Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Институт горного дела и геосистем

Кафедра геологии и геодезии и БЖД

Курсовой проект

по курсу «Математические методы моделирования»

Использование методов математического моделирования и адаптивного анализа для выявления в монаците матричных элементов, накапливающих редкоземельные элементы, редкие и благородные металлы

Выполнил:

Студент Антошечкина Е.К.

Руководитель:

к.г.-м.н., доцент

Новокузнецк 2016

Содержание

Введение

1. Математическое моделирование геологических объектов

2. Методология адаптивного анализа

3. Процесс минерагенеза

4. Технология адаптивного анализа процесса минерагенеза

Список использованной литературы

Введение

Для инженеров-геологов, работающих в рудной и угольной геологии, актуальным является исследование, с помощью современных технических и математических инструментов, геолого-генетических процессов, которые сформировали минералы, горные породы, залежи полезных ископаемых.

Актуальность курсовой работы связана с возрастанием востребованности примесных химических элементов, содержание которых ничтожно мало в земной коре, в том числе лантаноидов и актиноидов.

Целью курсового проекта является ознакомление с адаптацией минералов и горных пород к температуре, давлению и геохимическим условиям внешней среды, а также с методологией адаптивного анализа минерагенеза примесных элементов в различных минералах.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Научиться анализировать геологические объекты системно;

2. Применять на практике основные методы получения, хранения, обработки геологической информации и навыки работы с компьютером;

3. Научиться проводить математическое моделирование геолого-генетических процессов; использовать геологические данные для составления курсовой работы.

В процессе анализа диаграмм необходимо выяснить причину накопления примесных химических элементов в минералах, в горных породах. Необходимо выявить матричные элементы и установить участие в минерагенезе тех матричных элементов, которые отсутствуют в составе минерала или горной породы, однако они присутствовали в ходе минерагенеза и оказывали существенное воздействие на процесс минералообразовании.

1. Математическое моделирование геологических объектов

Математическая модель - это совокупность представлений, предположений, гипотез и аксиом, отражающих существо изучаемого геологического объекта или явления.

Математическая модель, как и любая другая, является упрощенным аналогом исследуемого объекта. Из-за сложности геологических объектов ни одна математическая модель не может воспроизвести все их свойства. Поэтому для описания различных свойств одного и того же объекта часто приходится использовать различные математические модели. При этом необходимо убедиться в том, что выбранная модель достаточно полно отражает именно те свойства объекта, которые непосредственно влияют на решение поставленной задачи.

Математические модели не могут исчерпывающе полно характеризовать изучаемые свойства. Они основаны на определенных допущениях о характере свойств объекта моделирования. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы эти допущения не приводили к принципиальному искажению реальных свойств объекта в рамках поставленной задачи. В связи с тем, что встречающиеся в практике геологических исследований задачи также весьма разнообразны, может возникнуть ситуация, когда для моделирования одного и того же свойства объекта необходимо использовать различные модели.

Определенные сложности иногда возникают также из-за отсутствия четких границ геологических совокупностей и рассмотренных выше особенностей их изучения.

Итак, решение геологических задач на основе математического моделирования представляет собой довольно сложный процесс, в котором можно выделить следующие этапы:

1) формулировка геологической задачи;

2) определение геологической совокупности, то есть установление границ геологического объекта или временного интервала геологического процесса;

3) выявление главных свойств объекта или параметров процесса в рамках поставленной задачи;

4) переход от геологической совокупности к опробуемой и выборочной с учетом особенностей методов исследования;

5) выбор типа математической модели;

6) формулировка математической задачи в рамках выбранной математической модели;

7) выбор метода решения математической задачи;

8) решение математической задачи на основе вычисления параметров математической модели объекта;

9) интерпретация полученных результатов применительно к геологической задаче;

10) оценка вероятности и величины возможной ошибки за счет неадекватности модели и объекта.

Таким образом, этапу собственно математического моделирования предшествуют этапы создания геологической модели (опробуемой и выборочной геологической совокупности). Поэтому модели, используемые для решения геологических задач математическими методами, можно назвать геолого-математическими.

Справедливость конечного вывода при решении задач на основе геолого-математического моделирования зависит от правильности решений, принимаемых на каждом этапе.

монацит геологический минерагенез матрица

2. Методология адаптивного анализа

Методика адаптивного анализа объектов базируется на теории адаптации объектов неживой природы [1]. Далее теория адаптации и методология адаптивного анализа приводятся по [2].

При создании теории автор исходил из общеизвестных понятий:

1. Элемент - наименьшая, условно неделимая часть среды. Является объектом нижнего уровня.

2. Поле - создаваемый элементом неравновесный параметр среды, воздействующий на другие элементы.

3. Среда - множество элементов и полей разных видов.

4. Объект - упорядоченная часть среды: объект локализован в фазовом пространстве среды.

Исходные понятия связаны следующими гипотезами:

1. Элементы одного вида, в каждое мгновение, имеют разные координаты в n-мерном фазовом пространстве локальной области внешней среды, и поэтому один элемент не равен другому.

