Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОВАТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МИНЕРАЛОГИИ И ГЕОХИМИИ

Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых

План

1. Роль В.И. Вернадского в развитии минералогии и геохимии. Какие наиболее известные работы этого выдающегося ученого Вы знаете? Краткое содержание и значение этих работ.

2. Понятие о метамиктном состоянии минералов. Сущность данного явления, специфика свойств метамиктных минералов, особенности их изучения и диагностики.

3. Спайность минералов. Какая существует зависимость этого свойства от кристаллической структуры минерала? Укажите практические приемы определения спайности. Приведите примеры минералов. Значение этих свойств при практическом использовании минералов.

4. Расскажите о скарнах, их происхождении и промышленном значении. Что такое метасоматоз? Как образуются скарны по взглядам Д.С. Корижского? Назовите главные породообразующие и рудные минералы скарнов.

5. На чем основан спектральный и рентгеноспектральный анализы? Каково его значение для изучения и диагностики минералов? Ответы проиллюстрируйте примерами.

1. Роль В.И. Вернадского в развитии минералогии и геохимии. Какие наиболее известные работы этого выдающегося ученого Вы знаете? Краткое содержание и значение этих работ

Владимир Иванович Вернадский родился в Петербурге 12 марта 1863 года в семье профессора экономики и истории И.В. Вернадского. С третьего класса Вернадский учился в Петербургской классической гимназии. Затем он поступил на физико-математический факультет Петербургского университета. В 1885 году Владимир окончил университет и был оставлен в нем для ведения научной работы. Он становится приват-доцентом кафедры минералогии Московского университета. Защитив магистерскую диссертацию, начинает чтение лекций.

В 1897 году он защищает докторскую диссертацию ("Явления скольжения кристаллического вещества"). Вскоре его пригласили в Московский университет заведовать кафедрой минералогии и кристаллографии. В 1906 году Вернадского избирают членом Государственного Совета от Московского университета. Два года спустя он становится экстраординарным академиком.

С 1906 по 1918 год выходят в свет отдельные части его фундаментального труда "Опыт описательной минералогии". Вернадский подошел к минералогии с новой точки зрения: он выдвинул идею эволюции всех минералов. Главная цель минералогии, по Вернадскому, - изучение истории минералов в земной коре.

Он установил пути превращения одних минералов в другие и указал на роль этих процессов, в частности при образовании месторождений полезных ископаемых. Одним из первых профессоров университета Вернадский начал работать на открывшихся в Москве Высших женских курсах. В Петербурге Вернадский стал директором Геологического и минералогического музея Академии наук. По инициативе и под председательством Владимира Ивановича в 1915 году создается Комиссия по изучению естественных производительных сил России при Академии наук (КЕПС).

В 1917 году у Вернадского обнаружили туберкулез. Летом он уехал на Украину. События гражданской войны застали его в Киеве. Здесь он участвует в создании Украинской академии наук и избирается ее президентом.

В конце 1921 года Вернадский основал в Москве Радиевый институт и был назначен его директором.

Вернадский разработал основы новой науки - геохимии. Геохимия - это наука об истории атомов в земной коре и во Вселенной. Геохимия изучает законы распространения и распределения атомов химических элементов в Земле и условия образования их скоплений, т. е. месторождений.

Одним из важнейших в практическом отношении разделов геохимии является учение о парагенезисе элементов, о закономерностях связей элементов в минералах.

Вернадский научно обосновал причины совместной встречаемости элементов в определенных местах земной коры, указал на закономерность в распределении участков с повышенным содержанием того или иного элемента и на их связь с геологическим строением района.

В 1926 году на родину, он публикует свою знаменитую монографию "Биосфера". Сейчас это может показаться странным, но до того времени о биосфере писалось очень мало, и то лишь в специальных изданиях. Не существовало учения о биосфере. Вернадский стал его основоположником.

Он выделил как особую оболочку биосферу - совокупность организмов, живого вещества. Биосфера располагается на литосфере, в гидросфере и проникает на некоторую глубину в литосферу и на некоторую высоту в атмосферу. Он создал новую науку - биогеохимию.

Он установил, что свободный кислород атмосферы - продукт жизнедеятельности растений, что энергия солнечных лучей, преобразуемая земными растениями, играет большую роль в геологических и геохимических процессах в земной коре; показал значение живых организмов в перемещении, концентрации и рассеивании химических элементов.

С 1923 по 1936 год выходят в свет отдельные тома его "Истории минералов земной коры"; кроме статей на прежние темы он пишет исследования о природных водах, круговороте веществ и газах Земли, о космической пыли, геотермии, проблеме времени в современной науке..

В 1937 году Владимир Иванович в последний раз выступает на международном геологическом конгрессе с докладом: "О значении радиоактивности для современной геологии" и добивается создания международной комиссии по определению геологического времени.

На основе исследований распада радиоактивных элементов Вернадский сделал вывод о возможности и необходимости введения в геологии абсолютного летосчисления. В конце 1944 года у возвратившегося в Москву Владимира Ивановича произошло кровоизлияние в мозг, а 6 января 1945 года на восемьдесят втором году жизни он скончался.

2. Понятие о метамиктном состоянии минералов. Сущность данного явления, специфика свойств метамиктных минералов, особенности их изучения и диагностики

Метамиктные минералы - это минералы, в которых происходит метамиктный распад. Это перегруппировка вещества в минерале, вызывающая разрушение его кристаллической решетки. Метамиктный распад наблюдается у минералов, содержащих радиоактивные вещества (торий, уран), обладающих слабой химический связью (ортит, самарксит и др.), т.е. представляющих собой соединение слабых оснований с ангидридами, и совершается, как предполагают, под влиянием радиоактивных излучений. При метамиктном распаде изменяются удельный вес, твердость, спайность, цвет, оптические св-ва минералов, происходит гидратация и пр. В конечном итоге минерал становится аморфным и оптически малопрозрачным, сохраняя в то же время форму кристалла. Аналогичные явления наблюдаются и у некоторых минералов. Не содержащих радиоактивного вещества, например, у ферробрусита, разрушение кристаллической решетки у которого совершается вследствие перехода закисного железа, содержащегося в виде изоморфной примеси, в окисное железо.

