Количественная оценка параметров структурного состояния железистых кварцитов с использованием рентгеновской дифрактометрии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Е.И. Терещенко, 2013

УДК 622.357.4: 546.222.665 Е.И. Терещенко

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИФРАКТОМЕТРИИ

Представлены результаты исследования параметров структурного состояния железистых кварцитов Лебединского месторождения. Установлено, что для различных минерально-технологических типов железистых кварцитов значения параметров структурного состояния различны.

Ключевые слова: рентгеновская дифрактометрия, структурное состояние, дифракционный пик, плотность дислокаций, микроискажения, блок мозаики.

Исследование процессов, протекающих в железистых кварцитах при механическом нагружении являются необходимыми условиями выбора рациональной технологической схемы их разрушения при добыче и переработке. В результате многообразия строения и состава железистых кварцитов возникает необходимость использовать анализ изменения параметров структурного состояния как до, так и после воздействия, определяемые с помощью рентгеновской дифрактометрии. Получаемая в результате исследования информация позволит установить механизмы деформации элементов строения в железистых кварцитах и выбрать рациональную технологическую схемы добычи и переработки.

Изменение исходного структурного состояния железистых кварцитов при механическом нагружении является известным фактом [3]. Под структурным состоянием горных пород следует понимать комплекс параметров, содержащий информацию о напряжениях и дефектах строения минерального агрегата на разных уровнях масштабного рассмотрения,

количественно описываемую группой соответствующих параметров [4]. Особенности поведения рудообра-зующих минералов, генетическая и структурная нарушенность зерен и железистых кварцитов определяют комплекс физических процессов, протекающих в железистом кварците при механическом нагружении. Это воздействие способно инициировать характерные механизмы изменения исходного структурного состояния руды на всех уровнях ее масштабного рассмотрения. Поэтому, перед тем как приступить к изучению структурных изменений, следует провести количественную оценку параметров генетического структурного состояния и рассмотреть особенности состава исследуемых исходных образцов.

Перспективы использования рентгеновской дифрактометрии для анализа структурного состояния железистых кварцитов определяются, прежде всего, структурной чувствительностью метода [3]. Обычно, его возможности применения ограничиваются задачами фазового анализа и определения параметров кристаллической решетки, образующих агрегат мине-

ралов. Для горных пород из-за многокомпонентное™ и низкой еиммет-рии етруктуры большинетва породообразующих минералов применение рентгеновекой дифрактометрии приобретает новые информационные возможное™.

Дифракционная картина раееея-ния рентгеновекого монохроматиче-екого излучения на криеталличеекой решетке какого-либо минерала ео-держит нееколько макеимумов отражения, угловое положение, выеота и форма которых евязаны ео етруктур-ными параметрами. Дифракционная картина раеееяния на железиетых кварцитах являетея еуммарной дифракционной картиной раеееяния, т.е. картиной наложения друг на друга дифракционных картин от отдельных рудообразующих минералов формируемые е учетом их еодержания [1]. Для выеокоточной региетрации дифракционной картины раеееяния рентгеновекого излучения на желези-етых кварцитах иепользуют рентге-новекие дифрактометры.

Принимая во внимание интегральную природу формирования дифракционного пика от поликриеталличе-екого образца, разброе значений напряжений вокруг ередней величины, евязанный неоднородноетью поля деформаций е, вызывает его ушире-ние. Кроме того ширина и форма профиля дифракционного пика рентгенограммы поликриеталла завиеят от величины раеееивающих облаетей йы — блоков мозаики [1].

С помощью рентгеновекой дифрактометрии возможно экеперимен-тально провеети количеетвенную оценку параметров етруктурного ео-етояния железиетых кварцитов на уровне минеральных зерен: размера блока мозаики микроиекажения е, плотноети диелокаций в блоках р£ и межблочных границах рб, оетаточных

етруктурных напряжений локальное напряжение на границе зерна оЬб, локальное напряжения внутри зер на оЬе.

