Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

В сферу исследований технической петрологии вовлекаются все новые объекты и процессы, при этом успешно используются результаты геологических и экспериментальных исследований в области петрогенезиса и рудообразования.

На основе низкосортного фосфатного сырья путем сплавления с горными породами (песком, кварцитами, известняком, серпентинитами, магнезитами) получают термические фосфаты, к которым относятся некоторые сталеплавильные шлаки и ряд специальных фосфатных продуктов. Они являются удобрениями пролонгированного (длительного) воздействия, поскольку в результате обжига фосфор переводится из связанного в структуре апатита в усвояемую растениями форму. Петрографические исследования позволяют установить фазовый состав и структуру промежуточных и конечного продуктов синтеза, в частности, соотношение кристаллических и стекловидной фазы, распределение между ними элементов, объяснить кинетические закономерности процесса и тем самым наметить пути его интенсификации.Разработанная петрологами модель ликвационного генезиса апатит-нефелиновых месторождений Хибинского массива была положена в основу нового метода переработки низкосортного фосфатного сырья, обогащение и утилизация которого традиционными методами (флотация, кислотная переработка) экономически неэффективны. Плавление определенных его типов с добавками солевых компонентов приводит к разделению на несмешивающиеся силикатную и фосфатно-солевую жидкости. Последняя в силу более высокой плотности скапливается на дне плавильной ванны. В силикатном расплаве на 90-95% концентрируются окислы железа и алюминия. Пример нефелин-апатитовых руд вообще показателен с точки зрения комплексного освоения полезных ископаемых - одной из самых актуальных экономических и экологических проблем горнорудной промышленности. Огромные запасы нефелина создают неограниченные возможности для производства глинозема для алюминиевой и абразивной промышленности, цемента, керамики, стекла, карбонатов щелочей. Возможно также использование пьезоэлектрических свойств нефелина. Апатит - важнейший источник фосфора. Приводимые разработки представляют вклад петрологов в решение этой проблемы.

Эксперименты по изучению процессов магматической дифференциации гранитных расплавов позволили предложить сходную с вышеописанной новую технологию получения алюминия из высокоглиноземистых горных пород. Метод базируется на изучении фазовых отношений в системе Al₂O₃-SiO₂ -соль. Его сущность состоит в закономерном разделении главных породообразующих компонентов (Al, Si, щелочей) между несмешивающимися жидкостями в системе силикат-соль. Метод позволяет эффективно извлекать алюминий из пород, сравнительно бедных им, таких как каолиновые глины, кианитовые и мусковитовые сланцы, анортозиты, сынныриты и др. После удаления щелочных фторидов, хорошо растворимых в воде, отделяющиеся в виде слоя алюминатные расплавы имеют состав высококачественных безжелезистых бокситов, из которых возможно извлечение глинозема традиционным методом. В каолиновых составах этой системы наблюдаются только шаровые ликвационные обособления, трудно отделимые от силикатного стекла. Более эффективное разделение расплавов каолинового состава возникает при введении в систему, кроме фторидов, еще и NaCl. В такой системе в результате ликвации образуются фторидно-силикатные расплавы, в которые уходит почти весь кремний, большая часть фтора и часть алюминия, и хлоридные расплавы, которые состоят главным образом из хлоридов щелочных металлов и алюминия и содержат всего 0,5 мас.% кремния и меньшую часть фтора. Эти хлоридные расплавы пригодны для электролитического получения алюминия по известной в производстве хлоридной технологии.

Самые передовые и эффектные достижения современной науки и техники так или иначе связаны с использованием пьезоэлектрических, оптических, полупроводниковых и других свойств различных кристаллов, подавляющее большинство из которых выращивается в лабораториях или на специализированных предприятиях заводского типа. При синтезе и выращивании кристаллов используются данные о физико-химических условиях устойчивости минералов, однако в подавляющем большинстве случаев результаты этих исследований не могут быть непосредственно применены к природным процессам минералообразования.

Существуют две группы методов выращивания кристаллов из расплавной фазы: из расплава самого вещества кристаллов и из раствора этого вещества в расплаве.

Самым простым из первой группы является метод кристаллизации в тиглях при плавном снижении температуры. Таким способом синтезируют фторамфиболовые (арфведсонитового, ферроактинолитового, куммингтонитового и рихтеритового состава) асбесты, выращивают кристаллы фторфлогопита и галогенидов.

По своей термостойкости, незначительному газоотделению, диэлектрическим и оптическим свойствам фторфлогопит не уступает лучшим сортам природных слюд. При выращивании монокристаллов фторфлогопита температуру снижают в интервале 1380 1330^оС со скоростью 0.5-5 град/час. При этом важную роль играет создание температурного поля нужной конфигурации и гомогенизация расплава при температуре, не более чем на 15-25^о превышающей точку плавления, так как перегрев приводит к уменьшению полимеризации расплава, что затрудняет получение хороших монокристаллов. Снижают качество слюды кристаллизация второстепенных минералов и явления расслоения в жидкой фазе. Введение в шихту 3-5% кальция положительно влияет на синтез флогопита, который становится ликвидусной фазой за счет сокращения областей кристаллизации высокотемпературных периклаза и форстерита. Петрографический контроль фазового состава и структуры слюдяных блоков и установление последовательности кристаллизации минералов позволяют подбирать оптимальные условия синтеза, дающие максимальный выход и размеры монокристаллов.

Фтористые системы при атмосферном давлении, в которых ведется синтез амфиболовых асбестов и слюды, используются как упрощенные аналоги природных систем с водой.

Рис. 68. Выращивание кристалла на затравку по методу Чохральского.

Более сложным методом роста кристаллов из расплава является вытягивание монокристалла из расплава (метод Чохральского) - при этом затравочный кристалл, помещенный в специальный держатель опускается до поверхности расплава. В момент касания расплава на более холодном кристалле начинается кристаллизация. После этого затравку начинают равномерно поднимать, так чтобы скорость подъема затравки была равна скорости кристаллизации. Схема выращивания монокристаллов по методу Чохральского показана на рис. 68. Этот метод используют для выращивания кристаллов металлов: висмута, олова, цинка и др., а также интерметаллидов: сурьмянистого индия, сурьмянистового галлия, станнида магния и теллуристого висмута.

Существуют также и бестигельные методы выращивания кристаллов. В наиболее распространенном из них методе Вернейля выращивание кристаллов рубина осуществляется на затравку при кристаллизации капелек расплава, образованных в водородно-кислородном пламени. Схема установки показана на рис. 69. Шихта (порошок Al₂O₃) из расположенного в верхней части установки бункера равномерно поступает в пламя кольцевой кислородно-водородной горелки, расплавляется там (температура свыше 2000^оС) и в виде мельчайших капель оседает на затравку, где происходит кристаллизация. Затравку равномерно опускают, при этом образуется монокристаллическая "булька". Данный метод выращивания кристаллов требует точной синхронизации поступления шихты и скорости опускания затравки. Полученные кристаллы отжигают в вакууме при температуре несколько ниже температуры кристаллизации в течении нескольких часов. При этом снимаются температурные напряжения. Метод Вернейля является универсальным: с его помощью были выращены кристаллы шпинелей, гранатов, рутила. Если вместо газовой горелки использовать плазменный нагрев, то этим методом можно получать монокристаллы высокотугоплавких материалов - таких как бадделеит (ZrO₂) и периклаз (MgO).

Рис. 69. Установка для выращивания кристаллов бестигельным методом (Вернейля).

Для очистки вещества от примесей, выращивания особо чистых кристаллов, получения материалов с равномерным распределением примеси заданной концентрации используют методы зонной кристаллизации (зонной плавки). Они основаны на принципе направленной кристаллизации, согласно которому примеси отталкиваются растущим кристаллом и накапливаются в жидкой фазе. Исходный поликристаллический материал (слиток) плавят с одного конца в узкой зоне вблизи помещенной там монокристальной затравки. Далее зона расплавленного материала перемещается с определенной скоростью вдоль слитка от затравки, на поверхности которой начинается кристаллизация. Перемещение зоны может происходить в результате движения нагревателя вдоль слитка или движения слитка сквозь нагреватель.

Метод роста кристаллов из раствора в расплаве во многом схож с ростом кристаллов из водных растворов (рассмотрен в главе III-3), только здесь в качестве растворителя применяют расплавы солей - LiCl, KF, LiVO₃, LiBO₂ (как правило, вещества, которые не входят в состав синтезируемых кристаллов). Кристаллизацию из растворов в расплаве можно осуществлять на затравку медленным охлаждением насыщенного раствора и за счет переноса питательного материала со дна кристаллизатора к подвешенной в верхней части затравке. Именно этим методом впервые были получены искусственные изумруды для ювелирных изделий, хотя в основном он используется в поисковых целях. В некоторых случаях (как например выращивание кристаллов Si в расплаве Al) рассматриваемый метод сочетается с методами зонной кристаллизации.

Древние технические силикаты (металлургические шлаки, стекло и керамика) являются самым массовым материалом, который используется для решения археологических проблем. Петрографические методы в комплексе со специальными археологическими позволяют определить местонахождение сырьевых материалов и особенности технологии изделий из камня, глины, стекла, а также шлаков древнего металлургического производства. Анализ мфорной тары позволил установить существование местного керамического производства в городах Боспорского царства. Исследование древних шлаков черной металлургии черняховской культуры и шлаков, найденных при раскопках Новгорода позволили раскрыть особенности древнего сыродутного процесса получения железа, в том числе температурный режим его ведения.