2. У элемента есть свойство: создавать связи с другими элементами. Связь динамична: возникает и исчезает с некоторой частотой.

3. Поле воздействует на элементы с некоторой силой. (Общеизвестная гипотеза).

4. Среда неоднородна и неравновесна: значения параметров среды меняются в пространстве и во времени. (Общеизвестная гипотеза).

Следствия исходных понятий и гипотез:

1. Неоднородная и неравновесная среда создает потоки элементов, энергии и информации. (Общеизвестное следствие).

2. Элементы со схожими свойствами образуют объекты в благоприятных для себя областях среды, перемещаясь в эти области или возникая в них. (Общеизвестное следствие).

3. При формировании и адаптивном развитии объекта возникает связь между его величиной и качеством (содержанием объект образующих элементов).

4. Объект (элемент) способен к адаптации. Адаптация состоит из единичных актов адаптации: разрывов малопрочных связей между элементами и последующего создания более прочных связей.

5. Есть три вида адаптации объекта (Новое следствие):

§ Стабильная, без изменения морфоструктуры объекта.

§ Структурная - меняется морфоструктура объекта.

§ Катастрофическая - объект распадается на элементы.

2.1 Методика адаптивного анализа: использование теории адаптации для исследования неживых объектов

Методологические понятия:

1. Фазовое пространство объекта - это n-мерное пространство, где n - число параметров, характеризующих объект. (Общеизвестное понятие).

2. Состояние объекта (элемента) - его координаты в фазовом пространстве. (Общеизвестное понятие).

3. В идентичных условиях среды возникает множество объектов одного вида, но с разными значениями каждого параметра, поскольку отличались значения формирующих факторов. Данное множество образует кластер в фазовом пространстве своих параметров. (Общеизвестное понятие).

4. Граничная линия кластера соответствует предельной функции, описывающей предельные возможности того или иного объект формирующего процесса в конкретных условиях. Кластер ограничен несколькими граничными линиями, соответствующими нескольким объект формирующим процессам. (Общеизвестное понятие).

5. Адаптивные параметры элемента (объекта)- это такие его параметры, которые реагируют на воздействие потоков среды и приводят к существенным адаптивным изменениям состояния элемента (объекта). (Новое понятие).

6. Адаптивное поведение элемента (объекта) - это существенное изменения его состояния в результате взаимодействия с потоками. (Новое понятие).

2.2 Адаптивный анализ объекта

1. Выявить внешние факторы адаптации, т.е. действующие на объект потоки вещества, энергии и информации.

2. Выявить внутренние факторы адаптации, т.е. адаптивные параметры объекта или его элементов.

3. Выяснить адаптивное поведение объекта в ходе воздействия внешних факторов адаптации.

4. Выявить те существенные изменения в морфоструктуре объекта, которые произошли в результате адаптивного поведения объекта.

Автор применил разработанную им теорию адаптации объектов неживой природы и методику адаптивного анализа для изучения процессов минерагенеза, рудогенеза и дифференциации вещества мантии и литосферы. Полученные им результаты [1,2] приведены в следующей главе.

3. Процесс минерагенеза

3.1 Минерагенез как функция адаптации химического элемента к температуре внешней среды

Явление адаптации химических элементов к факторам внешней среды посредством своих атомных параметров установлено автором (Ш.В.Гумиров, 1993, 2004). Адаптация химического элемента в литосфере, к факторам внешней среды, включает в себя:

· вхождение или выход из объема минерала данного химического элемента посредством его твердофазной диффузии;

· создание или разрыв межатомных связей в кристаллической решетке данным химическим элементом.

Химические элементы в литосфере адаптируются к факторам внешней среды посредством атомных параметров:

· к температуре массива - посредством температуры Дебая (), или, другими словами Дебаевской частоты колебания атома;

· к давлению в массиве - посредством расстояния до инертного газа (е) (термин автора);

· к геохимической обстановке - посредством адаптивности (А) (термин автора).

3.2 Термины

Дебаевская температура химического элемента. Функция Дебаевской температуры соответствует предельной температуре среды, при превышении которой рвутся межатомные связи, например, в кристаллической решетке минерала.

Причина разрыва в росте амплитуды всех мод колебаний в кристаллической решетке.

Расстояние до инертного газа (е): число электронов, получаемых или теряемых атомом при создании внешней электронной оболочки ближайшего инертного газа.

Адаптивность химического элемента (А). Равна ширине электрохимической области существования его соединений, т.е., это ширина электрохимического ареала соединений элемента:

А_i = E^o _{i (max)} - E_{i (min)} , вольт, (1)

где А_i - адаптивность i-го химического элемента;

E^o_{i (max)} , E^o_{i (min)} - соответственно наибульший и наименьший стандартные окислительно-восстановительные потенциалы образования соединений i-го химического элемента.

3.3 Минерагенез как функция адаптации химического элемента к давлению в массиве

Явление адаптации химических элементов, в процессе их минерагенеза, к давлению в массиве посредством атомного параметра расстояние до инертного газа, и к температуре массива (рис. 3) посредством температуры Дебая элемента установлено Ш.В. Гумировым [1, 2].