Метамиктное изменение минералов (пирохлор, лопарит и др.) приводит к изменению цвета на светлый, желтый, красный, иногда черный, окраска зональная или пятнистая; появления бурой корки, пленочек на поверхности и по трещинкам.

Для диагностики для большей точности используют рентгенографический или специальные методы исследования, радиоактивность.

3. Спайность минералов. Какая существует зависимость этого свойства от кристаллической структуры минерала? Укажите практические приемы определения спайности. Приведите примеры минералов. Значение этих свойств при практическом использовании минералов

Спайностью называется способность минералов раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием плоских зеркальных поверхностей, например, при ударе, мгновенном термическом сжатии или расширении. Плоскости спайности обычно перпендикулярны направлениям наименьшего значения сцепления в кристаллической решетке. В одних случаях они соответствуют плоским сеткам, которые сложены ионами одного знака, даже если эти сетки не находятся на наибольших возможных расстояниях в данной кристаллической решетке (например, сфалерит). В других - плоскости совпадают с направлением наиболее удаленных друг от друга плоских сеток, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность (например, алмаз, графит).

Спайность является одним из физических свойств минералов, используемых для его определения.

Плоскости спайности проходят параллельно существующим или возможным граням кристаллов. Поэтому всегда указываются кристаллографические формы, параллельно граням которых идут плоскости спайности, и дают символы этой кристаллографической формы.

Для выявления спайности можно воспользоваться следующими приемами:

наблюдения за трещинами механического происхождения, которые в кристаллах образуются преимущественно параллельно направлениям спайности. В природных индивидах часто наблюдаются механические повреждения, в виде закономерной системы трещин, по которой проявляется спайность. Если для выявления спайности приходится разбивать индивид, то удар следует ориентировать так, что бы скалывающее напряжение было максимальным в плоскости спайности.

нагревание минерала до температуры 200-4000С и последующее охлаждение, например, в холодной воде. Возникающие при этом термонапряжения разрушаются по плоскости спайности. Так, можно обнаружить спайность по (111) у магнетита, и по (100) у пирита и в других минералах, у которых она выражена очень слабо. Различают следующие виды спайности: весьма совершенная- кристалл легко расщепляется на тонкие листочки или пластинки (слюда, тальк); совершенная - поверхности менее гладкие, они образуются при большом механическом усилии; наряду со спайными поверхностями может наблюдаться излом (ортоклаз, кальцит); несовершенная - поверхности спайности или плоские, или они отсутствуют, или обнаруживаются с трудом (кварц, нефелин).

Под микроскопом спайность в зернах иногда наблюдается как система закономерных трещин, что позволяет определить количество направлений спайности и углы между ними.

Плоскости спайности отличаются тем, что естественную грань кристалла можно отбить и она не повторится, а плоскости спайности можно получать многократно, пока позволяют размеры кристалла. Плоскости спайности более гладкие и совершенные, в то время как естественные грани имеют следы растворения, штрихи, присыпки и др.

Морфологически к спайности близка отдельность. Плоскостями отдельности могут быть плоскости срастания полисинтетических двойников или направления, содержащие тончайшие плоскости посторонних минералов, образующих своеобразные прокладки в структуре кристалла. Плоскости отдельности менее совершенны, чем плоскости спайности. Раскалывание по спайности может происходить в любом месте кристалла, тогда как раскалывание по отдельности происходит только по отдельным участкам. Отдельность наблюдается у корунда (по ромбоэдру, базопинакоиду).

Поверхность, получаемая при раскалывании минералов в направлениях, не совпадающих со спайностью, называется изломом.

4. Расскажите о скарнах, их происхождении и промышленном значении. Что такое метасоматоз? Как образуются скарны по взглядам Д.С. Корижского? Назовите главные породообразующие и рудные минералы скарнов.

Воздействие горячих гидротермальных растворов на вмещающие горные часто приводит к замещению в этих породах одних минералов другими. Такое явление называется метасоматозом. Иными словами, метасоматоз это метаморфизм с изменением химического состава пород. Контактово-метасоматический процесс часто называют скарновым. Например, в контактовых зонах известняки и доломиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

превращаются в скарны - крупнозернистые породы, состоящие в основном из силикатов Са, Fe и Al. Скарновые месторождения могут иметь промышленное значение как источник руд железа, вольфрама, молибдена, меди, цинка, свинца, золота, кобальта и других металлов.

Первоначально этот термин применялся на рудниках Швеции, как порода, состоящая из граната (андрадит), пироксена (геденбергит) и др. известняково-железистых силикатов, возникшая в рез-те высокотемпературного метасоматоза карбонатных и реже силикатных пород в условиях умеренных и малых глубин.

Классификация метаморфических пород (по А.И. Заварицкому) с упрощениями.