Наиболее проетой прием раечета е и по данным рентгеновекой ди-фрактометрии еоетоит в иепользо-вании метода аппрокеимирующих функций [2].

Еели предположить, что уширение дифракционного пика вызвано ли бо иеключительно отноеительной деформацией криеталличеекой решетки (микроиекажениями), либо только измельчением блоков мозаики, то величина микроиекажений и размер блоков в направлении нормали к плоеко-ети отражения (ИКЬ) могут быть вы-

чиелены по формулам:

_ р

6 _В_ 4д0

(1)

Э -0,94Х А Э = р^ё, А

(2)

где в — иетинное физичеекое уширение иееледуемого образца; — размер криеталличееких блоков, А; 0 — угол Вульфа-Брегга для отражения рентгеновеких лучей из атомных плоекоетей (ИКЬ); е — микроиекаже-ние криеталличеекой решетки, X — длина волны излучения, А.

Еели же в изучаемом образце уширение пика вызвано двумя вышеприведенными уеловиями, то методика раечета етановитея непригодной, так как прежде чем пользоватьея указанными формулами, необходимо уета-новить доли вкладов в уширение дифракционного пика каждого из эффектов.

Для разделения эффектов II рода обычно иепользуетея еледующая ме-то дика. Выбираютея на рентгенограмме дифракционные пики двух порядков и измеряетея их экепери-ментальная полуширина Б1, которая

определяется как отношение площади под кривой дифракционного максимума к максимальной интенсивности.

Зафиксированное значение Б1 содержит в себе как геометрическое уширение, так и уширение, связанное со структурными изменениями.

Прежде чем приступить к разделению влияния эффектов, следует аппроксимировать профили зарегистрированных экспериментальных кривых одной из следующих функций [1-3]:

J = е кХ — функция Гаусса; 1

(3)

J =

J =

1 + кх2 1

— функция Коши;

1 = 1 - Ь

(6)

в = ре + рб (7)

где ре — физическое уширение, обусловленное микроискажениями; рб — физическое уширение, обусловленное размерами блоков.

По известным величинам ре и рб получим:

в = ^ + 4^

О соэ 9

(8)

(4) О =

Из уравнения (8) для двух порядков (Н1 К1 L1) и (Н2 К2 L2) дифракционных пиков получим следующие выражения:

0,94^(э1п(91) - (б1п(92))

в1 соэ(91) э1п(92) - Р2 еоз(92)з1п(91

2 2 — квадратичная функ-(1 + кх)

ция Коши. (5)

Для исключения геометрического уширения необходимо провести съемку рентгенограммы анализируемых пиков эталонного образца, где уширение дифракционного пика будет обусловлено только геометрией рентгенограммы.

Вклад геометрического уширения определяется в соответствии с профилем экспериментальной кривой (для функции Коши) по формуле:

е = -

Р2 соэ(92) - в1 соэ(91)

4(ап(9„) - в1п(93))

(9) (10)

Б Б

где Ь — ширина соответствующего дифракционного пика эталонного образца; в — истинное физическое уширение пика, обусловленное только эффектами II рода; Б — ширина дифракционного пика исследуемого образца.

Теоретические расчеты показали, что для профиля описываемого квадратичной функцией Коши физическое уширение можно определить по формуле:

Значения положения центра тяжести линий 01 и 02 определяются из рентгенограмм.

Таким образом, используемый метод анализа уширений дифракционных пиков двух порядков (Н1 К1 и (Н2 К2 Ь2), с учетом аппроксимации профилей зарегистрированных максимумов и геометрии рентгенографи-рования, позволяет с достаточной точностью определить размеры блоков мозаики (Ом) и степень развития микроискажений (е).

Следует иметь в виду, что все сказанное относится в основном к кристаллитам кубической формы и веществам, кристаллизующимся в кубической сингонии. В случае иной формы кристаллитов раздельное определение влияния микронапряжений и размеров кристаллитов можно производить только по дифракционным пикам с одинаковым соотношением индексов (Н, К, £), т.е. (111) и (222).

