Лабораторные методы
Исследования
Полезных ископаемых
Методические указания по курсовому проектированию
для студентов специальности:130301 «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»
Санкт-Петербург
УДК 553.2+553.4 (075.83)
Лабораторные методы исследования полезных ископаемых: Методические указания по курсовому проектированию/ Санкт-Петербургский Государственный горный институт (технический университет). Сост. Д.В. Никитин, А.В. Козлов, Н.И. Воронцова. СПб, 2009. 18 с.
Изложены цели и задачи, которые ставятся перед студентами при выполнении курсовой работы, а также описаны лабораторные методы, используемые при выполнении работы, последовательность и форма изложения полученных результатов. Приведен список литературы, рекомендуемой при подготовке курсового проекта. Методические указания предназначены для студентов специальности: 130301 «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»
Табл.: 2. Библиогр.: 14 названий
Научный редактор проф. А.В. Козлов
ВВЕДЕНИЕ
Курсовая работа выполняется студентами специальности 130301 «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» в восьмом семестрепосле освоения дисциплины «Лабораторные методы изучения полезных ископаемых». Предполагается, что к этому времени студенты уже знакомы с базовыми геологическими дисциплинами и лабораторными методами исследования минералов, горных пород и руд. Следует отметить, что в процессе исследовательской работы основное внимание уделяется применению метода микроскопического изучения руд в отраженном свете, который позволяет реализовать оперативную диагностику рудных минералов и структурно-текстурный анализ руд. Этот метод важен и для предварительной подготовки образцов для локального микрозондового анализа. Для отдельных образцов возможно использование точных методов минералогических исследований с целью обоснования достоверности диагностики рудных минералов.
Цель курсовой работы – освоение и закрепление методических приемов в исследовательской работе, направленной на изучение особенностей минерального состава, структур и текстур руд месторождений твердых полезных ископаемых. По результатам работы студенты должны продемонстрировать владение методами лабораторных исследований, способность самостоятельно выполнять квалифицированное описание руд и давать генетическую интерпретацию выявленных структурно-текстурных и вещественных особенностей, умение выбирать оптимальный комплекс методов для успешного и эффективного решения поставленных задач.
Исходные данные для выполнения курсовой работы
Задание на выполнение курсовой работы выдается руководителем работы – преподавателем кафедры ГРМПИ. Типовое задание включает название темы и материалы для исследования (коллекция образцов). Желательно, чтобы в качестве объекта исследования в работе использовались образцы, собранные студентом во время производственной практики. Это может быть коллекция руд, отобранных по разведочным пересечениям на месторождении или рудопроявлении, включающая, как минимум, 10-15 аншлифов. Отбор образцов для курсовой работы следует выполнять так, чтобы в коллекцию попали различные (желательно все) природные типы руд, выявленные по макроскопическим признакам. Кроме коллекции образцов руд необходимы данные об особенностях геологического строения месторождения или рудопроявления.
В случае отсутствия у студентов качественных собственных материалов им выдается коллекция образцов руд месторождения, являющегося типичным представителем определенного промышленного типа, а данные о геологическом строении месторождений данного типа студенты собирают самостоятельно из опубликованных материалов. При этом желательно использовать наиболее современные работы, в которых приводится всесторонняя характеристика геологического строения и генетических особенностей месторождения.
Структура курсовой работы
Курсовая работа представляет собой текстовое описание исследованных препаратов, иллюстрированное фотографиями и зарисовками. Текстовая часть содержит следующие обязательные разделы:
- титульный лист;
- задание на курсовую работу;
- аннотация на русском и иностранном (английском, французском или немецком) языках;
- оглавление;
- введение;
- характеристика особенностей геологического строения месторождения;
- описание аншлифов с иллюстрациями;
- интерпретация особенностей минерального состава, структур и текстур руд;
- заключение;
- библиографический список.
Содержание основных разделов текстовой части
3.1. В разделе «Введение» формулируются цель, задачи курсовой работы, указываются методы исследований, которые используются при ее выполнении, приводится описание материалов, на основе которых она выполняется. Необходимо отметить те материалы, которые были собраны студентом в процессе производственной практики. Объем раздела: 2-3 страницы.