	Осадочные породы	Магматические породы
Тип метаморфизма	Песчаник	Известняк	Мергель	Глины и глинистый сланец	Гранит	Кислые	Средние
Локальный
Контактово-термальный	-	Мрамор	Плагио-клазовый роговик	Роговик		Роговик	Пироксе-новый роговик
Контактово- метосомати-ческий		Скарн	-	Грейзен	-	Скарн
Автометаморфизм	-	-	-	-	Грейзен	Вторичный кварцит	Пропилит
Региональный
Низкотемпературный	-	-	-	Филлит, серицито-вый сланец	Филлонит	Кварцево- серицитовый сланец	Зелено каменные породы
Среднетемпературный	Кварцит	Мрамор	Зеленый сланец	Слюдяные сланцы	Гнейс	-	-
Высокотемпературный	-	-	Амфиболит	Гнейс	Гнейс, гранулит	-	Амфиболит, эклогит

Метасоматоз - принос и вынос горячих и холодных гидротермальных растворов в контактирующие с магмой горные породы. Наряду с горячими растворами в горную породу по трещинам и порам могут проникать и горячие газы, под действием высоких пластовых давлений. Растворы и газы Н2О, СО2, Н2, НСl и др. вступают в химические реакции с горными породами и возникают новые минералы. Например, андалузит, характерный минерал контактового метаморфизма, образуется следующим путем:

К2О3Al2O36SiO22H2O + 2SiO2 = 2Al2SiO5 + K2OAl2O36SiO2 + 2H2O

Мусковит Андалузит Ортоклаз

Метасоматоз зачастую происходит и при низких температурах и давлениях и постмагматические растворы воздействуют как на вмещающие породы, так и на интрузивные. В зоне контакта кислых интрузий с карбонатными породами формируются скарны. Процесс возникновения нового минерала в зоне скарна, например, кальцита, выражен реакцией взаимодействия карбоната и кремнекислоты:

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2

Волластонит

В результате образуется минерал волластонит. При контактовом метаморфизме глины переходят в роговики, песчаники в кварциты, известняки в мраморы, угли в антрациты.

В случае контакта горячих гидротермальных растворов, газов, или самих интрузий с глинами в зоне контакта формируются грейзены. В них обычно встречаются полевые шпаты, мусковиты, кварц, турмалины. Все кристаллы в грейзенах крупного размера и прорастают друг в друга. Явление метасоматоза - довольно распространенный вид контактового метаморфизма в горноскладчатых молодых районах.

При гидротермальном метаморфизме полевые шпаты преобразуются в глинистые минералы или мусковит, оливин - в серпентинит и тальк, биотит - в хлорит и серпентинит. В зоне контактового метаморфизма формируются богатые месторождения полезных ископаемых: цинка, свинца, меди, олова, вольфрама, молибдена и другие.

Д.С. Коржинский (1945) рассматривает скарн как реакционно-метасоматические образования, возникшие на контакте карбонатных и силикатных пород под воздействием постмагматических пород.

5. На чем основан спектральный и рентгеноспектральный анализы? Каково его значение для изучения и диагностики минералов? Ответы проиллюстрируйте примерами

Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе.

Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно.

Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения материалов с заданными свойствами.

Достоинствами спектрального анализа являются высокая чувствительность и быстрота получения результатов. С помощью спектрального анализа можно обнаружить в пробе массой 6*10-7 г присутствие золота при его массе всего 10-8 г. Определение марки стали методом спектрального анализа может быть выполнено за несколько десятков секунд.

Спектральный анализ позволяет определить химический состав небесных тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет. Химический состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездном пространстве пределяется по спектрам поглощения.

Изучая спектры, ученые смогли определить не только химический состав небесных тел, но и их температуру. По смещению спектральных линий можно определять скорость движения небесного тела.

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10-10. Это очень чувствительный метод. Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия. Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд.

Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный». Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам. Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца - фотосфера - дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы. Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции. Кроме астрофизики спектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления. Еще шире спектральный анализ используют в медицине. Здесь его применение весьма велико. Его можно использовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородные вещества в организме человека.

Рентгеноспектральный анализ это раздел аналитической химии, использующий рентгеновские спектры элементов для химического анализа веществ. Рентгеноспектральный анализ по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава вещества.

В рентгеновской спектроскопии для получения спектра используется явление дифракции лучей на кристаллах или, в области 15-150 ?, на дифракционных штриховых решётках, работающих при малых (1-12°) углах скольжения. Основой рентгеновской спектроскопии высокого разрешения является закон Вульфа-Брэга, который связывает длину волны рентгеновских лучей ?, отраженных от кристалла в направлении ?, с межплоскостным расстоянием кристалла d. n?=2 d sin? (1)

Угол ? называется углом скольжения. Он направлением падающих на кристалл или отражённых от него лучей с отражающей поверхностью кристалла. Число n характеризует так называемый порядок отражения, в котором при заданных ? и d может наблюдаться дифракционныймаксимум.

Частота колебания рентгеновских лучей (?=с/?), испущенных каким-либо элементом, линейно связана с его атомным номером:

??/R=A(Z-?)(2)

где ? - частота излучения, Z - атомный номер элемента, R - постоянная Ридберга, равная 109737,303 см-1, ? - средняя константа экранирования, в небольших пределах, зависящая от Z, А - постоянная для данной линии величина.

Рентгеноспектральный анализ основан на использовании зависимости частоты излучения линий характеристического спектра элемента от их атомного номера и связи между интенсивностью этих линий и числом атомов, принимающих участие в излучении.

Рентгеновское возбуждение атомов вещества может возникать в результате бомбардировки образца электронами больших энергий или при его облучении рентгеновскими лучами. Первый процесс называется прямым возбуждением, последний - вторичным или флуоресцентным. В обоих случаях энергия электрона или кванта первичной рентгеновской радиации, бомбардирующих излучающий атом, должна быть больше энергии, необходимой для вырывания электрона из определённой внутренней оболочки атома. Электронная бомбардировка исследуемого вещества приводит к появлению не только характеристического спектра элемента, но и, как правило, достаточно интенсивного непрерывного излучения. Флуоресцентное излучение содержит только линейчатый спектр.

