CC BY
38
© Д.О. Ожогин, 2008
УДК 549.08:622 Д.О. Ожогин
РОЛЬ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Семинар № 25
Отечественная минерально-
сырьевая база по ряду полезных ископаемых (руды благородных, редких, цветных металлов) представлена сегодня низкокачественными труднообога-тимыми рудами, отличающимися сложным взаимоотношением рудообразую-щих минералов, высокой дисперсностью, присутствием нескольких полезных фаз в весьма незначительных количествах, неоднородностью их состава. Совершенно очевидно, что для создания эффективных технологий переработки таких руд, ориентированных на комплексное извлечения всех полезных минералов, необходимо глубокое изучение их состава и строения.
Традиционный комплекс минералогических методов, используемый при технологической оценке различных видов минерального сырья, не всегда позволяет получить полную и всестороннюю информацию об изучаемом объекте, что определяется минералогическими особенностями руд. Следовательно, возникает объективная необходимость изучения их прецизионными методами, к числу которых относятся методы аналитической электронной микроскопии. Электронная микроскопия (ЭМ) сегодня является не только основой фундаментальных исследований, но и массовым аналитическим и контрольно-измерительным методом при изучении тонкодисперсных объектов. При углубленном исследовании минерального сы-
рья и продуктов его переработки с целью комплексного использования практически невозможно обойтись без привлечения методов ЭМ, позволяющих получить не только высококачественное изображение наблюдаемого объекта, но и информацию об особенностях его строения, минерального и элементного составов.
Основными методами современной электронной микроскопии являются просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), растровая электронная микроскопия (РЭМ) и электронная микроскопия - рентгеновский микроанализ, взаимно дополняющие друг друга. При технологической оценке минерального сырья обычно используется РЭМ, так как из всех методов ЭМ это наиболее дешевый и малозатратный метод. Однако, как показывают исследования в области технологической минералогии, при решении конкретных проблем (например, выявление и диагностика минеральных фаз цветных, редких и благородных металлов в океанических желе-зомарганцевых рудах, определение форм нахождения золота в рудах марганца, железа, титано-цирконие-вых россыпях, идентификация и изучение ультратонких дисперсных систем и рентгеноаморфных образований в урановых рудах.) необходимо привлечение ПЭМ.
При технологической оценке минерального сырья с помощью ЭМ может
быть получена не только морфологическая и кристаллохимическая информация о минералах, но и установлены термодинамические и типохимические характеристики интересующих фаз, что имеет принципиальное значение, например, при моделировании металлургических процессов.
Морфологическая информация. ЭМ позволяет определять размер и форму индивидов и агрегатов (от п до 0,п нм), слагающих тонкодис-персные руды или образующих микровключения в минералах, выявлять блочность кристаллов, фиксировать кристаллографическую огранку зерен и их взаимную ориентацию и т.д. Важное значение при определении воздействия различных процессов на минерал и руду в целом имеет размер и характер структурных элементов на поверхности минералов (структуры выщелачивания, гидратации и регид-ратации, переотложение вещества по трещинам и межблочным границам), устанавливаемые с помощью фракто-графии в электронных микроскопах. Соотношение структурных элементов дает возможность судить об устойчи-вости того или иного минерала к растворению, гидратации, сорб-ционной способности поверхности (по интенсивности накопления на поверхности минерала переотложенного вещества).
Кристаллохимическая информация. ЭМ позволяет идентифицировать тонкодисперсные фазы и фазы-микровключения, что имеет принципиальное значение при выборе оптимальной схемы переработки сырья для извлечения полезных минералов.
Известно [1, 2], что особенности реального строения минералов в значительной степени влияют на технологические свойства руды в целом. Электронно-микроскопическими исследова-
ниями можно определить дефекты упаковки, степень окисленности минерала, плотность и количество дислокаций, валентное состояние элементов, энергию связи элементов и распределение атомов по различным позициям в кристаллической структуре минерала, поведение и взаимодействие различных дефектов кристаллической решетки, механизм фазовых превращений, степень расслоения, особенности ориентационного взаимоотношения фаз, распад твердого раствора, характер псевдоморфных и вид смешаннослойных образований, по-литипные модификации минералов, элементный состав индивидов и закономерности распределения элементов в матрице минерала. Информация об особенностях реального строения минералов дает возможность не только определить физико-химические условия образования минералов и руд в целом, но и оценить их поведение в технологических процессах.
