100
Вестник ТГАСУ № 1, 2014
А.В. Мананков, Б.С. Страхов, 2014
УДК 553.5:549.07
МАНАНКОВ АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, докт. геол.-мин. наук, профессор,
mav.39@mail.ru
СТРАХОВ БОРИС СЕРГЕЕВИЧ, эксперт Центра независимых
судебных экспертиз Российского фонда ТЕХЭКО,
sbs1948@list.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПЕТРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГОРНОГО СЫРЬЯ ПОЛЯРНОГО УРАЛА
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕТРОСИТАЛЛОВ
Цель работы – с помощью теоретических расчетов и экспериментальных исследова-
ний получить стеклокристаллические материалы класса сикам на основе пород Поляр-
ного Урала. В процессе работы изучена петрохимия пород, рассчитаны составы
и технологические параметры получения петроситаллов. Проведен расчет теоретическо-
го химического и минерального составов полученных петроситаллов. Изучены их мине-
ральный состав, структура, текстура и физико-химические свойства.
Ключевые слова: Полярный Урал; сикамы; петроситаллы; нуклеаторы; диф-
ференциально термический анализ; термограммы; эндоэффекты; экзоэффекты;
кристаллы.
ANATOLY V. MANANKOV, DSc, Professor,
mav.39 @ mail.ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
BORIS S. STRAKHOV, Expert,
sbs1948@list.ru
Center for Independent Forensic Examinations of the Russian Foundation
TEHEKO
PETRO-GEOCHEMICAL RESEARCH
OF POLAR URALS ROCK GLASS-CERAMICS PRODUCTION
The paper is aimed at theoretical calculations and experimental research into synthesis of
glass-ceramic materials [2] based on rocks of Polar Urals. Petrochemistry of rocks was
studied; compositions and
technological parameters of rock glass-ceramics were calculated in
this paper. A calculation of theoretical chemical and mineral compositions was provided for
obtained rock glass-ceramics. Their mineral composition, structures, textures, and
physic-chemical properties were studied herein.
Keywords: Polar Urals; rock glass-ceramic; nucleating agent; differential thermal
analysis; heat patternas; endo-effects; exo-effects; crystals.
Предшественники ситаллов
Первыми предшественниками ситаллов многие считают глушеные
стекла. Глушением стекла называют большую или меньшую потерю его про-
Петрогеохимические исследования горного сырья
101
зрачности. Эффект глушения вызывается весьма мелкими (около 1 мкм) ча-
стицами фазы (микрокристаллами), которая выделяется в процессе формиро-
вания или после термообработки.
Цветные стекла. Все красители делятся на три типа: ионные, коллоид-
ные и молекулярные. Ионные красители – оксиды переходных металлов (ко-
бальта, никеля, марганца, хрома, кадмия, меди, железа, ванадия, церия и др.).
Коллоидное окрашивание стеклу придают золото, медь, селен, сурьма, сереб-
ро. К молекулярным красителям относятся сульфиды и селениды.
Фарфор Реомюра. В первой половине XVIII в. известный французский
физик Реомюр следующим образом объяснил образование фарфора из стекла:
рост кристаллов иглообразной формы начинается с поверхности изделий; по
мере увеличения кристаллов они прорастают вглубь и затем встречаются
у середины стенок, после чего процесс кристаллизации завершается. Это под-
тверждает структура фарфора: в изломе видны тончайшие кристаллические
нити, уложенные друг против друга. Но направленный рост кристаллов от
стенок изделия создавал ослабленную среднюю зону, где эти кристаллы
встречались.