В ходе первичного возбуждения спектра происходит интенсивное разогревание исследуемого вещества, отсутствующее при вторичном возбуждении. Первичный метод возбуждения лучей предполагает помещение исследуемого вещества внутрь откачанной до высокого вакуума рентгеновской трубки, в то время как для получения спектров флуоресценции исследуемые образцы могут располагаться на пути пучка первичных рентгеновских лучей вне вакуума и легко сменять друг друга. Поэтому приборы, использующие спектры, флуоресценции (несмотря на то, что интенсивность вторичного излучения в тысячи раз меньше интенсивности лучей, полученных первичным методом), в последнее время почти полностью вытеснили из практики установки, в которых осуществляется возбуждение рентгеновских лучей с помощью потока быстрых электронов.

В наиболее часто используемой на практике конструкции спектрометра источник излучения и детектор располагаются на одной окружности, называемой окружностью изображения, а кристалл - в центре. Кристалл может вращаться вокруг оси, проходящей через центр этой окружности. При изменении угла скольжения на величину ? детектор поворачивается на угол 2?

Наряду со спектрометрами с плоским кристаллом широкое распространение получили фокусирующие рентгеновские спектрометры, работающие «на отражение» (методы Капицы - Иоганна и Иогансона) и на «прохождение» (методы Коуша и Дю-Монда). Они могут быть одно- и многоканальными. Многоканальные, так называемые рентгеновские квантометры, аутрометры и другие, позволяют одновременно определять большое число элементов и автоматизировать процесс анализа. обычно они снабжаются специальными рентгеновскими трубками и устройствами, обеспечивающими высокую степень стабилизации интенсивности рентгеновских лучей. Область длин волн, в которой может использоваться спектрометр, определяется межплоскостным расстоянием кристалла - анализатора (d). В соответствии с уравнением (1) кристалл не может «отражать» лучи, длина волн, которых превосходит 2d.

Число кристаллов, используемых в рентгеноспектральном анализе, довольно велико. Наиболее часто применяют кварц, слюду, гипс и LiF

В качестве детекторов рентгеновского излучения, в зависимости от области спектра, с успехом используют сётчики Гейгера, пропорциональные, кристаллические и сцинтилляционные счётчики квантов.

Применение рентгеноспектрального анализа.

Рентгеноспектральный анализ может быть использован для количественного определения элементов от Mg12 до U92 в материалах сложного химического состава - в металлах и сплавах, минералах, стекле, керамике, цементах, пластмассах, абразивах, пыли и различных продуктах химических технологий. Наиболее широко рентгеноспектральный анализ применяют в металлургии и геологии для определения макро- (1-100%) и микрокомпонентов (10-1 - 10-3 %).

Иногда для повышения чувствительности рентгеноспектрального анализа его комбинируют с химическими и радиометрическими методами. Предельная чувствительность рентгеноспектрального анализа зависит от атомного номера определяемого элемента и среднего атомного номера определяемого образца. Оптимальные условия реализуются при определении элементов среднего атомного номера в образце, содержащем лёгкие элементы. Точность рентгеноспектрального анализа обычно 2-5 относительных процента, вес образца - несколько граммов. Длительность анализа от нескольких минут до 1 - 2 часов. Наибольшие трудности возникают при анализе элементов с малым Z и работе в мягкой области спектра.
На результаты анализа влияют общий состав пробы (поглощение), эффекты селективного возбуждения и поглощения излучения элементами - спутниками, а также фазовый состав и зернистость образцов.

Рентгеноспектральный анализ хорошо зарекомендовал себя при определении Pb и Br в нефти и бензинах, серы в газолине, примесей в смазках и продуктах износа в машинах, при анализе катализаторов, при осуществлении экспрессных силикатных анализов и других.

Для возбуждения мягкого излучения и его использования в анализе успешно применяется бомбардировка образцов ?-частицами (например от полониевого источника).

Важной областью применения рентгеноспектрального анализа является определение толщины защитных покрытий без нарушения поверхности изделий.

В тех случаях, когда не требуется высокого разрешения в разделении характеристического излучения от образца и анализируемые элементы отличаются по атомному номеру более чем на два, с успехом может быть применён бескристальный метод рентгеноспектрального анализа. В нём используется прямая пропорциональность между энергией кванта и амплитудой импульса, который создаётся им в пропорциональном или сцинтилляционном счётчиках. Это позволяет выделить и исследовать импульсы, соответствующие спектральной линии элемента с помощью амплитудного анализатора.

Важным методом рентгеноспектрального анализа является анализ микрообъёмов вещества.

Самостоятельным разделом рентгеноспектрального анализа является исследование тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения и эмиссии атомов в химических соединениях и сплавах. Детальное изучение этого явления открывает пути для экспериментального исследования характера междуатомного взаимодействия в химических соединениях, металлах и сплавах и изучения энергетической структуры электронного спектра в них, определения эффективных зарядов, сосредоточенных на различных атомах в молекулах, и решения других вопросов химии и физики конденсированных сред.

Контрольное задание II (описание минерала)

Вариант 2

1. Морфология, структуры и свойства, генезис и промышленное значение минералов класса самородных элементов. Поведение их в коре выветривания. Укажите приемы полевой диагностики для минералов данного класса.

2. В чем заключается сущность кристаллохимической классификации минералов класса силикатов? Охарактеризуйте типы основных структур и сделайте соответствующие схематические зарисовки. Приведите примеры минералов.

3. Расскажите и свойствах, условиях образования минералов, используемых в качестве оптических, пьезоэлектрических и электроизоляционных минералов. Укажите парагенетические ассоциации, в которые эти минералы входят. Что Вам известно о структурах, рассматриваемых минералов и как эти структуры влияют на их свойства?

