CC BY
73
---------------------------------------- © И.В. Велесевич, В.А. Винников,
М.Г. Зильбершмидт, Е.И. Терещенко,
2011
УДК 622.357.4
И.В. Велесевич, В.А. Винников, М.Г. Зильбершмидт,
Е.И. Терещенко
ОСОБЕНННОСТИ СТРОЕНИЯ И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ СЛОЖНОГО СОСТАВА
Представлены результаты исследования особенностей строения и структурного состояния железистых кварцитов сложного состава Лебединского месторождения. Описаны характерные морфологические признаки присутствия основных рудообразующих минералов в кварцитах основных минералого-технологических типов. Приведены значения параметров, характеризующих структурное состояние магнетита и кварца. Установлены диапазоны изменчивости относительного содержания минералов в основных разновидностях кварцитов и выявлены минеральные формы и характер присутствия в них серы.
Ключевые слова: железистые кварциты, мономинеральные концентраты, магнетит и гематит, структурное состояние.
Эффективность технологических приемов получения качественных мономинеральных концентратов из железистых кварцитов, как и любого другого вида рудного минерального сырья, в значительной степени зависит от особенностей их состава и строения, определяющих формы, размеры, концентрацию и распределение в полиминераль-ном агрегате слагающих его компонентов. Знание таких особенностей приобретают особую актуальность при разработке месторождений, рудная толща которых сформирована несколькими разновидностями полиминеральных комплексов, технологические свойства которых отличаются друг от друга в пределах отрабатываемого массива.
Железистые кварциты Лебединского месторождения имеют специфическую изменчивость содержания основных образующих минералов [1]. В основном они сложены кварцем и оксидами желе-
за. Основные породообразующие минералы группы силикатов железистых кварцитов этого месторождения представлены: моноклинными амфиболами: куммингтонитом, актинолитом,
тремолитом, грюнеритом; щелочными амфиболами: рибекитом, глаукофаном; ром-бическим амфиболом: антофиллитом. Помимо этого в полиминеральном агрегате кварцита могут присутствовать слюды: биотит, мусковит, зеленая слюда и карбонаты: анкерит, сидерит, кальцит, доломит. К акцессорным минералам относятся: пирит, пирротин, гетит, апатит, тальк, лепидокрокит, минералы группы хлоритов. К железистым кварцитам сложного состава можно отнести разновидности в которых кварц в значительной степени замещается амфиболами, слюдами, карбонатами и др.
Общая информация о составе железистых кварцитов к сожалению не позволяет делать надежные выводы об их
технологических свойствах. Это связано с тем, эти свойства в большинстве случаев являются структурночувствительными. То есть они в значительной мере зависят от характера присутствия тех или иных минералов в полиминераль-ном агрегате.
Исследование особенностей состава, строения и структурного состояния минерального вещества железистых кварцитов сложного осуществлялось с применением комплексного методического подхода, использующего для повышения информативности возможности нескольких методов анализа минерального вещества, данные которых позволяют не только подтверждать, но и взаимно дополнять друг друга. Комплексность подхода заключается в использовании компьютеризированной оптической микроскопии, рентгеновских дифракто-метрии и флуоресцентного анализа, а также, химического анализа.
Выполненные исследования позволили выявить характерные особенности присутствия силикатов и серосодержащих минералов в железистых кварцитах. Было установлено, что куммингтонит встречается в виде самостоятельных зерен шестоватой, призматической, игольчатой формы длиной от 0,01 до 0,8 и более мм. Его лучистые, сноповидные и хаотические «волокнистые» агрегаты часто содержат вкрапления других минералов. Наряду с кварцем он является одним из основных минералов, слагающих силикатные слои. Куммингтонит в качестве включений может присутствовать в зернах магнетита, гематита и пирита. Наибольшее содержание кумминг-тонита отмечено в магнетит-кумминогтонитовых и куммингтонит-магнетитовых разновидностях руд, в которых его количество варьирует в пределах от 10 до 35 %, в среднем от 15 до 25 %.
