Методы исследовании, используемые для изучения типоморфизма минералов

Изучение типоморфизма минералов заключается в установлении типоморфных особенностей минералов исследуемого объекта путем сравнения с типоморфными особенностями минералов из месторождений известного генезиса. В результате могут быть получены обобщенные представления о генезисе объекта. Такой подход является по своей природе сравнительно-эмпирическим и статистическим. Поэтому при изучении типоморфизма возникла необходимость применения математических методов и ЭВМ. Это облегчает выявление наиболее информативных типоморфных особенностей.

В случае достаточно хорошего знания зависимости состава, структуры и свойств минералов от условий образования изучение типоморфизма позволяет не только установить генезис минералов, но и оценить и измерить некоторые параметры минералообразующей среды по их индикаторным признакам.

В настоящее время разрабатывается вид исследований типоморфизма путем сравнения изучаемого минерала с эталоном — типом минерального вида, то есть его усредненной теоретической моделью. Это позволяет сразу же отделить типоморфные особенности, отличающиеся от эталонных, и затем уделить внимание только им. Проводится большая работа по созданию таких эталонов, например, для хлоритов гранатов и др. При этом используют главным образом данные о химическом составе.

Изучение типоморфизма минералов макроскопическим методом, то есть визуальное, проводится, прежде всего, в полевых условиях, а также при изучении эталонных или учебных генетических коллекций. Оно начинается с установления собственно типоморфных минералов, которые образуются при каком-либо одном процессе (или на одном этапе процесса), т. е. в определенных условиях и в определенное время. Такого рода минералов сравнительно мало, например алмаз, хромит, платина, киноварь, англезит и т. д. Чаще приходится иметь дело с так называемыми сквозными или проходящими полигенными минералами с типоморфными особенностями.

Макроскопический метод позволяет устанавливать типоморфизм только форм выделения и некоторых физических свойств.

Изучение всего комплекса типоморфных особенностей – морфологических, физических, химических и структурных возможно только в лабораторных условиях с использованием разнообразных современных методов детальных минералогических исследований.

Использующий эти методы должен со знанием дела передавать образцы и пробы в минералогическую лабораторию и уметь критически оценить, и умело использовать полученные результаты. Ниже приводится краткая характеристика некоторых современных методов минералогических исследований, используемых для изучения типоморфизма минералов. Она имеет целью дать общее представление об этих методах и их возможностях, а также требованиях к изучаемому материалу.

Типоморфизм физических свойств минералов. Типоморфные особенности состава и структуры минералов, выявляемые сложными методами и аппаратурой, часто отражаются на их физических свойствах, легко определяемых более простыми методами. Например, степень структурной упорядоченности турмалина фиксируется соответствующим смещением эндотермического пика на термограммах

Значение окраски минералов как типоморфной особенности обусловлено, по А. Н. Платонову, двумя обстоятельствами: 1) она является типоморфным признаком, который можно выявить непосредственно в полевых условиях, и 2) окраска минералов во многих случаях обусловлена микропримесями и микродефектами и поэтому представляет собой наиболее чувствительный индикатор условий минералообразования.

Исследуя оптические спектры поглощения минералов, можно выявить следующие тонкие структурно-химические их особенности: 1) форму нахождения примесей (изоморфную или в виде микровключений других минералов); 2) валентность примесных ионов и механизмы валентных превращений при энергетическом (температура, радиация) или химическом воздействии на кристалл; 3) структурное положение примеси (в узлах решетки или в интерстициях), ее координацию; 4) тип точечного дефекта, его заряд и структурное положение; 5) механизм компенсации зарядов при гетеровалентном изоморфизме и т. д. Типоморфное значение окраски наиболее объективно можно оценить на примере не только наиболее распространенных и образующихся в широком диапазоне температур и давлений минералов, но и характеризующихся разнообразием окраски. К таким минералам относятся сфалерит, кварц, флюорит, кальцит, апатит, циркон, берилл, топаз, турмалин, содалит.

Изучение изменений окраски этих минералов в зависимости от физико-химических условий среды показало, что они могут быть связаны с эволюцией химического состава среды, перераспределением элементов при понижении температуры. Последняя контролирует: а) участие трехвалентных ионов железа, титана и марганца в окрашивании бериллов, турмалинов, топазов в пегматитах; б) содержание изоморфной примеси алюминия в кварцах, обусловливающей дымчатую окраску их; в) характер вхождения примесей в структуру, например железа в сфалерит, кварц, кальцит и т. д.

