Определение минералогической характеристики проб и продуктов обогащения

При определении минерального состава предусматривается диагностика всех минеральных фаз с количественной оценкой их содержаний. Выделяют обычно группы минералов по их составу (рудные и породообразующие) и содержанию минералов: главные (более 10 %), второстепенные (1—10 %), акцессорные (0,1—0,9 %), редкие (0,09—0,01 %) и весьма редкие (менее 0,01 %).

Минералом называют сформированное в естественных условиях однородное твердое вещество определенного химического состава, имеющее упорядоченное расположение атомов в структуре, то есть находящееся в кристаллическом состоянии. Горная порода — твердое природное вещество, представляющее собой агрегат одного или более минералов. Руда — встречающиеся в естественных условиях скопления минералов, из которых экономически выгодно извлекать один или несколько металлов. Рудный минерал — это минерал, содержащий экономически ценный металл и являющийся составной частью руды. В общем случае рудными считаются минералы, имеющие промышленное значение (не только металлосодержащие). Нерудные минералы, не имеющие в данное время промышленного значения, могут позже стать рудными.

Минералы, слагающие руду (рудообразующие минералы), принято разделять на четыре группы: минералы промышленные, минералы — носители полезных примесей, минералы — носители вредных примесей и минералы непромышленные.

В процессе минералогического изучения руд для обогащения в основном обращается внимание на промышленные минералы и минералы — носители полезных и вредных примесей, их диагностику, форму и размер выделений, особенности срастаний с другими минералами, замещение галогенными и гипергенными минералами, их количество. Определяются также состав, количество и форма выделений непромышленных минералов.

В диагностике минералов можно различать фазовую (минерал распознается среди множества всех известных минералов), химическую (распознается минеральная разновидность в известной изоморфной группе) и, наконец, опознание (минерал опознается среди ограниченного числа определенных фаз конкретной минеральной ассоциации).

Опознавательные (диагностические) признаки минералов подразделяются на 4 группы: 1 — внешние (цвет, блеск, форма, твердость по Ф. Moocy, запах и т.д.); 2 — внутренние (состав); 3 — физические (плотность, микротвердость, кристаллооптические, электрические, магнитные и другие свойства); 4 — эмпирические (минеральные ассоциации и месторождения).

Самая старая система диагностики минералов базировалась на внешних диагностических признаках и экспертных методах определения состава: метод паяльной трубки и методы окрашивания минералов.

Окрашивание минералов, как и других веществ, происходит благодаря поглощению света. Когда белый свет проходит через минерал или отражается от его поверхности, некоторое количество его поглощается и преобразуется в тепловую энергию. Если свет поглощается веществом полностью, то оно приобретает черную окраску; если для всех длин волн поглощение происходит в равной степени, но не полностью, получается серый цвет; если же поглощение происходит избирательно, минерал кажется окрашенным в тот или иной цвет в зависимости от длины волн проходящего или отраженного света.

Цвет минерала может зависеть от его химического состава, в этом случае он весьма постоянен и характерен; наглядным примером является желтый цвет самородной серы. В других случаях цвет может вызываться присутствием инородных ионов в кристаллической структуре или мельчайшими рассеянными включениями примесей: Окрашивающие минерал примеси могут распределяться равномерно, как оксид железа, ответственный за красный цвет карнеола, или неравномерно, что иллюстрируется полосчатостью агата или пятнистостью гелиотропа. Примеси могут быть представлены субмикроскопическими частицами или же быть достаточно крупными для того, чтобы их можно было различить под лупой.

Черта, то есть цвет порошка минерала (обычно получаемого прочерчиванием минерала по неглазированной форфоровой пластинке), является более надежным показателем присущей минералу окраски, потому что она больше зависит от окраски самого минерала, чем от примесей.

Блеск определяется тем, каким образом свет отражается от поверхности минерала. Выделяются два типа блеска: металлический и неметаллический, подразделяемый на стеклянный, алмазный, смолистый, жирный, перламутровый и шелковистый.

Твердость — это степень сопротивления, которое оказывает вещество механическому воздействию. Шкала твердости была разработана австрийским минералогом Ф. Моосом в 1820 г. для измерения твердости минералов в качестве их диагностического признака. В основу ее положено определение твердости как сопротивления, оказываемого минералом при его царапании. В качестве эталонов, с помощью которых определяют относительную твердость, выбрано 10 распространенных минералов, расположенных в порядке возрастания твердости:

Минерал меньшей твердости царапается последующим минералом с большей твердостью. He совсем удачен выбор кальцита, поскольку его твердость меняется на 0,5 единицы в зависимости от направления царапания: наибольшая в плоскости спайности ромбоэдра {1011} и наименьшая — в базальной плоскости пинокоида {0001}. Предложены и другие шкалы и варианты шкалы Мооса, но они не получили общего признания.

Среди более поздних известна шкала А.С. Поваренных:

В шкале А.С. Поваренных предлагаются еще 5 новых эталонов, при этом 4 из них представлены синтетическими материалами, позволяющими более дробно подразделить крупный интервал твердости от корунда до алмаза.

По шкале Mooca возможно найти только относительную твердость. При ее определении необходимо выбирать свежую поверхность образца, так как иногда частицы зернистого или более мягкого минерала оставляют след на поверхности более твердого минерала, ошибочно принимаемый за царапину. Следует учитывать, что у некоторых минералов, например, кианита, твердость меняется в зависимости от направления царапания.

Помимо эталонных минералов используют и другие индикаторы твердости, первоначально сопоставляя их с указанными эталонами. Ф. Mooc рекомендовал использовать «тонкий и очень твердый стальной напильник» с твердостью 6,5. Кроме того, индикаторами твердости могут служить оконное стекло (5,5), лезвие перочинного ножа (немного больше 5), медная монета (3), твердость ногтя (немного больше 2). Минералы, имеющие твердость 1, жирные на ощупь.

Твердость в основном определяется прочностью связей атомов в структуре вещества, и ее рассчитывают, исходя из физико-химических параметров данного вещества. На практике установлено, что твердость возрастает с уменьшением размеров иона металлов, с увеличением валентности или заряда иона и при более плотной упаковке атомов.

Основу химической минералогии составляют методы паяльной трубки и окрашивания минералов.

Простая паяльная трубка представляет собой согнутую под прямым углом трубку, один конец которой снабжен мундштуком, другой — наконечником с маленьким отверстием. При дутье через такую трубку можно направлять постоянный поток воздуха и изменять его характер. Для опытов с паяльной трубкой наиболее удобно газовое пламя, но можно пользоваться пламенем свечи, спиртовки или керосиновой лампы.

В анализе методом паяльной трубки большое значение имеют два процесса: окисление и восстановление. Введение наконечника паяльной трубки в пламя ~ на 1/3 его длины вызывает появление окислительного пламени и в нем происходит окисление исследуемого вещества. Это пламя голубого цвета и светится очень слабо; в нем воздух из паяльной трубки смешивается с газами пламени и происходит полное сгорание.

Если держать наконечник паяльной трубки на небольшом расстоянии от пламени, получается восстановительное пламя, желтое, яркое, с нечеткими контурами, шумное. В этом пламени поток воздуха из паяльной трубки гонит пламя перед собой довольно слабо, поэтому почти не происходит смешивание воздуха с газами пламени. Вследствие этого газы сгорают не полностью и легко соединяются с кислородом любого вещества, помещенного в середину пламени; в результате вещество подвергается восстановлению.

При нагревании пробы вещества с помощью паяльной трубки необходимо удерживать пробу в определенном положении, для чего применяют платиновую проволоку и пластинку древесного угля размером 18x3x3 см. Применение древесного угля объясняется его тугоплавкостью, низкой теплопроводностью и восстановительными свойствами. Для снижения температуры плавления к пробам добавляют определенные вещества — флюсы, из которых наиболее важными являются бура Na2B4O7*10H2O, водный фосфат натрия и аммония (NH4)NaHPО4*2H2О и карбонат натрия Na2CO3*10H2O.

Идентификация минералов с применением метода паяльной трубки осуществляется по цвету пламени (табл. 2.10), окраске бусинок из буры (табл. 2.11) и фосфорной соли (табл. 2.12), изменению цвета пробы и налета на угле (табл. 2.13—2.14), цвету остатка при повторном нагревании (табл. 2.15), цвету корольков и налета, образующихся при восстановлении пробы с карбонатом натрия (табл. 2.16—2.17).

Окрашивание минералов используется для экспрессной диагностики минералов, которые не различаются по внешнему виду, и минералов, определение которых трудоемко и требует много времени. Эти методы легко использовать в полевых и лабораторных условиях для измельченных образцов, осколков керна, несцементированных кусков, отдельных зерен, полированных поверхностей, во многих случаях для шлифов.

Безводные карбонаты трудно разделять и определять обычными макро-и микроскопическими методами. Дж. М. Фридман предложил две схемы для идентификации арагонита, кальцита, магнийсодержащего кальцита, ангидрита, доломита и магнезита с гипсом. В первой схеме (рис. 2.4) используются только два реагента: ализарин красный S в растворах с различной кислотностью и щелочностью и специальный краситель Файгеля для арагонита. На рис. 2.5 изображена вторая схема Дж. М. Фридмана. С использованием красителей первой схемы (рис. 2.4) и трех новых красящих реагентов возможна диагностика витерита, сидерита, родохрозита, смитсонита, анкерита, стронцианита и церуссита (рис. 2.6).

Метод окрашивания широко используют при минералогическом анализе глинистых минералов. Идентификацию каолинита, галлуазита, диккита, накрита, монтмориллонита, нонтронита, гекторита, иллита, полыгорскита осуществляют комбинацией малахитовой зелени, сафранина Y и бензидина либо спиртовым раствором р-аминофенола различной концентрации с последующей обработкой гидрохлоридной кислотой. Для диагностики калиевых полевых шпатов открытый шлиф, полированную поверхность образца, зернистый агрегат или отдельные зерна подвергают легкому травлению плавиковой кислотой HF, затем тщательно промывают в дистиллированной воде, высушивают и ненадолго помещают в концентрированный раствор кобальтинитрита натрия. В результате поверхность калиевого полевого шпата окрашивается в ярко-желтый цвет, в то время как плагиоклаз, кварц и апатит остаются полностью неокрашенными (плагиоклаз становится белым и непрозрачным). В этих условиях глинистые минералы иногда окрашиваются, а слюда, если была подвержена выветриванию, становится зеленовато-желтой. В случае необходимости окрашивания плагиоклаза образец после травления HF и обработки кобальтинитритом натрия можно погрузить в водорастворимый краситель: эозин В, малахитовую зелень или родизоновокислый натрий (после обработки образца S %-ным раствором хлорида бария).

Имеются сведения о применении метода окрашивания минералов для разделения полевых шпатов и кварца; гипса и магнезита, боксита и лимонита, а также идентификации амблигонита, англезита, арсенопирита, берилла, касситерита, колумбита, флюорита, галенита, пирита, сфалерита, сподумена, шеелита, барита и многих других минералов.