Если исследуемый минерал кристаллизуется не в кубической син-гонии, то вычисление размеров «кристаллитов усложняется (даже при отсутствии микронапряжений) Так, в случае ромбической синго-нии, и, если предположить, что кристаллиты имеют форму параллелепипедов [1],

1 1

DMa X *

1 X 1м

1X И2 1X кМ

—+—^-т +

X V

(11)

X сс

где

о2 1 у ■

Лля вычисления Dl

Ма

DMb, Dм

необходимо найти, Dм по крайней

мере, для трех разных плоскостей И, к, 1.

Необходимым требованием к качеству дифракционного пика является его достаточная интенсивность по сравнению с фоном (интенсивность структурных пиков должна быть больше возможных флуктуаций фона, а в связи с этим ошибки в определения интенсивности при съемке не должны превышать 2—5%, что вполне достижимо при съемке на диф-ракгометре) [3].

Плотность дислокаций, находящихся на границе блоков и обусловливающих их разориентировку, оценивается по формуле [1]:

Рб = -3£ (12)

где Dм — размер блока (ОКР); п — число дислокаций на границе блока мозаики.

При п = 1 (хаотическое распределение дислокаций)

Рб = Ш, Л2. (13)

D,

м

Рассчитать плотность дислокаций внутри блока рб, можно используя следующие выражения: к_

(Ь2'

_2 А-2

(14)

— величина блоков, най-

к = -6Е-, А-м О X 1п—

(15)

денная из расширения дифракционного пика с индексами Ик1; а, Ь, с — параметры решетки; Dм ,— размеры

блоков в направлениях периодов решетки.

где Е — модуль Юнга; О — модуль сдвига, Ь — вектор Бюргерса, г — расстояние от ядра дислокаций, г0 — радиус ядра дислокаций.

Информативность использования рентгеновской дифрактометрии для анализа компонентов иерархической системы напряжений в значительной мере зависит от сложности строения анализируемого объекта. Лля анализа усредненных остаточных структурных напряжений в компоненте используют следующее выражения:

5 = Сш X 8 ли, Па (16)

где Сш — параметр упругости минерала в направлении Ик1; — усредненная деформация кристаллической решетки.

Среднюю величину локальных напряжений, вызванную наличием в минерале дислокаций, определяют так:

стб = О X Ь^р~б, Па

(17)

D

м

Если условно принять, что максимальная длина скопления дислокаций

1

г0

Таблица 1

Минеральный состав железистых кварцитов Лебединского месторождения

Минералы Усредненное относительное содержание минералов в различных минерально-технологических разновидностях кварцитов, (%)

Гематито-магнетитовые кварциты Магнети-товые кварциты Куммингтонито-магнетитовые кварциты Биотито-магнетитовые кварциты

Кварц 34,4 33,2 32,6 35,2

Магнетит 38,8 47,1 40,9 36,0

Гематит 12,3 — — —

Доломит 3,6 3,9 — —

Анкерит — 0,3 6,4 4,5

Щелочной амфибол (рибекит) 6,5 7,1 2,6 1,3

Куммингтонит — — 12,5 9,1

Актинолит — 1,2 — —

Эгирин 1,0 1,7 — —

Биотит + зеленая слюда 1,6 3,5 4,1 13,1

Тальк 1,1 0,9 — —

Плагиоклаз (альбит) — 0,5 — —

Апатит 0,65 0,5 0,5 0,5

Пирит + пирротин 0,05 0,1 0,4 0,3

Доля каждого типа кварцитов по отношению к запасам, % 12 49 24 15

в зерне равна размеру блока мозаики Э, то максимальное локальное напряжение на границе зерна определяется по формуле:

О X Ь X ре

^ =

Охпхрб X (1 - V).

(18)

где V — коэффициент Пуассона.