Окислительно-восстановительный потенциал среды минералообразования оказывает большое влияние на возникновение тех или иных центров окраски. Повышение роли кислорода приводит к образованию, например, ионов с повышенной валентностью Мn⁵⁺ в апатитах, Мn³⁺ в бериллах, турмалинах, сподуменах; сульфатных центров окраски в содалитах и т. д. Понижение парциального давления кислорода способствует возникновению центров окраски на основе кислородных вакансий.

Типоморфная окраска минералов, обусловленная хромоформными элементами, может являться поисковым признаком руд железа, кобальта, никеля, меди, хрома и некоторых других металлов.

Большое внимание при изучении типоморфизма физических свойств минералов уделяется магнитным и электрическим свойствам.

Магнитостатическим методом исследуются следующие магнитные характеристики слабомагнитных (парамагнитных) минералов: магнитная восприимчивость, являющаяся для них постоянной величиной; эффективный магнитный момент парамагнитного иона, обусловленный особенностями его электронной структуры; точка Кюри, определяющая число магнетонов Бора, приходящихся на парамагнитный ион; постоянная Вейса, характеризующая обменное взаимодействие между парамагнитными ионами. Получают эти константы, проводя точные измерения магнитной восприимчивости в полях различной напряженности при разных температурах, по классическому варианту метода Фарадея. При этом можно решить следующие задачи: 1) определение формы вхождения примеси железа и марганца (изоморфная примесь, или самостоятельная сильномагнитная минеральная фаза); 2) определение их содержания; 3) выяснение характера распределения парамагнитных ионов в решетке; 4) определение валентности и концентрации разновалентных ионов железа и марганца магнетохимическим методом.

Появилось много магнитных методов исследования ферромагнитных минералов (в частности термомагнитный анализ), которые включают измерение первичных (точки Кюри, удельная намагниченность) и вторичных магнитных характеристик (коэффициент магнитной вязкости, поле насыщения, разрушающее поле насыщения), а также построение коэрцитивных спектров.

Выявилась перспективность использования в качестве типоморфных и электрических характеристикминералов. К ним, прежде всего, относятся диэлектрическая проницаемость минералов-диэлектриков, электропроводность и термоэлектродвижущая сила (термоэдс) для минералов-полупроводников.

Несмотря на наличие многочисленных методов измерения диэлектрической проницаемости (мостовых, резонансных, волноводных, оптических), не существует единых и общепринятых методов ее измерения. Отсутствует и промышленная аппаратура. Каждый исследователь выбирает метод индивидуально в соответствии с поставленной задачей, формой, размером и свойствами исследуемых минералов и другими факторами. В качестве примеров приведем исследования диэлектрической проницаемости минерала из постмагматических месторождений, флюорита и кварца из месторождений разного генезиса, осуществленные в ВИМСе.

У природных минералов-полупроводников вследствие высокого содержания примесей наблюдается главным образом или электронная, или чисто дырочная электропроводность. С увеличением температуры концентрация электронов (или дырок) изменяется, примесная электропроводность сменяется собственной. Измерение температурной зависимости электропроводности позволяет определить полупроводниковые свойства структуры минерала-полупроводника (ширину запрещенной зоны) и характер входящих в него примесей (их энергию активации). Измерение электропроводности проводят зондовым методом по компенсационной схеме. Наиболее интересные результаты получены для пирита, молибденита, галенита.

Электрические свойства минералов-полупроводников, главным образом рудных сульфидов и окислов, у которых преобладают процессы сквозной электропроводности, могут быть охарактеризованы термоэлектродвижущей силой. Она возникает при создании перепада температур между двумя участками образца минерала, имеющего любую форму, к которым присоединяются измерительные электроды. Величина термоэдс определяется путем измерения разности электрических потенциалов потенциометрическим способом, например на установке УЭМ-IT. Типоморфизм термоэдс исследован у минералов, у которых изучен типоморфизм электропроводности, а также у ряда сульфидов и окислов.

В заключение следует указать на необходимость комплексного использования охарактеризованных выше методов. Например, при изучении типоморфизма окраски минералов исследование спектров оптического поглощения сопровождается для отдельных групп минералов применением комплекса спектроскопических методов.

Дата добавления: 2014-12-10