Теоретический расчет и экспериментальное получение
петроситаллов класса сикам на основе пород Полярного Урала
Академик И.И. Китайгородский в середине ХХ в. выступил с предложе-
нием организовать широкое производство и применение в строительстве за-
кристаллизованных стекол ситаллов. Он утверждал, что, изменяя химический
состав, температуру и время термической обработки, можно регулировать ход
процесса кристаллизации и влиять на образование той или иной кристалличе-
ской структуры. Последняя же, в свою очередь, обусловит необходимые фи-
зико-химические свойства полученного вещества и изделий из него [5]. Ака-
демик Ф.Ю. Левинсон-Лессинг и профессор А.С. Гинзбург в 1926–1933 гг.
создали известную школу по изучению свойств горных пород и промышлен-
ных шлаков с целью их использования в петрургии [1].
Официально же днем рождения ситаллов считается 23 мая 1957 г. (па-
тент фирмы «Корнинг Гласс Уоркс» № 1298811). Разработка метода получе-
ния ситалла в результате направленной кристаллизации стекла оценивается
как одно из важнейших достижений науки ХХ в. и приравнивается к разра-
ботке способа получения стали [1].
Кристаллизация ситалла включает в себя две стадии: образование цен-
тров кристаллизации и рост кристаллов. Образование центров может быть
гомогенным и гетерогенным. Кристаллическое зерно зарождается при благо-
приятных условиях в каком-то микроучастке расплава или раствора.
Главную роль при зарождении центров кристаллизации играет пере-
охлаждение. На зарождение центров влияют также силовые поля (электриче-
ские, магнитные, ионизирующие), ультразвук, стенки сосуда, дефекты сопри-
касающихся с жидкостью поверхностей.
В дальнейшем были получены характерные кривые температурной за-
висимости числа образующихся центров кристаллизации (ЧЦК) и линейной
102
А.В. Мананков, Б.С. Страхов
скорости кристаллизации (ЛСК). Необходимость преодоления энергетическо-
го барьера зародышеобразования определяет медленность процессов фазовых
переходов.
Кроме добавок ускорителей (минерализаторов) существуют добавки из-
бирательного действия. Так, торможение процесса минералообразования вы-
зывают добавки, которые носят название замедлителей, или ингибиторов; за-
держку модификационных превращений обеспечивают добавки, которые
принято называть стабилизаторами. Эффективность действия частицы (под-
ложки) зависит от степени соответствия ее структуры структуре зародыша:
несоответствие параметров решеток обоих кристаллов не должно превышать
15 % (принцип кристаллографического подобия Данкова).
Наибольшие трудности, как теоретические, так и экспериментальные, вы-
зывает механизм роста кристаллов из расплавов; существующие теоретические
представления о механизме роста кристаллов применительно к расплавам могут
рассматриваться только как качественные. Для определения побудителей объ-
емной кристаллизации стекол существует несколько терминов: катализаторы,
нуклеаторы, инициаторы, стимуляторы, зародышеобразователи и др.
В настоящее время получают большое число ситаллов разного типа
в зависимости от исходного состава [2]. Все известные ситаллы можно услов-
но разделить на две группы: технические ситаллы и ситаллы на основе про-
мышленных отходов и горных пород.
Технические ситаллы включают в себя все искусственные композиции,
получаемые на основе смесей разных соединений элементов и по типу приме-
няемых катализаторов. По этой классификации различают способы получения
ситаллов с применением благородных металлов (золото, серебро, платина),
меди, фторидов, TiO
2
, ZrO
2
, Р
2
О
5
, ZnO, Li
2
О, переходных элементов (Сг
3+
, V
5+
,
Ni
2+
) и т. п.
В зависимости от конкретных требований к свойствам стекол (темпера-
тура варки, вязкость и пр.) и ситаллов (свойства, режим термообработки и пр.)
составы основных типов могут быть значительно модифицированы введением
различных добавок, влияющих на варку, формование, свойства и т. п. В каче-
стве таких добавок могут быть использованы щелочные, щелочно-земельные
и другие (практически любые) оксиды.