Формы срастания с магнетитом и гематитом разнообразны. Наиболее часто встречаемые внешние срастания по границе зерен. Границы срастания с магнетитом, как правило, неровные, извилистые и, в большинстве своем, плотные, ненарушенные, а с торцевыми участками кристаллов куммингтонита магнетит имеет зазубренные, ступенчатые границы и часто трещиноватые, с выколов-шимися фрагментами. Реже куммингто-нит образует вкрапления тонких зерен (0,005-0,05 мм) в магнетите и гематите, значительно ухудшая технологические качества рудных минералов, заполняет трещины в рекристаллизованном магнетите.
Характерные особенности кумминг-тонита, содержащегося в исследуемых образцах железистых кварцитов Лебединского ГОКа, иллюстрируют фотографии, представленью на рис. 1-2.
Аактинолит, образует вытянутые, игольчатые и нитевидные кристаллы, собранные в радиально-лучистые, спу-тано-волокнистые агрегаты зеленых оттенков. Характерны четкие границы срастания в агрегатах, выколовшиеся участки игольчатых окончаний кристаллов на стыке с другими минералами. Размеры зерен в пределах от 0,01 до 1,5 мм.. В актинолит-магнетитовых кварцитах формирует самостоятельные слои и прослойки, является одним из основных минералов, слагающих кварц-силикатные слои. Присутствует актино-лит в виде тонких включений в магнети-товых индивидах (см. рис. 3). В железистых кварцитах ЛГОКа в среднем содержится от 7 до 12 % актинолита.
Тремолит по кристаллической структуре и многим физическим свойствам аналогичен актинолиту. Форма и размеры зерен аналогичны актинолиту (см. рис. 4).
Рис. 1. Ув. 12,5х8х10. Куммингтонитовый Рис. 2. 6,3х8х10. Магнетитовый слой в слой на границе с кварцем контакте с кварц-кумми-нгтонитовым
слоем. Куммингтонитовые включения в магнетите
Рис. 3. Ув.12,5х10х10. Агрегат магнетита в Рис. 4. 25х8х10. Агрегат игольчатого тре-срастании с актинолитом молита
Так же образует лучистые, волокнистые агрегаты, участвует в формировании силикатных слоев.
Антофиллит - ромбический амфибол, по составу близок куммингтониту. Обладает спайностью по призме. Кристаллы имеют призматический, столбчатый облик. Образует спутано-волокнистые массы, иногда в срастании с кварцем. С рудными минералами имеет более плотные границы и менее нарушенные, чем в случае с актинолитом и куммингтонитом (см. рис. 5). Кристаллы удлиненно-призматического габитуса.
Грюнерит - моноклинный амфибол с кристаллической структурой, аналогичной структуре тремолита. Спайность по
призме совершенная. Кристаллы удли-ненно-призматичес-кого габитуса. Часто образуют волокнистые массы. Характерны полисинтетические двойники. В железистых кварцитах часто соседствует с куммингтонитом, тремолитом или замещает их. Встречается реже описанных выше амфиболов.
Щелочные амфиболы имеют ограниченное распространение в изученных образцах и представлены, в основном, рибекитом и глаукофаном.
Кристаллы имеют игольчатую, столбчатую и призматическую форму. Размеры зерен могут варьировать от 0,01 до 1,5 мм. Нередко образуют волокнистые агрегаты. Часто вкраплены в кварц. Меж-
зеренные границы с магнетитом имеют ступенчатый, извилистый рельеф. Бывают трещины по контакту зерен с рудными минералами.
Наиболее часто встречаемые слюды в изученных железистых кварцитах: биотит и зеленая слюда.
Биотит. Облик кристаллов таблитчатый, гексагональный. Из-за относительно невысокой твердости зерна биотита в аншлифах имеют более низкий рельеф по сравнению с другими силикатами. Спайность совершенная. В кварц-силикатных слоях присутствует в виде тонких листоватых чешуек размером от 0,01 до 1,2 мм или ксеноморфных агрегатов величиной до 2,0 и более мм. Иногда образует тонкие слои или прожилки. Встречается в качестве тонких пойкили-товых включений 0,005 мм и более в магнетите (см. рис. 5-6).