4. Какие минералы относятся к фельдшпатидам? Почему они так называются? Дайте характеристику их свойств, структуры, генезиса и парагенезиса. Каковы продукты изменения фельдшпатидов и какое они имеют практическое значение?

5. Расскажите о моноклинных и ромбических карбонатах. Каковы их свойства, происхождение и распространенность в природе? По каким признакам и с помощью каких качественных химических реакций они диагностируются? Значение этих минералов при поисках месторождений.

1. Морфология, структуры и свойства, генезис и промышленное значение минералов класса самородных элементов. Поведение их в коре выветривания. Укажите приемы полевой диагностики для минералов данного класса

Самородные элементы, химические элементы, встречающиеся в природе в виде более или менее устойчивых минералов. Среди С. э. различают: неметаллы (полиморфные модификации углерода -- алмаз и графит, самородные S, Se, Te), полуметаллы (самородные As, Sb) и металлы (самородные Au, Ag, Сu, Pt, Pd, lr, Fe, Ta, Pb, Zn, Sn, Hg, Bi). Обычно вместе с самородными металлами рассматриваются тесно связанные с ними (минералогически и генетически) их твёрдые растворы, а иногда и интерметаллические соединения. Например, минералы группы платины наряду с редкой собственно платиной включают ферроплатину, поликсен и др. В самородном состоянии в природных условиях существует также ряд газов: азот, кислород, водород, аргон, гелий, криптон, ксенон, радон.

Большинство встречается редко и лишь в особых условиях образует крупные скопления (месторождения). Важное промышленное значение из металлов имеют золото самородное и элементы группы платины, меньшее -- медь самородная, входящая в состав руд некоторых типов месторождений, ещё меньшее -- серебро самородное; из неметаллов большое значение имеют алмаз, графит, сера. В лунных породах и метеоритах распространены самородное железо и железо-никель, редко встречающиеся в земной коре.

Для некоторых минералов класса С. э. типичны полиморфные модификации (см. Полиморфизм). С. э., как и все минералы, характеризуются наличием примесей и разнообразием форм проявления, отражающими условия образования С. э. в природе. Происхождение определяется магматическими, гидротермальными, метаморфическими и гипергенными процессами; многие С. э. встречаются в россыпях.

Если в самородном состоянии находятся металлы, содержащие примеси менее благородных - Fe, Ni, неоднородность состава может выражаться в появлении более чистой корки с поверхности самородка, откуда выщелачиваются примеси Fe, Ni и т.п. элементов. Это проявляется при воздействии на самородки гидротермальных растворов и еще при изменении их под действием поверхностных вод.

Минералы, относящиеся к данному ласу, обладают, как правило, металлической связью и в соответствии с этим металлическим блеском, ярким белым, реже желтоватым или желтым цветом, высокой плотностью, хорошей электропроводностью (кроме мышьяка). Для большинства их них характерна низкая твердость (исключение - минералы на основе осмия и иридия), ковкость, хотя в некоторых случаях проявляется спайность (минералы группы железа- никеля, подгр. самородного осмия, гр. мышьяка).

Для благородных металлов - Au, Pt, Os, Ir и др. характерно высокотемпературное образование. Платиноиды связаны непосредственно с магматическими ассоциациями, хотя возникают они в постмагматические этапы. Для минералов на основе Pd характерно и гидротермальное происхождение. Золото является типичным гидротермальным минералом.

Остальные самородные металлы (кроме метеоритного железа) могут возникать в восстановительной обстановке при различных процессах минералообразования. Так появление самородного железа в базальтах о-ва Диско связывают с восстановлением железа из сульфидов (пирротита, пентландита) базальтовой магмой , поглотившей углерод из вмещающих пород. Большое значение имеют и реакции гидротермальных растворов с минералами- восстановителями (образование самородного серебра при осстановлении его арсенидами Co, Ni и Fe). Самородные металлы - Ag, Au и даже Fe появляются при серпентинизации, очевидно, за счет возникновения восстановительных условий по реакции типа

3MgFe[SiO4]+3H2O>Mg3[SiO5](OH)4+Fe2O3+SiO2+H2.

Самородные металлы, иногда в больших количествах, образуются в зонах окисления рудных месторождений при восстановлении их из растворов электрохимическим путем

MeS+2e>Me0+S2-

Эти процессы имеют первостепенное значение для Ag и Cu.

Иногда самородные металлы оказываются продуктами термической диссоциации ранее образовавшихся минералов (образование самородного мышьяка за счет арсенопирита)

FeAsS>FeS+As.

Самородные металлы, особенно благородные, накапливаются в россыпях. В россыпях отмечаются также их очистка и перекристаллизация.

При метаморфозе благородные металлы сохраняются и перекристаллизовываются, образуя местами чрезвычайно крупные скопления.

В качестве примера рассмотрим золото, графит, алмаз, серу.

Золото - Au. Различают самородное и коренное золото. Самородное золото химически чистое (без примесей), в природе встречается редко. Из примесей часто присутствует в золоте серебро, медь, висмут. Характеристикой степени чистоты золота служит ее проба. Например, проба 560 указывает, что данный образец содержит 560 частей золота и 440 примесей, т.е. серебра, меди, висмута и других элементов.

Золото имеет незначительную твердость 2,5-3, очень большую плотность 19,7, среднюю температуру плавления (1063С) и высокую пластичность: из 1 г золота можно растянуть до 3 км проволоки или раскатать пластинку в 27 м2 . В кристаллическом виде золото встречается очень редко. Это кубы и октаэдры, а чаще оно имеет ветвистое древовидное строение (рис. 4.6) или встречается в виде зёрен и пластинок. Если вес крупинки-куска превышает 10 г, то такой образец обычно называют самородком. Наиболее крупные самородки весом в 74,6 ; 70,8 ; 68,3 кг были найдены в Австралии. Здесь же, неподалёку от г. Сиднея, была обнаружена знаменитая золотая плита Холтермана, чистым весом золота в 100 кг. Наиболее крупный русский самородок, найденный на Южном Урале, весил 36,2 кг.

