Структурные примеси в промышленном жильном кварце и породообразующем кварце гранитоидов

Структурные примеси в высокочистом кварце Приполярного Урала

Первое защищаемое положение. Образование жильного кварца Приполярно-Уральской хрусталеносной провинции в результате перекристаллизации кварцитов происходило в нейтральных или слабощелочных условиях (при pH в диапазоне 7.8 8.6) при низкой активности лития, формирование кварцитов проходило в более кислых условиях.

Производство высокочистого плавленого и кристаллического кварца предъявляет жесткие требования к сырью по содержанию минеральных примесей, газово-жидких включений и структурных примесей (Мельников, 1988; Кузнецов, Буканов, Юхтанов, 1988; Исаев, 2003). При производстве высокочистого плавленого кварца суммарное содержание Fe, Al, Ti, Mg, Ca, Mn, Na, K не должно превышать 8⋅10^-3 %, при этом содержание твердых минеральных примесей должно быть менее 1⋅10^-3 %.

Со второй половины прошлого столетия для изучения типа и концентрации структурных примесей в кварце широко применяется ЭПР спектроскопия. В частности, был исследован жильный кварц из ряда месторождений, в том числе Приполярного Урала, что нашло отражение в работах Лютоева В.П., Кузнецова С.К. В данной работе изучен жильный кварц месторождения Желанное и более 15 проявлений Желаннинской и Росомахинской площадей Приполярно-Уральской хрусталеносной провинции.

Для характеристики жильного кварца Приполярноуральской хрусталеносной провинции был проведен отбор проб из вскрытых эрозионными процессами кварцевых проявлений, в некоторых случаях из разведочных канав. В пределах Желаннинского рудного узла систематический отбор проб производился из карьеров, разведочных канав и подземных выработок. Большинство проб отобрано пунктирно-бороздовым методом. Масса каждой пробы составляла не менее 0.5 кг. Содержание структурных примесей Al и Ge измерено в 235 пробах кварца месторождения Желанное и других проявлений провинции.

В табл. 1 приведены средние концентрации структурных примесей в кварце жильных тел месторождения Желанное. В пределах каждого жильного узла было исследовано не менее 10 проб, в некоторых случаях до 40 проб.

В целом жильный кварц Западной и Восточной Зон обладает высокой структурно-химической чистотой и однородностью. Содержание Al колеблется в пределах одного узла от 3 до 15 ppm, Ge - от 0.05 до 0.25 ppm. Можно отметить слегка повышенное содержание структурной примеси Ge в рудных узлах 12-14 и 18 Западной зоны и пониженное содержание Ge в кварце Восточной зоны.

Таблица 1. Среднее содержание структурных примесей в кварце отдельных тел месторождения Желанное.

Несмотря на слабое изменение концентрации структурных примесей в кварце, анализ полученных результатов позволяет выделить несколько тенденций в изменении концентрации примесей Al и Ge в пределах жильных тел. Одной из тенденций является отсутствие закономерного изменения концентрации Al и Ge вдоль простирания жильных тел (рис. 1 и 2 ). В некоторых сечениях отмечено монотонное возрастание концентрации Al от лежачего к висячему боку жильного тела (рис. 3).

        Рисунки 4 и 5 иллюстрируют возрастание концентрации примесей в центре рудного узла. Следует заметить, что возрастание концентрации в центре рудных тел характерно, в основном, для Ge. На рис. 6 представлен пример цикличного изменения концентрации примеси Al в кварце в поперечном сечении рудного узла 10.

По данным многих исследователей, источником кремнезема при формировании кварцево-жильных тел месторождения Желанное служили вмещающие породы – достаточно однородные кварциты. Сравнительное изучение кварца из жильных тел и кварцитов может позволить уточнить физико-химические условия гидротермальной перекристаллизации кварцитов. С этой целью были проведены измерения концентрации структурных примесей в образцах из зон контакта жильных тел и вмещающих пород. Измерения показали, что концентрация Al в жильном кварце и в кварце из кварцитов практически одинакова. В то же время концентрация Ge в кварце из кварцитов всегда ниже чувствительности ЭПР спектрометра.

Рис. 1 . Концентрация алюминия в пробах 30/1-30/32.

Рис. 2. Концентрация германия в пробах 30/1-30/32.

Рис. 3. Концентрация алюминия в пробах 30/33-30/42.

Рис. 4. Концентрация алюминия в пробах 35/1-35/22.

Рис. 5. Концентрация германия в пробах 35/1-35/22.

Из других проявлений жильного кварца исследованы проявления Росомахинской площади, г. Холодная, хр. Малды-Нырд, Челн-Из, г. Старуха-Из. Росомахинская площадь расположена на северо-востоке Приполярноуральской хрусталеносной провинции. Кварцевая минерализация проявлена в основном на двух разобщенных участках: на восточном крыле – Ворапендишорский участок и на юго-западном крыле – Малокаталамбинский участок. В данной работе исследованы образцы жильного кварца из кварцевых проявлений Ворапендишорского участка. В табл. 2 приведены результаты измерения концентрации структурных примесей в жильном кварце.

Концентрация структурной примеси германия в подавляющем большинстве проб ниже чувствительности ЭПР спектрометра. Содержание алюминия в целом ниже, чем в жильном кварце месторождения Желанное. Исключение составляют пробы 43, 47 и 61 (табл. 2).

Рис. 6. Концентрация алюминия в пробах 34/1-34/11.

Таблица 2. Содержание структурных примесей в жильном кварце различных проявлений.

Для выяснения зависимости концентрации структурных примесей в кварце от физико-химических параметров его гидротермального преобразования были проведены лабораторные эксперименты по перекристаллизации кварца. Эксперименты были выполнены на образцах кварца Приполярного Урала: пробы 27 и 27 Б (жильный кварц и горный хрусталь, соответственно). По данным ЭПР спектроскопии в исходных образцах концентрация Al-центров была 32.2 ppm (проба 27 Б) и 25.7 ppm (проба 27) и Ge-центров – 0.26 (проба 27 Б) и 0.14 (проба 27). Большинство экспериментов проведено при температуре 400 ^оС и давлении 500 атм.

Концентрация Al и Ge в кварце после перекристаллизации существенно зависит от состава гидротермального раствора. В кислых и нейтральных средах концентрация Al в кварце мала и практически постоянна в пределах ошибки измерения, а концентрация Ge ниже чувствительности ЭПР спектрометра ( рис. 7 , 8. ) . В щелочных растворах содержание структурной примеси Al выше, чем в нейтральных и кислых, а в растворах 0.02 и 0.05 М NaOH немного превосходит исходную концентрацию. Добавление лития в гидротермальный раствор приводит к резкому возрастанию концентрацию Al (рис. 7).

Рис. 7 . Содержание структурной примеси Al в кварце
после перекристаллизации.

Результаты экспериментального моделирования гидротермального преобразования кварца позволяют уточнить некоторые физико-химические условия формирования кварцевых тел. Незначительные изменения концентрации структурных примесей Al и Ge в пределах жильных тел месторождения Желанное должно быть обусловлено небольшим изменением параметров системы в процессе кристаллизации кварца.

Из опубликованных данных следует, что формирование кварцевожильных тел месторождения Желанное проходило в два этапа – на первом этапе при 300-400 ^оС сформировались кварцевые тела в секущих трещинах скалывания и отрыва. Второй этап хрусталеобразования протекал при снижении температуры до 100-80 ^оС. Условия формирования жильного кварца в целом близки к условиям экспериментальной перекристаллизации кварца, выполненной в данной работе. Данные о химическом составе минералообразующей среды получены на основании исследования горного хрусталя и относятся к стадии хрусталеобразования. По некоторым данным кристаллизация жильного кварца Приполярного Урала происходила в нейтральных средах.

Рис. 8. Содержание структурной примеси Ge в кварце
после перекристаллизации.

Если предположить, что в ходе кристаллизации остаточный раствор становится более щелочным или обогащается литием, то представленные на рис. 1-6 данные отражают процесс формирования жильных тел. В полого залегающих жильных телах формирование кварца происходило от лежачего бока к висячему, что и отразилось в монотонном возрастании концентрации алюминия. В крутопадающих и изометричных телах кристаллизация кварца протекала от контактов, что привело к повышенному содержанию примесей в центральных частях тел. Цикличное изменение концентрации алюминия в пределах жильных тел может свидетельствовать о повторных приоткрываниях трещин и поступлении новых растворов.

Результаты гидротермальной перекристаллизации кварца, представленные на рис. 7 и 8, позволяют провести качественную оценку кислотности-щелочности растворов, из которых происходила кристаллизация жильного кварца. Низкая концентрация алюминия в жильном кварце и в кварце из кварцитов свидетельствует о том, что они могли кристаллизоваться в кислых или нейтральных условиях. Однако концентрация Ge в этих условиях ниже чувствительности ЭПР спектрометра. Присутствие Ge в жильном кварце свидетельствует о слабо щелочной обстановке, в которой концентрация Ge может быть относительно высокой, а концентрация Al все еще низка. Следовательно, pH минералообразующей среды должен попадать в диапазон pH систем от чистой воды до 0.002 M NaOH. Отсутствие примеси Ge в кварце из кварцитов указывает на более кислые по сравнению с жильным кварцем условия их образования.

Величину pH можно оценить на основе термодинамического расчета экспериментальных систем с помощью пакета программ HCh (расчеты любезно выполнены автором программы Ю.В.Шваровым, 1992). В табл. 3 приведены данные расчета ряда экспериментальных систем.

Таблица 3. Расчетный равновесный состав экспериментальных систем с полевым шпатом: концентрация флюидных частиц (активность, моль/л) и pH.

Результаты расчета pH в опытах 56 и 57 позволяют предположить, что кристаллизация исследованного жильного кварца происходила в растворах, pH которых находился в диапазоне от 7.7 до 8.6. Для уточнения этих данных следовало бы включить в состав исходной системы более широкий набор минералов, характерных для вмещающих кварцитов.