3.2. В разделе «Характеристика особенностей геологического строения месторождения (рудопроявления)» независимо от источника материала должно быть освещено следующее:
- геологическая позиция месторождения в региональных структурах;
- структура объекта, особенности проявления складчатой и разрывной тектоники в его пределах;
- морфологические особенности и характер залегания рудных тел, закономерности их пространственного размещения. При этом необходимо обратить особое внимание на изменчивость морфологических параметров рудных тел, характеристику внутреннего строения, их пространственно-временные взаимоотношения между собой и с другими геологическими телами;
- минеральный и химический состав руд;
- структурно-текстурные характеристики руд;
- генетические особенности оруденения.
Объем данного раздела: 3-4 страницы.
3.3. Раздел «Описание аншлифов» в курсовой работе является одним из главных. В нем излагаются результаты исследовательской работы студента: приводится качественное описание аншлифов, на базе которого построены теоретические и практические выводы автора работы. Раздел базируется на данных по диагностике минералов, изучении морфологических особенностей их зерен, количественных соотношений различных минералов и их пространственно-временных взаимоотношениях в аншлифе.
Диагностику рудных минералов желательно реализовать с использованием методических приемов, освоенных на лабораторных занятиях по дисциплине «Лабораторные методы изучения полезных ископаемых». Существенную помощь в этой работе может оказать использование эталонной коллекции рудных минералов, имеющейся в лаборатории минераграфии кафедры ГРМПИ.
Для подтверждения достоверности диагностики минерала возможно использование точных методов минералогических исследований (снятие спектральных кривых отражения, количественное определение химического состава минералов с использованием микрозонда и и др.)
Данные по диагностике минералов целесообразно представлять в виде таблицы по следующей форме:
Таблица 1
Свойства минералов
| № п/п | Отражение R или Rg-Rp, % | Двуотраже-ние ΔR отн.,% | Анизотропия | Цвет | Результаты диагности-ческого-травления | Твердость по шкале Мооса | Внутренние рефлексы | Форма кристаллов, зерен, агрегатов | Название минерала |
Далее следует детальное описание каждого из выявленных в рудной ассоциации минералов, включающее следующие характеристики:
относительное количество минерала (от объема рудных минералов, в процентах);
особенности распределения минерала в руде (равномерное; неравномерное; вкрапленное, характер вкрапленности; по микротрещинам; в виде включений в каком-либо минерале; нахождение в агрегате нерудных минералов и т.д.).
форма, размеры и внутреннее строение зерен (изучая морфологические особенности зерен минерала, следует оценить степень идиоморфизма, а также облик зерен по совокупности форм сечений, зональность, секториальность, характер двойникового строения).
Размер зерен определяется с помощью линейного окуляра. Приступая к этому исследованию предварительно нужно определить цену деления линейного окуляра воспользовавшись объект-микрометром для объективов с разным увеличением. Зерна одного и того же минерала могут иметь различные размеры, поэтому для точной характеристики необходимо установить их минимальный, максимальный и средний размеры.
Важно детально охарактеризовать внутреннее строение зерен. Кроме однородного, возможно выявление зонального или секториального строения. Для некоторых минералов характерно наличие двойников – простых или полисинтетических. Следует выяснить и зафиксировать характер двойникового строения и, по возможности, дать их генетическую интерпретацию (двойники роста, превращения или давления). В ряде случаев может наблюдаться расщепление минеральных индивидов, в результате чего образуются микроагрегаты субпараллельной или радиально-лучистой текстуры.
Взаимоотношение зерен изучаемого минерала с сопутствующими рудными и нерудными минералами. Необходимо проанализировать пространственные и возрастные взаимоотношения минералов. Эти данные являются основополагающими для выделения стадий рудообразования.
Для примера проанализируем пространственно-временные взаимоотношения минералов в одном из аншлифов (Рис. 1).
