Техногенная россыпь Андрее-Юльевского участка

Техногенная россыпь Андрее-Юльевского участка

Введение



Объектом дипломной работы является кианит техногенных россыпей Андрее-Юльевского участка, расположенного на территории Пластовского муниципального района Челябинской области в 18 км юго-западнее г. Пласт и в 6 км юго-восточнее п. Борисовка, на котором проходила производственная практика, под руководством начальника отряда Савичева А. Н. На лицензионном участке проводилось исследование техногенных россыпей, с целью оценки перспектив добычи и переработки кианита.

В реализации проекта принимали участие следующие организации: 1. ООО «Мингрупсил» - организация, финансирование и проведение геологоразведочных работ; 2. ОАО «Челябинскгеосъемка» - геофизические и топографо-геодезические работы; 3. Институт геологии и геохимии УрО РАН - проведение фазовых и химических анализов.

В задачи практики входило: 1. Знакомство с объектом по литературным данным; 2. Ведение геологических маршрутов, документация; 3. Вынесение точек наблюдения на топографическую основу; 4. Применение методик отбора и подготовки проб для различных видов анализа; 5. Минералогический полуколичественный сокращенный анализ; 6. Сбор материала для написания дипломной работы.

Целью дипломной работы является характеристика кианита Андрее Юльевсого участка. 

Задачи работы: изучение состава, формы и анатомического строения кианита техногенных россыпей Андрее-Юльевского участка.

Материал для исследований собран во время преддипломной практики и дополнен руководителем дипломной работы Поповым В. А. 

В настоящее время поставлена задача доизучения техногенных россыпей кианита с целью выработки технологии обогащения и получения разных промышленных сортов кианитовых руд. Для прогноза выхода разных сортов руд необходимо знать качества обогащаемого кианита, на что и нацелена дипломная работа.

Для реализации поставленных задач дипломной работы были исследованы пластинки кианита с помощью рентгеноспектрального микроанализа, изучена анатомия, выявлены зональность и секториальность, а также вычерчен монокристалл кианита с головкой гониометрическим методом, детально описаны различные по свойствам кианиты и разделены на типы, сделаны выводы о генезисе минерала в техногенных россыпях Андрее-Юльевского участка.



Глава 1. Минералы группы силлиманита



К группе силлиманита относятся следующие минералы: силлиманит, андалузит и кианит (дистен), которые совершенно тождественны по валовому химическому составу и представляют полиморфные разности соединения Al2SiO5 (Al2O3 = 62,9, SiO2 = 37,1 мас.%). Они отличаются друг от друга кристаллической структурой.

Силлиманит был впервые описан, согласно Дена, в 1792 г. В 1796 г. впервые найден и описан кианит (Игумнов, Кожевников, 1935). 

Силлиманит (Al2SiO5) содержит 62,9% Al2O3 и 37,1% SiO2, имеет ромбическую сингонию, призматического или игольчатого (фибролит) облика, белого, серого, бурого или зеленоватого цвета, обладает совершенной спайностью по (010), твердостью 6-7, удельный вес 3,23-3,24 г/см3. Показатели преломления: Np = 1,659; Ng= 1,680; Nm = 1,660.

Андалузит имеет аналогичный силлиманиту состав и формулу, ромбическую сингонию, образует столбчатые кристаллы, имеющие совершенную спайность по (100), хорошую спайность по (110), твердость 5-7, удельный вес 3,12-3,29 г/см3. Показатели преломления Np = 1,632; Ng = 1,643; Nm = 1,638. Цвет кристаллов в оторочках кварцевых жил – фиолетово-коричневый, в породах серый, бурый. Кианит имеет аналогичный силлиманиту состав и формулу, но триклинной сингонии, представлен призматическими, пластинчатыми, реже игольчатыми кристаллами, имеющими совершенную спайность по (100) и (110), по (001) развита отдельность. Показатели преломления: Np = 1,712; Ng = 1,728; Nm = 1,720. Цвет кристаллов серый, синий, зеленоватый. Твердость в различных направлениях неодинакова, что весьма характерно для кианита: на грани (100) параллельно удлинению кристалла — 4-4,5, в поперечном направлении 6; на гранях (010) и (110) — 7. Хрупок (Минералы…, 1972).

Минералы группы силлиманита (МГС) характеризуются высоким содержанием Al2O3 и обладают следующим важным свойством: при обжиге (при температуре выше 1300 єС) они разлагаются с образованием муллита и кварцевого стекла (кристобаллита). Благодаря этому важному свойству (образование муллита) эти минералы уже с двадцатых годов приобрели значение полезных ископаемых и стали применяться в огнеупорной промышленности.

Муллит (преимущественно продукт обжига) имеет формулу 3Al2O3 * 2SiO2 и состав 71,8% Al2O3, 28,2% SiO2, ромбическую сингонию, призматические или игольчатые, спутано-волокнистые кристаллы, агрегаты, похожие на силлиманит. Уд.вес. 3,15, показатели преломления Np = 1,642; Ng = 1,654 (Игумнов, Кожевников, 1935).

Электротермическим методом из кианита получают кремне алюминиевый сплав - силумин, широко используемый в автомобиле- и самолетостроении. Силумин - это сплав кремния и алюминия, имеющий низкую плотность (2,4-2,7 г/см3), высокую удельную прочность при нормальной температуре и хорошие литейные свойства. Силумин производят сплавлением кристаллического кремния и алюминия в электрических или плазменных печах.



1.1 Применение



Минералы группы силлиманита (андалузит, силлиманит, кианит) характеризуются высокой температурой плавления, не размягчаются при нагревании, кислотоустойчивые, обладают хорошими огнеупорными свойствами. За рубежом на их основе создаются высокоглиноземистые огнеупоры, силумин, алюминий, керамика, глазури, эмали, фарфор и др.

Большая механическая прочность муллита в связи с хорошей термической стойкостью послужили основанием для приготовления из него высококачественных огнеупорных изделий: автосвечей тиглей, пирометрических трубок и других электронагревательных приборов, брусков для стекловаренных печей, специальных сортов фарфора и др.

Заводы России, США, Западной Европы и Японии используют высокоглиноземистые огнеупоры в конверторном, электродуговом производствах и на линиях непрерывной разливке стали. Из них готовят шиберные затворы разливочных ковшей, футеруются сами ковши, погруженные стаканы. Обожженный кианитовый концентрат является превосходным сырьем для получения неформованных масс: набивных, наливных, защитных обмазок, покрытий, мертелей и др. Особое место занимает высокоогнеупорное пористая керамика: разнообразные теплоизоляторы, которыми футеруются топки котлов на танкерах, воздуховоды горячего дутья в доменных печах, промежуточный слой стекловаренных печей и др. Композиционные материалы с использованием высокоглиноземистых соединений нашли применения и в системе тепловой защиты космических кораблей «Шатл» и «Гермес». 

Минералы группы силлиманита (МГС) совместно с техническим глиноземом применяются в настоящее время для изготовления керамических изделий специального назначения: электроизоляционный фарфор (аппаратные и высоковольтные изоляторы, свечи зажигания автомобилей, запальные свечи авиамоторов), герметизированные конструкции, низко- и высоковольтные конденсаторы, медицинская и кислотоупорная химическая посуда.

Обожженный и плавленный кианит вместе с бадделеитом используется для замены порошков электрокорунда в технологии изготовления оболочковых форм для точного литья ответственных деталей газотурбинных двигателей (лопатки, турбины, кронштейны и др.). Эти материалы применяются при литье деталей с направленным вращательным моментом для авиационной промышленности. 

Из нитевидных кристаллов муллита получают конструкционные материалы. Последний компануется с фарфором, керамикой, металлами, стеклом, пластиком, эпоксидными смолами и др., что ведет к удлинению срока службы изделий, увеличиваются их механическая прочность, термическая и химическая стойкость. Нитридные огнеупоры (Si3N4, AlN, BN), армированные муллитом, отличаются повышенным сопротивлением термоудару. Фторопласт в смеси с его кристаллами является самосмазывающимся антифрикционным материалом. Добавляется он в жаропрочные бетоны и цементы (Лепезин, 2003).

Кианит - ценное минеральное сырье для производства электроизоляционных материалов, устойчивых при высоких температурах и при воздействии всех кислот, включая фосфористую. 

В отчете А. Н. Игумнова, К. Е. Кожевникова "Уральские месторождения дистена (кианита)" (1935) сказано, что полученные из кианитового полуконцентрата (Al2O3=45-50%) кирпичи проходили испытания на металлургических заводах и при проверке на шлакоразъедаемость не обнаружили изменений.

Ограненный кианит используется в ювелирном деле. Гранят прозрачные камни хорошего качества в ступенчатой или бриллиантовой форме.



Глава 2. Краткий обзор месторождений кианита



Прозрачные кианиты ювелирного качества очень редки. Наиболее известны ювелирные кианиты Индии (Кашмир, Пенджаб). Ювелирный кианит встречается также в Бирме, Бразилии, Кении, Швейцарии и США (в штатах Монтана, Каролина, Виргиния, Вермонт, Коннектикут, Массачусетс).