Группа ситаллов на основе промышленных отходов и горных пород со-
стоит в основном из шлакоситаллов и петроситаллов. Шлаковые ситаллы
включают субмикрокристаллические материалы на основе шлаков черной
и цветной металлургии. К этой же группе относятся и ситаллы на основе раз-
личных других шлаков (фосфорное производство, золы ТЭЦ и др.). Петроси-
таллы включают в себя ситаллы на основе горных пород (базальтов, диабазов
и др.), а также на основе отходов разных обогатительных производств (хвосты
руд и пр.) [8].
Авторами в рамках НИР с технопарком «Ямал» в 2012 г. были проведе-
ны петрохимические исследования вскрышных пород золоторудных место-
рождений Полярного Урала на предмет получения из них петроситаллов.
В восточной части Полярного Урала в районе пос. Харп были отобраны
представительные пробы из карьеров трех месторождений. С месторождения
Петрогеохимические исследования горного сырья
103
Новогоднее были взяты образцы базальта и диабаза, с месторождения Амфи-
болитового – образцы амфиболитов, а также известняки с месторождения Но-
вогоднее II (рис. 1). Месторождение Новогоднее расположено в пределах Ма-
лоуральского краевого вулкано-плутонического пояса (ВПП), прорванного
интрузивными образованиями собского и конгорского комплексов. Место-
рождение Амфиболитовое локализовано в пределах распространения ханмей-
хойской свиты нижнего протерозоя.
Рис. 1. Обзорная карта района пос. Харп в восточной части Полярного Урала:
1 – месторождение золота Новогоднее; 2 – месторождение известняков Новогод-
нее II; 3 – месторождение строительных материалов Амфиболитовое
Пробы после дробления до 1 мм и квартования были подвергнуты хи-
мическому анализу с помощью масс-спектрального метода с индуктивно свя-
занной плазмой в химико-аналитическом центре «Плазма» (аналитик – иссле-
дователь 1-й категории А.Н. Маковенко). В таблице приведены данные анали-
за в сравнении с вулканитами Томского района.
Химический состав базитов Полярного Урала и Томского района
Оксиды
Базальт
Диабаз
Низкоще-
лочной
андезит
(мета-
морфизо-
ванный
базальт)
Нормаль-
нощелоч-
ной анде-
зит (амфи-
болизиро-
ванный
базальт)
Средний
химиче-
ский со-
став дай-
ковых
форм вул-
канитов
Томского
района
SiO
2
48,67
45,08
62,30
57,66
50,89
3
2
1
104
А.В. Мананков, Б.С. Страхов
Окончание таблицы
Оксиды
Базальт
Диабаз
Низкоще-
лочной
андезит
(мета-
морфизо-
ванный
базальт)
Нормаль-
нощелоч-
ной анде-
зит (амфи-
болизиро-
ванный
базальт)
Средний
химиче-
ский со-
став дай-
ковых
форм вул-
канитов
Томского
района
TiO
2
0,37
0,59
1,05
0,79
1,79
Al
2
O
3
16,93
14,85
11,98
15,14
15,74
Fe
2
O
3
5,01
8,54
3,73
2,82
6,37
FeO
6,34
7,69
5,51
4,27
5,25
MgO+MnO
5,80
7,73
3,05
3,36
4,57
CaO
11,84
9,95
5,96
5,11
7,28
Na
2
O
2,00
1,40
1,43
2,93
3,67
K
2
O
0,12
0,17
2,33
2,20
1,09
P
2
O
5
0,02
0,07
0,12
0,31
0,73
H
2
O
0,28
0,30
0,17
0,38
0,39
П.п.п.
2,31
2,74
1,26
4,21
1,18
Сумма
99,69
99,11
98,89
99,18
98,95
По минералого-петрографическим особенностям и химическому соста-
ву на диаграмме «Сумма щелочей – кремнезем» (рис. 2) породы месторожде-
ния Новогоднее попадают в поле базальтов и основных пикробазальтов. Для
них характерно относительно высокое содержание железа, магния, кальция
и низкое – кальция и фосфора. Амфиболиты попадают в поле низко- и нор-
мальнощелочных андезитов. По сравнению с породами месторождения Ново-
годнее, при более высоком содержании кремнезема амфиболиты характери-
зуются более низким содержанием железа, магния и кальция, не сильно отли-
чаются по содержанию натрия и выделяются повышенными значениями калия
и фосфора.