Существует связь между давлением в массиве в зоне минерагенеза и расстоянием до инертного газа для химического элемента (при рудогенезе), или для химических элементов минерала-индикатора (для метаморфических фаций).

Давление (P) для метаморфических фаций:

е = 2.2417 е ^{0.0638 Р}, R² = 0.82, (2)

где е - основание натурального логарифма;

е - расстояние до инертного газа, усредненное для атомов минерала - индикатора данной стадии метаморфизма по формуле

е = е_i / n;

где еi - расстояние до инертного газа для i-го катиона;

n - всего катионов в химической формуле минерала.

Подобная связь существует в зоне рудогенеза и для рудогенных элементов:

е= 3.0614 е ^0.3872Р, R² = 0.44 (3)

Явление адаптации химических элементов к температуре и к давлению в литосфере, в процессе их минерагенеза, в том числе путем вхождения в породообразующие минералы в качестве примесных элементов, подтверждается их распределением в литотипах пород.

Адаптацию химического элемента к температуре массива посредством атомного параметра температура Дебая, в процессе минерагенеза данного элемента, установил Ш.В. Гумиров [1] (рис. 1).

Увеличение, для специализированных примесных элементов, атомных параметров масса атома (М) и атомный радиус, в направлении снизу - вверх в литосфере, связано с более быстрой твердофазной диффузией, следовательно, с более быстрым выходом из минерала и более быстрой миграцией вверх тех примесных элементов, у которых больше атомная масса и атомный радиус [1]. Данный вывод подтверждается явлением роста скорости твердофазной диффузии по мере увеличения атомной массы (эффект массы атома) и атомного радиуса (эффект величины атома, Ш.В.Гумиров, 1993).



Рисунок 1 - Взаимосвязь между температурой Дебая химических элементов и температурой их минерагенеза. Теснота связи, по шкале Чеддока, высокая

3.4 Импульс атома в биохимии, в процессах твердофазной диффузии, миграции элементов в литосфере: эффект массы атома в твердофазной диффузии

Эффект массы атома заключается в более успешном перескоке диффундирующего в твердой фазе более массивного атома в потенциальную яму, ранее занятую элементом матрицы с меньшей массой - атомом, ионом или комплексом атомов.

В результате исследования твердофазной диффузии в моноэлементных матрицах установлены следующие причины увеличения скорости твердофазной диффузии химических элементов [Ш.В.Гумиров, 1993]:

1) рост их атомной массы (вероятность р = 0,81). Скорость диффузии увеличивается вследствие роста импульса диффундирующих атомов, следовательно, роста вероятности успешного выбивания ими из узла кристаллической решетки элемента матрицы. Данное явление названо «эффектом массы» атома;

2) уменьшение их электроотрицательности (р = 0,77). Приводит к снижению силы связи диффундирующих атомов с элементами матрицы;

3) частотный резонанс: быстрее диффундируют те химические элементы, у которых Дебаевская частота колебания такая же, как у элементов матрицы (р = 0,70ч0,82). Ускоряет энергетическую накачку диффундиру-ющего атома;

4) рост радиуса диффундирующих атомов или приближения к радиусу элемента матрицы (суммарная вероятность р = 0,92). Приводит к ускорению энергетической накачки диффундирующего атома;

5) увеличение числа электронов во внешней электронной оболочке диффундирующих элементов (р = 0,60). Ускоряет энергетическую накачку диффундирующего атома.

3.5 Минерагенез примесных элементов как функция твердофазной диффузии

Создание примесным химическим элементом межатомных связей в кристаллической решетке минерала - это, прежде всего, вхождение примесного элемента в потенциальную яму узла кристаллической решетки. Для этого необходимо выбить из потенциальной ямы атома-хозяина.

Установленный автором эффект массы атома, когда в твердофазном материале быстрее диффундируют более массивные примесные атомы, позволил выделить решающую роль импульса атома в твердофазной диффузии.

Это означает, что для успешного перескока примесного атома из одного узла кристаллической решетки минерала в другой, соседний узел, данный примесный атом должен обладать достаточным для этого импульсом [2, 3, 4]. Более быстрая твердофазная диффузия более массивных примесных атомов означает, что в каждой, бесконечно малой локальной области минерала, импульс примесного атома тем выше, чем больше его масса. А такое возможно лишь при условии, если кинетическая энергия у всех атомов, входящих в данную локальную область, одинакова.

А именно: каждая локальная область минерала получает одинаковую энергию тепловых колебаний, отсюда примем, что средние кинетические энергии всех атомов в локальной области приблизительно одинаковы:

; (4)

но если: m₂ m₁, то V₂ V₁ ,

причем:

(5)

Импульсы (Р) вычисляются по формуле:

и (6)

Следовательно:

, (7)

и более тяжелый атом с массой m2 имеет больший импульс.

Таким образом, эффект массы обусловлен тем, что c ростом массы атома возрастают его импульс, и, как следствие, вероятность его перескока в соседний кристаллический узел.

Твердофазная диффузия примесного атома в минерале складывается из множества его перескоков из одной потенциальной ямы кристаллической решетки в другую, соседнюю яму, и состоит из следующих этапов:

1. Вхождения диффундирующего атома в i-ю потенциальную яму с выбиванием из нее элемента-хозяина.

2. Выхода из i-й потенциальной ямы. Затем следуют либо перескок, либо возврат.

3. Перескок в соседнюю i+1 потенциальную яму.

4. Возврат в i-ю потенциальную яму.

Для реализации этапа вхождения атома, с выбиванием из нее элемента-хозяина, нужен достаточно большой импульс диффундирующего атома. Импульс прямо пропорционален его атомной массе и 11 его кинетической энергии, именно здесь проявляется эффект массы.

Вероятность реализации этапа выхода из потенциальной ямы (п.2) растет с увеличением импульса атома, следовательно, его массы, а также его радиуса и частоты его колебания. Частота колебания примесного атома увеличивается прямо пропорционально температуре среды, то есть частоте колебания элементов матрицы (минералообразующих химических элементов).

Если частота колебания элементов матрицы возрастают до Дебаевской частоты колебания рассматриваемого атома, то связи данного атома с элементами матрицы рвутся, и вероятность его выхода из потенциальной ямы приближается к единице.

Этап перескока в соседнюю яму (п.3) - это повторение этапа вхождения (п.1). Если он не реализуется, то следует этап возврата.

Из выше приведенного следует, что минерагенез является функцией, зависящей от твердофазной диффузии.

Например, метасоматические процессы могут происходить в твердой фазе. Если температура породного массива превысит функцию температуры Дебая (Дебаевской частоты колебания) j-го химического элемента, то его атом разорвет свои связи с соседними атомами минерала и диффундирует в твердой фазе из объема минерала. И, если его масса больше массы элемента матрицы (здесь - атома) минерала, или равна ей, то твердофазная диффузия будет происходить путем перескока из одного узла кристаллической решетки в другой.

Если масса j-го химического элемента меньше массы элемента матрицы минерала, то его твердофазная диффузия будет происходить по междоузлию и по дефектам кристаллической решетки минерала, ускоряясь при тектонических подвижках массива.

3.6 Влияние на минерагенез примесных элементов импульса примесного атома и элементов матрицы минерала

Выполненные автором исследования показали, что элементами матрицы минералов являются не только атомы, но и комплексы атомов. В частности, в монаците выявлены следующие виды матричных элементов: Si, Ca, PO₄, P₂O_5, Al₂O₃ и др. Каждый вид указанных элементов матрицы монацита способствует накоплению в нем того или иного примесного элемента.

4. Технология геолого-генетического анализа явления адаптации примесных элементов в процессе минерагенеза

Методология адаптивного анализа объектов неживой природы включает в себя:

· выделение объекта неживой природы,

· определение факторов внешней среды, к которым данный объект адаптируется,

· нахождение адаптивных параметров объекта, с помощью которых объект адаптируется к факторам внешней среды.

В случае анализа распределения примесных элементов в мине-ралах объектом нижнего уровня является атом химического элемента, а его основными адаптивными параметрами, как показано выше, являются температура Дебая и расстояние до инертного газа.

Посредством функций указанных атомных параметров химический элемент реагирует соответственно на воздействие температуры массива и давления в массиве.

Адаптация химического элемента включает в себя, помимо реагирования на температуру среды и на давление в массиве, возможность его перемещения путем твердофазной диффузии, которая обеспечивает уход атома химического элемента из неблагоприятной среды и последующий его минерагенез в благоприятной среде.

Технология геолого-генетического анализа явления адаптации химических элементов в процессе их минерагенеза включает в себя построение диаграмм и собственно анализ этих диаграмм.

При создании диаграмм используется таблица 1.

Таблица 1 Параметры и содержание химических элементов в монаците

Элемент	e+ -	е-	R, Е	M, а.е.м.	Сод. хим. элементов	Кларк	Сод/Кларк	Т, К
Mg	2		1,32	24,3	168,568	1,95	86,46	386,00
Al	3		1,26	27	11986,715	7,57	1583,45	432,00
Si	4		1,16	28	21365,133	25,8	828,106	645,00
Ca	2		1,47	40,1	8799,609	3,38	2603,43	220,00
Ti	4		1,36	47,9	150,136	0,41	366,19	430,00
V	5		1,34	50,9	8,946	0,014	639	339,00
Mn	7		1,19	54,9	12,575	0,085	147,94	450,00
Fe	8		1,16	55,8	1860,605	4,7	395,87	478,00
Co	9		1,11	58,9	1,146	0,0037	309,73	445,00
Ni		-8	1,1	58,7	15,050	0,015	1003,33	476,00
Rb	1		2,1	85,5	7,865	0,029	271,207	55,00
Sr	2		1,57	87,6	116,245	0,014	8303,214	129,00
Nb	5		1,47	92,9	38,380	0,0019	20200	257,00
Cd	10		1,69	157	0,514	0,00054	951,852	155
In		-5	1,42	115	0,017	0,000015	1133,33	109
Ba	2		1,61	137	21,186	0,026	814,85	96,00
La	3		1,8	139	277498,905	0,003	92499635	135,00
Ce	4		1,63	140	359807,018	0,0043	83676050,7	138,00
Pr					49777,530
Nd	6		1,74	144	196059,928	0,0022	89118149,09	138,00
Sm	8		1,72	150	40986,545	0,0006	68310908,33	148,00
Eu	9		1,68	152	846,999	0,00012	7058325	121,00
Gd	10		1,69	157	30416,083	0,00054	53326079,63	155,00
Tb	11		1,68	159	3163,719	0,00009	35152433,33	158
Dy	12		1,67	163	15046,570	0,0003	50155233,33	158,00
Ho	13		1,66	165	2152,412	0,00012	17936766,7	161
Er	14		1,7	167	4427,100	0,00028	15811071,43	163,00
Tm	15		1,64	169	411,584	0,000048	8574666,67	167
Yb	16		1,7	173	1800,704	0,0003	6002346,67	118,00
Lu	17		1,62	175	122,256	0,00005	2445120	166
Hf	4		1,52	178	222,554			178,00
Ta	5		1,46	181	1,428	0,0002	7140	216
Pb		-4	1,44	207	1399,269	0,0018	777371,67	105
Th	3		1,75	232	155888,832	0,00096	162384200	180,00
U	3		1,7	238	3252,664	0,00027	12046903,704	200,00

Примечание к таблице 1: (e+-) - расстояние до инертного газа, R - атомный радиус, M - атомная масса, Т - температура Дебая, Кларк - кларковое содержание химического элемента в земной коре.

4.1 Свойства монацита и монацитового концентрата

4.1.1 Химический состав

Монацит -- это минерал, представляющий собой безводную смесь ортофосфатов редкоземельных металлов и тория, отвечающий формуле (Ce, La, Nd,..., Th)PO₄.

В монаците обычно содержится от 3,5 до 10 % оксида тория (ThO₂) и 0,1-0,4% оксида урана (U₃O₈). Монацит с наиболее богатым содержанием по торию (28,2%) был найден на Цейлоне. Встречаются также практически бесториевые монациты, например, в Боливии.

Химический состав монацита не постоянный, а определяется его происхождением. Сумма редкоземельных оксидов в монаците составляет 55-74% (главным образом церий, лантан, неодим), в том числе иттрий и элементы иттриевой группы 1-3%, реже 4-8%, содержание оксида фосфора (P₂O₅) -- 18,4 -- 31,5%.

Впервые минерал монацит был открыт на Южном Урале в Ильменских горах (Челябинская область). В статье «О монаците, новом отличие ископаемого царства» в 1829 году Г. Брейтгаупт писал следующее: «Не будучи еще в состоянии точно определить сего ископаемое, объявляю об оном теперь единственно в том намерении, чтобы обратить на него внимание минералогов и преимущественно русских. Название основано мною на примечательном свойстве сего ископаемого, появляющегося как совершенно уединенное вещество, что отличает его от всех известных минералов».

Наиболее важным промышленным типом мировых месторождений монацита являются береговые монацитсодержащие россыпи. Минимальное промышленное содержание монацита в россыпях составляет около 1%. Монацитсодержащие пески обычно являются комплексными. Кроме монацита они содержат ильменит FeTiO₃, циркон ZrSiO₄ и рутил TiO₂. Из россыпей монацит часто добывают одновременно с получением ильменитовых, цирконовых и рутиловых концентратов.

Разработка монацитовых россыпных месторождений достаточно проста. Монацит содержащие пески обычно гидротранспортом подаются на обогатительные фабрики. На этих фабриках пески подвергают дезинтеграции на шлюзах, в скрубберах, барабанах или грохотах.

При этом в отвал выделяется крупная галька, не содержащая монацита, а остальная часть направляется на осадочные машины или винтовые сепараторы, из которых получается первичный концентрат монацита. Первичный концентрат подвергают затем одной или двухкратной переочистке на концентрационных столах. При этом получается черновой концентрат, содержащий до 60% монацита.

После сушки черновой концентрат разделяют по крупности на фракции: 0,9; 0,35; 0,28; 0,154 мм. Затем эти фракции доводят до необходимой кондиции на электромагнитных сепараторах. На первом этапе удаляют магнитные материалы (магнетит, ильменит и др.), оставшаяся немагнитная фракция, куда входит и монацит, направляется на электростатическую сепарацию.

Здесь производят отделение электропроводной фракции (рутил), монацит и циркон остаются в неэлектропроводной фракции. Эта фракция вновь направляется на магнитную сепарацию, но уже в сильном магнитном поле. В этом случае используются слабомагнитные свойства монацита и он остается в магнитной фракции, циркон уходит в немагнитную фракцию.

Полученный таким образом монацитовый концентрат (магнитная фракция в последней сепарации) упаковывали в бумажные крафт-мешки, затем в деревянные ящики, которые впоследствии были складированы на базе хранения под г. Красноуфимском. Всего там хранится около 800 различных партий монацитового концентрата, несколько различающихся по химическому составу. Ниже представлен усредненный состав концентрата, хранящегося в филиале ОГУ «УралМонацит» (в массовых %):

Таблица 2

Усредненный состав монацитового концентрата

Редкоземельн. оксиды Ln2O3	54,0	Оксид кремния SiO2	4,0	Оксид урана U3O8	0,2
Оксид фосфора P2O5	22,2	Оксид титана TiO2	2,2	Оксид лантана La2O3	21,8-25,0
Оксид тория ThO2	5,4	Оксид кальция CaO	1,4	Оксид церия Ce2O3	42,0-49,5
Оксид железа Fe2O3	3,6	Оксид магния MgO	1,2	Оксид празеодима Pr2O3	4,7-5,6
Оксид алю-миния Аl2О3	2,8	Оксид цирко ния ZrO2	3,0	Оксид неодима Nd2O3	19,4-21,0
Оксид самарияSm2O3	1,7-2,1	Оксид европия Eu2O3	0,02-0,1	Оксид эрбия Er2O3	0,08-0,26
Оксид европияEu2O3	0,02-0,1	Оксид гадолиния Gd2O3	0,15-1,4	Оксид тулия Tm2O3	0,05-0,09
Оксид гадолиния Gd2O3	0,15-1,4	Оксид тербия Tb2O3	0,05-0,65	Оксид иттербия Yb2O3	0,05-0,09
Оксид тербия Tb2O3	0,05-0,65	Оксид диспрозияDy2O3	0,05-0,32	Оксид лютеция Lu2O3	0,05-0,08
Оксид гольмия Ho2O3	0,05-0,1	Оксид иттрия Y2O3	1,2-1,14

4.1.2 Физические свойства

Радиоактивен, иногда сильно; радиоактивность монацита зависит от содержания Th, которое обычно повышено в высокотемпературном монаците из гранитов и пегматитов и значительно ниже в монаците из щелочных пород, гидротермальных месторождений и в аутигенном монаците из россыпей. Цвет жёлтый, жёлто-зелёный, коричневый, красно-бурый. Просвечивает в краях.

Цвет черты серовато-белый. Блеск от сильного стеклянного до жирного. Прозрачен или просвечивает в краях. Спайность непостоянна, от несовершенной до совершенной по (001) и средней по (100). Может наблюдаться отдельность, отмечаемая обычно по плоскостям срастания двойников.

Излом раковистый. Твёрдость 5 - 5,5. Плотность колеблется в зависимости от состава от 4,9 до 5,5г/см3. В УФ-лучах зелёный. С трудом растворяется в НСl. При нагревании становится серым. Почти не плавится.

4.1.3 Оптические свойства

В шлифах имеет высокие интерференционные окраски, высокий рельеф и иногда коричневатую или коричневато-зеленоватую окраску.

Нахождение: Первичный монацит встречается почти во всех кислых и щелочных магматических породах, накапливается в россыпях (тяжёлая фракция). Месторождения монацита связаны с гранитными пегматитами, реже - с гидротермальными карбонатными жилами в щелочных гранитах, сиенитах; встречается в карбонатитах, фенитах, альбититах, изредка - в альпийских жилах.

Толстотаблитчатые, реже призматические мелкие кристаллы, вкрапленные в породу (гранит, сиенит, диорит, гнейс); иногда монацит образует крупные, весом до нескольких килограммов кристаллы в пегматитах. Минерал обычно встречается в виде обособлнных индивидов или их сростков.

Встречается в парагенетической ассоциации с полевым шпатом, цирконом, иногда с ильменитом, магнетитом, апатитом и др. Добывается в основном из речных и морских россыпей (например, в Индии, Шри-Ланка, Бразилии), куда он попадает при размыве содержащих его гранитов и гнейсов, где он иногда находится в качестве характерного акцессорного минерала.

Главный промышленный тип месторождений монацита за рубежом - современные прибрежно-морские россыпи, тянущиеся на сотни километров вдоль берегов Индийского, Атлантического и Тихого океанов; древние погребённые россыпи, например, месторождения Болд и Биг-Хорн (шт. Вайоминг, США) и Палмер, (шт. Мичиган, США) и гидротермальные грейзеновые месторождения (Фанрейнсдорп, ЮАР).

4.1.4 Практическое значение

Монацит -- не только источник ценных редкоземельных элементов. Благодаря высокому содержанию тория, он является одним из самых востребованных минералов в атомной энергетике.

Торий считается более перспективным ядерным топливом, чем менее распространенный в земной коре уран.

Помимо этого он находит широкое применение в производстве электронных ламп. Его окись присутствует в вольфрамовых нитях обычных электрических ламп накаливания.

Хотя прозрачные разности монацита вполне пригодны для ювелирной обработки, в украшениях этот минерал практически не используют из-за возможной радиоактивности. Иногда из желтых и коричневых кристаллов для коллекций гранят камни до 5 карат.

В обработанном виде монацит похож на циркон, клиногумит, хондродит, а также на близкие по окраске гранаты -- спессартин и гроссуляр.

4.1.5 Валентность

Валентность - способность атомов образовывать химические связи. Валентность можно рассматривать, как способность атома отдавать или присоединять определенное число электронов. Валентность положительна, если атом отдает электроны, и отрицательна, если атом их присоединяет.

Полная картина строения молекул разных классов и химических связей в них крайне сложна и многообразна, поэтому единого и всеобъемлющего определения валентности нет.

Однако в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться рассмотрением двух типов валентности - ковалентности и ионной валентности (последнюю называют также электровалентностью или гетеровалентностью).

Ковалентность равна сумме кратностей ковалентных связей, образованных данным атомом, т. е. связей, возникающих за счет обобществления пар электронов (в случае одинарной связи это одна пара, в случае двойной связи - две пары и т. п.).

Ионная валентность определяется числом электронов, которое данный атом отдал или получил при образовании ионной связи.

В некоторых случаях под валентностью понимают координационное число, равное числу атомов, находящихся в непосредственной близости с данным атомом в молекуле, комплексном соединении или кристалле.

Валентность атома связана с его электронной структурой, а следовательно, и с его положением в периодической системе элементов, так как, отдавая или присоединяя электроны, атом стремится иметь заполненную, наиболее устойчивую внешнюю электронную оболочку.

Так, максимальная валентность атома С, имеющего во внешней (валентной) оболочке 4 электрона, равна 4, поэтому, например, в молекуле метана (CH4) он связан ковалентными связями с 4 атомами водорода, его ковалентность равна 4.

Атом Na отдает единственный внешний электрон (валентность Na +1) атому F, имеющему во внешней оболочке 7 электронов (валентность F -1), в результате чего образуется молекула NaF.

Таким образом, можно заключить, что атомы щелочных металлов имеют валентность +1, атомы щелочноземельных элементов - валентность +2, атомы галогенов - валентность -1, атом N, имеющий на внешней оболочке 5 электронов, должен быть трехвалентным, а атом O, имеющий 6 внешних электронов, - двухвалентным.

Валентность не является специфической характеристикой элемента: можно говорить лишь о склонности элемента проявлять в различных химических соединениях ту или иную валентность.

С понятием валентности тесно связано понятие валентного состояния атома, т.е. такого гипотетического состояния, в котором атом находится в молекуле.

Это состояние определяется типом и числом занятых и вакантных валентных атомных орбиталей (т. е. таких, которые соответствуют внешним электронным оболочкам), числом электронов, заселяющих каждую атомную орбиталь, и относительной ориентацией спинов электронов.

4.1.6 Электроотрицательность

Еще одно важное свойство химических элементов - их электроотрицательность (ЭО), которая есть относительная мера способности атома удерживать свои электроны и принимать в свою валентную оболочку чужие (то есть электроны партнеров по химической связи).

Если ЭО атомов, участвующих в образовании связи, равны или близки друг к другу, то такие связи образуются без сколько-нибудь существенного переноса электронов от одного атома к другому и называются ковалентными.

Таблица 3

Электроотрицательность химических элементов

Элемент	ЭО	Элемент	ЭО	Элемент	ЭО	Элемент	ЭО
H	2,1	Ti	1,5	Nb	1,6	Tb	1,3
Li	0,9	V	1,6	Mo	1,45	Dy	1,3
Be	1,8	Cr	1,6	Pd	1,35	Ho	1,3
B	2,01	Mn	1,95	Ag	1,9	Er	1,3
C	2,5	Fe	1,8	Cd	1,7	Tm	1,3
N	3	Ni	1,8	In	1,7	Yb	1,3
O	3,5	Co	1,7	Sn	1,3	Lu	1,3
F	4	Cu	1,9	Sb	1,9	Hf	1,3
Na	0,9	Zn	1,6	I	2,6	Ta	1,5
Mg	1,2	Ga	1,6	Te	2,1	W	1,8
Al	1,5	Ge	2	Cs	0,7	Re	2
Si	1,9	As	2	Ba	0,9	Pt	1,44
P	2,1	Se	2,4	La	1,2	Au	2,4
S	2,6	Br	2,9	Ce	1,2	Hg	1,44
Cl	3	Rb	0,8	Nd	1,3	Tl	1,8
K	0,8	Sr	1	Sm	1,3	Pb	1,9
Ca	1	Y	1,2	Eu	1,3	Bi	1,9
Sc	1,2	Zr	1,4	Gd	1,3	Th	1,15
U	1,15

Между элементами с сильно различающимися значениями ЭО образуются ионные связи для которых характерен перенос электронов от атома с меньшей ЭО к атому с большей ЭО, в результате чего атомы приобретают электрические заряды.

Между этими двумя крайними случаями существуют связи промежуточного, ионно-ковалентного (полярного) типа, которые можно охарактеризовать разными степенями ионности.

Электроотрицательность растет вдоль каждого периода слева направо и, как правило, уменьшается сверху вниз в каждой группе.

Это приводит к тому, что элементы с самой низкой электроотрицательностью (электроположительные элементы - типичные металлы) находятся внизу слева в Периодической системе, а элементы с наибольшей электроотрицательностью (типичные неметаллы) - наверху справа.

Адаптивный анализ минерагенеза примесных элементов выполнялся с помощью диаграмм:

1. Масса атома химического элемента - Содержание химического элемента.

2. Температура Дебая химического элемента - Содержание химического элемента.

3. Радиус атома химического элемента - Содержание химического элемента.

4. Расстояние до инертного газа химического элемента - Содержание химического элемента.

5. Масса атома химического элемента - Коэффициент концентрации

6. Температура Дебая химического элемента - Коэффициент концентрации

7. Радиус атома химического элемента - Коэффициент концентрации

8. Расстояние до инертного газа химического элемента - Коэффициент концентрации.

Рисунок 2 - Диаграмма «Масса атома химического элемента - Содержание химического элемента»

В монаците накапливались микропримесные элементы с атомной массой примерно равной массе матричных элементов (O₃, CaP₂O₅, CaP₂O₄, CaP₂O₂, PO₄, CaOP_, P₂O₅).



Рисунок 3 - Диаграмма «Масса атома химического элемента - Коэффициент концентрации»

Рисунок 4 - Диаграмма «Температура Дебая химического элемента - Содержание химического элемента».



Рисунок 5 - Диаграмма «Температура Дебая химического элемента - Коэффициент концентрации»

Рисунок 6 - Диаграмма «Радиус атома химического элемента - Коэффициент концентрации»

В условиях остывания минерала происходит потеря примесных элементов с температурой Дебая от 155 до 192^о. При этом энергетическую накачку обеспечивают атомы Н и О.

Рисунок 7 - Диаграмма «Радиус атома химического элемента - Содержание химического элемента»

Из диаграммы «Радиус атома химического элемента - Содержание химического элемента» следует, что повышенное содержание у атомов, имеющих тот же радиус, что и матричный элемент. Атомы с большим радиусом диффундируют из минерала. Атомы меньшего радиуса, чем матричный элемент, не задерживаются в минерале (рис. 7).

Из диаграммы «Расстояние до инертного газа химического элемента - Содержание химического элемента» можно сделать вывод о том, что наибольшей способностью удерживать примесные элементы обладают Fe, Ca, Si, Al (рис. 8).



Рисунок 8 - Диаграмма «Расстояние до инертного газа химического элемента - Содержание химического элемента»

Рисунок 9 - Диаграмма «Расстояние до инертного газа химического элемента - Коэффициент концентрации»

4.2 Матричные элементы монацита, установленные в ходе адаптивного анализа

В результате адаптивного анализа установлено 19 матричных элементов в монаците. Это следующие атомы и комплексы атомов: водород (Н), кислород (О; О₃), железо (Fe), магний (Mg), кремний (Si), кальций (Ca),фосфор (P), алюминий (Al), гидроксильная группа (OH^-), вода (Н₂О), CaP₂O₅, CaP₂O₄, CaP₂O₂, SiO, PO₄, CaOP_, P₂O_5, Al₂O₃ (табл. 4) .

Указанные матричные элементы проявляются при их взаимодействии с примесными химическими элементами.

Таблица 4

Матричные элементы монаците

Матричные элементы	Диаграммы
	Q-Сод	Q-Kk	M-Сод	M-Kk	e-Сод	e-Kk	A-Сод	A-Kk
CaP2O5			+	+
CaP2O4			+	+
CaP2O2			+	+
SiO							+	+
PO 4			+	+
CaOP			+	+
O3			+	+
Fe					+	+	+	+
P2O5			+	+
P	+	+		+
Ca	+	+			+	+	+	+
Si	+	+			+	+	+	+
Mg							+	+
H2O	+	+
OH	+	+
O					+	+	+	+
H	+	+
Al2O3		+
Al	+	+

Заключение

Для выполнения курсового проекта использовался математический аппарат и компьютерные технологии для моделирования распределения редкоземельных и других примесных элементов в минералах и в горных породах.

Применение методологии адаптивного анализа объектов неживой природы, разработанной Гумировым Ш.В. [5], к результатам моделирования позволило провести геолого-генетическую интерпретацию математических моделей формирования примесного состава минералов и горных пород.

Еще я научилась выяснять, с помощью компьютерных технологий и математического аппарата, причины накопления указанных химических элементов в виде примесей в минералах-концентраторах. Это умение позволит мне в будущем открывать нетрадиционные виды сырья, востребованного для инновационного развития.

Список использованной литературы

1. Гумиров Ш.В. Основы теории адаптации неживых объектов и адаптивный анализ в геологии. / Ш.В. Гумиров - Новокузнецк, СМИ, 1993. - 409 с.

2. Гумиров Ш.В. Теория адаптации объектов неживой природы и адаптивный анализ в геологии. / Ш.В. Гумиров // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Матер. Междунар. научно-практ. конф. Сб. науч. ст. Новокузнецк 2004 г.

3. Математический анализ распределения редкоземельных элементов. Часть 2: Метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост. Ш.В. Гумиров. Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2014.- 33 с.

4. Глебовицкий В.А. Проблемы эволюции метаморфических процессов в подвижных поясах. М., Л.. 1973. 127 с.

5. Сайт по теории адаптации объектов неживой природы (Гумиров Ш.В.) https://inanimateadaptation.files.wordpress.com/

Размещено на Allbest.ru