Результат интеллектуальной деятельности: ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ГЛИНОПОДОБНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Изобретение относится к области геологии, разработке и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на различных этапах поисковых и геолого-разведочных работ, требующих определения минерального состава рыхлых или плотных глиноподобных образований, в составе которых могут участвовать такие минералы, как собственно глинистые (нонтронит, полыгорскит, галлуазит), так и визуально похожие на них осаризаваит, алунит ломонтит.

Глиноподобные образования широко распространены в продуктах выветривания горных пород и рудных месторождений. Они слагают рыхлые или плотные агрегаты, содержащие обычно не один, а несколько собственно глинистых минералов, и нередко минералы других минеральных групп. Определение минерального состава таких полиминеральных тонкозернистых и скрытозернистых образований обычными методами с выделением монофракций каждого минерала весьма затруднительно. Однако это всегда необходимо как при решении генетических вопросов, так и сугубо практических. Собственно 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 собственно глинистых минералов в составе руд цветных металлов может заметно ухудшать их технологические свойства. Учитывая визуальное сходство глинистых минералов с минералами других минеральных групп и с другими свойствами, минералогический анализ глинистых образований и в этом случае становится актуальным.

Известен минералогический способ определения глинистых и подобных им минералов с помощью рентгенофазового 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 пробоподготовка, заключающаяся в отмучивании пробы, прокаливании и последующей съемке с глицерином.

Известен также термический способ определения глинистых минералов, заключающийся в изучении тепловых эффектов, происходящих в минералах в условиях нагревания, которые сопровождают различные физические и химические превращения минералов в процессе нагревания (Топор Н.Д., Огородова Л.П., Мельчакова Л.В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. - М.: Изд-во МГУ, 1987. - 190 с.). 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 и др. Каждому превращению, протекающему в минерале, соответствует свой термический эффект при определенной температуре. Совокупность всех термических эффектов при соответствующих температурах является индивидуальной характеристикой данного минерала и 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 исходной структуры, кристалличности, последующих структурных превращениях в минералах.

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 даны наиболее полные справочные сведения по люминесценции минералов. Недостаток заключается в полном отсутствии данных 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 исследуемого 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 химический 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 РФ 2444724, опубл. 10.03.2012, МПК G01N 23/223), 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 минералов глиноподобных образований спектральный диапазон 400-800 нм оказывается менее информативным, чем коротковолновое излучение.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения минерального состава глиноподобных образований с помощью люминесцентного анализа с целью повышения экспрессности и надежности диагностики.

Поставленная задача решается тем, что, согласно прототипу, осуществляется пробоподготовка материала глиноподобных образований 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 минералов глиноподобных образований.

Авторами изобретения экспериментально установлено, что спектральный состав излучения в зависимости от степени кристалличности и упорядоченности собственно глинистого минерала так же, как и положение максимума в спектральном диапазоне 200-500 нм, будут меняться. Следовательно, собственно глинистые и присутствующие другие минералы будут иметь различные спектры люминесценции (Рисунок 1). Из рисунка 1 следует, что галлуазит характеризуется широкими перекрывающими друг друга полосами излучения в интервале длин волн 290-400 нм с максимальным излучением при λ=290-315 нм. Из того же рисунка 1 следует, что нонтронит характеризуется максимальным высвечиванием в полосе 330-340 нм. Из того же рисунка 1 следует, что палыгорскит характеризуется максимальным высвечиванием в полосе с максимумом 345 нм. Из того же рисунка 1 следует, что для ломонтита характерна широкая полоса рентгенолюминесценции в диапазоне 280-400 нм с максимальным излучением при λ=342 нм. Из того же рисунка 1 следует, что для осаризаваита характерны две широкие низкоинтенсивные полосы рентгенолюминесценции в диапазонах 270-310 и 310-360 нм с максимальным излучением при λ=289 нм и λ=340 нм. Из того же рисунка 1 следует, что алунит характеризуется очень слабой рентгенолюминесценцией с максимальным излучением при λ=350 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 рентгенофазовым анализом с помощью порошкового дифрактометра XPertPRO с уточнением химического состава по результатам РФА.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения.

Исследования проводились на образцах глинистых и глиноподобных 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 и глиноподобных 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 №200). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №200 (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 №200 аналогичен спектральному составу излучения галлуазита на рисунке 1. По наличию широких перекрывающих друг друга полос излучения в интервале длин волн 290-400 нм с максимальным излучением при λ=290-315 нм, что видно из рисунка 2, определили минерал галлуазит. Достоверность определения подтверждена данными рентгенофазового анализа: 7.32(10), 4.43(10),3.57(7) что соответствует рентгенограмме галлуазита (таблица 1).

Таблица 1

Данные рентгенофазового анализа

Пример 2

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №17). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №17 (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 №17 аналогичен спектральному составу излучения нонтронита на рисунке 1. Затем по максимальному высвечиванию в полосе 330-340 нм, что видно из рисунка 3, определили минерал нонтронит. Достоверность определения подтверждена данными рентгенофазового анализа: 15.1(10),4.42(5), 2.54(3), что соответствует рентгенограмме нонтронита (таблица 1).

Пример 3

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №21). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №21(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 №21 аналогичен спектральному составу излучения ломонтита на рисунке 1. По широкой полосе рентгенолюминесценции в диапазоне 280-400 нм с максимальным излучением при λ=342 нм, что видно из рисунка 4, определили минерал ломонтит. Достоверность определения подтверждена данными рентгенофазового анализа: 9.47(10), 6.78(3), 4.16(3), 3.50(4), что соответствует рентгенограмме ломонтита (таблица 1)

Пример 4

Отобрали пробу глиноподобного минерала (проба №22). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №22 (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 №22 аналогичен спектральному составу излучения палыгорскита 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 5, определили минерал палыгорскит. Достоверность определения подтверждена данными рентгенофазового анализа: 10.3(10),6.34(2),4.45(3), 4.14(2), что соответствует рентгенограмме палыгорскита (таблица 1).

Пример 5

Отобрали пробу глинистого минерала (проба №189). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №189 (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 №189 аналогичен спектральному составу излучения алунита на рисунке 1. По наличию двух широких малоинтенсивных полос рентгенолюминесценции в спектральных диапазонах 270-310 и 310-360 нм с максимальным излучением при λ=289 нм и λ=340 нм, что видно из рисунка 6, определили минерал алунит. Достоверность определения подтверждена данными рентгенофазового анализа: 2.96(10), 4.90(7), 3.49(4) 1.89(6), что соответствует рентгенограмме алунита (таблица 1).

Пример 6

Отобрали пробу глиноподобного минерала (проба №199). Сделали протолочку. Приготовили навеску пробы №199 (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 №199 аналогичен спектральному составу излучения осаризаваита на рисунке 1. По наличию широкой слабоинтенсивной полосы рентгенолюминесценции в спектральном диапазоне 200-400 нм с максимальным излучением при λ=345-350 нм, что видно из рисунка 7, определили минерал осаризаваит. Достоверность определения подтверждена данными рентгенофазового анализа: 5.76(10),3.00(10),3.52(4), 2.28(3), что соответствует рентгенограмме осаризаваита (таблица 1).

Таким образом, предложенный люминесцентный способ определения минерального состава глиноподобных образований с помощью рентгенолюминесцентного анализа позволяет быстро и надежно определять глинистые и глиноподобные минералы.