На рис. 3 и 4 видно, что минералы базальта месторождения Новогоднее
практически не изменены, а структура его не нарушена, в то время как исход-
ная порода (предположительно базальт), по которой развивались амфиболиты,
Петрогеохимические исследования горного сырья
105
претерпела глубокое метаморфическое изменение с почти полным замещени-
ем исходного минерального состава метаморфическими минералами, по кото-
рым наблюдается развитие вторичных минералов.
Рис. 2. Диаграмма TAS для химической классификации магматических (вулканических)
горных пород:
1 – базальт; 2 – диабаз; 3 – андезит; 4 – амфиболит
Рис. 3. Порфировая структура; вкрапленники плагиоклаза в микроаллотриоморфной
массе габбро-порфирита
SiO
2
, масс., %
N
a
2
O
+
K
2
O
,
м
ас
с.
,
%
1
2
3
4
106
А.В. Мананков, Б.С. Страхов
Рис. 4. Метасоматическое псевдоморфное замещение основных минералов базальта ам-
фиболами, хлоритом и слюдами. Николи Х
Для исходных пород также были выполнены анализы на редкоземель-
ные и рассеянные элементы с помощью масс-спектрального метода с индук-
тивно связанной плазмой в химико-аналитическом центре «Плазма».
Спайдер-диаграмма рассеянных элементов, нормированных на прими-
тивную мантию, также подтверждает существенное отличие базальтов и диа-
базов от амфиболитов (рис. 5). В общем случае амфиболиты в большей степе-
ни обогащены рассеянными элементами по сравнению с породами месторож-
дения Новогоднее. Последние имеют хорошо выраженные максимумы Ba, U
и Sr и минимумы Th, K, Nb и Zr. Распределение рассеянных элементов в ам-
фиболитах носит менее упорядоченный характер. Различаются по своему по-
ведению Ba, Sr и Nb. Также имеется U-максимум. Основным отличием от по-
род Малоуральского ВПП является Zr [1, 3, 4, 9, 10].
Рис. 5. Распределение рассеянных элементов в породах Полярного Урала и томских ба-
зальтах:
1–2 – базальт и диабаз Малоуральского ВПП (месторождение Новогоднее); 3–4 –
амфиболиты ханмейхойской свиты (месторождение Амфиболитовое); 5 – ба-
зальты томских даек (район пос. Мирный)
1
2
3
4
5
Петрогеохимические исследования горного сырья
107
Сравнивая данные результатов исследования распределения редкозе-
мельных элементов (РЗЭ) и рассеянных элементов с результатами предыду-
щих аналогичных исследований [1, 10], можно сделать вывод, что распреде-
ление РЗЭ и рассеянных элементов пород Малоуральского ВПП хорошо сопо-
ставляется с содержанием этих элементов в базальтах островных дуг. В свою
очередь, распределение элементов в амфиболитах указывает на возможную
принадлежность исходных пород к формациям базальтов континентальных
рифтов или океанических островов. Если учесть историю геологического раз-
вития, то первый вариант оказывается предпочтительней. Для его подтвер-
ждения на рис. 5 приведены тренды распределения РЗЭ и рассеянных элемен-
тов базальтов, находящихся около пос. Мирный Томского района, которые
относятся к плитно-платформенной формации.