Железные руды Лебединского месторождения отличаются от руд других месторождений высоким качест-

вом из-за преобладающего содержания в рудной толще магнетитовых кварцитов (более 70 %). Однако, присутствие в ней труднообогатимых разновидностей, к которым относятся куммингтонит — магнетитовые и биотит — магнетитовые кварциты, может создать определенные технологические трудности. Главной специфической особенностью минеральных агрегатов этих руд является высокое содержание считающихся второсте-

26 28 30 32 34 36 38 относительное содержание железа в кварците, %

Рис. Распределение значений содержания железа общего в исследуемых образцах кварцитов Лебединского месторождения

пенными для кварцитов нерудных минералов: биотита, амфиболов (кум-мингтонита и др.), щелочных амфиболов, карбонатов и др. Кроме того, в них иногда отмечается высокая концентрация серосодержащих минералов (пирита, пирротина), присутствие которых в конечном металлосодер-жащем продукте строго регламентировано. В табл. 1 представлена усредненная характеристика минерального состава различных кварцитов

Лебединского месторождения.

Лля экспериментального исследования параметров структурного состояния использовались образцы некондиционных железистых кварцитов Лебединского ГОКа, изготовленные из керновых проб различных скважин, пройденных в результате разведочного бурения рудной толщи. Съемка проводилась на компьютеризированном дифрактометре АЛП-2, с использованием РеКа. Отобранные пробы были представлены магнетитовыми, куммингтонит — магнети-товыми и биотит — магнетитовыми минерально-технологическими разновидностями кварцитов с широким диапазоном изменчивости содержания общего железа в образцах.

В результате экспериментальной оценки параметров структурного состояния магнетита железистых кварцитов Лебединского месторождения были получены их значения, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Усредненныю параметры структурного состояния магнетита различных разновидностей железистых кварцитов Лебединского ГОКа

22

24

Параметры структурного состояния Гематит-магнетитовые кварциты Магне-титовые кварциты Куммингтонито-магнетитовые кварциты Биотито-магнетитовые кварциты

Ом, А 625.6 507.4 630.1 665.3

Рб*106, А-2 10.9 14 10.3 10.6

Ре*106, А-2 5 6.1 4.7 4.8

аьб, ГПа 0.13 0.14 0.12 0.13

аье, ГПа 0.096 0.054 0.043 0.042

аь, ГПа 0.72 0.71 0.73 0.71

Выполненные исследования показали, что на Лебединском месторождении выделяется несколько типов железистых кварцитов, мине-ралого-структурно-текстурные особенности строения, которых определяют различия их механических и технологических свойств. При исследовании процесса разрушения железистых кварцитов целесообразно рассматривать взаимосвязи механических и технологических свойств с параметрами структурного состояния минерального агрегата. Выявление такой связи позволит установить механизмы деформации элементов строения в железистых кварцитах и выбрать рациональную технологическую схемы добычи и переработки.

1. Зильбершмидт М.Г., Заворыкина Т.К. Методы анализа структурного состояния горных пород. — Москва, 1989 г. — 88 с.

2. Иверонова В.И., Ревкевич Г. П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. — М., Изд-во Моск. Ун-та, 1978. — 275 с.

3. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процес

При исследовании параметров структурного состояния железистых кварцитов было установлено, что для их различных типов характерны свои значения параметров. Так размеры блоков мозаики Ом варьируются в диапазоне от 500 — 700 А, причем для магнетитового кварцита размер блока мозаики имеет наименьшее значение. Значения плотности дислокаций на границе блоков рб изменяются в пределах (10—15)*10-6 А-2, плотности дислокаций внутри блока ре — (4—7)*10-6 А-2, средних локальных напряжений на границе зерна оьб — (0.1—0.15) ГПА, средних локальных напряжений внутри зерна оье — (0.04—0.1) ГПА, средних остаточных напряжений — (0.7—0.8) ГПа.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

сах горного производства. — М.: Недра, 1994. — 224 с.

4. Терещенко Е.И. Влияние особенностей состава, строения и структурного состояния железистых кварцитов на характер их разрушения. — В сб. Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых ученых и специалистов — Москва: 2010. — С. 128—130. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Терещенко Е.И. — аспирант кафедры ФГПиП, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru