Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ

Изобретение относится к области геологии, разработки и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на различных этапах поисковых и геолого-разведочных работ, требующих определения глинистых минералов, таких как каолинит, диккит, монтмориллонит, пекораит, накрит и др.

Глинистые минералы широко распространены в продуктах выветривания горных пород и рудных месторождений. Они слагают рыхлые или плотные агрегаты, содержащие обычно не один, а несколько глинистых минералов, и нередко минералы других классов соединений. Определение минерального состава таких полиминеральных тонкозернистых образований обычными методами с выделением монофракций каждого минерала весьма затруднительно. Однако это всегда необходимо как при решении генетических вопросов, так и сугубо практических. Глинистые минералы в зависимости от структуры, определяющей их видовую принадлежность, имеют достаточно различные технические характеристики, например, разную адсорбционную способность. В зависимости от этого их потребителями становятся разные отрасли. Для одних это производство керамики, для других - нефтяная промышленность и т.д. Некоторые глинистые минералы могут выступать даже в качестве рудных. Поэтому для оценки практической значимости глинистых образований необходим анализ их минерального состава. Кроме того, присутствие глинистых минералов в составе руд цветных металлов может заметно ухудшать их технологические свойства. Учитывая визуальное сходство глинистых минералов с минералами других классов, соединений с другими свойствами, минералогический анализ глинистых образований и в этом случае становится актуальным. Известен минералогический способ определения глинистых минералов с помощью рентгеноструктурного анализа, заключающийся в том, что для исследуемых проб снимают рентгенограммы, после расшифровки которых с использованием диагностических таблиц определяют минералы, входящие в состав данной пробы (Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов/М. Гос. Научно-техническое изд-во литературы по геологии и охране недр.- 1957- С. 375-376). Недостатком способа является тот факт, что для определения глинистых минералов требуется специальная длительная пробоподготовка, заключающаяся в длительном отмучивании пробы, прокаливании и последующей съемке с глицерином.

Известен также термический способ определения глинистых минералов, заключающийся в изучении превращений, происходящих в условиях нагревания в минералах при различных физических и химических процессах по сопровождающим их тепловым эффектам. Физические процессы связаны с изменением структуры или агрегатного состояния вещества без изменения его химического состава. Химические процессы приводят к изменению химического состава вещества. К таковым относятся дегидратация, диссоциация, окисление, реакция обмена и др. Каждому превращению, протекающему в образце, соответствует свой термический эффект. Совокупность всех термических эффектов при соответствующих температурах является индивидуальной характеристикой данного минерала, которая отражает особенности всех происходящих в нем превращений. Недостатком данного метода является сложность учета всех факторов, влияющих на результат анализа, таких как скорость нагревания, величина навески, степень дисперсии и плотности набивки образца в тигле, чувствительность в цепи дифференциальной термопары, свойства эталона, атмосфера печного пространства и др. Без стандартизации вышеперечисленных факторов можно получить неправильное представление о степени совершенства структуры, кристалличности, изоморфных превращений в минералах (Топор Н.Д., Огородова Л.П., Мельчакова Л.В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. - М.: Изд-во МГУ, 1987. - 190 с.). Известен люминесцентный анализ минералов, заключающийся в том, что в минералах возбуждают люминесценцию, получают спектры излучения в оптическом диапазоне длин волн и по спектральным характеристикам люминесценции производят диагностику минерала (Б.С.Горобец, А.А. Рогожин. Спектры люминесценции минералов. Москва. 2001. С.67, 95). Положительным в известном способе является то, что авторами дан наиболее полный справочник по люминесценции минералов. Недостаток заключается в полном отсутствии сведений о люминесцентной диагностике глинистых минералов.

Известен способ определения состава минералов и дальнейшего их сравнения по химическому составу с помощью электронно-зондового микроанализа, выполняемого на электронном микроскопе, который позволяет определять химический состав материала в отдельных точках. Недостатком известного метода является сложность пробоподготовки (изготовление специальных шашек из исследуемого материала, длительность такого изготовления), анализ только отдельных точек в исследуемом материале и получение информации лишь о химическом составе при отсутствии сведений о структуре минерала, что не позволяет однозначно определить его минеральный вид.

Известен рентгенофлюоресцентный анализ образцов (РФА), который позволяет проводить точный анализ химического состава материала образца. В рентгенофлюоресцентном анализе пробу подвергают действию первичного рентгеновского излучения трубки. Вещество бомбардируется пучком заряженных частиц - фотонов высокой энергии. При этом регистрируется вторичное рентгеновское излучение и по нему определяется состав образца. Недостатком данного метода является трудоемкая и длительная пробоподготовка (изготовление таблеток), большое количество исследуемого материала (порядка 100 мг) и также отсутствие сведений о структуре минерала.

Наиболее близким по техническому решению является способ разделения минералов меди и серебра из зон окисления сульфидных полиметаллических месторождений (патент RU 2444724, опубл. 10.03.2012, G01N23/223), заключающийся в том, что возбуждают люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн, снимают спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 400-800 нм и по спектральному составу излучения определяют минералы (прототип). Недостатком данного способа является тот факт, что для изучения глинистых минералов спектральный диапазон 400-800 нм оказывается менее информативным, чем коротковолновое излучение.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения глинистых минералов с помощью люминесцентного анализа с целью повышения экспрессности и надежности при определении глинистых минералов.

Поставленная задача решается тем, что, согласно прототипу, осуществляется пробоподготовка глинистого минерала и возбуждение в нем люминесценции в оптическом диапазоне длин волн, но в отличие от прототипа спектр люминесценции исследуемой пробы снимается в интервале длин волн 200-500 нм. Выбор спектрального диапазона 200-500 нм обусловлен тем, что именно в этом диапазоне происходит максимальное излучение за счет кислородных возбужденных состояний, в основном, на базе кремне- и алюмокислородных тетраэдров, характерных для большинства глинистых минералов.

Авторами изобретения экспериментально установлено, что спектральный состав излучения в зависимости от степени кристалличности и упорядоченности глинистого минерала, так же как и положение максимума в спектральном диапазоне 200-500 нм будут меняться. Следовательно, глинистые минералы будут иметь различные спектры люминесценции (Рисунок 1). Из рисунка 1 следует, что каолинит характеризуется широкими перекрывающими друг друга полосами излучения в интервале длин волн 290-400 нм с максимальным излучением при λ=335-357 нм. Из того же рисунка 1 следует, что диккит характеризуется максимальным высвечиванием в интервале длин волн 350-370 нм. Причем интенсивность излучения диккита значительно превосходит излучение каолинита, монтмориллонита и пекораита. Из того же рисунка 1 следует, что для накрита характерна широкая полоса рентгенолюминесценции в диапазоне 270-500 нм с максимальным излучением при λ=338-340 нм. Спектры люминесценции, представленные на рисунке 1, снимались при рентгеновском возбуждении (спектры рентгенолюминесценции) с помощью аппарата УРС-55, рентгеновской трубки БСВ-2 и монохроматора МДР-12. Достоверность определений минералов была подтверждена рентгеноструктурным анализом:

1. отбирают пробы глинистых минералов из исследуемых объектов;

2. делают протолочки;

3. готовят навески по 10-15 мг;

4. для каждой приготовленной пробы снимают спектр люминесценции в оптическом диапазоне длин волн 200-500 нм;

5. по положению максимума в спектральном диапазоне длин волн 200-500 нм определяют минерал.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения.

Исследования проводились на образцах глинистых минералов из фондов минералогического музея Томского государственного университета. В качестве источника возбуждения люминесценции использовался аппарат УРС-55 и рентгеновская трубка БСВ-2. Получаемые при этом возбуждении спектры рентгенолюминесценции снимались с помощью монохроматора МДР-12. Интенсивность излучения дана в условных единицах. Причем 1 условная единица в данном случае примерно равна 10^-3 нит. Приготовлено 6 проб глинистых минералов. Для всех проб снимались спектры рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм и проводился сравнительный анализ полученных спектров рентгенолюминесценции с последующим определением минерала с учетом графиков, представленных на рисунке 1.

Пример 1

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №1). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №1 (10 мг). С помощью рентгеновского аппарата УРС-55 и рентгеновской трубки БСВ-2 возбудили люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн.

Записали спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм. Обнаружили, что спектральный состав излучения пробы №1 аналогичен спектральному составу излучения каолинита на рисунке 1. По наличию полос люминесценции в диапазоне длин волн 290-400 нм с максимальным излучением при λ=335-357 нм, что видно из рисунка 2, определили минерал каолинит. Достоверность определения подтверждена данными рентгеноструктурного анализа: 7,16(10)-3,57(8)-2,32(6) -1,66(8)-1,266(6)-1,24(6) -4,47(4), что соответствует рентгенограмме каолинита (таблица 1).

Пример 2

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №2). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №2 (10 мг). Описанным выше способом возбудили люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн. Записали спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм. Обнаружили, что спектральный состав излучения пробы №2 аналогичен спектральному составу излучения диккита на рисунке 1. Затем по максимальному излучению при λ=350-370 нм, что видно из рисунка 2, определили минерал диккит. Достоверность определения подтверждена данными рентгеноструктурного анализа: 7,21(10)-3,61(7)-4,13(6) -2,37(6)-3,80(4), что соответствует рентгенограмме диккита (таблица 1).

Пример 3

Отобрали пробу глинистого минерала из отложений белой каолиновой глины на берегу р. Томь, г. Томск (проба №3). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №3 (10 мг). Описанным выше способом возбудили люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн. Записали спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм. Обнаружили, что спектральный состав излучения пробы №3 аналогичен спектральному составу излучения каолинита на рисунке 1. По наличию полос люминесценции в диапазоне длин волн 290-400 нм с максимальным излучением при λ=335-357 нм, что видно из рисунка 3, определили минерал каолинит. Достоверность определения подтверждена данными рентгеноструктурного анализа: 7,16(10)-3,57(8)-2,32(6) -1,66(8)-1,266(6)-1,24(6) -4,47(4), что соответствует рентгенограмме каолинита (таблица 1).

Пример 4

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №4). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №4 (10 мг). Описанным выше способом возбудили люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн. Записали спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм. Обнаружили, что спектральный состав излучения пробы №4 аналогичен спектральному составу излучения монтмориллонита на рисунке 1. По наличию полос люминесценции в диапазоне длин волн 320-380 нм, с максимальным излучением при λ=320-350 нм, что видно из рисунка 4, определили минерал монтмориллонит. Достоверность определения подтверждена данными рентгеноструктурного анализа:14.8(10)-4.53(8)-3.06(7)-2.51(6), что соответствует рентгенограмме монтмориллонита (таблица 1).

Пример 5

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №5). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №5 (10 мг). Описанным выше способом возбудили люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн. Записали спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм. Обнаружили, что спектральный состав излучения пробы №5 аналогичен спектральному составу излучения пекораита на рисунке 1. По наличию полос люминесценции в диапазоне длин волн 270-400 нм с максимальным излучением при λ=280-330 нм, что видно из рисунка 5, определили минерал пекораит. Достоверность определения подтверждена данными рентгеноструктурного анализа:7.28(10)-4.58(4)-3.63(8)-2.64(4)-2.48(4)-1.53(8), что соответствует рентгенограмме пекораита (таблица 1).

Пример 6

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №6). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №6 (10 мг). Описанным выше способом возбудили люминесценцию в оптическом диапазоне длин волн. Записали спектр рентгенолюминесценции в диапазоне длин волн 200-500 нм. Обнаружили, что спектральный состав излучения пробы №6 аналогичен спектральному составу излучения накрита на рисунке 1. По наличию широкой полосы рентгенолюминесценции при λ=270-500 нм с максимальным излучением при λ=338-340 нм, что видно из рисунка 6, определили минерал накрит. Достоверность определения подтверждена данными рентгеноструктурного анализа: 7.17(10)-4.42(8), 4.16(5)- 3.58(7)-2.42(6), что соответствует рентгенограмме накрита (таблица 1).

Таким образом, предложенный способ определения глинистых минералов с помощью рентгенолюминесцентного анализа позволяет быстро и надежно определять глинистые минералы.