Зеленая слюда (селадонит) близка по кристаллографическим и морфологическим свойствам биотиту. Характерным отличием являются зеленые оттенки индивидов. Так же, как и биотит присутствует в виде удлиненных или ксеноморф-ных зерен, образует скопления и слойки различной величины, содержится в виде вкраплений в магнетите. Индивиды биотита и зеленой слюды чаще ориентированы вдоль слоистости, реже под углом и произвольно. С магнетитом образуют различные типы срастаний: от субидиоморф-ных до мирмекитоподобных.
Наибольшее содержание слюд отмечено в куммингтонит-магнетитовых разновидностях руд и варьирует в пределах от 10 до 30 %. Присутствуют практически во всех представленных типах руд.
Преобладающим минералом группы карбонатов в изученных железистых кварцитах является анкерит. Сидерит, доломит и кальцит встречаются значительно реже.
Индивиды карбонатов имеют различный облик: от ромбовидных до ксе-номорфных. Могут образовывать агрегаты, зернистые массы, прослойки. В зернах наблюдаются полисинтетические двойники. Спайность совершенная по ромбоэдру. Границы с магнетитом преимущественно ломаные, извилистые, малодефектные. С кварцем карбонаты образуют мирмекитоподобные срастания с четкими, рельефными границами (см. рис. 7-8). Сидерит чаще наблюдается в виде прожилков в агрегатах кварца. Совместно с амфиболами и слюдами составляют силикатные слои.
Серосодержащие минералы железистых кварцитов ЛГОКа - пирит и пирротин в той или иной степени содержатся практически во всех типах руд. Однако, наибольшее количество сульфидов отмечено в биотит-магне-титовой разновидности, причем относительное содержание серосодержащих минералов варьирует от нескольких сотых долей до 2-4 %.
Сульфиды в исследованных образцах представлены в основном пиритом. Размеры пиритовых образований изменяются в пределах от 0,005 до 3 - 5 мм. Большинство пиритовых зерен имеют размеры в диапазоне от 0,05 до 0,4 мм. Довольно часты пиритовые агрегаты размером до 1,5 мм.
Формы выделений пирита весьма разнообразны: от округлых, изометрич-ных, идиоморфных зерен с хорошо образованными гранями (это, как правило, более мелкие индивиды от 0,005 до 0,1 мм) до игольчатых, вытянутых искривленных, коррозионных, скелетных, а так же структур замещения по магнетиту, сидериту, силикатам. В этом случае границы срастания с контактирующими минералами могут быть глубоко взаимопроникающими, остроугольными, сильно извилистыми. Распределение зерен пирита
Рис. 5. Ув. 12,5х8х10. Прожилок антофиллита с игольчато-шестова-тыми включениями слюды (биотита)
Рис. 6. Ув. 25х8х10. Агрегат биотита в сростке с магнетитом в кварце
Рис. 7. Ув.12,5х8х10. Срастания анкерита с Рис. 8. Ув. 12,5х8х10. Мирмекитоподобные кварцем и магнетитом срастания анкерита с кварцем
в нерудной составляющей произвольное, не имеющее преимущественной направленности относительно слоистости. Часть пирита находится в срастании с магнетитом, образуя внутренние и внешние срастания, при этом границы срастания часто имеют сложный характер. Другая часть рассеяна по кварц-силикат-ным слоям. В некоторых образцах пирит размещается по границам контакта вокруг зерен силикатов.
Небольшая часть зерен пирита содержит мелкие включения магнетита и пирротина.
Контакты между зернами пирита с магнетитом чаще не нарушены, но в некоторых случаях четкий черный контур можно рассматривать как нарушение
сплошности пограничного пространства.
Основное количество пирротина сосредоточено в виде пойкилитовых включений размером 0,001-0,05 мм внутри магнетитовых индивидов. Меньшая часть образует внешние срастания с магнетитом и пиритом. Редко наблюдаются самостоятельные зерна неправильных форм и агрегаты размером от 0,005 до 0,5 мм (см. рис. 9-10).