Выводы
В ходе исследования возможности получения петроситаллов из пород трех
месторождений Полярного Урала были достигнуты следующие результаты:
1) минеральный и химический состав исходных пород, откорректиро-
ванный в соответствии с заданными параметрами, хорошо подходит для син-
теза петроситаллов;
2) впервые получены теоретические и экспериментальные доказатель-
ства технологии производства новых конструкционных материалов петроси-
таллов на основе дешевого и доступного сырья Полярного Урала [6, 7, 8].
Б
ИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Павлушкин, Н.М. Основы технологии ситаллов / Н.М. Павлушкин. – М. : Стройиздат,
1979. – 360 с.
2. Мананков, А.В. Физико-химические основы наноструктурной минералогии в получении
современных материалов / А.В. Мананков // Вестник ТГАСУ. – 2012. – № 2. – С. 120–136.
3. Основные черты геологического строения и минерально-сырьевой потенциал Северно-
го, Приполярного и Полярного Урала / под ред. А.Ф. Морозова [и др.]. – СПб. : Изд-во
ВСЕГЕИ, 2010. – 274 с. + приложения на CD.
4. Бычков, Д.А. Минералогические и петро-геохимические исследования горного сырья
Полярного Урала для производства петроситаллов / Д.А. Бычков, А.В. Мананков,
Б.С. Страхов // Материалы I Всероссийской молодежной конференции «Россия в Арк-
тике». – Томск : Том. политехнический ун-т, 2012. – С. 42–43.
5. Бычков, Д.А. Мониторинг окружающей среды с многолетнемерзлыми породами для
обоснования технических решений экологической безопасности / Д.А. Бычков,
А.В. Мананков, Б.С. Страхов // Материалы I Всероссийской молодежной конференции
«Россия в Арктике». – Томск : Том. политехнический ун-т, 2012. – С. 75–76.
6. Бычков, Д.А. Разработка новых строительных конструкций и технологий на основе пет-
роситаллов для инфраструктуры добычи и транспортировки нефти и газа / Д.А. Бычков,
А.В. Мананков, Б.С. Страхов // Материалы I Всероссийской молодежной конференции
«Россия в Арктике». – Томск : Том. политехнический ун-т, 2012. – С. 91–92.
7. Бычков, Д.А. Технико-экономическое обоснование применения новых строительных
конструкций и технологий на основе петроситаллов / Д.А. Бычков, А.В. Мананков,
Б.С. Страхов // Материалы I Всероссийской молодежной конференции «Россия в Арк-
тике». – Томск : Том. политехнический ун-т, 2012. – С. 138–139.
108
А.В. Мананков, Б.С. Страхов
8. Минералого-геохимические и экспериментальные исследования синтеза петроситаллов /
А.В. Мананков, Д.А. Бычков, Б.С. Страхов, В.М. Яковлев, Н.Е. Быков // Сборник «Ми-
нералогия, геохимия и полезные ископаемые Азии». – Томск : Изд-во Том. ун-та, 2012. –
С. 10–18.
9. Петрохимия и геохимия редкоземельных и рассеянных элементов в базитах Полярного
Урала / А.В. Мананков, Д.А. Бычков, Н.Е. Быков, Б.С. Страхов // Сборник «Минералогия,
геохимия и полезные ископаемые Азии». – Томск : Изд-во Том. ун-та, 2012. – С. 41–50.
10. Мананков, А.В. Волластонитовые, пироксеновые и другие материалы из промышленных
отходов и недефицитного природного сырья / А.В. Мананков, Е.Я. Горюхин, А.А. Лок-
тюшин. – Томск : Изд-во Том. ун-та, 2002. – 168 с.