Разновидности: электрум-золото, содержащее до 50% серебра; медистое золото - до 20% меди (купроаурит); висмутистое золото - до 4% висмута.

Происхождение. Золото обычно образуется глубоко в недрах в кислых магматических породах, в условиях высоких давлений и температур. Богаты золотом и кварцевые гидротермальные жилы. Такие месторождения называются коренными . Под действием горообразовательных процессов коренное золото оказывается на поверхности, при этом возникают россыпные месторождения золота.

Октаэдрический кристалл золота со скульптурными образованиями на гранях (а) и дендриты золота (б).

Месторождения. В России коренное золото добывают на Урале ( Березовское месторождение расположено в 12 км от г. Свердловска, открыто оно было более 200 лет назад, Кочкарское и др.), Дарасунское в 75 км от станции Шилка, на Алдане. Месторождения россыпного золота известны на Урале, по Алдану, Лене, Колыме, Амуру, в Алтае, Саянах, на Охотском побережье. В СНГ - Таджикистан ( Дарвазское ) и Узбекистан ( Зарафшанское ). Наиболее значительное месторождение Витватерсранд в Трансваале (ЮАР). На долю этого месторождения приходится 45-50% ежегодной мировой добычи золота. Богаты золотом Гана, Родезия, Австралия, Аляска и др. страны.

Применение. Золото употребляется как валютный и денежный металл, в качестве украшений, в зубоврачебной технике. Золото используется в химической промышленности, в ракетных двигателях, радиоэлектронике и вычислительной технике.

Схема расположения коренных и россыпных месторождений золота (по А.А. Локерману).

Таблитчатые кристаллы графита с треугольными штрихами на грани

Графит - С. Название произошло от греческого слова «графо» - пишу.

Твёрдость 1. Плотность 2,2. Блеск - металловидный, жирный. Мягкий. Пишет на бумаге, пачкает руки. Цвет - железо-чёрный, стально-серый. Черта чёрная, блестящая. Спайность весьма совершенная. Образует чешуйчатые и сплошные массы. Кристаллы в виде шестиугольных пластинок, встречаются редко. Графит хорошо проводит электричество, огнеупорен и кислотоупорен.

Графит легко спутать с молибденитом, но отличается от него по черте. Графит даёт чёрную черту, а молибденит - голубоватую.

Разновидность графита - шунгит - аморфная разность углерода, образовавшаяся при метаморфизации углей (переходная разность между каменным углем и графитом).

Происхождение графита - метаморфическое, в результате изменения каменных углей, под воздействием температуры и давления. Реже встречается графит магматического происхождения, связанный с изменением карбонатных пород под действием интрузии.

Схематический геологический разрез Ногинского месторождения графита.

1 - аллювиальные и делювиальные отложения; 2 - диабазы; 3 - песчаники; 4 - глинистые сланцы; 5 - уголь; 6 - графит.

В России крупные месторождения графита - Алиберовское и Батагольское, расположенные в Восточных Саянах, Нагинское (рис. 4.9) и Курейское в низовьях Енисея, Завальевское на Среднем Урале. В СНГ - Ждановское и Волынское на Украине, Тас-Казган в Узбекистане. В дальнем зарубежье графитом богаты - Корея, Мексика, Шри-Ланка, Индия, Германия и Швеция.

Графит используется в электропромышленности (электроды), в металлургической промышленности (тигли, литейное дело), применяется он как смазочный материал, идет на изготовление карандашей и краски, из него получаю искусственные алмазы.

Алмаз - С. Древнегреческое название алмаза "адамас" означает непреодолимый, непобедимый. В нем часто присутствуют примеси окиси железа и кремнезема; в виде включений встречаются графит и другие минералы. Примеси обуславливают различные цвета алмаза: серый, желтый, синий, черный. Бесцветные разновидности представляют собой чистый углерод.

Обычные формы кристаллов алмаза.

а - октаэдр; б - ромбододекаэдр; в - куб.

Алмаз имеет самую высокую твердость из всех природных веществ. Он отмечен Моосом в его шкале твердости высшим баллом - 10. Плотность алмаза постоянная - 3,5. Цвет различен. Он отличается сильным стеклянным блеском. Прозрачный, хрупкий. Сингония кубическая. Спайность средняя. При ударе раскалывается по плоскостям параллельным граням октаэдра. Природные камни имеют форму восьмигранника со сверкающими гладкими гранями и реже в виде куба с закругленными гранями.

Различают алмазы ювелирные и технические. Среди технических выделяют «борт» -беспорядочные сростки кристаллов и «карбонадо» - мелкие обломки, сростки кристаллов и плотные агрегаты буровато-черного цвета.

По происхождению алмазы делятся на вулканические, россыпные, метеоритные и искусственные. Вулканические алмазы образуются в трубках взрыва (алмазные трубки) при очень высоких давлениях (свыше 60 000 атм.) и температурах (около 1000С). Трубки уходят на очень большую глубину (100_900 км). Диаметр алмазных трубок от 30 до 100 м. Заполнены они, как правило, синей глиной, которая получила название кимберлитовой в честь первой алмазной трубки, открытой в Южной Африке (рядом с поселком первооткрывателей Кимберли, ЮАР). По-английски кимберли - большая дыра. В синей глине присутствуют серпентин, оливин, авгит и пироп - спутники алмаза. Не все трубки взрыва содержат алмаз. Так, в Южно-Африканской республике алмазосодержащей оказалась лишь каждая десятая трубка. Промышленная добыча коренных алмазов осуществляется в ЮАР и в России (Якутия, Архангельск). В меньшей мере алмазы добываются из россыпей, образовавшихся за счет разрушения коренных месторождений (Бразилия, Южная Африка и Индия).

Присутствуют алмазы и в метеоритах. Так, в каменном метеорите, упавшем в сентябре 1886 года около деревни Новый Урей Пензенской губернии профессорами М.В. Ерофеевым и П.А. Лачиновым были обнаружены мельчайшие крупинки алмазов. Впоследствии мелкие алмазы находили и в других метеоритах.

В последние годы в связи с бурным развитием техники, потребовавшей значительного количества технических алмазов, стали выращивать в лабораториях искусственные алмазы. Они получили название - синтетических. Производство синтетических алмазов осуществляется в России, США, Японии, Великобритании и ряде других стран. Правда, синтетические алмазы пока очень дорогие. Максимальный размер синтетических алмазов 6 мм: получаемые кристаллики небольшие, менее 1 карата (карат - единица массы алмаза, равная 0,2 г). Мировое производство синтетических алмазов более 100 млн. карат (20 т).

Природные алмазы свыше 10 карат являются драгоценными камнями, а алмазы боле 100 каратов представляют исключительную редкость и занесены в каталог под определённым именем. Такие алмазы называются историческими.

Самые крупные алмазы были найдены в кимберлитах Южной Африки: «Куллинан» (3106 каратов), «Эксельсиор» (995,3 каратов), «Джонкер» (726 каратов) и другие.

История русских алмазов уходит к началу 19 века. Еще в 1826 году Н.Малышев и М.Энгельрад предположили присутствие алмазов в платиновых россыпях неподалёку от Нижнего Тагила. При промывке россыпного золота около деревни Каменка на Урале крепостной мальчик Павел Попов нашел первые два кристаллика алмаза. Это было в 1829 году.

Всего на Урале за 100 лет было найдено около 300 маленьких, но красивых алмазов.

Советские геологи А.П. Буров, В.С. Соболев и другие показали, что алмазы должны быть и на территории Сибирской платформы, так как по геологическому строению она схожа с Южно-Африканской платформой. Научный прогноз полностью подтвердился. Первооткрывателем сибирских алмазов стала легендарный геолог Лариса Анатольевна Попугаева. В 1954 году она открыла первое месторождение «Зарница». Затем геологами было открыто множество коренных месторождений.

Самым крупным алмазом является «Звезда Якутии» - 232,1 карата. Лучшие алмазы украшают Алмазный фонд России в Москве. Прекрасный алмаз, известный под названием «Шах» - 88,7 карата. На трех его гранях вырезаны имена правителей, которые последовательно им владели: Низам-Шах, 1591; Шах-Джехан, 1641 и Фатх-Али-Шах, 1826. Алмаз был захвачен персидскими завоевателями в Индии. Он был подарен Николаю I как плата за убийство русской дипломатической миссии во главе с А.С. Грибоедовым и охранявшего его казачьего конвоя в 1829 году в Тегеране.

Не менее знаменит камень «Орлов» (весом около 199 каратов). Согласно легенде, камень «Орлов»был одним из алмазов, служивших глазами статуи Брамы в храме близ Мадраса. Он был украден голландским моряком в Индии и продан в 1773 году в Амстердаме за 400 тысяч рублей золотом князю Григорию Орлову. Этот камень был подарен им Екатерине II.



Схематическая геологическая карта и разрез (А-В) кимберлитовой трубки "Мир" (по А.П. Бобриевичу).

1 - элювиально-делювиальные породы; 2 - изменённый кимберлит жёлтого цвета; 3 - измененный кимберлит зелёного цвета; 4 - малоизменённый кимберлит; 5 - карбонатные породы; 6 - скважины.

Алмазы используются в ювелирном деле и в технике. Около 80 % добываемых в мире алмазов приходится на технические. Благодаря своей высокой твердости алмаз является лучшим режущим инструментом. Алмазами усаживают буровые коронки, чтобы бурить скважины в твердых породах. Алмазы используются также в качестве резцов, сверл и как абразивный материал.

Сера - S. Твердость 1,5-2. Плотность 2,07. Блеск на гранях стеклянный, в изломе жирный. Излом неровный. Спайность отсутствует, очень хрупкая. Легко плавится, обладает неприятным запахом за счет выделения сернистого газа. Цвет желтый, лимонный до бурого. Черта - светло-желтая. Сингония ромбическая. Кристаллы серы имеют облик дипирамид, образуют красивые друзы, но чаще сера встречается в виде сплошных масс и натечных образований.



Кристаллические формы серы.

а - пирамидального облика; б - усечённо-пирамидального облика; в - ромбо-тетраэдрического облика.

Образуется сера при вулканических извержениях, осаждаясь на стенках кратеров, в трещинах и пустотах вулканических пород. Выделяется с водой горячих сероводородных источников (например - около жерл гейзеров в Иеллустонском парке в США и др.). Осадочного происхождения - за счет разложения гипса, организмов и жизнедеятельности серных бактерий. Серу добывают в Поволжье - Алексеевское месторождение, в Челябинской области и на Сахалине. В СНГ: Туркмения - месторождение Гаурдак, в Таджикистане - Шорсу, на Украине - Раздолье и Дворское. В дальнем зарубежье: США (штаты Луизиана и Юта); Мексика; Чили; Япония; Италия и Иран.

Применяется сера в химической промышленности (основное ее количество идет на изготовление серной кислоты), в сельском хозяйстве (для борьбы с вредителями), в бумажной, резиновой промышленности (вулканизация каучука), а также при изготовлении пороха, спичек, красок, искусственного волокна, азотистых соединений, в медицине.