Рис. 1. Пример взаимоотношения минералов разных этапов и стадий в аншлифе
В халькопирите широко распространены идиоморфные индивиды арсенопирита и пирита, которые образуют или компактные цепочки кристаллов или приурочены к контакту выделений халькопирита и сидерита. В арсенопирите и пирите часто встречаются неправильной формы реликты халькопирита. Цепочечное расположение зерен пирита и арсенопирита, их идиоморфизм, наличие реликтов вмещающего минерала, приуроченность к контактам зерен различных минералов – все это признаки их метасоматического образования. Наличие индукционных граней между индивидами арсенопирита и пирита однозначно свидетельствует об их совместном росте. Эти факты позволяют выделить халькопиритовую и пирит-арсенопиритовую стадии минерализации.
Отдельные зерна золота в аншлифе располагаются на контакте зерен пирита и арсенопирита с вмещающими минералами, что указывает на использование межзерновых границ для проникновения золотоносных растворов, а, следовательно, об образовании золота позднее всех перечисленных минералов.
Борнит и халькозин образуют последовательные оторочки вокруг выделений халькопирита (каемочная структура), что характерно для процессов замещения. Эти минералы возникают метасоматически по халькопириту, что подчеркивается постепенной диффузионной границей между ними и наличием заливов по трещинам в халькопирите. Образование этих минералов связано с формированием зоны вторичного сульфидного обогащения, что позволяет выделить гипергенный этап минералообразования. С этим этапом связано и образование гетита, который развивается по трещинам спайности в сидерите и по контактам сидерита с другими минералами. Данные наблюдения позволяют составить сводную схему минералообразования (таблица 2), в которой штриховыми линиями показано относительное время образования минералов.
Таблица 2
Схема последовательности образования минералов
| Минерал | Этапы минерализации | |||
| Гипогенный | Гипергенный | |||
| Стадии минерализации | ||||
| Жильная | Сульфидная | Золоторудная | ||
| Сидерит | --------- | |||
| Халькопирит | ------- | |||
| Арсенопирит | -------- | |||
| Пирит | -------- | |||
| Золото | --------------- | |||
| Борнит | ------ | |||
| Халькозин | ------- | |||
| Гетит | ------------- |
Структурно-текстурные особенности руды должны быть детально изучены в каждом аншлифе и грамотно описаны. Это сложная и трудоемкая задача, которая занимает значительно больше времени, чем диагностика и характеристика минералов. При определении типа структуры целесообразно использовать классификацию, предложенную А.Г. Бетехтиным [2,3].
Следует иметь в виду, что часто в аншлифах, наряду с обособленными индивидами рудных минералов, встречаются микроагрегаты, сложенные многочисленными зернами какого-либо рудного минерала, которые не индивидуализируются при просмотре под микроскопом. Если минерал анизотропный, можно легко выявить структуру, введя анализатор и вращая столик микроскопа. При этом сечения различных зерен, имеющие различную кристаллооптическую ориентировку, в поляризованном свете будут выглядеть по-разному. В этом случае можно однозначно определить форму, размер и внутреннее строение микрозерен, слагающих агрегат, и их взаимоотношения. Такими минералами, благодаря отчетливой анизотропии оптических свойств которых легко выявляется структура их агрегатов, являются, например, пирротин, арсенопирит, леллингит, антимонит, молибденит, саффлорит и др.
В случае если микроагрегат сложен зернами изотропного минерала, возникают определенные трудности для выявления отдельных зерен: при изготовлении аншлифов границы между ними заполировываются и становятся невидимыми при любом увеличении, как без анализатора, так и при введенном анализаторе. Чтобы выявить структуру таких микроагрегатов следует применить метод структурного травления. Реактив для реализации структурного травления выбирается в зависимости от химических свойств минерал, слагающего микроагрегат. Это может быть азотная кислота, «царская водка», соляная кислота, хлорное железо и др. С методикой структурного травления можно детально ознакомиться в учебном пособии [14].
Известно, что для руд, особенно месторождений гидротермального генезиса, характерно чрезвычайное разнообразие и изменчивость структурно-текстурных параметров. В связи с этим, даже в одном аншлифе в ряде случаев можно наблюдать разные типы структур. Поэтому при выполнении структурно-текстурного анализа необходимо исследовать всю поверхность аншлифа.
