CC BY
56
УДК 553.411.8 (234.851)
РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ И АВТОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ - НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ЗОЛОТЫХ РУД
Т. П. Майорова 1, Е. О. Стаценко 2, А. А. Трифонов 2, Г. В. Нестеренко 3
1Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, [email protected] 2Казанский (Приволжский) федеральный университет, [email protected], [email protected] 3Институт геологии и минералогии СО РАН [email protected]
Проведено экспериментальное исследование руд золото-кварц-сульфидных проявлений Верхненияюское 2 и Ни-яхойское 2 (Полярный Урал) методами рентгеновской микротомографии и автоэмиссионной электронной микроскопии. Опробованы разные режимы съемки и анализа изображений. Получены трехмерные изображения внутреннего строения руд и распределения в них тонкодисперсного золота. Рассмотрены возможности изучения морфологии золотин субмикронной размерности.
Ключевые слова: рентгеновская микротомография, автоэмиссионная электронная микроскопия, тонкодисперсное золото, месторождения золота, Полярный Урал.
X-RAY MICROTOMOGRAPHY AND AUTOEMISSION ELECTRON MICROSCOPY - NEW POSSIBILITIES FOR STUDYING FI N ELY DISPERSED GOLD ORES
T. P. Mayorova 1, E. O. Statcenko2, A. A. Trifonov2, G. A. Nesterenko3 institute of Geology Komi SC UB RAS, Syktyvkar; 2 Kazanskii Federal University, Kazan; 3Institute of Geology and Mineralogy of SB RAS, Novosibirsk
An experimental investigation of gold-quartz-sulfide ore occurrences (Verhneniyayuskoe 2 and Niyahoyskoe 2) located in the Polar Urals was held by methods of X-ray microtomography and autoemission electron microscopy. Different shooting modes and image analysis were tried. The three-dimensional images of the internal structure of ores and distribution of fine gold in them were obtained. The possibility of study of submicron gold morphology is discussed.
Keywords: X-ray microtomography, autoemission electron microscopy, finely dispersed gold, gold deposits, the Polar Urals.
В последние годы появились новые высокоразрешающие приборы и методы, дающие широкие возможности для изучения вещества, но их внедрение в практику геологических исследований пока ограниченно. Одним из них является рентгеновская компьютерная томография — метод неразрушающего исследования внутренней структуры объекта, который дает возможность получать изображе-
ние внутренней структуры непрозрачных объектов в трехмерной проекции с высоким пространственным разрешением.
Этот метод позволяет получить новую информацию при документировании уникальных музейных и природных объектов [6]. В геологии он активно используется в изучении коллекторов нефти [1], в палеонтологических исследованиях [5, 7]. Есть при-
меры применения рентгеновской микротомографии при изучении разных видов природного и техногенного минерального сырья [3, 8]. Этот метод может найти более широкое применение при исследовании рудных месторождений, так как предоставляет возможность перейти от двухмерного изображения текстурно-структурных особенностей руд и распределения в них полезных компо-
нентов к трехмерным, что должно привести к новому пониманию закономерностей рудообразования. Одним из объектов, на котором можно опробовать возможности рентгеновской микротомографии (РТ), являются сульфидные руды с тонкодисперсным золотом.
Проведено экспериментальное РТ-исследование трех образцов золото-кварц-сульфидных (арсенопирит-пиритовых и арсенопиритовых) руд с тонкодисперсным золотом проявлений Верхненияюское 2 [4] и Нияхой-ское 2, расположенных в Нияю-Ни-яхойском рудном районе на поднятии Манитанырд (Полярный Урал). Цель данной работы — опробовать методику и оценить возможности применения рентгеновской микротомографии в первую очередь для изучения распределения тонкодисперсного золота и его морфологии в рудах, а также для выявления текстурно-структурных и других особенностей руд.
Работа выполнялась на промышленной микротомографической установке v|tome|x s 240 (GE Phoenix X-ray) при напряжении от 110 до 220 kV и силе тока от 200 до 550 mA с пространственным разрешением 68 и 82 мкм. Для воссоздания объёмных моделей образцов рентгеновские проекции обрабатывались в ПО datos|x reconstruction. Для визуализации и анализа данных по элементам объёмного изображения использовались ПО VG Studio MAX 2.1 и Avizo Fire 7.1.
