НЕОТОКИТ ИЗ МАРГАНЦЕВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ УШКАТЫН III, ЦЕНТРАЛЬНЫЙ КАЗАХСТАН
|
Введение 3
1. Общие сведения о неотоките 6
1.1 Внешний вид и физические свойства 7
1.2 Оптические свойства 7
1.3 Химический состав 7
1.4 Структура 8
1.5 Генезис, месторождения и минеральные ассоциации 8
2. Геология месторождения Ушкатын-III 11
2.1 Геологическая позиция месторождения 11
2.2 Геологическая структура Ушкатына-III 12
2.3 Марганцевые руды Ушкатына-III 12
3. Минеральная ассоциация изучаемых горных пород 13
4. Морфология и минеральная ассоциация неотокита 27
5. Физические свойства неотокита 29
5.1 Оптические свойства 29
5.2 ИК спектроскопия 29
5.3 Термические свойства 32
5.4 Терморентгенография 33
5.5 Рентгенография 34
6. Химический состав неотокита 36
7. Генезис неотокита из месторождения Ушкатын-III 39
Заключение 42
Список литературы 44
Приложения
1. Общие сведения о неотоките 6
1.1 Внешний вид и физические свойства 7
1.2 Оптические свойства 7
1.3 Химический состав 7
1.4 Структура 8
1.5 Генезис, месторождения и минеральные ассоциации 8
2. Геология месторождения Ушкатын-III 11
2.1 Геологическая позиция месторождения 11
2.2 Геологическая структура Ушкатына-III 12
2.3 Марганцевые руды Ушкатына-III 12
3. Минеральная ассоциация изучаемых горных пород 13
4. Морфология и минеральная ассоциация неотокита 27
5. Физические свойства неотокита 29
5.1 Оптические свойства 29
5.2 ИК спектроскопия 29
5.3 Термические свойства 32
5.4 Терморентгенография 33
5.5 Рентгенография 34
6. Химический состав неотокита 36
7. Генезис неотокита из месторождения Ушкатын-III 39
Заключение 42
Список литературы 44
Приложения
Неотокит является минералом, который часто присутствует в марганцевых породах. Несмотря на это, по нему собрано не так много данных, а большинство исследований, известных на данный момент, сделаны несколько десятков лет назад. С помощью современной техники, обладающей более широкими возможностями и большей разрешающей способностью, а также с помощью новых методов анализа, есть возможность получить более точные результаты и, возможно, заполнить пробелы в текущих сведениях о минерале.
Целью данной работы является дополнить или подтвердить имеющиеся данные о неотоките с использованием современных методов исследования.
Для этого были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературные источники, в которых есть сведения о неотоките, месторождениях, в которых он образуется; геологии месторождения, из которых были отобраны изучаемы образцы.
2. Описать минеральную ассоциацию неотокита и его генетическое положение в изучаемых образцах.
3. Определить его химический состав.
4. Исследовать его физические свойства.
Исследуемым материалом были образцы, отобранные Алексеем Ильичом Брусницыным в 2018 в 2019 году на месторождении Ушкатын-III в Центральном Казахстане. Из образцов породы Уш318-113 и Уш318-116 было сделано по одному прозрачно-полированному шлифу, для образца Уш319-506 было сделано три шлифа. С использованием алмазного бура из образцов были сделаны порошковые пробы образцов: 2 пробы для Уш318-113, 1 проба для Уш318-116, 4 пробы для Уш319-506. Образец Уш318- 113 также выступал источником мономинеральных проб для неотокита, используемых в порошковой рентгеновской дифракции, определении оптических констант, термического анализа, терморентгенографии и ИК спектроскопии.
В работе были использованы следующие методы:
1. Петрографический анализ. Проводился с помощью оптического микроскопа Leica D2500 для определения минерального состава и структурных особенностей породы и изучения неотокита в шлифах.
2. Иммерсионный метод. Использовался для определения показателей преломления неотокита с помощью оптического микроскопа и иммерсионных жидкостей разной плотности.
3. Рентгенофазовый анализ. Являлся вспомогательным методом для определения минерального состава пород, также использовался для уточнения структурных особенностей неотокита. Используемый прибор - дифрактометр Rigaku «MiniFlex» II с медным анодом, вращающимся гониометром и высокоскоростным энергодисперсионным детектором DTEX/ULTRA. Условия съёмки: режим работы источника 30 кВ/15 мА, диапазон углов сканирования 20 от 5о до 6Оо-80о, скорость сканирования 2о/мин, проба смачивалась спиртом. ПО для фазового анализа - пакет программ PDXL.