2. В чем заключается сущность кристаллохимической классификации минералов класса силикатов? Охарактеризуйте типы основных структур и сделайте соответствующие схематические зарисовки. Приведите примеры минералов.

СИЛИКАТЫ - самые распространенные минералы на Земле. На их долю приходится свыше трети всех известных минералов, а по весу они составляют 95 % массы земной коры. Силикаты почти все образовались на больших глубинах при высоких давлениях и температурах. В основе структуры силикатов лежит тесная связь ионов кремния и кислорода. Силикаты, в которых часть ионов замещена ионами алюминия, называются алюмосиликатами.

Важнейшей кристаллохимической особенностью силикатов является тетраэдрическая координация Si с почти постоянным размером SiO4- тетраэдров, и способностью SiO4 тетраэдров конденсироваться в более сложные конечные и бесконечные радикалы.

Причина тетраэдрической координации кремния находится в электронном строении атомов Si, приобретающих в результате гибридизации s2p2- электронов тетраэдрически ориентированные валентные связи; поэтому кремний в силикатах выступает как ковалентный партнер.

Основным элементом кристаллической решетки является тетраэдр [SiO4]-4; небольшой ион Si+4 окружен четырьмя ионами O-2 центры которых расположены по вершинам тетраэдра. Последний аналогичен комплексным ионам типичных солей, как сульфаты или фосфаты, но в отличие от них обнаруживает большую склонность к соединенную (через общие кислороды) в различные группы, которые и являются радикалами гипотетических поликремневых кислот. Особенно характерно, что кроме групп, состоящих из нескольких тетраэдров [Si2O7]-6 колец [Si3O9]-6 [SiO6O18]-12 и др., часто образуются бесконечные группы - цепочки, ленты и слои, формула которых рассчитана на одно звено. В том случае, если каждая вершина оказывается общая для двух тетраэдров , получается бесконечный каркас с формулой SiO2, т.е. различные модификации кремнекислоты, относящиеся к тому же классу окислов. В некоторых случаях Al+3 как бы заменяет Si+4 внутри тетраэдров (всегда только в сложных группах) с образованием алюмосиликатов, в других обладает шестерной координацией и занимает в решетке места, аналогичные прочим катионам, в частности Mg (силикаты алюминия). Замена Al+3 части Si+4 в нейтральном каркасе вызывает появление отрицательных зарядов, которые должны компенсироваться внедрением в решетку катионов, т.е. делает возможным образование каркасных алюмосиликатов, сходных по структуре с кремнеземом. Исходя из типа радикала, может быть дано следующее, подразделение на подклассы:

1. Каркасные алюмосиликаты с общей формулой радикала {AlnSim-nO2m}n где -n компенсируется обычно крупными малозарядными катионами K, Na, Ca, Ba и др.- полевые шпаты, нефелин, скаполит, цеолиты и др.

2. Метасиликаты с кольцевыми радикалами [Si3O4]-6 [Si4O12]-8[Si6O18]-12 - берилл, кордиерит, волластонит, доиптаз и др, а так же с двойными кольцами типа [Si6O15]-6

3. Ортосиликаты (и диортосиликаты) с радикалами [SiO4]-4 и [Si2O7]-6 - оливин, гранаты, циркон и др.

4. Метасиликаты с бесконечными цепочками, с общей формулой радикала [SiO3]-2 - пироксены, рамзаит

5. Силикаты с ленточными радикалами [Si4O11]-6 (амфиболы)

6. Диметасиликаты с слоистыми радикалами [Si2O5]-5 - тальк, каолин, слюды, хлориты и др.

В решетке силикатов нередко принимают участие также анионы , особенно часто O-2, OH-1, F-1 (часто изоморфны, особенно последние два). Более крупные в частности комплексные анионы Cl-1, [CO3]-2[SO4]-2 и др.сравнительно обычны лишь на 1-ом подклассе (где в решетке имеются крупные «пустоты»).

Оливин (Mg,Fe)2 (SiO4). Название получил за свой оливково-зеленый цвет. Твердость 6,5-7. Плотность 3,3-3,5. Блеск стеклянный. Цвет оливково-зелёный. Черта белая. Спайности нет. Излом неровный. Кристаллы редкие, призматические. Сингония ромбическая. Встречается обычно в зернистых массах.

Кристалл оливина призматического облика.

Прозрачная желтовато-зеленая разность носит название хризолита ( по-гречески хризолит - золотой камень).

Образуется оливин при кристаллизации ультраосновных магм. Воздействие на оливиновые породы воды приводит к возникновению серпентина (змеевик) и хризотил-асбеста.

Месторождения: на Урале, близ Свердловска (Баженовское), в Прибайкалье (Слюдянка), в Сибири, на Таймыре и Кавказе. В России сосредоточены мировые запасы хризотил-асбеста. За рубежом: Канада, Индия, Египет, Бразилия.

Используется для получения огнеупорных кирпичей, из серпинтин-асбеста изготовляются огнестойкие рукавицы, костюмы для пожарников, оливиновая мука идет на удобрение, а хризолит - в ювелирное производство. В алмазном фонде в Москве хранится красивый оливин оливково-зеленой окраски размером 5,2 x 3,5 см, высотой 1,05 см, весом 192 карата, до Октябрьской революции он украшал корону российских царей. Рассказывают, что уральский заводчик Демидов, приглашенный на обед к царю Петру I, решил удивить государя. Он подарил Петру скатерть, мягкую на ощупь и гладкую. Царь расстелил скатерть на столе, а Демидов обронил на скатерть блюдо с борщом. Царь огорчился и сказал: «Экий ты, братец, неповоротливый!» Демидов скомкал скатерть и бросил ее в камин. Через некоторое время он вынул ее из огня, расправил и постелил на стол. Она выглядела как новая. Скатерть эта изготовлена была из асбеста.