Для съемки РТ-методом использовались образцы руд в виде пластинок примерно равного размера (см. таблицу). Первоначальный размер пластин-
Характеристика образцов для рентгеновской микротомографии
Номер образца Рудопроявление Характеристика руд Размер пластинки, мм
Состав Текстура Содержание золота
14184 Верхненияюское 2 (полярная зона) Арсенопирит -пиритовый Густо-вкрапленная менее 1 г/т 5x3.5x1
19001-3 Нияхойское 2 (зона 8) Арсено-пиритовый Массивная более 1 г/т 4.5x3x1.6
19096 Нияхойское 2 («конкреция» риолита) Арсено-пиритовый Пятнисто-вкрапленная Неизвестно 8x4x1 мм
ки массивной арсенопиритовой руды (обр. 19001-3) был уменьшен почти в два раза, так как руда отличается очень высокой рентгеновской плотностью. Были опробованы разные виды и режимы съемки: 1) получение рентгенограмм образца в отдельных сечениях и сериях сечений, трехмерные проекции (3Б-^ео); 2) томограммы трехмерных изображений распределения тонко -дисперсного золота и других рудных минералов в рудах и вмещающих породах (3D-video) с разной степенью разрешения.
Анализ полученных рентгенограмм всех образцов показал, что они сложены рентгеноконтрастными фазами (рис. 1, а). Идентификация минеральных фаз в процессе съемки не проводилась, но известные данные по составу руд [4] позволили определить основную массу зерен светло-серого тона как пирит, рассеянные вкрапленники белого цвета (сильнопоглощаю-щие) — как арсенопирит. Зерна более темных оттенков серого цвета соответствуют кварцу и силикатам. На сечениях, перпендикулярных плоскости пластинки, достаточно четко проявляется полосчатая текстура руды, местами переходящая в пятнистую (рис. 1, б, в). На томограмме этого образца хорошо видно, что в его нижней
Рис. 1. Виртуальные томограф ические срезы пластинки арсенопирит-пиритовой руды (обр. 14184): а — сечение XY, б — сечение I—I || YZ, в — сечение II—II || YZ
части вмещающие породы, а вероятнее, кварцевые прожилки смяты в мелкие складки, которым в общем плане подчинено и распределение золота (рис. 1, г), но оно концентрируется выше — в пиритовом агрегате. Получена и трехмерная 3D-визуали-зация образца, но из-за сложности строения руды и высокой скорости смены изображений она трудна для восприятия.
Идентификация золота в образцах проводилась выделением областей с максимальной рентгеновской плотностью. На рис. 2 представлены трехмерные проекции результатов обработки с выделением частиц золота в руде месторождения Верхненияюское 2 (обр. 14184, см. таблицу). В пиритовом зернистом агрегате микровыделения золота образуют вкрапленную текстуру разной степени сгущения — от редко- до густовкраплен-ной (рис. 2, а). Вместе с тем характер распределения золота более четко проявляется в изображениях с высоким пространственным разрешением, на которых просматриваются основные элементы внутреннего строения руды. Исходя из анализа обоих видов трехмерных изображений, распределение золота можно отнести к прожилковому, в генеральном плане подчиненному мелкой складчатости вмещающих пород в нижней части образца, без резких границ, при этом сгущения вкрапленности коррелиру-ются с замками складочек. На трехмерной проекции с большим увеличением (рис. 2, б) наиболее наглядно виден рассредоточенный характер распределения золотин.
Формы золотин на томограмме выглядят иначе, чем их привычные изображения в электронном микроскопе. Поверхность выделений сглаженная, ровная либо «полого-волнисто-холмистая», без прямолинейных элементов, границы плавные. Вместе с тем при детальном рассмотрении морфологии золотин (рис. 2, в) можно выделить их традиционные типы: пластинчатый (уплощенный), капле-
Рис. 2. Распределение золота в арсенопирит-пиритовой руде (обр. 14184): а — трехмерная визуализация образца, б — вырезанная часть из модели образца размером 1 см3, в — вырезанная часть из модели образца размером 0.5 см3. Разрешение 68 мкм
видный (изометричный и слабо удлиненный), стержневидный (палочковидный), крючковидный. Идентифицируются и сростки золотин. Можно предположить, что тонкодисперсное самородное золото в арсенопирит-пиритовых рудах Полярной зоны месторождения Верхненияюское 2 относится к интерстициальному типу, но его взаимоотношения с вмещающими минералами специально не изучались.