Рис. 1. Призматические кристаллы кианита Морбиан (Франция). Огромные кристаллы



На весь мир знамениты голубые полупрозрачные кристаллы в ассоциации с парагонитом (светлая слюда) и ставролитом, происходящие из Пиццо-Форно в кантоне Тичино (Швейцария) (рис. 1).

Красивые экземпляры обнаружены в Тироле (Австрия) и департаменте из знаменитого месторождения Пиццо-Форно (до 30 см в длину) лазурной окраски, но (кантон Тичино, Швейцария) непрозрачные, выявлены в штате Минас - mineral-kianit.htm) Жерайс (Бразилия). Зеленые кианиты открыты в Мачакос (Кения).

В западных странах разведанные запасы руд, содержащих минералы группы силлиманита, составляют 450 млн. тонн, применяются для изготовления высокопрочных огнеупорных и кислотоустойчивых материалов, а также для производства алюминиево-кремниевых сплавов типа силуминов. Способ разработки месторождений – открытый, при содержании в рудах кианита (андалузита, силлиманита) – 10% и запасах сырья в один миллион тонн. Производители концентратов: ЮАР, США, Индия, Франция, Бразилия, Швеция, Испания. Суммарный объем получаемой ими продукции составляет 700-750 тыс. тонн в год. 

Объемы потребления в мире по отраслям промышленности: 80-85% - огнеупоры; 10-15% - керамика; 5-10% - все остальное.

Наиболее крупные месторождения кианита в России расположены в Карелии (Кейвы), на Южном Урале (Борисовское), в Восточной Сибири. Красивые васильково-синие, небесно-голубые и фиолетовые ограночные кианиты добывали на Урале. Прозрачные красиво окрашенные образцы, пригодные для огранки, встречаются в Архангельской области. В пределах Светлинского рудного поля на Водораздельном, Хрустальном, Косаревском-П участках, на Борисовских сопках кианит развит в виде достаточно крупных (до 10 см) полупрозрачных кристаллов синего цвета, которые представляют интерес в качестве коллекционного сырья (http://www.mineral-land.com/Stones/StoneKyanite.html). 

В России концентраты минералов группы силлиманита (МГС) не получают, хотя потребности в них только в огнеупорной отрасли измеряются сотнями тысяч тонн в год, а разведанные запасы руд превышают 3 млрд. тонн (Коротеев, 2009).





Рис. 2. Кианит в кварце. Карелия Карелия). Разведанные запасы кианита (м-е Хизовара) 25 млн. тонн



По данным Лепезина:

1. Кейвская группа месторождений (Новая Шуурурта, Тяпш-Манюк, Червурта и др.), Кольский полуостров. Балансовые запасы кианитовых руд - 2.4 млрд. тонн, прогнозные ресурсы – 10 млрд. тонн. 

2. Месторождение Хизовара (республика

3. Рудопроявления Витимо-Патомского нагорья (Сан-Пуричи, Ченги-Сиена, Комсомольское, Согринское, Алексеевское и др.), Забайкалье. Ресурсы кианита - 1.5 млрд. тонн. Рудопроявления находятся в зоне БАМ.

4. Рудопроявления Заангарской части Енисейского кряжа (Панимбинское, Тейское, Куюмбинское, Верхне-Енашинское и др.), Красноярский край. Прогнозные ресурсы руд, содержащих МГС превышают 500 млн. тонн. 

5. Базыбайское месторождение (Красноярский край). Прогнозные ресурсы силлиманитовых руд по категории Р2 – 283.2 млн. т., по категории Р3 129.2 млн. т.

6. Тымбинское месторождение (Читинская область). Разведанные запасы руд, содержащих андалузит и силлиманит, по категории С2 равны 423.6 млн. тонн.

7. Кяхтинское месторождение (республика Бурятия) включает 20 рудопроявлений силлиманита. Запасы руд по категориям А2, В и С1 составляют 4.1 млн. тонн (силлиманита 916 тыс. тонн).

8. Китойское месторождение (Иркутская область), запасы силлиманитовых руд по категории С2 — 150 млн. тонн.

9. Рудопроявления нагорья Сангилен, республика Тыва. Прогнозируемые ресурсы МГС по категории Р3 составляют 740 млн. тонн.

10. Месторождения и рудопроявления в Свердловской и Челябинской областях: Мало-Брусянское, Абрамовское, Сосновское, Косулинское, Уфимское, Мало-Каслинское, Борисовское, Михайловское, а также техногенные пески Андрее-Юльевского участка. Суммарные их ресурсы в пересчете на кианит составляют 20–25 млн. т. (Лепезин, 2003)

Наибольшее распространение на Урале имеют месторождения кианита. Месторождения андалузита, силлиманита представляют исключительно минералогический интерес (рис. 3).





Рис. 3. Схематическая карта уральских месторождений дистена, андалузита, силлиманита. По (Игумнов, Кожевников, 1935): 1-3 месторождения Al2SiO5, 1 – непромышленного характера; 2 – разведанные второстепенного значения, 3 – разведанные месторождения промышленного характера. Список месторождений андалузит 1 – д. Южаково; силлиманит 2 – Нижнеисетский завод; дистен 3 – д. Колюткино; 4 – Сысертское; 5 – Соколиный камень; 6 – Абрамовское; 7 – Черкаскульское; 8 – Иткульское; 9 Тюбукское; 10 – Аллакское; 11 – Кисегачское; 12 – Каслинское; 13 – М Каслинское; 14 – Голодное; 15 – Красное; 16 – Теченское; 17 – Увильды; 18 –Уфимское; 19 – Таганайское; 20 - Уреньгинское; 21 – Михайловское; 22 – Светлинское; 23 – Борисовское; 24 – Каменское; 25 Карталинское

Кроме того, при работе по минералогическому изучению шлихов уральских россыпей кианит обнаружен в россыпях многих районов Среднего и Южного Урала. Из перечисленных месторождений (рис. 3) пять имеют запасы в промышленном количестве и только два из них – Борисовское и Малокаслинское могут быть использованы промышленностью (Игумнов, Кожевников, 1935). Данная точка зрения не потеряла своей актуальности и сегодня.

Кианит можно извлекать в промышленных масштабах. Модельный объект техногенных месторождений - Андрее-Юльевский участок на Южном Урале, кианит которого является сырьем для производства высокоглиноземистых огнеупоров и другой продукции (Коротеев, 2009).



Глава 3. Обзор, анализ и оценка ранее проведенных работ



Андрее-Юльевская россыпь находится на территории Русской Бразилии (рис. 4). Она была доразведана и оконтурена с 1963 по 1972 год геологами Кочкарской ГРП Э. И. Мецнером и др. и эксплуатировалась на протяжении 25 лет. На ее территории были расположены бывшие Каменно-Павловский и Каменно-Александровский прииски.

Андрее-Юльевское м-ние россыпного золота объединяет россыпи Еленинскую, Андреевскую, Покровскую-Ленинскую, Каменно-Санарскую (Колисниченко…2008).

Район производства поисково-оценочных работ характеризуется высокой степенью геологической изученности. 

Наиболее полная информация о работах прошлых лет сведена в отчётах А. Н. Игумнова (1930, 1932, 1933), М. Н. Букиной (1957) и Южно-Уральской ГРП (1989). В них отражены сведения о коренных проявлениях и месторождениях кианита, охарактеризованы элювиальные и делювиальные россыпи. О кианите из аллювия бывших золотосодержащих россыпей упоминалось лишь однажды (Игумнов, Кожевников, 1935). 

В 1929-1933 г.г. была выполнена предварительная разведка на Борисовском проявлении кианита. Всего пройдено 420 выработок: мелких шурфов – 406, глубоких (до 10 м) – 6, канав – 8, дудок –1, всего 1350 м3. В 1930-1931 г.г. детальные геологоразведочные работы были проведены Уральским отделением института Прикладной минералогии. Пройдены через 200 м в линиях, отстоящих друг от друга на 50 м мелкие дудки, а в некоторых линиях и шурфы с рассечками и разведочная шахта, проводилось также бороздовое опробование. В 1932 году рудопроявление опоисковано A. H. Игумновым (Савичев, 2009).

В 1930 году Уралмеханобр провел полупромышленное испытание получения полуконцентрата и выполнил обогатительные работы на Верх–Нейвинской обогатительной фабрике. Обработано 4600 тонн сырой руды и на рудопроявлении получено 800 тонн полуконцентрата с содержанием кианита 45–48% при его исходном количестве в горной массе 8–10%. При обработке в промышленных условиях получен концентрат, состоящий на 90–92% из кианита (Al2О3-55%), его испытание проводилось в УралВИОК и на заводе им. М. В. Ломоносова. Полуконцентрат содержал Al2O3=35,8%, первый концентрат А12O3=52-57% (85–90% кианита), выход 24-25%; второй концентрат-А12O3=48,9% (72% кианита), выход 20%. Из них были изготовлены муллитовые изделия, лабораторные тигли, покрышки и др.; из полуконцентрата – огнеупорные кирпичи, прошедшие испытания на металлургическом заводе.

Основа: «Геологическая карта гранитной интрузии Кочкарского района».Составлена по материалам геологической съемки масштаба 1:50000 В. П. Костарева (1969г.), В. А. Сусликова (1969г.), В. Ф. Иванова (1967 г.), Е. П. Шулькина (1968 г.), А. И. Левита (1970 г.). Масштаб:1см=1км

Рудные месторождения: Россыпные месторождения: 25. Сумин карьер

Кочкарское золото-сульфидно- 10. Светлинская россыпь 26. Гранатовая копь кварцевое жильное 11. Еленинская россыпь 27. Волчьи ямы

Ново-Троицкое золото- 12. Покровская россыпь 28. Самарский карьер мышьячковое сульфидно-кварцевое 13. Андреевская россыпь 29. Демаринская копь 

Светлинское сульфидно-вкрапленное 14. Каменно-Санарская россыпь горного хрусталя с кварцевым штокверком в породах 15. Михайловская россыпь 30. Михайловское углисто-терригенной фации 16. Чуксинская россыпь проявление кианита

Рудные рудопроявления: 17. Благодатная россыпь 31. Еремкинское проявление

Воронинское золоторудное Проявления минералов: аметиста

Отрадное золоторудное 18. Кучинский карьер 32. Андреевский карьер

Калиновское золоторудное 19. Западно-Пластовский карьер 33. Санарский (Покровский) 

Каменно-Санарское 20. Северо-Светлинская россыпь рудник

Каменско-Крестоводвиженская 21. Еремкинский карьер 34. Крестоводвиженский группа свинцово-цинковых 22. Батуровский карьер рудник рудопроявлений 23. Проявление розовых топазов 35. Кианитовая копь

Котлинское свинцово-цинковое Радиомайское 36. Копь розовых топазовРудопроявление 24. Светлинский пегматитовый карьер 37. Санарское проявление урановых руд.





Рис. 4. Геологическая карта Русской Бразилии (Колисниченко…2008)

Условные обозначения: Красной линией – контур лицензионного участка.

Интрузивные породы

Пластавский массив плагиогнейсо-гранитов

Каменно-Санарский массив Биотитовых гранитов

Пластовский массив плагиогранитов

Ультрабазиты, серпентиниты

Глубинные разломы

Тектонические нарушения

Нерасчлененные эффузивы андезитового состава

Белый мрамор

Андреевская россыпь и Андреевский карьер

Кианитовые и слюдяные сланцы

Карбонатная толща C1V3-n

Мрамор белый средне- и крупнозернистый

Осадочно-вулканогенная толща C1V1-2

Вулканогенная подтолща

Плагиоклазовые микропорфириты базальтового и андезито-базальтового состава

Вулканогенно-осадочная подтолща

Липаритовые порфиры их лавобрекчии с обломками плагиоклазовых порфиритов базальтового и андезито - азальтового состава

Туфогенные алевриты; алевропесчаники, алевролиты и песчаники

Сланцы углистые, углисто-глинистые, углисто-кварцевые, углисто-карбонатные

Доломиты

Туфоконгломераты известковистые

Сланцево-карбонатная толща C1v1

Мрамор белый, серый и темно-серый полосчатый

Сланцы углистые

Алевролиты, алевропесчаники кварцевые, сланцы кварц-полевошпат-мусковитовые

Толща бластопсаммитовых сланцев C1t2-v1

Конгломераты полимиктовые, алевропесчаники ПШ-кварцевые, бластопсаммитовые сланцы, двуслюдяные сланцы со ставролитом, гранатом и кордиеритом. Амфиболовые и полевошпат-амфиболовые породы

Углисто-слюдистые и графитисто-слюдистые сланцы, филлиты слюдистые

Мраморы

Кособродская толща S1-D1

Нерасчлененные эффузивы андезитового состава, порфириты плагиоклазовые, туфы, лавобрекчии порфиритов, туффиты, сланцы кварц-серицитовые



Вулканогенная-осадочная толща Pz2

Сланцы углистые, углисто-карбонатные, алевролиты углистые

Терригенные образования

Кумлякско-Линевская толща Pz2

Нерасчлененные сланцы углисто-глинистые, известково-углистые, туфогенные алевролиты с резким преобладанием андезито-базальтовых порфиритов, диабазов и диабазовых порфиритов

Гнейсо-сланцевая толща Pz1-2

Сланцы графитисто-слюдистые, гранито-гнейсы, амфиболиты, сланцы слюдяные с кианитом, гранатом и ставролитом, мраморы графитистые

В 1938-1941 г.г. на рудах Борисовского месторождения проведены лабораторные и полупромышленные испытания различных технологий обогащения на Верхне-Нейвинской фабрике. Из выделенного кианитового концентрата получены изделия тонкой и грубой керамики (пирометрические трубки, автосвечи, тигли для обжига фарфоровых изделий, нагревательные приборы массового использования, огнеупорные кирпичи, пробки, стаканы). Получены положительные заключения о качестве кианитового концентрата и его использовании от УралВИОК, Ленинградского фарфорового завода им. Ломоносова и Магнитогорского металлургического комбината.

В 1957 г. М. Н. Букиной составлена сводка по проявлениям высокоглинозёмистых руд Урала, в неё вошли и материалы по Пластовскому району.

В 1987 г. Южно-Уральская ГРП Челябинской ГРЭ по заявке Министерства чёрной металлургии начала поисковые работы на высокоглинозёмистое сырьё в пределах Борисовского проявления кианита.

При утверждении запасов золота Еленинской и Андреевской россыпей извлечение этих компонентов из-за низких содержаний было признано нерентабельным. Кианит как промышленно-ценный продукт в то время не рассматривался.

В результате отработки золотоносных россыпей материал россыпей подвергался неоднократному механическому воздействию (промывке, перемещению, гравитационной дифференциации, сегрегации и т. п.), а также влиянию гипергенных процессов, в результате чего первоначальное качество материала и морфологические параметры техногенных образований существенно изменились. После неоднократного перемыва при добыче золота произошла очистка песков от глинистой составляющей. Была установлена принципиальная возможность получения из техногенных образований Андрее-Юльевской россыпи концентратов кианита и кварцевого песка, с возможным попутным получением концентратов золота (Савичев, 2009).

2008 – 2009 г.г. – под руководством В. А. Коротеева для изучения условий локализации МГС, характеристики их свойств и т.п. в техногенных образованиях в качестве эталонного, был выбран Андрее-Юльевский участок техногенных россыпей, лицензия на поиски, разведку и добычу которого принадлежит ООО «Мингрупсил» (г.Пласт, Челябинской обл.). Заявлено о кианите как о новом виде сырья для ряда видов промышленного производства с использованием глинозёма ( Коротеев, 2009).



Глава 4. Методика исследований



Для получения объективных данных о строении, составе включений применялись различные методы исследования минерального вещества как в полевых, так и в лабораторных условиях. 



4.1 Полевые исследования



В ходе полевых исследований были использованы методы геологического картирования и полевой документации, применяемые на стадии проведения поисковых и оценочных работ техногенных россыпей. Отобран геологический материал для дальнейших аналитических лабораторных исследований. Все пробы прошли пробоподготовку и предварительное обогащение.

В условиях полевой лаборатории проведён полуколичественный сокращенный минералогический анализ шлиховых проб на кианит (ситование, сокращение и определение массы кианита в пробах).



4.2. Лабораторные исследования



Лабораторные исследования проводились на Геологическом факультете Миасского филиала Южно-Уральского госуниверситета в г. Миассе (МГФ ЮУрГУ) и в Институте минералогии УрО РАН г. Миасс (ИМин УрО РАН).

1. Изучение анатомии кристаллов под бинокуляром, в ориентированных сечениях.

2. Рентгеноспектральный микроанализ.

Данный метод исследования применялся для определения включений в кианите и химического состава кианита по зонам. Для этого использовался электронно-зондовый микроанализатор JEOL SUPERPROBE 733. Полученные данные проанализрованы. Аналитик Е. И. Чурин.

3. Метод оптической микроскопии.

Метод оптической микроскопии применялся в целях диагностики рудных включений минералов в кианите по 12 пластинкам на микроскопе ПОЛАМ Р-312 в отраженном свете.

4. Гониометрия и вычерчивание кристалла кианита.

На столике Федорова был измерен монокристалл кианита с головкой, построена стереографическая проекция, затем по полученным параметрам был построен кристалл в программе Shape 7.0.



Глава 5. Геологическое строение Андрее-Юльевского участка



В контуре лицензионного участка находились южная часть Еленинской золотоносной россыпи и Андреевская золотоносная россыпь. 

В геоморфологическом плане Андрее-Юльевский участок располагается в пределах Зауральского пенеплена Уральского горного сооружения и приурочен к Кочкарской эрозионно-структурной депрессии, предположительно являющейся речной долиной мезозойского возраста. Впоследствии палеодолина наследовалась миоцен-плиоценовой речной сетью, по отношению к которой современная речная сеть является секущей.

Участок работ приурочен к площади развития мраморов и мраморизованных известняков кучинской (R1kc) и карбонатной (С1k) толщ, зажатых между Борисовским и Пластовским гранитными массивами. В пределах участка развиты также сланцы еремкинской (PR1er) толщи, в пределах которой развиты кианитовые кварциты (месторождение «Борисовские сопки»).

Рыхлые образования, развитые в пределах Андрее-Юльевского участка, залегают на кристаллическом основании, сложенном метаморфизованными осадочными, вулканогенными и магматическими породами различного состава и возраста Арамильско-Сухтелинской структурно-формационной зоны, в состав которого входят: соколовская вулканогенно-осадочная (S1l3), уштаганская углисто-кремнистая (S1l3-n) и осадочно-вулканогенная (C1v1-2) толщи; а также породами метаморфического комплекса Кочкарского антиклинория, включающего семь толщ (снизу вверх): благодатскую (не стратифицирована), еремкинскую (PR3er), кучинскую (R2kc), светлинскую (R2sv), aлександровскую (Val), кукушкинскую (O?), карбонатную (C1v-n) (рис. 5). 

Поскольку указанные выше толщи являлись основанием для россыпных и техногенных россыпных месторождений, их описание дано схематично и в пределах распространения этих месторождений. 

Благодатская толща представлена интенсивно катаклазированными породами, сложенными в различных соотношениях диопсидом, амфиболом, полевым шпатом и карбонатом. Развита толща локально и образует изолированные тектонические блоки. 

Еремкинская толща является самой древней в разрезе рассматриваемой территории и слагает крылья Санарской, Еремкинской, Борисовской брахиантиклинальных куполовидных структур, встречаясь в виде реликтов и «останцов» внутри последних. Мощность толщи более 1500 м. Нижняя толща сложена биотитовыми, биотит-силлиманитовыми, биотит-гранатовыми гнейсами с прослоями графитистых кварцитов, биотит-куммингтонит-плагиоклазовых, биотит-плагиоклазовых, гранат-биотит-плагиоклазовых, ставролит-биотит-плагиоклазовых с кордиеритом и силлиманитом кристаллических сланцев и мраморов. Верхняя толща сложена биотит-кварцевыми, ставролит-биотит-кварцевыми, ставролит-мусковит-кварцевыми, гранат-биотит-кварцевыми, кварц-биотит-плагиоклазовыми кристаллическими сланцами с прослоями мраморов и существенно плагиоклаз-амфиболовых пород. Биотитовые гнейсы распространены в нижней части разреза толщи. От кристаллических сланцев они отличаются относительно массивной, тонкополосчатой, гнейсовой текстурой с лепидогранобластовой структурой, нередко мигматизированные (Сначев и др., 1990). 

Кучинская толща слагает мощные пачки мраморов в пределах Андрее-Юльевской депрессионной зоны. Контакты толщи обычно тектонические, резкие, с зонами срывов. Чрезвычайно характерной особенностью карбонатных пород кучинской толщи является полное отсутствие фаунистических остатков и наличие в них рубиновой минерализации (Кисин, 1991). Мраморы слагают мощные однородные пачки белых, светло-серых, желтоватых, голубоватых разностей, преимущественно кальцитового состава. Мощность толщи около 700 м.

Светлинская толща развита в западной части территории и в пределах Андрее-Юльевской россыпи. Залегает непосредственно на кучинских мраморах (рис. 5). В разрезе толщи выделяются две пачки пород. Нижняя, терригенно-карбонатная пачка сложена метапесчаниками, которые кверху постепенно сменяются карбонат-биотитовыми, карбонат-амфиболовыми плагиосланцами бластоалевролитовой и бластопсаммитовой структур, чередующиеся с прослоями мраморов. Кроме того, в составе пачки присутствуют прослои серых и темно-серых графитистых кварцитов, двуслюдяных и мусковитовых плагиосланцев. Верхняя, терригенная, пачка представлена преимущественно биотитовыми, карбонат-биотитовыми плагиосланцами и развивающимися по ним биотит-кварц-серицитовыми метасоматитами (Сначев и др., 1990).

Александровская толща прослеживается в западной части площади, в зоне сочленения Кочкарского антиклинория с Сухтелинским синклинорием, слагая Александровскую зону смятий. Суммарная мощность отложений толщи более 1500 м.

В составе александровской толщи принимают участие регионально метаморфизованные осадочные, вулканогенно-осадочные и вулканогенные породы. В разрезе толщи преобладают биотитовые, серицит-биотитовые, хлоритовые, биотит-актинолитовые, хлорит-актинолитовые сланцы, обычно тонко переслаивающиеся с графитистыми и слюдисто-графитистыми кварцитами.

Кукушкинская толща имеет малую площадь распространения, протягиваясь в виде узкой полосы в северо-западной части Андрее-Юльевского участка, и представлена в основном терригенными отложениями. Суммарная мощность равна 500-700 м. В сложении кукушкинской толщи участвуют метагравелиты, метапесчаники, метаалевролиты и метапелиты. В качестве вероятных источников сноса при формировании отложений кукушкинской толщи могут рассматриваться гранитоиды борисовского комплекса (Тепловой…, 1989).



Рис. 5. Геологическое строение Кочкарской площади (По Болтыров и др, 1973; Сначев и др., 1990):

1-осадочно-вулканогенные образования Сухтелинского антиклинория; 2 – венд, александровская толща; 3 – венд-ордовик, кукушкинская толща; 4 – верхний рифей, светлинская толща; 5 – средний рифей, кучинская толща; 6 – протерозой, еремкинская толща; 7 – образования благодатской толщи; 8 – метаультрамафиты; 9 – диориты, габбро-диориты, габбро; 10 – граниты; 11 – плагио-мигматиты; 12 – мигматиты гранитные; 13 – карбонатный меланж; 14 тектониты нерасчлененные; 15 – стратигра-фиические и интрузивные границы;16 – тектонические нарушения. Цифры в кружочках – гранитные массивы: 1 – Ключевской; 2 – Варламовский; 3 – Котликский; 4 – Еремкинский; 5 – Борисовский; 6 – Санарский; 7 – Пластовский (Андреевский). Выделен контур лицензионного участка.

Карбонатная толща мощностью около 400 м развита только в юго-восточной части исследованной площади в виде небольшой полосы, слагая мульдообразную синклинальную структуру, вытянутую в субмеридиональном направлении.

Толща состоит из серых, темно-серых до черного цвета мраморизованных рифогенных известняков. Мраморизованные известняки содержат богатую фауну брахиопод, стеблей криноидей, фораминифер, кораллов, которые свидетельствуют о раннекаменноугольном возрасте отложений карбонатной толщи.

В районе повсеместно распространены площадные и линейные коры выветривания, по карбонатным породам развит карст.

Кайнозойские образования представлены разновозрастными аллювиально-пролювиальными отложениями (от раннего палеоцена до позднего плиоцена) и четвертичными отложениями различного генезиса. Первичные концентрации кианита приурочены в основном к песчано-глинистым отложениям позднего олигоцена (наурзумская свита), раннего и среднего миоцена (аральская свита).

В гидрогеологическом отношении в районе работ развит водоносный объединенный горизонт порово-трещинно-карстовых вод палеозойского фундамента и мезозойских кор выветривания. Подземные воды, приуроченные к песчаным прослоям в разрезе кайнозоя, имеют в пределах россыпей повсеместное распространение. По данным бурения уровень грунтовых вод находится на глубинах 2-8 м. (Сначев и др., 1990).

Существуют различные теории происхождения кианита.

В иностранной литературе относившейся к дистеновым месторождениям Северной Америки и Индии, имеются сторонники теории образования дистена путем метаморфизма бокситовых глин (Дюни, месторождения Северной Индии), но господствующей является теория происхождения дистена путем пневматолитического и гидротермального метаморфизма, сопровождавшего интрузии кислой магмы (гранита). Сторонниками этой теории являются А. Х. Фесслер, Мак-Когей, Дж. Л. Стопей и др (Игумнов, 1935).

По наблюдениям А. Н. Игумнова Борисовское месторождение кианита образовалось в результате воздействия на кварцево-слюдяные сланцы продуктов остаточной гранитной магмы. За эту точку зрения прежде всего говорят нахождение залежей дистена в центральной осевой зоне метаморфической полосы Борисовских сопок, то есть там, где имеют развитие различные образования последних дериватов гранитной магмы. По периферии сланцевой полосы, и в контакте ее с гранитами – дистена не наблюдается. 

Форма залежей дистенового сланца (рис. 6) жилообразная и линзообразная также указывают на более позднее происхождение этих образований. Факторами, заслуживающими серьезного внимания, являются нахождение кианита в жилах с кварцем (рис. 7 б) и нахождение минералов сопутствующих дистену: рутила, турмалина и монацита (Игумнов, 1935).





Рис. 6. Кианит в слюдяном сланце (Фото А. А. Евсеев)









Рис. 7. а - кианитовый кварцит ( Фото Кульмухаметовой М. Г.); б – кианит в кварцевой жиле (Коротеев, 2008)



По Кейльману Г. А., кианит метасоматический развивается в тектонически ослабленных зонах с образованием отчетливой метасоматической зональности, которая не зависит от состава и уровня метаморфизма исходных пород. Во внешней зоне колонки обычно развиты метасоматиты мусковит-кварцевого состава, которые постепенно переходят в мусковит-кианитовые (силлиманитовые), а затем в кианитовые кварциты (рис. 7 а) нередко с силлиманитом. Во внутренней (центральной) зоне нередко образуются мономинеральные кварциты, сложенные грануломорфным кварцем. Иногда центральная зона колонки сложена монокварцевым метасоматитом. 

Также имеются данные о том, что серицитовые породы с повышенными содержаниеми монацита обнаружены среди допалеозойских кианитовых кварцитов, обрамляющих Борисовский гранитный массив (Игумнов, Кожевников, 1935). Монацит-содержащие породы сложены (об.%) серицитом 75-100, синим кианитом 0-25, кварцем 0-5, монацитом 2-10, ванадийсодержащим рутилом 2-8. Детальной разведкой установлено, что проявление редкоземельных серицитолитов характеризуется незначительными размерами – 3-3.5Ч2.0 м. Эти данные позволили сделать предположение о том, что изученное тело является трубкой (Белковский, Нестеров, 1999).



Глава 6. КИАНИТОВАЯ МИНЕРАЛИЗАЦИЯ РАЙОНА АНДРЕЕ ЮЛЬЕВСКОГО УЧАСТКА



Рыхлые образования, развитые в пределах Андрее-Юльевского участка, залегают на метаморфизованных осадочных, вулканогенных и магматических породах различного состава и возраста. Достаточно широким распространением среди них пользуются карбонатные породы кучинской толщи.

В районе повсеместно распространены площадные и линейные коры выветривания, по карбонатным породам развит карст.

Кайнозойские образования представлены разновозрастными аллювиально -пролювиальными отложениями (от раннего палеоцена до позднего плиоцена) и четвертичными отложениями различного генезиса. Первичные концентрации кианита и золота приурочены в основном к песчано-глинистым отложениям позднего олигоцена (наурзумская свита), раннего и среднего миоцена (аральская свита).

Учитывая техногенный характер образования полезных компонентов Андрее-Юльевского участка, сведения о составе и строении техногенных месторождений определяются геолого-промышленным типом исходного природного сырья. Кианит – основной товарный продукт техногенных образований, в том числе и на исследования коренных источников кианита, входящего в состав аллювиальных россыпей.

В контуре участка находятся южная часть Еленинской золотоносной россыпи и Андреевская золотоносная россыпь. Россыпи отрабатывались в 1973-1978 гг. Миасским прииском, в 1982-1987 гг. старательской артелью «Нагорная» и в 1988-1997 гг старательской артелью «Степная» (Савичев, 2008).

Техногенные пески в районе прииска неоднократно перемывались, поэтому почти лишены глинистого материала. Их минералогический состав: кварц – 90-95 мас.%, кианит – 4,9 % (среднее содержание по материалам ранних исследований Г. Г. Лепезина), на долю остальных минералов (гематит, магнетит, золото, рутил и др.) приходится 3-5 %.

По последней отработке россыпей была установлена принципиальная возможность получения концентратов кианита (рис. 8) и кварцевого песка. После неоднократного перемыва при добыче золота произошло естественное обогащение песков кварцевым материалом, кианитом и другими полезными компонентами. По результатам проведенных ранее работ, ориентировочное среднее содержание кианита в песках Еленинской россыпи составляет 3,3 %, Андреевской – около 2 %. Основная масса кианита (до 80 %) сосредоточена в классах песков крупностью от 1 до 20 мм. Преобладающим компонентом техногенных песков после отмывки глинистой составляющей является кварц (91,2-94,6%), который может оцениваться как попутное полезное ископаемое в качестве формовочного, стекольного и строительного песка. Из других потенциально полезных компонентов в рыхлых отложениях присутствует рутил (свыше 2 г/м3), ильменит (свыше 5 г/м3), магнетит (свыше 10 г/м3), монацит и др. 

Концентраты кианита из Еленинской россыпи были изучены в ЦНИИолово (г. Новосибирск). Их химический состав характеризуется следующими средними содержаниями (в %): SiO2 -37,78-43,86; Al2O3 - 49.13 -54.94; TiO2 -0,66; Fe2O3 4,04-4,17; MnO 0,03-0,50; MgO 0,01; CaO – 0,16-0,30; Na2O - 0,3; K2O – 0,06-0,10 (Лепезин, 2003).



Глава 7. Технология обогащения и промышленное значение кианитовых руд Андрее-Юльевского участка



Как уже говорилось, Андрее-Юльевские пески неоднократно перемывались, и поэтому почти не содержат глинистого материала. 

Фракция +7 мм, на которые приходится в среднем 7%, практически без кианита. Наиболее богатые кианитом фракции 7-5, 5-3, 3-2, 2-1 (соответственно 13,1, 17,1, 18,0 и 9,4 мас.%) (рис. 8).





Рис. 8. Гранулометрический состав кианита



Доля этих фракций относительно общей горной массы составляет 27%. На фракции менее 1 приходится более 66% горной массы: кварц = 90-95%, кианит = 2-5%, гематит = 3-5%.

Технология обогащения сводится к следующему. Пески рассеиваются на три фракции: 1) +7; 2) -7+1; 3) -1.





Рис. 9. Кианитовый концентрат полученный разработаны предварительные схемы при обогащении Андрее - Юльевских песков обогащения техногенных образований



Первая группа фракций без кианита, засорена лимонитом и ее можно выбрасывать или использовать на отсыпку дорог. Из второй группы фракций выделяется кианит (рис. 9), хвосты обогащаются кварцем. В третьей группе фракций преобладающим является кварц. При его обогащении кианит накапливается в хвостах, которые могут идти на повторный передел. Следует иметь в виду, что здесь же будут концентрироваться золото и рутил.

На основе полученных данных (2009 г.) о минералогии и гранулометрическом составе техногенных образований Еленинской россыпи были

Ресурсы кианита обследованного участка Еленинской техногенной площади в пределах выделенных техногенных отвалов, по данным Г. Г. Лепезина, составляют 103,5 тыс.т. Площадь отвалов составила 1377569 м2. Площадная продуктивность составит 75,1 кг/м2 (Лепезин, 2003). 

Таким образом, простое рассеивание (грохочение) позволяет на начальной стадии обогатительного процесса сократить объем горной массы в 3–4 раза, увеличив при этом во столько же раз количество кианита в ней. 

В Восточном институте огнеупоров (ВОСТИО (г. Екатеринбург)) под руководством крупнейшего специалиста д.г.м.н. В. А. Перепелицина были проведены огнеупорные исследования кианитовых концентратов. Получены огнеупорные характеристики концентратов и приготовленных из них изделий, разработана технология производства высокоглиноземистых огнеупоров. На основании приведенных исследований сделано следующее заключение: кианитовые концентраты Андрее-Юльевских россыпей являются перспективным минеральным сырьем для производства качественных муллито-кремнеземистых огнеупорных материалов и изделий.





Рис. 10. Принципиальная технологическая схема обогащения кианитовых песков







Опыты с тем же концентратом проводились и на Нижнетагильском металлургическом комбинате под руководством главного огнеупорщика Э. В. Вислогузовой. Итоговые выводы: концентрат может быть использован как составная часть в различных алюмосиликатных массах и бетонах непосредственно на металлургических производствах, например для желобных масс, сталеразливочных и промежуточных ковшей и т.д., а также пригоден для получения плавленых муллит-корундового состава материалов.

Электротермическим методом из кианита получают кремне-алюминиевый сплав - силумин, широко используемый в автомобиле- и самолетостроении. 

С точки зрения освоения и последующей эксплуатации наиболее выгодное положение на Урале занимают коренные месторождения и проявления: М-Брусянское, Абрамовское, Сосновское, Косулинское, Карабашское (Уфимское), Мало-Каслинское, Борисовское, Михайловское. Они находятся в регионе с развитой инфраструктурой и недалеко от железных дорог. Практически все месторождения могут быть отработаны открытым способом. Руды легко обогащаются. Содержание глинозема в кианитовых концентратах достигает 62 %.

Разведанные запасы минералов группы силлиманита в нашей стране в целом в пересчете на конечный продукт – алюминий, превышают 400 млн. тонн. Если его производить в количестве 3,5 млн. тонн в год, как это делается сейчас, то руд хватит более чем на 120 лет.

Руды имеют предельно простой состав (кианит с кварцем в сумме составляют более 90%) и на их базе можно создать безотходное производство концентратов с выделением в качестве товарных продуктов кианита (на силумин, алюминий, огнеупоры, керамику и т.д.), кварца (в качестве формовочного и стекольного песка), мусковита и рутила. 

В настоящее время у нас функционируют 11 алюминиевых заводов, из них 5 находятся в Сибири, 2 на Урале и 4 на западе и северо-западе страны. В сумме они производят порядка 3.5 млн. тонн алюминия в год, но собственным глиноземом обеспечены на 35-40% (Лепезин, 2003).



Глава 8. Особенности морфологии и состава кианита Андрее Юльевского участка и Борисовского месторождения



Для изучения кристаллов кианита, сравнения состава и составления типизации были выбраны кристаллы кианита, которые максимально отличаются по внешнему виду (по цвету, форме кристаллов, содержанию включений), и которые наиболее распространены в россыпях (образцы № 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12). Образцы № 2 и 3 отобраны из Борисовских сопок (копь Ферсмана). 

Большинство кристаллов кианита являются метакристаллами, в их анатомической картине видна «тень» текстуры вмещающего сланца. 

Образец 1

Окатанный сросток расщепленных кристаллов кианита, размером 4Ч2 см, светло-серого цвета. На поверхности отмечаются ямки скалывания. Рыжеватую окраску дают окислы железа (рис. 11). В полированной пластинке образца (рис. 12) под бинокуляром наблюдаются включения красного рутила ( до 0,05 мм), а также есть черные включения магнетита( до 0.08 мм). Рутил и кианит имеют поверхности одновременного роста.





Рис. 11. Окатанный сросток расщепленных кристаллов кианита





Рис. 12. Полированная пластинка сростка расщепленных кристаллов кианита



Включения рутила изометричные, характерна прозрачность, нередко встречаются двойники. Отчетливо видны индукционные поверхности с кианитом. 

Трещинки заполнены светлой слюдой – предположительно мусковитом.

Образец 2

Двойник кианита секториальный по (100) с развитыми гранями пинакоида. Цвет голубовато-синий. Размер обломка кристалла – 2,5Ч1 см. В кристалле наблюдаются включения красного рутила, а также мелкие черные включения ильменита. Также есть на поверхности включения слюды зеленого цвета. Индукционные поверхности с рутилом и мусковитом.

Кристалл трещиноват, по трещинам развит мусковит. Образец из слюдяных сланцев Борисовских сопок (копь Ферсмана).



Рутил Мусковит

абв

Рис. 13. Двойник кианита секториальный (а, б – образец, в – полированная пластинка) 



Образец 3

Таблитчатый кристалл удлиненной по (001) формы, размером 3Ч0,7 см, светло-синего цвета. Имеются включения красного рутила, размером <1 мм, трещинки в кианите заполнены слюдой белого цвета – мусковитом. Наблюдается отдельность по (001).



Отдельность

Мусковит

аб 



в 

Рутил 

Рис. 14. Кристалл кианита (а, б – образец, в – полированная пластинка) 



Образец 4

Кристалл кианита расщепленный – 3 см по удлинению, беловато-серого цвета с голубыми просветами, серый цвет обусловлен, по-видимому с мелкими непрозрачными минералами. В кристалле есть включения красного рутила, размером до 0,05 мм, а также включения магнетита и ильменита. Трещины в кристалле заполнены пленками лимонита, который дает буроватый цвет.



а

б

Рис. 15. Кианит расщепленный ( а - фото образца, б - фото полированной пластинки)



Образец 5





Рис. 16. Метакристалл зонально - а с другого более светлый, что соответствует секториальный с текстурной пирамидам нарастания граней разных простых тенью вмещающей породы. форм. В порах видны мелкие кристаллы кварца



Метакристалл зонально - секториальный. Наблюдается реликтовая горизонтальная слоистость от предшествующего кристаллического сланца. Размер обломка примерно 1,7 см по удлинению. В кристалле наблюдается большое количество мелких включений (< 0,5 мм) черного цвета (ильменит, магнетит), которые распределены послойно (тень текстуры сланца). Также вместе с включениями ильменита, магнетита, встречаются мелкие включения слюды. В центре кристалла находится светлый стержень, края заметно отличаются по голубому цвету, с одного края он более темный, 

По зонам в кианите был сделан микрозондовый анализ (табл.1-2), который показал, что в светло-голубой части присутствуют небольшие изоморфные примеси железа (0,52 мас.%) и хрома (0,89 мас.%), в светло-серой - хром (0,93 мас.%), в синей зоне - железа (0,58 мас.%) и хрома - (0,94 мас.%), следовательно, цвет меняется из-за присутствия небольших примесей Fe и Cr.



Таблица 1. Состав кианита и включений титаномагнетита (мас.%)

№

SiO2

TiO2

Al 2O3

Cr2O3

FeO

V2O5

Сумма



1

36,368

-

62,108

0,897

0,517

-

99,890



2

35,070

-

63,955

0,947

-

-

99,972



3

34,327

-

65,099

0,948

0,584

-

100,958



4

-

10,994

-

-

88,157

0,548

99,699





Таблица 2. Эмпирические формулы кианита по зонам (1-3) и включений в кианите

1

2

3

4

Al1.99Cr0.02Fe0.01Si0.99O5 

Al2.04Cr 0.02Si0.95O5

Al2.07Cr0.02Fe0.01Si0.93O5

Fe(Fe1.69Ti0,3V0,01)O4

кианит

кианит

кианит

титаномагнетит



Образец 6





Рис. 17. Кианит зонально- хрома до 0,35 мас.%. секториальный (1-15 – точки анализа по профилю)

Кристалл зонально-секториальный – определяется по цвету – по краям кристалл зеленовато-синего цвета, а внутри «стержень» светло-серого цвета, размером 1.7Ч0.5 см. Имеются включения красного рутила, в том числе - идиоморфные с содержанием ванадия V2O5 1,55 мас.% и черные включения (ильменит), беспорядочно распределенные по кристаллу. 

Для прослеживания изменения состава в центральной части кристалла по зонам был сделан микрозондовый анализ по прямой линии перпендикулярно удлинению. В таблицах 3, 4 приведены данные анализа, из которых следует что цвет меняется вследствие присутствия железа и титана в виде небольших изоморфных примесей железа до 1 мас. %.



Таблица 3. Состав кианита по зонам(мас. %)

№ точки анализа

SiO2

TiO2

Al 2O3

Cr2O3

FeO

Сумма



1

39,247

-

59,298

0,344

1,017

99,970



2

38,168

-

61,771

0,095

0,901

100,936



3

36,869

-

61,861

0,253

0,733

99,971



4

39,239

0,217

59,355

0,344

0,811

100,007



5

35,674

-

63,127

0,164

0,696

99,735



6

36,520

0,184

62,866

0,197

0,675

100,443



7

37,479

-

61,564

0,188

0,750

99,980



8

37,724

0,166

60,910

0,169

0,688

99,657



9

42,033

0,225

56,342

0,243

0,716

100,041



10

38,331

-

60,677

0,236

0,679

100,019



11

37,280

0,148

61,675

0,246

0,704

100,022



12

40,508

-

58,094

0,308

1,048

100,031



13

38,353

0,154

60,199

0,168

1,036

99,998



14

39,392

0,206

58,757

0,299

0,980

99,831



15

37,319

-

61,376

0,375

1,151

100,330





Таблица 4. Эмпирические формулы кианита по зонам

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Al1.90Fe0.03Cr 0.01Si0.06O5

Al1.95Fe0.02Si1.02O5

Al1.98Fe0.02Cr 0.01Si1.0O5

Al1.89Fe0.02Cr 0.01Si1.06O5

Al2.02Fe0.02Si0.97O5

Al2Fe0.02Si0.98O5

Al1.96Fe0.02Si1.02O5

Al1.95Fe0.02Si1.02O5

Al1.79Fe0.02Cr 0.01Ti0.01Si1.13O5

Al1.93Fe0.02Cr 0.01Si1.04O5

Al1.97Fe0.02Cr 0.01Si1.01O5

Al1.85Fe0.02Cr 0.01Si1.10O5

Al1.92Fe0.02Si1.04O5

Al1.88Fe0.02Cr 0.01Si1.07O5

Al1.96Fe0.03Cr 0.01Si1.01O5



Состав рутила (мас.%)



TiO2

FeO

V2O5

сумма



Рутил

97,249

0,926

1,574

99,954





Эмпирическая формула рутила



Ti1.98Fe0.01V0.01O2



По зонам кианита варьирут лишь изоморфные примеси Ti3+ , Cr3+ , Fe3+ (<1 мас.%), содержание которых не сказывается на качестве коммерческого типа кианита, а только меняется цвет. В более темных зонах (зеленовато-синих) содержание этих примесей больше, чем в центральной светло-серой зоне.

По анализу включения в кианите определен кремнезем, сумма низкая, это, предположительно, опал.



Образец 7





Рис. 18. Сросток расщепленных кристаллов кианита с включениями турмалина



Сросток расщепленных кристаллов кианита серого цвета, цвет обусловлен мелкими включениями (1 мм) черного дравита. Размер обломка кианита – 2Ч1,2 см. Также трещинки заполнены кварцем, размером до 0,4 мм, изометричной, округлой, немного вытянутой формы. Турмалин наблюдается в виде мелких иголочек черного цвета (размером 0,05Ч0,3 мм). На поверхности сростка наблюдается мусковит желтовато-белого цвета.

Кианит имеет индукционные поверхности с мусковитом и турмалином.

Из расчетов по микрозондовому анализу были определены включения в кианите кварца и дравита, а также кианит с изоморфной примесью FeO 15,3 мас.%.



Таблица 5. Состав кианита и минеральных включений (мас.%)

№

SiO2

TiO2

Al 2O3

Cr2O3

FeO

MnO

MgO

CaO

NA2O

сумма

1

35,914

0,156

64,406

0,186

0,964

0,070

-

-

-

101,696

2

102,164

0,201

-

0,163

-

0,068

-

-

-

102,595

3

30,054

-

55,061

-

14,554

-

-

-

-

99,669

4

38,270

-

33,858

0,104

4,651

-

8,967

-

2,952

100,302

Таблица 6. Эмпирические формулы кианита и минеральных включений

1

2

3

4

Al2,03Fe0.02Si0.96O5 

Si1,0O2

Al1,91Fe0.04Si0.89O5

Na0.8Mg1.92Fe0.54Al5.4Si5.98(BO3) 3O18OH4

кианит

кварц

кианит

дравит



Образец 8





Рис. 19. Сросток кристаллов кианита



Сросток кристаллов темно-серого цвета до черного, размер 1,5Ч0.6 см. Есть включения кварца, изометричные, светло-серого цвета, размером 0,05-0,1 мм. Черный цвет кристалла обусловлен большим количеством включений титаномагнетита. На темном фоне светлые полосы, которые заполнены этими же включениями, но в меньшем количестве. В светлых частях кристалла под бинокуляром наблюдаются включения слюды. Кианит является реликтовым, так как наблюдаются «следы» текстуры предшествующей породы, предположительно сланца.



Таблица 7. Состав титаномагнетита и кианита (мас.%)

№

SiO2

TiO2

Al 2O3

Cr2O3

FeO

сумма



1

-

11,775

0,201

0,135

90,128

102,239



2

36,811

-

63,696

-

1,401

101,908



Таблица 8

Эмпирические формулы включений в кианите и самого кианита: 

№

Химический состав в кристалле кианита

Наименование

1

2

Fe(Fe1.67Ti00.32Al0.01)O4

Al2Fe0.03Si0.98O5

Титаномагнетит

Кианит



Образец 9





Рис. 20. Полированная пластинка зонального кристалла кианита с единичными включениями



Зональный, светло – голубого цвета по краям, внутри безцветный, размер 1,5Ч0.5 см. Включения черные, очень мелкие, единичные. Кристалл практически чистый. Наблюдается отложение лимонита по трещинам. Присутствуют единичные тонкие вростки красного рутила (0,05 мм). Присутствуют очень мелкие газово-жидкие включения, диагностика которых затруднена.



Образец 10





Рис. 21. Полированная пластинка зонально-секториального кристалла кианита



Кристалл светло-голубого цвета (2,4Ч0.7 см), на индивиде сохранилась одна грань. Секториальность определяется различием цвета, в центре кристалла расположен светлый «стержень» (светло-голубой). В кристалле наблюдаются включения красного рутила – тонкопризматического (0,05мм), а также темные мелкие включения. Включения расположены ориентированно, в виде полос – текстура унаследованная от предшествующей породы. 



Образец 11





а 



б

Рис. 22 Сросток расщепленных кристаллов кианита (а - фото образца, б фото полированной пластинки)



Расщепленные кристаллы, размером по удлинению около 2 см, серовато-желтого цвета. Наблюдаются включения темно-красного рутила ( < 0,5 мм), просвечивающего, с алмазным блеском. В кристалле, между блоками расщепления имеются скопления белой слюды - мусковита.



Образец 12





Рис. 23. Двойник зонального кристалла кианита



Полированная пластинка, параллельная (100)

Двойник кристалла кианита (2,7Ч1 см), голубого цвета, имеются включения мусковита. В кристалле наблюдается отдельность по (001). Встречаются рутил в виде темно-красных просвечивающих коротко-призматических кристалликов с сильным алмазным блеском, а также есть более крупные кристаллы рутила (размером до 0,1 мм), на которых отчетливо видны грани тетрагональной призмы и конечные грани дипирамиды, встречаются двойниковые сростки. Среди красных включений рутила встречаются черные включения магнетита и ильменита. Единичные зерна рутила в виде крестообразных двойниковых срастаний. Присутствуют включения апатита.

Также в кристалле наблюдается секториальность, которая проявляется в цвете: голубой-светло-голубой – голубой. Отложение лимонита по трещинам. Включения в кианите расположены хаотично.



Таблица 9. Состав рутила и кианита(мас.%)



SiO2

TiO2

Al 2O3

Cr2O3

FeO

сумма



рутил

-

99,583

-

0,256

0,775

100,615



кианит

39,898

-

59,258

0,177

0,636

99,970





Эмпирическая формула кианита:



Al1.5Fe0.01Si0.9O5



Эмпирическая формула рутила в кианите:



Ti0.99 Fe0.01O2



7.1 Гониометрия и вычерчивание кристалла кианита



Кристаллы столбчатые, зачастую уплощенные (досковидные), вытянутые по оси с. Главные формы - пинакоиды (100), (010) и (110) (рис. 25-2,3.). Сростки кристаллов чрезвычайно часты, двойниковой плоскостью служит обычно (100), а двойниковой осью - перпендикуляр к ней. Дистеновые двойники можно определить по наличию входящих углов, встречаются пересечения индивидов под углами, близкими к 60° (Минералы…1972), кроме того, наблюдаются расщепленные кристаллы кианита. 

В кристаллографическом отношении некоторые кристаллы кианита имеют ровные блестящие грани и пригодны для гониометрических измерений.

Исследования геометрических свойств кристаллов борисовского кианита проведено В. В. Доливо-Добровольским, который измерил всего около 200 кристаллов.

Мною был вычерчен монокристалл кианита с головкой. Кристалл прозрачный, светло-голубого цвета, размером 4Ч1 мм.

На столике Федорова были измерены углы между гранями, затем вычислены координаты граней (Табл. 10), построена стереографическая проекция (рис. 24) и по полученным данным был вычерчен кристалл кианита в программе Shape 7.1.(рис. 25-1)



Таблица 10

Грань

Символ грани

φ

ρ

c

b

a

m

M

q

v

o

z

001

010

100

110

1-10

011

0-11

-111

-122

73°51'

0°00'

73°44'

39°23'

122°25'

13°53'

163°55'

-46°51'

36°

11°35'

90°00'

90°00'

90°00'

90°00'

39°23'

35°24'

39°30'

-14°





Рис. 24. Стереографическая проекция кристалла кианита





Рис. 25. Кристаллы кианита: 1 - новый кристалл( по Кульмухаметовой М. Г.), 2 и 3 – Борисовское месторождение, Южный Урал (по Доливо- Добровольскому)



Таким образом, вычерченный кристалл является новым для данного участка, так как ранее такие кристаллы вычерчены не были. Эти данные позволяют судить о том, что на кристаллах кианита есть редкие простые формы, создающие собственные сектора роста, физически и химически потенциально отличные от секторов роста распространенных форм.



7.2 Типы кианита



В техногенных россыпях на Андрее-Юльевском участке кианит встречается голубой, голубовато-серый, синий, коричневатый и бесцветный, в зернах типичного досковидного облика до 1-5 мм, с преобладанием граней пинакоидов (100), (010) и (001); огранение на головках редко. В составе обычны небольшие примеси Ti и Fe – в среднем 1 мас.%. 

Общепринятой типизации кианита не существует. А.Н. Игумнов разделил Борисовские кианиты на два типа по цвету: «…к первому относится цветной дистен различных оттенков синего и зеленоватого цветов или собственно кианит», образованный в «кварцевых жилах», второй тип – «кианит серого цвета, вкрапленный в сланец». Первый тип «по облику столбчатый с сечением, часто близким к ромбическому и плоскопризматический с развитием граней (100), по которым часты двойники срастания, пластинчатый и пластинчато-лучистые агрегаты». Отмечает «включения кварца, слюды, рутила и турмалина». Второй тип – «одиночные кристаллы, имеют столбчатый (таблитчатый) облик, агрегаты лучистого строения, сросшиеся кристаллы, расположенные в параллельных плоскостях (слоями)». Отмечает, что «по чистоте кианит сланцев уступает кианиту кварцевых жил и обычными включениями в нем являются зерна кварца, красного рутила, слюда и редко черный шерл».

Лепезин Г. Г. приводит кианит по коммерческим сортам.



Таблица 11. Характеристика кианита по коммерческим сортам (мас.%):

Высший: Al2O3>57.0

TiO2 < 0.6

Fe2O3 < 0.5

Na2O+K2O < 1.0.

Первый: Al2O3=56.0

TiO2=0.8

Fe2O3=0.6

Na2O+K2O=1.2.

Второй: Al2O3=54.0

TiO2=1.2

Fe2O3=0.8

Na2O+K2O=1.5.

Третий: Al2O3=44.0

TiO2=2.0

Fe2O3=1.2

Na2O+K2O=1.6.



Эта классификация по химическому составу без учета форм вхождения примесей в кианит. Для технологических целей существенно понимание в каком виде титан и железо находятся в концентрате, так как из-за содержания большого количества включений концентрация примесей повышается – это может сильно сказаться на сортах кианитовых руд (рутил дает большое количество примесей титана, ильменит - титана и железа, кварц кремния, магнетит – железа). 

Тонкодисперсный рутил в кианите трудно извлекаем, что ограничивает области применения кианитового концентрата в промышленном использовании (требования по содержанию TiO2 для керамических материалов – не более 0.2, а в иных случаях 0.01%) (Щипцов, 1988).

По проведенным мною исследованиям и наблюдениям кианит в техногенных россыпях Андрее-Юльевского участка (рис. 26) можно разделить по следующим критериям, и процентному содержанию в россыпях: 

По размеру: В техногенных россыпях при изучении наблюдались различные типы кристаллов кианита, которые отличаются размером – мелкие (<1 см) – 20%, средние (2,5-1 см) – 65%, крупные выделения (2,5-10 см) – 15%.

По цвету: темные, почти черные – 5%, сине-зеленые - 3%, , синие – 12%, темно-синие 20%, серые – 60%.

Цвет кианита обусловлен небольшими изоморфными примесями, который не влияет на современную принятую сортность руд: 1) Ti3+ , Cr3+ -дают синий цвет; 2) Fe3+- зеленый цвет.

Серый цвет кианита обусловлен мелкими пылевидными включениями темных минералов – графита, ильменита, магнетита.

По включениям:

Кристаллы кианита отличаются включениями других минералов – в основном это зерна кварца - 7%, зерна красного рутила – 5%, видимые невооруженным глазом или под лупой, бинокуляром, включения ильменита – 5%, пластинки слюды – 3%, турмалин – 5% , магнетит – 5%. 

По облику: столбчатые – 10%, пластинчатые – 40%, часто встречаются расщепленные кристаллы – 50%. Не редко среди кристаллов кианита наблюдаются двойники срастания по различным законам ((100), (010), (001)) и крестообразные двойники прорастания. 

В большинстве случаев кианит в россыпях находится в виде плохо образованных веретенообразных кристаллов – так называемые «овсянка».

Кианит отличается наличием зональности и секториальности.





Рис. 26. Кианит россыпей (фото Попова В. А.)



Техногенная россыпь Андрее-Юльевского участка характеризуется неоднородностью распространения типов кианита, а также участок в разных частях характеризуется различным качественным и количественным составом. 



7.3 Секториальное и зональное строение кристаллов кианита



При кристаллизации создаются одновременно растущие, но различные части кристалла, получающиеся за счет отложения вещества на разных гранях, ребрах, вершинах или разных участках иных поверхностей кристаллов кианита. 

Кристаллы кианита обладают секториальным строением (рис. 16, 17, 20, 21), поскольку они состоят из пирамид нарастания (секторов), число которых равно числу растущих граней кристаллов в соответствующий момент роста.

Неодинаковость свойств секторов обусловлена неравномерным распределением между секторами: 1) изоморфных (структурных) примесей; 2) механических примесей.

Предположительно, секториальный кианит в разных частях секторов, а также на разных гранях и ребрах кристалла имеет различные физические и химические свойства.

Секториальность тесно сопряжена с зональностью. Уже сам механизм роста слоями вызывает слоистое строение пирамид нарастания граней, а наряду с этими – колебания хода кристаллизации с течением времени приводят к образованию более грубой зональности вплоть до макроскопической (рис. 17). Равным образом поверхности нарастания ребер и линии нарастания вершин отражают механизм слоистого роста и колебания хода отложения вещества, и также получают неоднородное сложение.

Особенности внутреннего строения кианита устанавливаются макро- и микроскопически по различиям в таких свойствах минерала, как окраска, распределение изоморфных примесей и включений. Разные части в одном кристалле отличаются по химическому составу.

Секториальность и зональность часто проявлены в одном и том же индивиде (рис. 21), формируются в растущем кристалле вместе, но различные пирамиды нарастания растут одновременно, тогда как отдельные зоны – последовательно.

Секториальность и зональность здесь описаны как возможность использования специальных типов кианитов. Знание этих свойств может понадобиться, если потребуются такие типы кианита.



Заключение



В работе рассмотрен Андрее-Юльевский участок техногенных россыпей в Пластовском районе, содержащий промышленные концентации кианита, для применения которого требуется предварительное обогащение и освобождение от минеральных примесей, находящихся в кристаллах кианита.

Приведенные в работе результаты изучения кианита позволяют сделать выводы, которые могут быть полезными в части подходов к решению задачи получения кианитовых концентратов высокого качества.

Геологическое изучение Андрее-Юльевского участка показало, что кианит слагающий техногенную россыпь поступал из высоко метаморфизованных пород, претерпевших гидротермально-метасоматические преобразования, кварц-кианитовых жил, а также «труб» кианитовых слюдитов описанных А. И. Белковским (1999 г.). 

История изучения кианитовых руд очень поучительна, так как она отражает эволюционный переход от оценки их использования для получения алюминия, затем для производства силумина и, наконец, кианит становится практически ценным индустриальным минералом, химические и физические свойства которого стали предметом внимания.

В работе установлено, что в техногенной россыпи Андрее-Юльевского участка присутствуют различные типы кианитов, отличающиеся по цвету, содержанию примесей и по облику кристаллов. 

Выявлены зональные и секториальные кристаллы кианита. Эти данные могут оказаться полезными в будущем при использовании специальных типов кианитов с определенными свойствами.

Цвет кианитов обусловлен очень небольшими изоморфными примесями Fe, Cr, Ti, не влияющими на современную принятую сортность руд. Изоморфные примеси FeO и TiO2 достигают 1 мас.%.

На сортность руд могут сильно влиять минеральные включения в кианите: рутил, ильменит, турмалин, кварц, магнетит, слюды. Количество минеральных включений варьирует от 5 до 15 об.%.

Установлено, что наиболее загрязненными по минеральным примесям и химическому составу оказываются метаморфогенные типы сростков расщепленных кристаллов кианита. Наиболее чистыми оказываются кианиты голубого, синего и зеленовато-синего цвета из кварц-кианитовых жил.

Также по изучению геологического строения Андрее-Юльевского участка можно сделать вывод о том, что в разных частях по качественному и количественному составу, россыпь не однородна.



Список использованной литературы



Белковский А. И., Нестеров А. Р., Белковская А. Я. Кианит и ванадийсодержащий рутил из карбонатитоподобных пород Борисовских сопок на Южном Урале// Материалы Уральской летней минералогической школы. Екатеринбург, УГГГА, 29 июля - 2 августа 1997, с. 191-194.

Белковский А. И., Нестеров А. Р. Редкометальные серицитолиты Урала// Карбонатиты Кольского полуострова - Сборник статей. - Санкт-Петербург: СпбГУ, 1999, 133 с.

Бетехтин А. Г. Курс минералогии : учебное пособие. — М. : КДУ, 2007. 720

Булах А. Г. Графика кристаллов (измерение, вычисление и вычерчивание). - М.: «Недра», 1971. 112 с.

Вертушков Г. Н., Авдонин В. Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам: Справочник. – 2-е изд., перераб. И доп. М.: Недра, 1992. 489 с.

Григорьев Д. П., Жабин А. Г. Онтогения минералов (индивиды). - М.: «Недра», 1975. 316 с.

Доливо-Добровольский В. В. Исследование геометрических свойств кристаллов кианита из месторождения дер.Борисовки Качкарского района на Южном Урале. - М.: НКТП Государственное геолого-разведочное изд-во Ленинград, 1932. 43 с.

Игумнов А. Н., Кожевников К. Е. Уральские месторождения дистена (кианита). Труды ВИМС, вып.90, 1935. 70 с.

Кейльман Г. А. Мигматитовые комплексы подвижных поясов. - М.: Недра, 1974. 200 с.

Кейльман Г. А., Золоев К.К. Изучение метаморфических комплексов.– М.: Недра, 1989. 207 с. 

Кисин А. Ю. Месторождения рубинов в мраморах (на примере Урала). Свердловск: УрО АН СССР. 1991. 131 с.

Колисниченко С. В., Попов В. А. «Русская Бразилия» на Южном Урале: Минералы рек Санарки, Каменки и Кабанки: Энциклопедия уральского камня. – Челябинск: изд-во «Санарка», 2008

Костов И. Кристаллография. М.: «Мир», 1965. 522 с.

Львов Б. К. Петрология, минералогия и геохимия гранитоидов Кочкарского района (Южный Урал). - Л.: Изд. ЛГУ, 1965. 164 с.

Минералы. Справочник. Том 3, выпуск 1, Силикаты с одиночными и сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами. Главный редактор академик Ф. В. Чухров. - М.: изд-во Наука, 1972. 

Попов Г. М., Шафрановский И. И. Кристаллография. Издание третье, исправленное и дополненное. М.: Государственное научно-техническое изд-во литературы по геологии и охране недр. 1955. 295 с.

Сначев В. И., Демин Ю. И., Романовская М. А., Щулькин В. Е. Тепловой режим становления гранитоидных массивов. БНЦ УрО АН СССР. Уфа, 1989.

Херлбат К., Клейн К. Минералогия по системе Дэна. Пер. с англ. - М.: Недра, 1982

Фондовые материалы:

Коротеев В. А. Отчет по проекту «Минералы группы силлиманита – новый вид сырья для производства высокоглинозёмистых огнеупоров, глинозёма, силумина и алюминия» Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2009

Коротеев Д. В. Кианит, как вид сырья для производства высокоглиноземистых огнеупоров (на примере техногенных россыпей Андрее-Юльевского участка Челябинской области). Екатеринбург: ИнГиГ УрО РАН, 2008

Лепезин Г. Г. Стратегия развития сырьевой базы алюминиевой промышленности России. Институт минералогии и петрографии СО РАН, 2003

Савичев А. Н. Проект на проведение геологоразведочных работ на Андрее Юльевском участке Челябинской области. Екатеринбург, 2009. 36 с.

Щипцов В. В., Скамницкая Л. С. и др. Хизоварское кианитовое поле (Северная Карелия) . Петрозаводск, 1988. 105 с.