4. Синхронный термический анализ (дифференциалльная сканирующая калориметрия + термогравиметрия. Использовался для изучения поведения образца при нагревании и определении содержания в нём летучих элементов. Проводился с помощью прибора Netzsch "STA 449 F3"в платиновом тигле. Условия съёмки: диапазон съёмки 30-1200 оС, среда - атмосфера, скорость нагрева 10 оС/мин.
5. Терморентенография. Использовалась для идентификации фаз, в которые переходит неотокит при высоких температурах. Проводилась с помощью высокотемпературной камеры Rigaku «SHT-1500» с резистивным нагревателем. Нагревание проходило до температуры 900 оС с шагом 100о С до температуры 500 оС, далее - с шагом 20 оС. Регистрация фаз проходила с помощью встроенного дифрактометра с Co-анодом.
6. ИК спектроскопия. Проводилась для уточнения структуры неотокита. Используемый прибор - ИК спектрофотометр Bruker "Vertex 70". Пробоподготовка состояла в создании таблеток - смеси порошка KBr (200 мг) и неотокита (2 мг). Условия съёмки: спектры пропускания, 64 скан/сек, разрешение 2 см-1. Обработка данных проводилась в программе Opus.
7. Рентгеноспектральный электронно-зондовый микроанализ (микрозондовый анализ). Проводился на двух приборах. Первый - настольный растровый электронный микроскоп Hitachi TM 3000 с приставкой энергодисперсионного микроанализа OXFORD использовался для получения электронных изображений минеральных фаз и их диагностики фаз: с помощью прибора были получены нормированные на 100% содержания компонентов минералов. Второй прибор - сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) Hitachi S3400N, оснащённый энергодисперсионным спектрометром OXFORD X-MAX 20, использовался для качественного анализа минеральных фаз, а также определения их химического состава. Используемые препараты - прозрачно-полированные шлифы с углеродным напылением. Условия съёмки: 20 кВ ускоряющее напряжение, 1 нА ток зонда, 25 сек. время экспозиции на точку. Все спектры обработаны в автономном режиме. ПО - AZtec с применением методики True Q. Стандартизация проводилась по природным и синтетическим материалам.
Выражается благодарность Сотман С. С. и Авдонцевой Е. Ю. за помощь в работе с иммерсионными жидкостями, Платоновой Н. В. за помощь с расшифровкой и обработкой рентгенограмм, Бубновой О. Г. за проведение и обработку термического анализа, Кржижановской М. Г. за проведение и обработку терморентгена, Власенко Н. С. и Шишловских В. В. за помощь в работе с электронным микроскопом и обработке рентгеновских спектров, Брусницыну А. И. за предоставление материалов и неоценимую помощь в написании дипломной работы.
Исследования проведены с использованием оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ «Геомодель», «Рентгенодифракционныые методы исследования», «Центр микроскопии и микроанализа».
Целью данной работы является дополнить или подтвердить имеющиеся данные о неотоките с использованием современных методов исследования.
Для этого были поставлены следующие задачи:
1. Изучить литературные источники, в которых есть сведения о неотоките, месторождениях, в которых он образуется; геологии месторождения, из которых были отобраны изучаемы образцы.
2. Описать минеральную ассоциацию неотокита и его генетическое положение в изучаемых образцах.
3. Определить его химический состав.
4. Исследовать его физические свойства.
Исследуемым материалом были образцы, отобранные Алексеем Ильичом Брусницыным в 2018 в 2019 году на месторождении Ушкатын-III в Центральном Казахстане. Из образцов породы Уш318-113 и Уш318-116 было сделано по одному прозрачно-полированному шлифу, для образца Уш319-506 было сделано три шлифа. С использованием алмазного бура из образцов были сделаны порошковые пробы образцов: 2 пробы для Уш318-113, 1 проба для Уш318-116, 4 пробы для Уш319-506. Образец Уш318- 113 также выступал источником мономинеральных проб для неотокита, используемых в порошковой рентгеновской дифракции, определении оптических констант, термического анализа, терморентгенографии и ИК спектроскопии.
В работе были использованы следующие методы:
1. Петрографический анализ. Проводился с помощью оптического микроскопа Leica D2500 для определения минерального состава и структурных особенностей породы и изучения неотокита в шлифах.
2. Иммерсионный метод. Использовался для определения показателей преломления неотокита с помощью оптического микроскопа и иммерсионных жидкостей разной плотности.
3. Рентгенофазовый анализ. Являлся вспомогательным методом для определения минерального состава пород, также использовался для уточнения структурных особенностей неотокита. Используемый прибор - дифрактометр Rigaku «MiniFlex» II с медным анодом, вращающимся гониометром и высокоскоростным энергодисперсионным детектором DTEX/ULTRA. Условия съёмки: режим работы источника 30 кВ/15 мА, диапазон углов сканирования 20 от 5о до 6Оо-80о, скорость сканирования 2о/мин, проба смачивалась спиртом. ПО для фазового анализа - пакет программ PDXL.
4. Синхронный термический анализ (дифференциалльная сканирующая калориметрия + термогравиметрия. Использовался для изучения поведения образца при нагревании и определении содержания в нём летучих элементов. Проводился с помощью прибора Netzsch "STA 449 F3"в платиновом тигле. Условия съёмки: диапазон съёмки 30-1200 оС, среда - атмосфера, скорость нагрева 10 оС/мин.
5. Терморентенография. Использовалась для идентификации фаз, в которые переходит неотокит при высоких температурах. Проводилась с помощью высокотемпературной камеры Rigaku «SHT-1500» с резистивным нагревателем. Нагревание проходило до температуры 900 оС с шагом 100о С до температуры 500 оС, далее - с шагом 20 оС. Регистрация фаз проходила с помощью встроенного дифрактометра с Co-анодом.
6. ИК спектроскопия. Проводилась для уточнения структуры неотокита. Используемый прибор - ИК спектрофотометр Bruker "Vertex 70". Пробоподготовка состояла в создании таблеток - смеси порошка KBr (200 мг) и неотокита (2 мг). Условия съёмки: спектры пропускания, 64 скан/сек, разрешение 2 см-1. Обработка данных проводилась в программе Opus.
7. Рентгеноспектральный электронно-зондовый микроанализ (микрозондовый анализ). Проводился на двух приборах. Первый - настольный растровый электронный микроскоп Hitachi TM 3000 с приставкой энергодисперсионного микроанализа OXFORD использовался для получения электронных изображений минеральных фаз и их диагностики фаз: с помощью прибора были получены нормированные на 100% содержания компонентов минералов. Второй прибор - сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) Hitachi S3400N, оснащённый энергодисперсионным спектрометром OXFORD X-MAX 20, использовался для качественного анализа минеральных фаз, а также определения их химического состава. Используемые препараты - прозрачно-полированные шлифы с углеродным напылением. Условия съёмки: 20 кВ ускоряющее напряжение, 1 нА ток зонда, 25 сек. время экспозиции на точку. Все спектры обработаны в автономном режиме. ПО - AZtec с применением методики True Q. Стандартизация проводилась по природным и синтетическим материалам.
Выражается благодарность Сотман С. С. и Авдонцевой Е. Ю. за помощь в работе с иммерсионными жидкостями, Платоновой Н. В. за помощь с расшифровкой и обработкой рентгенограмм, Бубновой О. Г. за проведение и обработку термического анализа, Кржижановской М. Г. за проведение и обработку терморентгена, Власенко Н. С. и Шишловских В. В. за помощь в работе с электронным микроскопом и обработке рентгеновских спектров, Брусницыну А. И. за предоставление материалов и неоценимую помощь в написании дипломной работы.
Исследования проведены с использованием оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ «Геомодель», «Рентгенодифракционныые методы исследования», «Центр микроскопии и микроанализа».
В ходе работы были обобщены существующие на сегодня сведения о неотоките. Подтверждено, что неотокит может являться породообразующим минералом (до 20 об. %) в гаусманнитовых рудах месторождения Ушкатын-III. Он имеет две морфологические разновидности: в основной массе породы и поздних прожилках.
Неотокит в основной массе ассоциируется с кариопилитом, клинохлором, пенантитом, тефроитом, сапонитом, родохрозитом и кальцитом, где представлен в виде реликтоподобных агрегатов, замещающихся кариопилитом. Его генезис остаётся дискуссионным. Возможны два варианта. 1) Неотокит является диагенетическим минералом, образовавшимся в ходе коагуляции Mn-Si геля, и сохранившийся в ходе метаморфизма как реликт первичного Mn-Si субстрата, по которому развился кариопилит. 2) Неотокит образовался в основной массе как гидротермальный минерал на этапе регрессивного метаморфизма, замещая минералы, образованные на прогрессивном этапе метаморфизма (кариопилит, тефроит и др.). Оба варианта сталкиваются с определёнными трудностями, однако минералогические наблюдения свидетельствуют в пользу первого варианта, требующего дальнейшей проработки.
Неотокит из прожилок ассоциирует с родохрозитом, кальцитом, баритом, саркинитом и гематитом. Его генезис более очевиден: он образовался в ходе поздних гидротермальных процессов.
Остаётся неясным, почему в обоих случаях образуется стеклоподобная фаза.
Наблюдения показали, что неотокит темнеет на воздухе, что может быть связано с окислением марганца. Показатели преломления неотокита различны: тёмно-оранжевые зёрна имеют n = 1.421-1.430, а светло-оранжевые n = 1.487-1.490.
Химический состав неотокита из основной массы оказался аналогичным по составу с неотокитом из поздних прожилок. В качестве элементов-примесей в неотоките содержится Mg, Ca, Al, Na. Основная разница в содержании компонентов заключается в воде, содержание которой меняется в диапазоне 9-20 масс. %. Стехиометрия неотокита не полностью отвечает идеальной формуле Mn2(Si2O5)(OH)2 • nH2O. Скорее всего, она требует уточнения.
Инфракрасный спектр неотокита из Ушкатына-III согласуется со спектрами, полученными предыдущими исследователями (Clark et al, 1978; Povondra, 1996;
Брусницын, 2000; Брусницын, 2013; Chukanov, 2014). Спектр свидетельствует о многообразии форм нахождения воды в минерале, а также о сходстве минерала с некоторыми слоистыми силикатами.
Изучение поведения при нагревании неотокита тоже согласуется с предыдущими исследователями (Каюпова, 1974; Clark et al, 1978; Минералы, 1992). Была впервые получена терморентгенограмма неотокита. Она подтвердила, что при нагревании до 740-900 оС из неотокита образуется браунит.
Исследования неотокита с помощью рентгеновской порошковой дифракции указываю на существование 5 широких пиков с максимумами в областях 4.33, 3.66, 2.76, 2.56 и 1.61 А. Похожие значение уже отмечались исследователями (Clark et al, 1978). Это подтверждает присутствие в неотоките упорядоченности в структуре, по крайней мере говорит о том, что неотокит нельзя считать полностью ренгеноаморфным.
Неотокит в основной массе ассоциируется с кариопилитом, клинохлором, пенантитом, тефроитом, сапонитом, родохрозитом и кальцитом, где представлен в виде реликтоподобных агрегатов, замещающихся кариопилитом. Его генезис остаётся дискуссионным. Возможны два варианта. 1) Неотокит является диагенетическим минералом, образовавшимся в ходе коагуляции Mn-Si геля, и сохранившийся в ходе метаморфизма как реликт первичного Mn-Si субстрата, по которому развился кариопилит. 2) Неотокит образовался в основной массе как гидротермальный минерал на этапе регрессивного метаморфизма, замещая минералы, образованные на прогрессивном этапе метаморфизма (кариопилит, тефроит и др.). Оба варианта сталкиваются с определёнными трудностями, однако минералогические наблюдения свидетельствуют в пользу первого варианта, требующего дальнейшей проработки.
Неотокит из прожилок ассоциирует с родохрозитом, кальцитом, баритом, саркинитом и гематитом. Его генезис более очевиден: он образовался в ходе поздних гидротермальных процессов.
Остаётся неясным, почему в обоих случаях образуется стеклоподобная фаза.
Наблюдения показали, что неотокит темнеет на воздухе, что может быть связано с окислением марганца. Показатели преломления неотокита различны: тёмно-оранжевые зёрна имеют n = 1.421-1.430, а светло-оранжевые n = 1.487-1.490.
Химический состав неотокита из основной массы оказался аналогичным по составу с неотокитом из поздних прожилок. В качестве элементов-примесей в неотоките содержится Mg, Ca, Al, Na. Основная разница в содержании компонентов заключается в воде, содержание которой меняется в диапазоне 9-20 масс. %. Стехиометрия неотокита не полностью отвечает идеальной формуле Mn2(Si2O5)(OH)2 • nH2O. Скорее всего, она требует уточнения.
Инфракрасный спектр неотокита из Ушкатына-III согласуется со спектрами, полученными предыдущими исследователями (Clark et al, 1978; Povondra, 1996;
Брусницын, 2000; Брусницын, 2013; Chukanov, 2014). Спектр свидетельствует о многообразии форм нахождения воды в минерале, а также о сходстве минерала с некоторыми слоистыми силикатами.
Изучение поведения при нагревании неотокита тоже согласуется с предыдущими исследователями (Каюпова, 1974; Clark et al, 1978; Минералы, 1992). Была впервые получена терморентгенограмма неотокита. Она подтвердила, что при нагревании до 740-900 оС из неотокита образуется браунит.
Исследования неотокита с помощью рентгеновской порошковой дифракции указываю на существование 5 широких пиков с максимумами в областях 4.33, 3.66, 2.76, 2.56 и 1.61 А. Похожие значение уже отмечались исследователями (Clark et al, 1978). Это подтверждает присутствие в неотоките упорядоченности в структуре, по крайней мере говорит о том, что неотокит нельзя считать полностью ренгеноаморфным.