Структурные примеси в промышленном жильном кварце и породообразующем кварце гранитоидов

Введение

         Актуальность. Преобразование кристаллических пород, как в природных, так и в лабораторных условиях традиционно оценивается по изменению их минерального состава. Изменение минеральной ассоциации происходит при отклонении физико-химических параметров природной системы за пределы поля устойчивости ассоциации. В то же время представляет интерес изучение поведения минералов горных пород в пределах поля устойчивости, а также поиск новых критериев, позволяющих оценить малые изменения физико-химических параметров природной среды.

В данной работе для решения этих задач проведено исследование структурных примесей в породообразующем кварце из нескольких типов пород, в том числе из рудных тел месторождений жильного кварца. Несмотря на длительную историю изучения кварца, поведение структурных примесей в нем исследовано явно недостаточно. Такие вопросы, как устойчивость структурных примесей в природных условиях, зависимость их концентрации от условий кристаллизации кварца, наличия тех или иных элементов в минералообразующей среде все еще нуждаются в уточнении. В значительной степени это обусловлено необходимостью применения специальных физических методов для исследования структурных примесей, различным генезисом самого кварца, часто невысокой представительностью исследуемого материала. Из большого числа аналитических методов метод спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) является фактически единственным методом изучения типа и концентрации структурных примесей в кварце. Именно этот метод был использован в данной работе. Метод ИК спектроскопии был применен в конце 50-х годов для идентификации ряда примесей в кварце, однако, он не позволяет зарегистрировать германий и титан.

Цель и задачи работы. Исследование поведения структурных примесей в процессах образования и преобразования кварца, как в природных, так и в лабораторных условиях; определение физико-химических параметров, оказывающих основное влияние на вхождение примесных элементов в структуру кварца.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- изучение на примере месторождения кварцевого сырья Желанное зависимости содержания структурных примесей в кварце от условий залегания и процессов кристаллизации жильных тел;

- оценка условий перекристаллизации кварцитов при образовании жильных тел месторождения Желанное;

- изучение поведения структурных примесей в кварце в ходе лабораторной гидротермальной перекристаллизации;

- оптимизация условий гидротермальной очистки кварца от структурных примесей;

- исследование изменчивости концентрации структурных примесей в породообразующем кварце разновозрастных гранитоидов и ее связь с условиями и длительностью вторичного преобразования пород;

- изучение взаимосвязи концентрации структурных примесей в породообразующем кварце с геохимическими особенностями пород – содержанием зарядокомпенсирующих элементов, основностью, содержанием алюминия в породах;

- оценка времени жизни алюминиевых парамагнитных центров в высокочистом жильном кварце в природных условиях.

Новизна. Наиболее важным аспектом данной работы является сочетание систематических исследований природного материала и прошедшего перекристаллизацию в лабораторных условиях. Изучена представительная коллекция проб жильного кварца месторождения Желанное, а также Росомахинской и Желаннинской площадей Приполярно-Уральской хрусталеносной провинции. Впервые предложена оценка физико-химических условий (pH) перекристаллизации вмещающих кварцитов, в ходе которой сформировались кварцево-жильные тела. Впервые методом ЭПР дана представительная характеристика структурно-химической чистоты жильного кварца Приполярно-Уральской провинции.

Детально исследован породообразующий кварц разновозрастных гранитоидов и вулканитов Кавказа и батолита Сьерра-Невада. Впервые показано, что концентрация структурных примесей снижается в результате вторичных преобразований. На основе изучения большой серии породообразующего кварца и в сочетании с лабораторной перекристаллизацией подтверждена ведущая зарядокомпенсирующая роль лития при вхождении алюминия в структуру кварца.

Впервые измерено время жизни алюминиевых радиационных центров в жильном кварце месторождения Желанное в природных условиях.

Практическая значимость. Несмотря на появление новых перспективных пьезоматериалов, кварц по-прежнему остается ведущим пьезоэлектриком, широко используемым в различных областях – от бытовой техники до военных и космических устройств. Показанная в работе ведущая роль концентрации лития в гидротермальном растворе в процессе захвата структурной примеси алюминия кварцем позволяет контролировать качество синтетического промышленного кварца по ряду параметров растворов и в первую очередь по содержанию зарядокомпенсирующих ионов. Методом перекристаллизации возможно существенно снизить концентрацию структурных примесей: алюминия – до первых ат. ppm, германия – до концентраций менее 0,02 ат. ppm. Фактически предложен метод глубокой очистки кварца.

Результаты исследования кварца месторождения Желанное могут быть непосредственно использованы в ходе добычи кварцево-жильного сырья. Наряду с этим выявленная зональность жильных тел и ее взаимосвязь с процессом кристаллизации жил позволяет проводить предварительную оценку качества сырья по форме и условиям залегания тел.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на совещании "Минералогия кварца", Сыктывкар, 1992; на съезде Международной Минералогической Ассоциации IMA 16, Pisa, Italy, 1994; конференции по экспериментальной минералогии, Черноголовка, 1995; 30 Геологическом Конгрессе. Пекин, 1996; на Ломоносовских чтениях МГУ, 1997. Наряду с этим результаты исследования высокочистого кварца Приполярного Урала дважды докладывались на заседаниях технических советов Госкомитета “Союзкварцсамоцветы” и Кожимской экспедиции.

Фактический материал. Работа выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ. В основу работы положены результаты многолетних полевых и лабораторных исследований, выполненных автором в период обучения в аспирантуре и последующей работы на той же кафедре. Методом ЭПР спектроскопии изучено более 130 проб кварца разновозрастных гранитоидов из различных регионов Земли, детально исследован (более 230 проб) жильный кварц из нескольких разрезов рудных тел месторождения кварцевого сырья Желанное, Росомахинской и Желаннинской площадей Приполярного Урала. Каменный материал частично собран в период полевых сезонов 1989-1993 гг.

        Совместные исследования проводились с сотрудниками Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН; Института экспериментальной минералогии РАН; кафедры геохимии геологического факультета МГУ; Госкомитета “Союзкварцсамоцветы”; Кожимской экспедиции (г. Инта).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 работ: 8 научных статей и тезисы 4 докладов.

Структура и объем работы. Работа объемом 116 стр. содержит 37 рисунков, 21 таблицу и состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитированной литературы, который насчитывает 104 названия.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю Д.Г.Кощугу за постоянную помощь при выполнении этой работы, коллегам по кафедре минералогии Ф.П.Чернухе, А.Н.Ноздрякову, С.П.Курасовой, с которыми на разных этапах выполнения работы приходилось проводить лабораторные и полевые исследования, обсуждать результаты исследований. Автор выражает благодарность А.Г.Гурбанову (ИГЕМ РАН) за предоставленные детально охарактеризованные пробы кварца, Т.П.Дадзе и Г.А.Каширцевой (ИЭМ РАН) за помощь в постановке и проведении экспериментов по гидротермальной перекристаллизации кварца, Ю.В.Шварову (МГУ) за проведение термодинамических расчетов, С.В.Вяткину и А.Г.Боеву, совместно с которыми проведен ряд исследований. Автор также благодарен Н.А.Пожидаеву, С.А.Репиной за помощь в проведении полевых работ. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проекты 01-05-65393 и 04-05-64362).