На рентгенограммах образца ар-сенопиритовых руд проявления Ни-яхойское 2 с видимым золотом (обр. 19001-3, см. таблицу) диагностируется не менее трех рентгенокон-трастных фаз (рис. 3, а). Как и в первом случае, идентификация минерального состава фаз, кроме золота, при съемке не проводилась, но предварительное описание руд позволяет определить фазы белого цвета как золото, светло-серого цвета — как арсенопирит, а темно-серого цвета — как вмещающие породы и кварц. Анализ серии рентгенограмм продольных и поперечных сечений образца показывает, что текстура руды во всем объеме массивная. Томограмма демонстрирует рассредото-
ченный характер распределения зо-лотин в объеме образца и более плотную их концентрацию в верхней части (рис. 3, б). Преобладающая масса золотин имеет мелкие размеры, более крупные выделения немногочисленны (рис. 3, в). Трехмерные проекции, развернутые друг относительно друга на 45° (рис. 4), позволяют рассмотреть форму каждого зерна с разных сторон. Преобладают зерна изометричной, каплевидной, эллипсовидной, булавообразной формы, отмечаются также гантеле-видные и веретенообразные выделения. Присутствует некоторое количество стержневидных выделений. Таким образом, по морфологии частиц выявляются существенные отличия золота проявлений Нияхойс-кое 2 и Верхненияюское 2.
Следующим объектом изучения была «конкреция» риолита с линзо-видной текстурой, подчеркнутой вкрапленной арсенопиритовой минерализацией (обр. 19096, см. таблицу). На рентгенограмме в силикатной матрице четко выявились две рентге-ноконтрастные фазы — прожилки светло-серого цвета и заключенные между ними линзочки темно-серого
цвета, к которым и приурочена вкрапленность арсенопирита (рис. 5, а). Разная рентгеновская плотность этих фаз указывает на их различный химический состав, что предстоит выявить в дальнейшем другими методами исследования. Серия рентгенограмм в параллельных сечениях (рис. 5, б) позволяет изучить детали внутреннего строения «конкреции» без разрушения образца и выбрать наиболее информативные участки и сечения для изучения текстурно-структурных особенностей, состава пород и рудной минерализации традиционными методами.
Еще одним направлением исследования стало определение фазовых границ и морфологии субмикронных и наноразмерных выделений золота в сульфидах (арсенопи-рите или пирите) на примере руд проявления Нияхойское 2, изученных на рентгеновском микротомографе (обр. 19001-3, см. таблицу). Ранее отмечалось, что изучение природных наночастиц, в том числе самородного золота, их морфологии, структуры и других особенностей является одним из динамично развивающихся направлений в современ-
Рис. 3. Трехмерная визуализация пластинки арсенопиритовой руды (а); распределение золота в образце (б); вырезанная часть
из модели образца размером 1 см3 (в). Разрешение 82 мкм (обр. 19001-3)
а б
в * 1А л F1 я Q »
% Ф & t # * Л i' —. * . ф ш г •щ # т * ч Si i % • ф
.Ш1 *Y • яг
%
Рис. 4. Визуализация распределения золота в арсенопиритовой руде (обр. 19001-3): вырезанная часть из модели образца размером 0.5 см3 в разных проекциях (а, б).
Разрешение 82 мкм
ной геологии, что, в свою очередь, требует разработки новых и совершенствования существующих аналитических методов исследования наноразмерных и субмикронных компонентов [2]. Известно, что на сканирующих электронных микроскопах в срезах аншлифов частицы золота и других минералов размером менее 1 мкм при стандартных условиях съемки во вторичных электронах (напряжение 20 kV, сила тока 20 mA) имеют форму овалов с размытыми границами. Появление автоэмиссионных электронных микроскопов расширило возможности исследования субмикронных выделений разного состава. Их технические характеристики позволяют получить высокоразрешающий контраст в Inlens-режиме при добавлении ускоряющего напряжения на 10 кВ, дают возможность постоянного изменения силы тока от 4 до 300 nA, а также режимов, либо опционально делить экран для вывода работы нескольких режимов одновременно и ряд других.
Нами проведено исследование субмикронных выделений золота на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе MERLIN при разных величинах ускоряющего напряжения, позволившее визуализировать их ф орму и получить четкое изображение морфологии частиц (рис. 6). Еще одним достоинством этого электронного микроскопа является возможность изучения образцов без напыления проводящего слоя, так как встроенная электростатическая линза расширяет зону торможения и ускоряет выход электронов с поверхности образца.
Изучение тонкодисперсного золота проводилось на сколе образца арсенопиритовой руды. В процессе исследования при стандартных условиях съемки (напряжение 20 kV, сила тока 20 mA) на участке площадью около 1 см2 было обнаружено десять выделений золота (рис. 6, в) размером от 20 до менее 1 мкм. Мелкие частицы (2.5—1 мкм и менее) приурочены к сколам арсенопирита, более крупные (20—8 мкм) — к тонким прожилкам скородита, замещающего арсенопи-рит. Частицы золота размером до 1 мкм имеют четкие границы, менее 1 мкм — размытые (рис. 6, а). На мик-роф ото граф ии при ускоряющем напряжении 5 kV четко проявляется кристаллическая форма субмикронной золотинки размером 817.8 нм, но
при этом исчезает контраст изображения между золотом и вмещающим ар-сенопиритом (рис. 6, б).
Таким образом, проведенное нами исследование показало эффективность применения рентгеновской микротомографии для изучения микротекстурных особенностей сульфидных руд с тонкодисперсным золотом, визуализации характера его распределения в рудах в трехмерных проекциях, а также морфологии частиц тонкого золота. Рентгеновская микротомография в комплексе с автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопией значительно расширяет возможности изучения морфологии субмикронного золота, характера его границ с минералами-носителями, что может иметь важное значение при разработке методов обогащения этих упорных руд.
Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 12-С-5-
1020 и гранта РФФИ № 13-05-98820р_север_а.
Литература
1. Гришин П. А., Грачев Е. А. Исследования коллекторов углеводородов, проводимые с использованием рентгеновской микро- и мезотомогра-фии // Практическая микротомография: Материалы первой всерос. науч. конф. Казань: Изд-во КФУ, 2012. С. 107-115.
2. Жмодик С. М, Калинин Ю. А., Росляков Н. А. и др. Наночастицы благородных металлов в зоне гипергене-за // Геология рудных месторождений, 2012. Т. 54. № 2. С. 168-183.
3. Иоспа А. В., Якушина О. А. Исследование ильменита титано-цирконие-вых россыпей методами рентгеновской микротомографии и рентгенодифрак-ционного фазового анализа // Практическая микротомография: Материалы первой всерос. науч. конф. Казань: Изд-во КФУ, 2012. С. 171-177.
Рис. 5. Томограмма пластинки «конкреции» риолита (обр. 19096): а — общий вид, б — серия параллельных виртуальных срезов
Рис. 6. Изображения субмикронного включения золота в арсенопирите (скол): 1 — при ускоряющем напряжении 20 kV; 2 — 5 kV; 3 — энергодисперсионный спектр золота и арсенопирита. Аналитический автоэмиссионный сканирующий
электронный микроскоп MERLIN
4. Кузнецов С. К., Майорова Т. П., Сокерина Н. В., Филиппов В. Н. Золоторудная минерализация Верхнения-юского месторождения на Полярном Урале // Записки РМО, 2011. Ч. 140. № 4. С. 58—71.
5. Пахневич А. В. Рентгеновская микротомография в палеонтологии // Практическая микротомография: Материалы первой всерос. науч. конф. Казань: Изд-во КФУ, 2012. С. 25—33.
6. Стаценко Е. О., Уразаева М. Н, Сонин Г. В., Силантьев В. В., Галеев А. А. Промышленная микротомография
как метод документирования уникальных природных и музейных объектов // Практическая микротомография: Материалы первой всерос. науч. конф. Казань: Изд-во КФУ, 2012. С. 21—25.
7. Уразаева М. Н, Стаценко Е. О, Пономаренко Е. С., Сонин Г. В., Галеев А. А., Силантьев В. В. Рентгеновская микротомография: использование в минералогических и палеонтологических исследованиях // Современные проблемы теоретической, экспериментальной и приклад-
ной минералогии (Юшкинские чтения—2013): Материалы минералог. семин. с межд. участием. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2013. С. 483—485.
8. Якушина О. А., Ожогина Е. Г., ХозяиновМ. С. Современная рентгеновская микротомография геоматериалов // Практическая микротомография: Материалы первой всерос. науч. конф. Казань: Изд-во КФУ, 2012. С. 10—20.
Рецензент к. г.-м. н. Е. И. Сорока