R
EFERENCES
1. Pavlushkin, N.M. Osnovy tekhnologii sitallov [Glass-ceramics technology]. Moscow :
Stroyizdat, 1979. 360 p. (rus)
2. Manankov, A.V. Fiziko-khimicheskie osnovy nanostrukturnoi mineralogii v poluchenii sov-
remennykh materialov [Physicochemical principles of nano-structured mineralogy in advanced
material production]. Vestnik TSUAB. 2012. No. 2. Pp. 120–136. (rus)
3. Osnovnye cherty geologicheskogo stroeniya i mineral'no-syr'evoi potentsial Severnogo, Pri-
polyarnogo i Polyarnogo Urala [The properties of geological structure of mineral raw materials
in Nothern, Nether-Polar and Polar Urals]. Ed. A.F. Morozov, et al. St.-Petersburg : VSEGEI
Publ., 2010. 274 p. (rus)
4. Bychkov, D.A., Manankov, A.V., Strakhov, B.S. Mineralogicheskie i petro-geokhimicheskie is-
sledovaniya gornogo syr'ya Polyarnogo Urala dlya proizvodstva petrositallov [Mineralogical
and petro-geochemical research into rock raw materials of Polar Urals for rock glass-ceramics
production ]. Proc. 1
st
All-Rus. Youth Conf. ‘Russia in the Arctic’. Tomsk : TPU Publishing
House, 2012. Pp. 42–43. (rus)
5. Bychkov, D.A., Manankov, A.V., Strakhov, B.S. Monitoring okruzhayushchei sredy s mnogo-
letnemerzlymi porodami dlya obosnovaniya tekhnicheskikh reshenii ekologicheskoi bezopas-
nosti [Permafrost environment monitoring for feasibility study of environmental protection].
Proc. 1
st
All-Rus. Youth Conf. ‘Russia in the Arctic’. Tomsk : TPU Publishing House, 2012.
Pp. 75–76. (rus)
6. Bychkov, D.A., Manankov, A.V., Strakhov, B.S. Razrabotka novykh stroitel'nykh konstruktsii
i tekhnologii na osnove petrositallov dlya infrastruktury dobychi i transportirovki nefti i gaza
[Development of new glass-ceramics constructions and technology for oil and gas production
and transportation]. Proc. 1
st
All-Rus. Youth Conf. ‘Russia in the Arctic’. Tomsk : TPU Pub-
lishing House, 2012. Pp. 91–92. (rus)
7. Bychkov, D.A., Manankov, A.V., Strakhov, B.S. Tekhniko-ekonomicheskoe obosnovanie
primeneniya novykh stroitel'nykh konstruktsii i tekhnologii na osnove petrositallov [Feasibility
study of new glass-ceramics constructions and technology]. Proc. 1
st
All-Rus. Youth Conf.
‘Russia in the Arctic’. Tomsk : TPU Publishing House, 2012. Pp. 138–139. (rus)
8. Manankov, A.V., Bychkov, D.A., Strakhov, B.S., Yakovlev, V.M., Bykov, N.E. Mineralogo-
geokhimicheskie i eksperimental'nye issledovaniya sinteza petrositallov [Mineralogical and
geochemical research into rock glass-ceramics synthesis]. Sbornik «Mineralogiya, geokhimiya
i poleznye iskopaemye Azii». Tomsk : TSU Publishing House, 2012. Pp. 10–18. (rus)
9. Manankov, A.V., Bychkov, D.A., V.M., Bykov, Strakhov, B.S. Petrokhimiya i geokhimiya
redkozemel'nykh i rasseyannykh elementov v bazitakh Polyarnogo Urala [Petrochemistry and
geochemistry of rare-earth and trace elements in basic rocks of Polar Urals]. Sbornik «Miner-
alogiya, geokhimiya i poleznye iskopaemye Azii». Tomsk : TSU Publishing House, 2012.
Pp. 41–50. (rus)
10. Manankov, A.V., Goryukhin, E.Ya., Loktyushin, A.A. Vollastonitovye, piroksenovye i drugie
materialy iz promyshlennykh otkhodov i nedefitsitnogo prirodnogo syr'ya [Wollastonite, py-
roxene, and other materials based on industrial waste and abundant natural raw materials].
Tomsk : TSU Publishing House, 2002. 168 p. (rus)
Dostları ilə paylaş: |