона или горизонтальные площадки, отвечающие эндотермическим эффектам (с поглощением тепла), или скачки вверх, свидетельствующие об экзотермических эффектах (с выделением тепла), происходящих при нагревании испытуемого вещества. Гальванометр, включенный в цепь дифференциальной термопары, регистрирует только разность двух термоэлектродвижущих сил, т. е. разность температур индиферентного эталона и исследуемого вещества в процессе одновременного их нагревания. Поэтому на кривой дифференциальной записи получаются более резко выраженные пики с вершинами, направленными вниз (эндотермические эффекты) и вверх (экзотермические эффекты), явно указывающие на превращения, происходящие в испытуемом веществе. В этом и заключается смысл получения дифференциальной записи процесса нагревания (или охлаждения). В минералогической практике этот метод обычно применяется при исследовании трудно определимых на глаз или другими способами скрытокристаллических и тонкодисперсных масс. Для ряда минеральных образований (каолина, гидратов глинозема, гидроокислов железа, карбонатов, хлоритов и др.) получаются характерные кривые нагревания, способствующие определению минеральных видов.

Химический анализ является сравнительно трудоемким и дорогим методом исследования. Поэтому к полным химическим анализам прибегают в тех случаях, когда имеются основания установить какую-либо новую разновидность или новый минерал, по ряду свойств отличающийся от известных минералов, либо когда без данных химического анализа невозможно решить вопрос о разновидности изучаемого минерала, обладающего переменным составом, либо в тех случаях, когда минерал принадлежит к числу редких соединений, для которых известно ограниченное число полных анализов, и т. д.

Количество чистого, т. е. освобожденного от примесей, вещества, необходимое для полного химического анализа, должно составлять, как минимум, 1-2 г. что не всегда удается набрать, особенно для редко встречающихся и рассеянных в породе или руде мелких кристалликов или зерен минерала.

Если исследуемый минерал наблюдается в виде мелких кристаллических друз в пустотах, то его обычно предварительно отбирают каким-либо способом, например с помощью стальной иглы, всаженной в деревянную ручку. Полученную таким путем массу тщательно сортируют под бинокулярной лупой с помощью той же иглы, отбирая интересующий нас минерал в необходимом количестве для химического анализа и других видов исследований. Если минерал наблюдается вкрапленным в породу в значительном количестве, то породу в целом подвергают дроблению и измельчению, отсеивая каждый раз мелочь через сито с отверстиями 0,5, 1,0 мм или крупнее (в зависимости от размеров зерен вкрапленного минерала). Отборка минерала тем же способом производится под бинокулярной лупой.

В случае если минерал является акцессорным, т.е. крайне редко вкрапленным в породу, приходится прибегать к получению концентратов тем или иным механическим способом. При этом используется либо разница в удельных весах минералов (гравитационные методы), в магнитных свойствах (методы магнитной сепарации), либо отношение минералов к флотационным реагентам (методы флотации), к электричеству (электростатические методы) и т. д.

Спектральный анализ в практике минералогических исследований стал применяться настолько широко, что во многих случаях заменяет метод паяльной трубки, особенно в лабораторных условиях. Этот метод определения присутствующих в минерале химических элементов основан, как известно, на том, что каждый химический элемент при достаточном нагревании испускает лучи определенных, характерных для него длин волн, устанавливаемые с помощью спектроскопа. Главными преимуществами спектрального анализа являются точность и быстрота определения содержащихся в минерале катионов металлов. Особенно это имеет значение при определении таких ценных редких металлов, как олово, молибден, индий, германий, галлий, кадмий и др. Мало того, для ряда металлов разработана методика определения примерного количественного значения содержания. Количество материала, требующегося для анализа, может быть ограничено несколькими миллиграммами. В Этом также заключается важное достоинство этого метода.

Рентгеноспектральный (рентгенохимический) анализ основан на том, что испытуемое вещество, помещенное на поверхность антикатода, при действии катодных лучей испускает рентгеновы лучи определенной длины волны для каждого из содержащихся в нем химических элементов, т. е. аналогично тому, что мы имеем при обычном спектральном анализе. Важно лишь, чтобы напряжение, приложенное к электродам рентгенотрубки, было достаточным для возбуждения видимых лучей, характерных для того или иного элемента. Рентгеноспектральный анализ особенно ценен при количественном определении в минералах редких земель: Y, Nb, Та, Hf, Re, определение которых обычными химическими методами составляет чрезвычайно трудоемкую задачу.

Наконец, необходимо указать на важность экспериментальных химических и физико-химических исследований с целью получения в лабораторных условиях искусственных соединений, отвечающих по составу природным соединениям-минералам. Этим путем, по крайней мере, в некоторых случаях, удается получить совершенно аналогичные, но внешним формам и составу соединения (например, урановые слюдки) и выяснить таким путем условия образования и кристаллизации природных соединений. В этом отношении для минералогов должны представлять исключительный интерес также исследовательские и экспериментальные работы химических и физико-химических институтов, занимающихся проблемами использования минерального сырья.

Лекция 17

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: