Помощь студентам в учебе
Кристаллохимия силикатов горелых отвалов Челябинского угольного бассейна
|
Введение 1
Литературный обзор 3
Процесс техногенеза 3
Горение угля в мире 5
Челябинский угольный бассейн 7
Силикаты 13
Исследуемые силикаты 14
Методы 19
Спектроскопия комбинационного рассеяния 19
Методы дифракции рентгеновских лучей 20
Рентгеноспектральный метод микрозондового анализа 23
Проведение эксперимента 24
Образцы 24
Электронно-зондовый микроанализ 26
Спектроскопия комбинационного рассеяния света 27
Высокотемпературная терморентгенография 27
Рентгеноструктурный анализ 27
Результаты и интерпретация 29
Куспидин 29
Альбовит 34
Кутюхинит 39
Ритмит 45
Заключение 51
Список литературы 53
Приложение 59
Образец № 055Е-38 59
Образец № 054-367 62
Образец № 10 65
Образец № 0107-21А-8Г. 68
Образец № 055Е-27 71
Образец № 054-456
Литературный обзор 3
Процесс техногенеза 3
Горение угля в мире 5
Челябинский угольный бассейн 7
Силикаты 13
Исследуемые силикаты 14
Методы 19
Спектроскопия комбинационного рассеяния 19
Методы дифракции рентгеновских лучей 20
Рентгеноспектральный метод микрозондового анализа 23
Проведение эксперимента 24
Образцы 24
Электронно-зондовый микроанализ 26
Спектроскопия комбинационного рассеяния света 27
Высокотемпературная терморентгенография 27
Рентгеноструктурный анализ 27
Результаты и интерпретация 29
Куспидин 29
Альбовит 34
Кутюхинит 39
Ритмит 45
Заключение 51
Список литературы 53
Приложение 59
Образец № 055Е-38 59
Образец № 054-367 62
Образец № 10 65
Образец № 0107-21А-8Г. 68
Образец № 055Е-27 71
Образец № 054-456
Исследование кристаллохимических особенностей техногенных силикатов, образовавшихся в уникальных условиях горелых отвалов Челябинского угольного бассейна, имеет важную роль в развитии кристаллохимии, минералогии, геологии, экологии и материаловедения.
Горение отвалов угольных бассейнов издавна привлекало внимание ученых, что связано в первую очередь с уникальностью условий, в которых происходит процесс минералообразования. К 80-м годам двадцатого века были детально изучены минеральные фазы горелых отвалов Кладно (Чехия), Восточной Пенсильвании (США), Донецкого и Львовского угольных бассейнов (Украина), но отвалы Челябинского угольного бассейна были абсолютно не затронуты. Минералогические исследования терриконов Челябинского угольного бассейна были начаты Б.В. Чесноковым в 1982 году и успешно продвигались его коллегами. За время работы было обнаружено более двухсот минералов и минералоподобных фаз, при этом 50 из них были описаны впервые. Восемь из них были утверждены как минералы: баженовит CaSs*CaS2O3*6Ca(OH)2*20H2O, годовиковит NH4(Al,Fe3+)(SO4)2, дмиштейнбергит Ca[AhSi2Os], ефремовит (NH4)2Mg2(SO4)3, рорисит CaClF, святославит Ca[AlSi2Os], сребродольскит Ca2Fe2Os и флюорэллестадит Ca10[(SO4)3(SiO4)3]6F2. В последствии долгое время Международная Минералогическая ассоциация (IMA) не признавала «антропогенные» минералы.
В настоящее время современное оборудование позволяет более детально изучить специфику минерализаций техногенных отложений. Техногенные процессы, протекающие в горелых отвалах Челябинского угольного бассейна, можно сравнить с природными процессами минералообразования: природные угольные пожары (Рават, Фан-Ягнобское месторождение угля, Таджикистан) и вулканические фумаролы (Толбачик, Везувий и другие). Значит, в схожих условиях мы можем наблюдать аналогичные образования минеральных фаз, что подчеркивает актуальность и значимость данных исследований. Стоит также отметить, что в настоящее время, согласно регламенту Международной Минералогической Ассоциации, если явление самопроизвольного возгорания угля является очевидным, то минералоподобные фазы можно утверждать, как новые минералы.
Главной целью данной выпускной дипломной работы является исследование кристаллохимических особенностей техногенных силикатов горелых отвалов Челябинского угольного бассейна.
Выделены следующие задачи, с помощью которых цель была достигнута:
- Анализ литературных данных;
- Отбор образцов поли и монокристаллов, необходимых для исследования;
- Исследование образцов методами рентгеновской дифракции, методами высокотемпературной терморентгенографии, методами КР и методами микрозондового анализа;
- Обработка экспериментальных данных и изучение структурных особенностей техногенных силикатов;
- Интерпретация результатов, в том числе, соотнесение с литературными данными.
Горение отвалов угольных бассейнов издавна привлекало внимание ученых, что связано в первую очередь с уникальностью условий, в которых происходит процесс минералообразования. К 80-м годам двадцатого века были детально изучены минеральные фазы горелых отвалов Кладно (Чехия), Восточной Пенсильвании (США), Донецкого и Львовского угольных бассейнов (Украина), но отвалы Челябинского угольного бассейна были абсолютно не затронуты. Минералогические исследования терриконов Челябинского угольного бассейна были начаты Б.В. Чесноковым в 1982 году и успешно продвигались его коллегами. За время работы было обнаружено более двухсот минералов и минералоподобных фаз, при этом 50 из них были описаны впервые. Восемь из них были утверждены как минералы: баженовит CaSs*CaS2O3*6Ca(OH)2*20H2O, годовиковит NH4(Al,Fe3+)(SO4)2, дмиштейнбергит Ca[AhSi2Os], ефремовит (NH4)2Mg2(SO4)3, рорисит CaClF, святославит Ca[AlSi2Os], сребродольскит Ca2Fe2Os и флюорэллестадит Ca10[(SO4)3(SiO4)3]6F2. В последствии долгое время Международная Минералогическая ассоциация (IMA) не признавала «антропогенные» минералы.
В настоящее время современное оборудование позволяет более детально изучить специфику минерализаций техногенных отложений. Техногенные процессы, протекающие в горелых отвалах Челябинского угольного бассейна, можно сравнить с природными процессами минералообразования: природные угольные пожары (Рават, Фан-Ягнобское месторождение угля, Таджикистан) и вулканические фумаролы (Толбачик, Везувий и другие). Значит, в схожих условиях мы можем наблюдать аналогичные образования минеральных фаз, что подчеркивает актуальность и значимость данных исследований. Стоит также отметить, что в настоящее время, согласно регламенту Международной Минералогической Ассоциации, если явление самопроизвольного возгорания угля является очевидным, то минералоподобные фазы можно утверждать, как новые минералы.
Главной целью данной выпускной дипломной работы является исследование кристаллохимических особенностей техногенных силикатов горелых отвалов Челябинского угольного бассейна.
Выделены следующие задачи, с помощью которых цель была достигнута:
- Анализ литературных данных;
- Отбор образцов поли и монокристаллов, необходимых для исследования;
- Исследование образцов методами рентгеновской дифракции, методами высокотемпературной терморентгенографии, методами КР и методами микрозондового анализа;
- Обработка экспериментальных данных и изучение структурных особенностей техногенных силикатов;
- Интерпретация результатов, в том числе, соотнесение с литературными данными.
В ходе написания выпускной квалификационной магистерской работы были освоены спектроскопические и дифракционные методы изучения кристаллической структуры вещества при комнатной и высокой температуре. Также были исследованы кристаллохимические особенности следующих техногенных силикатов: куспидин, альбовит, кутюхинит, ритмит.
Выполнены задачи, заключающиеся в:
- Анализе литературных данных;
- Отборе образцов поли- и монокристаллов, необходимых для исследования;
- Исследовании образцов методами рентгеновской дифракции, методами высокотемпературной терморентгенографии, методами КР и методами микрозондового анализа;
- Обработке экспериментальных данных и изучении структурных особенностей техногенных силикатов;
- Интерпретации результатов, в том числе, соотнесения с литературными данными.
В процессе исследования техногенных силикатов были получены следующие данные:
1. Для куспидина был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы кристаллографических параметров куспидина, фигуры коэффициентов термического расширения, графики зависимостей изменения параметров элементарной ячейки от повышения температуры и уравнения аппроксимации температурных зависимостей параметров и объема элементарной ячейки куспидина.
2. Для альбовита также был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы кристаллографических параметров альбовита, фигуры коэффициентов термического расширения, графики зависимостей изменения параметров элементарной ячейки от повышения температуры и уравнения аппроксимации температурных зависимостей параметров и объема элементарной ячейки альбовита.
3. Для кутюхинита был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы параметров кутюхинита, фигуры коэффициентов термического расширения, графики зависимостей изменения параметров элементарной ячейки от повышения температуры и уравнения аппроксимации температурных зависимостей параметров и объема элементарной ячейки кутюхинита.
4. Для ритмита был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы параметров ритмита.
Куспидин достаточно известный силикат кальция и в целом, наши исследования показали, что техногенная разновидность не имеет значительных отличий от природного куспидина, также термическое расширение кристаллической структуры куспидина является классическим для моноклинных структур.
Альбовит - техногенный аналог синтетического вещества схожего состава. В соответствии с регламентом IMA 2020 года альбовит можно рассматривать как новый минерал, так как горельники Челябинского угольного бассейна образовались в результате природного процесса самовозгорания.
Кутюхинит - техногенный аналог природного кумтюбеита, обнаруженного в ксенолитах в ингимбрите. Отмечено некоторое различие кутюхинита и кумтюбеита в химическом составе. В случае кумтюбеита в одну из позиций помимо F, входит гидроксильная группа, кутюхинит же является полностью F-разновидностью, хотя и в том и другом случае F является преобладающим, что позволяет рассматривать два данных минерала как идентичные. Спектр комбинационного рассеяния кутюхинита говорит о наличие (OH)-группы в высокочастотной области, однако спектр слабоинтенсивен, вероятно данный спектр можно отнести к примесной фазе. Обнаружение кутюхинита говорит о подтверждении признания техногенных минеральных фаз новыми минералами, так как природные аналоги существуют.
В случае ритмита согласно структурным данным и данным химического состава формула минерала отличается от формулы, полученной Б.В. Чесноковым, однако облик минерала, описанный им, его ассоциация и основные характеристики, включая сингонию и близость химического состава, позволяют нам косвенно подтвердить, что мы говорим об одном минеральном виде. Ритмит не имеет синтетических аналогов и кристаллохимические данные, полученные автором работы, являются абсолютно новыми. И также, как и в случае альбовита, ритмит может рассматриваться как новый минерал.
Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно резюмировать, что цель поставленной магистерской дипломной работы была достигнута.
Выполнены задачи, заключающиеся в:
- Анализе литературных данных;
- Отборе образцов поли- и монокристаллов, необходимых для исследования;
- Исследовании образцов методами рентгеновской дифракции, методами высокотемпературной терморентгенографии, методами КР и методами микрозондового анализа;
- Обработке экспериментальных данных и изучении структурных особенностей техногенных силикатов;
- Интерпретации результатов, в том числе, соотнесения с литературными данными.
В процессе исследования техногенных силикатов были получены следующие данные:
1. Для куспидина был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы кристаллографических параметров куспидина, фигуры коэффициентов термического расширения, графики зависимостей изменения параметров элементарной ячейки от повышения температуры и уравнения аппроксимации температурных зависимостей параметров и объема элементарной ячейки куспидина.
2. Для альбовита также был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы кристаллографических параметров альбовита, фигуры коэффициентов термического расширения, графики зависимостей изменения параметров элементарной ячейки от повышения температуры и уравнения аппроксимации температурных зависимостей параметров и объема элементарной ячейки альбовита.
3. Для кутюхинита был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы параметров кутюхинита, фигуры коэффициентов термического расширения, графики зависимостей изменения параметров элементарной ячейки от повышения температуры и уравнения аппроксимации температурных зависимостей параметров и объема элементарной ячейки кутюхинита.
4. Для ритмита был получен химический состав и рассчитана эмпирическая формула, исследован спектр комбинационного рассеяния, изучена кристаллическая структура и составлены таблицы параметров ритмита.
Куспидин достаточно известный силикат кальция и в целом, наши исследования показали, что техногенная разновидность не имеет значительных отличий от природного куспидина, также термическое расширение кристаллической структуры куспидина является классическим для моноклинных структур.
Альбовит - техногенный аналог синтетического вещества схожего состава. В соответствии с регламентом IMA 2020 года альбовит можно рассматривать как новый минерал, так как горельники Челябинского угольного бассейна образовались в результате природного процесса самовозгорания.
Кутюхинит - техногенный аналог природного кумтюбеита, обнаруженного в ксенолитах в ингимбрите. Отмечено некоторое различие кутюхинита и кумтюбеита в химическом составе. В случае кумтюбеита в одну из позиций помимо F, входит гидроксильная группа, кутюхинит же является полностью F-разновидностью, хотя и в том и другом случае F является преобладающим, что позволяет рассматривать два данных минерала как идентичные. Спектр комбинационного рассеяния кутюхинита говорит о наличие (OH)-группы в высокочастотной области, однако спектр слабоинтенсивен, вероятно данный спектр можно отнести к примесной фазе. Обнаружение кутюхинита говорит о подтверждении признания техногенных минеральных фаз новыми минералами, так как природные аналоги существуют.
В случае ритмита согласно структурным данным и данным химического состава формула минерала отличается от формулы, полученной Б.В. Чесноковым, однако облик минерала, описанный им, его ассоциация и основные характеристики, включая сингонию и близость химического состава, позволяют нам косвенно подтвердить, что мы говорим об одном минеральном виде. Ритмит не имеет синтетических аналогов и кристаллохимические данные, полученные автором работы, являются абсолютно новыми. И также, как и в случае альбовита, ритмит может рассматриваться как новый минерал.
Таким образом, учитывая все вышесказанное, можно резюмировать, что цель поставленной магистерской дипломной работы была достигнута.