Термодинамическая информация предполагает определение методами электронной микроскопии температуры кристаллизации, структурных превращений отдельных минералов и микровключений. Это дает возможность прогнозировать и контролировать химико-металлургические процессы в технологии передела руд.
Типохимическая информация. ЭМ устанавливает влияние электрически активных центров, поверхностных и объемных дефектов на поверхностные и объемные реакции, что способствует определению пред-почтительности осаждения полезного компонента на те или иные минералы и роли в этом процессе поверхностно-активных центров минералов.
Кроме этого, методами электронной микроскопии можно выявлять особенности микроструктуры, микрострое-
ния и характера взаимоотношений породообразующих и рудных фаз в тонкодисперсных рудах, которые определяют возможность раскрытия рудных минералов и их селективного выделения в отдельный продукт.
В последние годы ЭМ уверенно вошла в комплекс минералого-ана-литических методов, используемых при технологической оценке различных видов полезных ископаемых во Всероссийском научно-исследова-тельском институте минерального сырья им. Н.М. Федоровского (ВИМС). При этом однозначно доказано, что при технологической оценке таких полезных ископаемых, как океанические железомарганце-вые конкреции и корки, ЭМ является основным методом исследования, позволяющим определять форму нахождения кобальта, меди, свинца, платины, редких металлов, представляющих промышленную ценность в этом виде сырья [3,4]. Электронно-микроскопическими ис-следованиями установлен характер взаимоотношения главных рудных минералов (вернадита, тодорокита, асбола-на, гетита, фериксигита) в оксидных рудах океана [5]. Выявленные методами ЭМ, особенности минерального состава тонкодисперсных железомарганцевых руд, в том числе закономерности локализации промышленно ценной рудной минерализации, легли в основу технологии комплексной переработки этого вида сырья, разрабатываемой в ВИМСе.
Определенные успехи достигнуты при использовании методов ЭМ при проведении минералого-технологи-ческой оценки золоторудных объектов. В связи с тем, что отечественная сырьевая база россыпного золота истощена, в последние годы наметилась тенденция
увеличения добычи золота из коренных руд и нетрадиционных источников [6]. При этом следует учитывать, что золото в таких рудах нередко представлено микро-нанораз-мерными выделениями, присутствующими в сульфидах железа, которые невозможно определить методами оптической микроскопии. Поэтому для выявления и диагностики форм нахождения золота, характера его взаимоотношения с сульфидными минералами и их минералогических особенностей необходимо привлечение высокоразрешающей электронной микроскопии.
Например, именно методами ПЭМ установлены микропарагенезисы, присущие пириту рудной стадии золото-кварцево-сульфидных месторождений Иркутской области. В пирите допродук-тивной подстадии присутствуют микрофазы миллерита, никелина, виаларита, бравоита, кобальтина, герсдорфита, саффлорита, раммель-сбергита, скутте-рудита, смальтина, глаукодота. Для пирита продуктивной подстадии типичен следующий микропарагенезис: петцит, гессит, бурцежанит, берцелианит, уман-гит, науманнит, эвкайрит, маухерит, энаргит, коринит. Совершенно другие фазы присутствуют в пирите пострудной подстадии: алтаит, галенобисмут, жозеит, араймойит, пиростильпнит, овихит, гитерманит, также идентифицированы аргентит, висмутин, молибденит, буланжерит, тетрадимит, дискразит и сложные соединения типа цилиндрита. Полученные данные внесли существенный вклад в минералогическую информацию, способствующую геолого-технологическому картированию руд.
Исследование прожилковых кварце-во-сульфидных золотосодержащих руд Дальнего Востока уже на ранних
Рис. 1. Призматические кристаллы арсенопирита и самородное золото в пирите. Реплика с извлечением. Монокристальная микродифракционная картина самородного золота
в
Рис. 2. а) Самородное золото (белое) в пирите, б) самородное золото в арсенопирите. Реплика со скола, в) Рентгеновский характеристический спектр с выбранной точки в арсенопирите и количественное соотношение элементов в выбранной точке
стадиях геологоразведочных работ показало, что в большинстве своем они относятся к категории упорных руд, в которых золото приурочено к арсенопи-риту и пириту. Выявление тонких особенностей золотосодержащих минералов, закономерностей распределения в них золота и форм его нахождения невозможно традиционными методами минералогического анализа. Поэтому при прогнозной минералого-технологической оценке руд возникла необходимость использования методов ЭМ.
Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что микровыделения самородного золота присутствуют как в пирите, так и в арсенопи-
рите (рис. 1). Золото представлено ком-ковидными формами, неравномерно-распределенными в пирите (рис. 2, а). В арсенопирите также присутствует золото (рис. 2, б), иногда отмечается серебро, минеральной формой которого является акантит.
В дальнейшем при создании технологий переработки золотосодержащих руд РЭМ использовалась в качестве контролирующего метода, позволяющего определять полноту извлечения золота методами флотации, химико-металлургического передела и биовыщелачивания.
Таким образом, современная аналитическая электронная микроскопия, оснащенная различными приставка-ми и
приспособлениями в силу объективных обстоятельств, связанных со специфическими особенностями полезных ископаемых, становится сегодня мощным инструментом в углубленном разноплановом изучении состава и строения руд различных месторождений, позволяющим в сочетании с другими минералогическими методами решать задачи технологической оценки минерального сырья. Однако, следует отметить, что электронная микроскопия - дорогостоящий метод, требующий для исследования значительных временных затрат. Поэтому, как нам представляется, очень важным направлением является расшифровка,
1. Изоитко В.М. Технологическая минералогия и оценка руд. СПб, Наука, 1997. 582с.
2. Петрова Н.В., Ожогина Е.Г., Рогожин А.А. Особенности минералого-технологи-ческого исследования руд химико-металлургическими методами // Результаты фундаментальных и прикладных исследований при разработке методик технологической оценки руд металлов и промышленных минералов на ранних стадиях геологоразведочных работ. Материалы первого Российского семинара по технологической минералогии. Петрозаводск, 2006. С.54-60.
3. Baturin G.N., Dubinchuk V.T., Azamova L.A., Ozhogin D.O. Geochemistry and behaviors of rare earth elements in ferromanganese crusts // Minerals of the ocean-3 future developments. In-
визуализация, понимание и осмысливание с помощью электронно-микроскопи-ческих исследований различных эффектов, фиксируемых другими более дешевыми и экспрессными физическими методами, применение которых может во многом способствовать геолого- или минералого-технологической оценке сырьевых объектов.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору геолого-минералогических наук Дубинчуку В.Т. за помощь в проведении исследований, всестороннюю поддержку и постоянное внимание к проводимым работам.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ternational Conference. St Petersburg, 2006/ P 2324.
4. Батурин Г.Н., Коноплева Е.В., Дубинчук В.Т., Мельников М.Е. Платина и золото в желе-зомарганцевых корках Тихого океана //Океанология, 2005, т.45, № 2. С.286-294
5. Dubinchuk КТ., Konopleva E.V. Ozhogina E.G., Rogozhin А.А., Baturin G.N. Some aspects of technological mineralogy of cobalt-rich iron-manganese crusts // Minerals of the ocean integrated strategies -2. International conference 25-30 april 2004. St.Peterburg, 2004. Р106-108.
6. Лущаков А.В., Быховский Л.З., Тигунов Л.П. Нетрадиционные источники попутного получения золота: проблемы и пути решения //Минеральное сырье. Сер. геолого-экономическая, № 14.: Изд ФГУП ВИМС, 2004, 82 с. ЕШ
— Коротко об авторе -
Ожогин Д.О. - Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 25 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.А. Абрамов.