Выполненные исследования показали, что силикатные минералы в исследованных разновидностях железистых кварцитов представлены различными амфиболами (моноклинным и ромбическим), слюдами, моноклинными пироксенами (например, эгирин). Кроме
Рис. 9. Ув. 25х10х10. Внутренние и внешние срастания сульфидов с магнетитом
них в кварцитах присутствуют карбонаты. В связи с этим можно прогнозировать рост средней плотности нерудной фракции за счет того, что плотность амфиболов выше плотности кварца. Кроме того, достаточно высокая их твердость (не меньшая чем у кварца) и наличие у них совершенной спайности должно вызывать образование при дезинтеграции вытянутых (столбчатых) минеральных частиц куммингтонита, актинолита и других амфиболов. Слои «зеленых слюд» в кварцитах часто представлены не окрашенными в зеленый цвет разновидностями слюд (типа селадонита), а агрегатами эгирина.
Исследования показали, что доля пирротина в общем объеме сульфидов железа составляет не более 10-15 %. Следует отметить, что в процессе изучения представленных образцов не отмечен факт преобладания сульфидов в рудных или нерудных агрегатах. Их присутствие наблюдается с примерно одинаковой вероятностью в обоих составляющих. Это свидетельствует о том, что содержание серы в руде не способно однозначно определять её количество в концентрате.
Проведенные исследований показали, что морфологически структуры железистых кварцитов несколько различаются в
Рис. 10. Ув. 12,5х8х10. Формы срастания магнетита с пиритом
зависимости от их минерально - технологических типов. Некоторые различия наблюдаются и в строении рудных, смешанных и безрудных слойков. Магнети-товые кварциты на месторождении составляют около 50 % продуктивной толщи. Главными минералами в них являются магнетит (до 47 %) и кварц (около 33 %) (см. табл. 1). В небольших количествах (менее 10 %) присутствуют щелочные амфиболы, доломит, актинолит, тальк и эгирин.
Кумминггонито-магнетитовые кварциты развиты преимущественно в нижней железорудной подсвите. Рудный минерал в них представлен только магнетитом, нерудный — кварцем (в среднем около 30 %), кумминггонитом и антофиллитом (в сумме до 20 %); биотитом и зеленой слюдой (до 10 %); карбонаты представлены анкеритом (от 2 до 4 %); иногда присутствуют щелочные амфиболы.
Биотито-магнетитовые кварциты характеризуются наименьшим содержанием магнетита (около 30 %), наибольшим — кварца (35 %). Биотит вместе с зеленой слюдой присутствуют на уровне 13-17 %, содержание кумминггонита
Таблица 1
Различия минерального состава минерально-технологических разновидностей исследованных образцов железистых кварцитов ЛГОКа
Минералы Магнетитовые кварциты Кумминггонит -магнетитовые кварциты Биотит — магнетитовые кварциты
Кварц 29,5-34,5 32,2-37 12,5-17,5
Магнетит 34-39 26,6-31,5 30-35
Гематит 1,73-2,0 0,17 -
Все карбонаты 2,6-3,5 8,1-13 2,5-5,0
Все амфиболы 13,5-17,0 18,5-22,5 30-35
Эгирин 0,5 - 2 - -
Биотит+
зеленая слюда 2,5-4,5 7,6-11,5 9-13,5
Пирит + пирротин 0,23-0,25 0,43-0,52 5-7
Таблица 2
Значения параметров структурного состояния магнетита и кварца в минеральном агрегате железистых кварцитов Лебединского месторождения различных минералогических типов
Параметр Г ематит — магнетитовые кварциты Магнетитовые кварциты Кумменгтонит — магнетитовые кварциты Биотит — магнетитовые кварциты Щелочно- силикат- магнетитовые кварциты
Магн. Кв. Магн. Кв. Магн. Кв. Магн. Кв. Магн. Кв.
D А 625, 6 679 507,4 968,5 530,1 978,8 665,3 - 555,9 951,3
Ра • 106 Л'2 10,9 6,6 14 6,12 10,3 10 10,6 - 13 4,1
Ре • 106 Л‘2 5 2,04 6,1 1,59 4,7 2,05 4,8 - 19 1,61
ап, , ГПа 0,409 0,88 0,46 0,47 0,39 0,81 0,407 - 0,44 0,65
ае , ГПа 0,036 0,005 0,0142 0,006 0,03 0,007 0,034 - 0,12 0,069
а5 , ГПа - 1,5 0,113 - 1,23 0,102 - 1,27 0,157 - 1,23 - - 1,11 0,101
составляет около 8 %. Из второстепенных минералов развиты анкерит, щелочные амфиболы. Заметно присутствие сульфидов железа, содержание и форма присутствия которых варьирует в значительных пределах.
Помимо особенностей состава и строения железистых кварцитов на их поведения в процессах добычи и переработки должно оказывать структурное состояние минерального агрегата. Впервые понятие о структурном состоянии горных пород, характеризующем дефектную
структуру и систему остаточных напряжений было введено в работах Г.Я. Новика и М.Г. Зильбершмидта [2]. Для количе-
ственной оценки параметров, характеризующих структурное состояние минерального агрегата железистых кварцитов, использовались методы рентгеновской дифрактометрии и оптической микроскопии.
Впервые была выполнена количественная оценка параметров структурного состояния магнетита и кварца, слагающих полиминеральный агрегат железистых кварцитов различных минералогических типов, результаты которой представлены в табл. 2. В ней используются следующие их обозначения: Dм - размер блока мозаичного строения минерала; Реї - плотность дислокаций на границе блока мозаики; рЕ -
плотность дислокаций внутри блока мозаики; ое> - значение напряжений на границе блока мозаики; ое - значение напряжений внутри блока мозаики; - величина средних структурных напряжений в минерале.
Результаты показали, что параметры структурного состояния зерен кварца и магнетита в кварцитах различного минералогического типа несколько отличаются, что должно проявляться в различии их технологических свойств. В частности, высокая плотность дислокаций внутри блоков мозаики в зернах магнетита ще-лочно-силикат-магнетито-вых кварцитов может вызвать его высокую остаточную намагниченность, что способно негативно сказаться на эффективности магнитной сепарации. Относительно небольшая величина размера блоков мозаики зерен кварца в гематит-магнетитовых кварцитах свидетельствует о высокой величине в них остаточных структурных напряжений, что может повлиять на эффективность дезинтеграции всего агрегата. Необходимо отметить, что полученные данные подтвердили разнозначность напряженных состояний зерен магнетита и кварца в минеральном агрегате кварцитов, о чем свидетельствуют значения параметра , представленного в табл. 2.
1. Голивкин Н.И., Кононов Н.Д., Орлов В.П., Романов И.И., Соколов Н.А., Фоминов Ю.М., Шевырев И.А. Железные руды КМА. Изд. Геоинформмарк. М. 2001, 616 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------
Таким образом, железистые кварциты сложного состава Лебединского месторождения характеризуются значительной изменчивостью минерального состава, строения и структурного состояния. В частности, в куммингтонит-магнетитовых разновидностях железистых кварцитов наблюдается наибольшее содержание кварца (до 37 %), минералов группы карбонатов (до 13 %). Для биотит-магнетитовой разновидности характерно наибольшее содержание амфиболов (до 35 %), слюд (до 14 %), сульфидов (до 7 %) и наименьшее количество магнетита (до 31,5 %) и гематита. Серосодержащие минералы в железистых кварцитах с одинаковой долей вероятности представлены как в рудной, так и нерудной составляющей, причем, сульфиды представлены в основном пиритом.
Следует заметить, что при замещении кварца амфиболами, слюдами и карбонатами должно происходить изменение физикотехнических свойств кварцитов. Это обстоятельство целесообразно учитывать при вовлечении в переработку биотит - магне-титовых и куммингтонит - магнетитовых разновидностей и обосновании технологических схем их ресурсосберегающей переработки.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Новик Г.Я., Зильбершмидт М.Г. Управление свойствами пород в процессах горного производства, М., УРСС, 2010, 224 с.
Велесевич Ираида Васильевна - старший научный сотрудник, специалист в области исследования горных пород и помощью методов оптической микроскопии,
Винников Владимир Алексеевич - профессор,
Зильбершмидт Михаил Григорьевич - профессор,
Терещенко Евгения Ивановна - аспирант,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