Не следует стремиться охарактеризовать структуру или текстуру одним термином, особенно включающим генетический аспект, мета зернистая, кристалло бластовая, замещения и др. Необходимо помнить, что текстура и структура – понятия чисто геометрические. Структура – это особенности минерального агрегата, обусловленные формой, размером и способом сочетания слагающих его минеральных индивидов. Текстура – это особенности минерального тела, обусловленные формой, размером и способом сочетания слагающих его минеральных агрегатов. Важнее максимально точно охарактеризовать морфологические особенности руд: форму, размеры и способы сочетания минеральных индивидов и агрегатов, а потом дать обоснованную генетическую интерпретацию выявленных структурно-текстурных особенностей. Поскольку многие часто достаточно сложные морфологические особенности словесно охарактеризовать трудно, полезно широко использовать зарисовки или фотографии для адекватной передачи наблюдаемых морфологических характеристик.
Объем данного раздела:12-15 стр.
3.4. Раздел «Сводная характеристика руд, выводы об их генетических особенностях и стадийности минералообразования»
В данном разделе обобщается информация, полученная при изучении отдельных аншлифов. В первую очередь выделяют природные типы руд. Нередко все образцы изучаемой коллекции принадлежат одному природному типу. Но часто оказывается возможным по различиям в минеральном составе или по структурным или текстурным особенностям выделить несколько природных типов. В обоих случаях необходимо привести обоснование выделения природных типов с помощью фактических данных, как микроскопических исследований, так и макроскопического описания образцов.
В сводной характеристике каждого из природных типов руд необходимо привести следующие данные:
· сведения о минеральном составе природного типа руды;
· обобщенная характеристика каждого из выявленных в данном типе руд минерала: данные о количестве и особенностях распределения минерала в руде, желательно с оценкой степени изменчивости этих параметров; обобщенное описание морфологических особенностей зерен (размер, степень идиоморфизма, внутреннее строение и т.п.);
· описание взаимоотношений минералов в руде: способы сочетания зерен рудных минералов, которые в рудах эндогенных месторождениях весьма разнообразны и оцениваются также по частоте встречаемости.
Например:
- зерна, имея округлые или угловатые очертания, непосредственно примыкают друг к другу;
- зерна одного минерала наблюдаются в виде включений в другом без какой-либо закономерной связи между вмещающим зерном и включениями, причем последние оптически различно ориентированы;
- минеральные индивиды тесно срастаются между собой;
- зерна одного минерала окружаются каймами другого и т.д.
Эти описания используются при подготовке выводов о временных взаимоотношениях минералов, но нужно проанализировать и другие признаки.
В частности, о близодновременном образовании может свидетельствовать следующие данные:
· минералы отвечают парагенезису, устойчивому при близких термодинамических параметрах рудообразующей системы;
· границы между зернами минералов ровные, плавные, без следов коррозии и замещения;
· минералы образуют структуру распада твердого раствора;
· наличие индукционных граней между минеральными индивидами;
· расположение зерен одного минерала по зонам роста, двойниковым швам, границам пирамид нарастания граней другого и т.п.
Признаками разновременного образования являются, например, следующие:
· следы коррозии, цементации, залечивания трещин в зернах более раннего минерала;
· наличие петельчатых, прожилковых, брекчиевых текстур;
· развитие позднего минерала по трещинам в катаклазированных зернах ранее образованного минерала;
· замещение зерен раннего минерала с периферии, по трещинам или, напротив, из центра, более поздним минералом;
· наличие футляровидных метакристаллов позднего минерала с реликтами ранее образованных минералов;
· минералы представляют собой соединения, образующиеся в принципиально различных физико-химических условиях.
Следует отметить, что такой признак, как степень идиоморфизма зерен, уверенно используемый в качестве индикатора определения последовательности кристаллизации минералов магматических горных пород (ряд Розенбуша), далеко не всегда возможно применять для руд эндогенных месторождений. Например, при проявлении процессов метасоматоза и перекристаллизации руд гидротермальных или метаморфогенных месторождениях, метакристаллы поздних минералов могут характеризоваться более высокой степенью идиоморфизма по сравнению с ранее образованными.
Выводы о генетических особенностях руды и стадийности минералообразования. В данном подразделе необходимо дать обоснования о принадлежности руд месторождения к тому или иному генетическому типу, проанализировать особенности эволюции рудообразующей системы (особенно для руд месторождений гидротермального класса). Признаки, которые можно использовать для этого весьма разнообразны. Они изложены в работах А.Г. Бетехтина, Д.С. Коржинского, А.И. Гинзбурга, В.И. Смирнова, В.Д. Никитина, Д.В. Рундквиста, И.Н. Кигая и многих других исследователей. Расшифровка особенностей эволюции рудообразующей системы весьма сложная задача, которая далеко не всегда решается однозначно. В то же время ряд вопросов вполне поддаются расшифровке. В частности:
1. Температурный режим. Относительно надежные данные о температуре рудообразования можно экспериментально получить используя методы термобарохимии, разработанные Н.П. Ермаковым и его последователями – А. Захарченко, А. Пизнюром, В. Калюжным, Ю. Дорошенко и др. Для этого изучаются газово-жидкие включения в прозрачных жильных минералах, входящие в состав рудного парагенезиса. Определив температуру гомогенизации двухфазных или трехфазных первичных включений можно с довольно высокой степенью точности дать количественную оценку температуры рудообразования.
Для оценки температуры образования минерала часто используются данные о температуре его плавления, установленные экспериментально. Обычно такой подход используют при изучении руд магматических месторождений. Но эти данные часто не соответствуют температурам кристаллизации минерала в природных условиях, т.к. невозможно воссоздать все параметры естественной среды существующие в момент образования той или иной ассоциации. Лишь для некоторых минералов точки плавления или перехода в другие полиморфные модификации установлены достаточно точно.
В любом случае, необходимо детально изучить данные об образовании минерала в тех или иных условиях. И оценить возможность существования этих условий при образовании изучаемых руд.
Иногда можно найти признаки изменения температуры в процессе рудообразования. Известно, например, что понижение температуры гидротермальной системы приводит к электролитической диссоциации растворенных газов (H2S, CO2 и др.), увеличивающейся по мере охлаждения рудообразующих растворов. Появляются ионы S2-, CO3-, что приводит к возникновению сульфидов и карбонатов. Поэтому смена силикатной, либо оксидной ассоциации на сульфидную и карбонатную, как правило, протекает на фоне понижения температуры.
Зональное строение минерала может свидетельствовать о том, что при его образовании температуры не были высокими, так как при высоких температурах достигается гомогенизация [13].
Показателем температурных условий образования могут быть точки распада твердых растворов различных минералов. По данным Шумской Н.И. [13], начальная кристаллизация происходила при температурах выше точки распада твердого раствора и все составляющие представляли собой гомогенное соединение, распавшееся при медленном понижении температуры.
По П.М. Татаринову [11], температуры распада, установленные экспериментально при давлении в 1 атм., принимаются как минимальные температуры кристаллизации минералов (таблица 3).
Таблица 3
Температуры распада твердых растворов некоторых минералов [14]
| Минералы, образующие структуру распада твердого раствора (их количественные соотношения) | Температура распада, оС | По данным (автор, год) |
| Магнетит-ильменит (10:1) | 600-700 о | Рамдор, 1926 |
| Ильменит-гематит | 500-700 о | Рамдор, 1962 |
| Халькопирит- сфалерит | 550 о | Борхерт, 1934 |
| Халькопирит-тетраэдрит(10:1) | 500 о | Эдвардс. 1946 |
| Халькопирит-борнит | 475 о | Шварц, 1931 |
| 275 о | Филимонова, 1949 | |
| Халькопирит-кубанит | 450 о | Шварц, 1927 |
| Пирротин-пентландит (5:1) | 425-450 о | Ньюхауз, 1927 |
| Станнин-халькопирит (5:1) | 500 о | Альфельд, 1934 |
| Сфалерит-халькопирит (4:1) | 350-400 о | Бюргер, 1935 |
| Борнит-тетраэдрит | 275 о | Эдвардс, 1946 |
| Борнит-халькозин (2:1) | 225 о | Шварц, 1928 |
2. Концентрация рудообразующих растворов, степень пересыщения, переохлаждения, участие в рудообразовании коллоидных систем. В частности, захват включений растущим кристаллом происходит, как правило, при очень большой линейной скорости роста, поэтому обилие твердых и газово-жидких первичных включений может являться косвенным свидетельством высокой степени пресыщения, концентрации рудообразующих растворов. Образование скелетных форм свидетельствует об очень слабой степени концентрации, когда разрастаются вершины и ребра кристаллов.
При повышении кислотности происходит повышение активности кислотных компонентов и понижение активности оснований. При повышении щелочности происходят противоположные процессы. Поскольку повышение активности какого-либо компонента благоприятствует переходу его из раствора в твердую фазу, а понижение – в раствор, зная относительную кислотность или основность интересующих нас компонентов и порядок их отложения в руде можно определить динамику изменения кислотности рудообразующего раствора в период формирования рудной ассоциации.
Для оценки кислотности компонентов вполне возможно использование ряда «электроположительности» выведенного Д.С. Коржинским:
К – Na – Ba – Ca – Mg – Mn – Fe – Al – Fe – Ti – B – Si
В этом ряду слева направо убывает основность и возрастает кислотность компонентов. Кроме того, для оценки кислотности-щелочности рудообразующей системы можно использовать состав рудных метасоматитов, для которых значение этого физико-химического параметра достаточно хорошо изучено Д. Коржинским, Ю. Казициным, Е. Плющевым, др. К примеру, развитие фенитов, альбититов, эйситов реализуется в условиях щелочной среды, а развитие грейзенов, березитов, вторичных кварцитов – в кислой.
3. Оценка изменения окислительно-восстановительных условий. Об изменениях Eh свидетельствует изменение окислительного состояния элемента (изменение валентности) в составе выделенных минералов.
Например, такие переходы, как:
Fe2+ (пирит) → Fe3+ (гетит)
Mn2+ (алабандин) → Mn3+ (браунит) → Mn4+ (пиролюзит),
Mo4+ (молибденит) → Mo6+ (повеллит),
S2- (пирит) → S0 (самородная сера) → S6+ (ангидрит), свидетельствуют об увеличении Eh и возрастании роли кислорода в рудообразующей системе.
Об этом же может свидетельствовать смена парагенезисов сульфидных на окисные, например, последовательное замещение сульфидов меди (халькопирита, борнита, халькозина) окислами меди (купритом, теноритом).
После завершения исследования аншлифов по вышеприведенной схеме, проводится анализ стадийности минералообразования. При этом учитывается следующее:
· Стадия рудообразования – это период от начала поступления рудообразующих растворов до завершения процесса минералообразования с их участием.
· Каждой стадии рудообразования соответствует определенный парагенезис минералов, для которого характерна общность физико-химических параметров рудообразующей системы в определенный временной интервал.
· Каждая стадия рудообразования продолжается в течение значительного периода времени. Следующая стадия начинается, как правило, со значительным отрывом во времени от предыдущей, причем в межстадийный промежуток времени всегда проявляются тектонические подвижки, в ходе которых подновляются ранее залеченные системы трещин, служащие подводящими каналами для новых порций рудообразующих растворов.
· В связи с эволюцией рудообразующей системы, изменениями температуры, кислотности-щелочности, окислительно-восстановительного потенциала и других физико-химических параметров, парагенезис последующей стадии существенно отличается от парагенезиса предыдущей. Наложение их в пространстве приводит к образованию минеральных ассоциаций.
· Дробление зерен одного минерала и развитие по трещинам дробления более позднего минерала не является свидетельством принадлежности их к разным стадиям рудообразования. Это явление может быть связано и с проявлением внутрирудной (внутристадийной) тектоники.
· Кроме стадий, можно выделять более крупные периоды рудогенеза – этапы минерализации. Например, во многих эндогенных месторождениях, рудные тела которых выходят на поверхность, можно выделить гипогенный и гипергенный этапы. В гипогенный этап на определенный глубине благодаря действия эндогенных рудообразующих процессов формируются рудные тела, которые после выхода на поверхность подвергаются процессам выветривания, в связи с которыми образуются гипергенные рудные минералы.
3.5. В разделе «Заключение» приводятся краткие выводы о работе, обобщается информация о проделанных исследованиях и полученных результатах.