8. Энергия кристаллической решетки. Формулы Капустинского, Ферсмана. ЭНЕРГИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ — энергия (U), затрачиваемая на разрыв кристаллической решетки на ее составляющие с переносом на расстояние отсутствия взаимодействия, взятая с обратным знаком. Если решетка ионная, то это энергия разрыва на соответствующие ионы, если атомная или молекулярная, то это энергия разрыва на атомы, молекулы и т. д. Э. к. р. для молекулярных решеток это только небольшая часть энергии связей в решетке, так как связи атомов внутри молекул в нее не входят. Э. к. р. молекулярных решеток равна силам Ван-дер-Ваальса (см. Связь химическая ван-дер-ваальсова). В настоящее время установлено, что абс. большинство природных соединений, в частности кислородные, не являются ионными, а в лучшем случае полуионными и полуковалентными. В связи с этим многие выводы, построенные на основе использования Э. к. р., рассчитывавшиеся обычно как ионные, имеют незначительную ценность. Существует ряд методов расчета Э. к. р. для бинарных соединений: по круговому процессу Борна — Габера, по формуле Борна — Ланде и упрощенным ее вариантам — формулам Капустинского и др. По круговому процессу Ui = Q + S + D + I — Е, где Ui — энергия решетки ионной; Q — теплота образования, S — теплота сублимации, D — энергия диссоциации, I — энергия ионизации и E — энергия сродства к электрону. По формуле Борна — Ланде где a — коэф. Маделунга, W1 и W2 — валентности ионов, R — межатомное расстояние, Ne2— произведение числа Авогадро на элементарный заряд электрона в квадрате, га — коэф. отталкивания электронных оболочек. В геол. науках обычно используют формулу Капустинского где En — число структурных единиц. Wk и Wa — валентности катиона и аниона, rk и ra — их радиусы, или еще более упрощенную формулу Ферсмана Ui = 256,1 (ЕкА + ЕкВ +... + ЕкХ), имеющую универсальный характер по значениям Ек, слагающих соединения ионов, т. е. по энергетич. коэф. компон. расчета Э. к. р. Для атомных соединений круговой процесс упрощается: Uat = Q + S + D, для молекулярных: Um = S (AB), где S (AB) — энергия сублимации молекул. Для теоретического расчета применяется формула где k — коэф., аналогичный коэф. Маделунга, µ — дипольный момент. Представление об Э. к. р. играет важную роль в геоэнергетическом анализе геохим. процессов, поэтому правильное использование этого понятия весьма важно. В. И. Лебедев
|
|
Билет 17.
1.. Пневматолитовый и гидротермальный процессы. Минеральные парагенезисы и рудообразование
1. Пневматолитовый процесс, или пневматолиз (пневма — по-гречески «газ»). Пневматолиз — процесс образования минералов из газовой фазы. На некоторых этапах кристаллизации магмы возможно отделение газов. По мере движения вверх по трещинам эти газы охлаждаются, реагируют друг с другом и с вмещающими породами, в результате чего образуются минералы.
|
|
Продукты пневматолиза — пневматолиты — разделяются на вулканические и глубинные.
Вулканические пневматолиты образуются в вулканических областях за счет газов, отделяющихся от магмы вблизи поверхности или на поверхности земли. Вулканические газы в огромных количествах уходят в атмосферу через жерла вулканов, фумаролы и трещины. Главными газами при извержениях являются пары воды, НС1, H2S, S02, NH4CI, CО2, СО, Н2, 02, хлористые и сернокислые соединения Na, К, Са. В газах также обнаруживаются хлористые соединения Fe, Cu, Mn, Pb, соединения бора, фтора, брома, фосфора, мышьяка, сурьмы и др.
Глубинные пневматолиты образуются в том случае, когда газы отделяются от магматического очага в недрах земной коры. Они просачиваются сквозь горные породы, реагируют с ними, преобразуя их химический и минеральный состав. Степень химических преобразований пород под действием газов зависит от их химической активности, состава пород, тектонического строения и длительности процесса. Весьма вероятно, что при глубинном минералообразовании наряду с газами действуют также и водные горячие (гидротермальные) растворы.
К глубинным пневматолитам относят некоторые жильные тела (тела выполнения трещин) и грейзены.
Гидротермальный процесс. Гидротермы —горячие водные растворы, отделяющиеся от магмы или образующиеся в результате сжижения газов.
Гидротермальные растворы выносят из магматического очага целый ряд соединений металлов. Кроме того, гидротермы могут заимствовать различные вещества из боковых пород, по которым они движутся.
Причина движения гидротерм — разность давлений. Когда внутреннее давление растворов больше внешнего, растворы движутся в сторону наименьшего давления, обычно вверх, к поверхности земли. При своем движении они используют различные тектонические нарушения, трещины, зоны контактов. По мере удаления растворов от магматического очага температура их падает. В результате падения температуры и реакций с вмещающими породами гидротермы отлагают свой груз в виде минералов. Выделение минералов из водных растворов (иногда коллоидных) и представляет сущность гидротермального процесса.
Поскольку гидротермы обычно движутся по трещинам, форма большинства гидротермальных минеральных тел жильная. Главнейшим жильным минералом является кварц (кварцевые жилы).
Гидротермы могут быть высоко-, средне- и низкотемпературные, и соответственно по температуре образования выделяют следующие гидротермальные месторождения: высокотемпературные (450-300°), среднетемпературные (300-200°), низкотемпературные (ниже 200°).
Как правило, высокотемпературные гидротермальные минеральные тела располагаются ближе к материнской интрузии, в то время как низкотемпературные являются наиболее удаленными. Это ведет в известной степени к зональному расположению продуктов гидротермального процесса по отношению к той интрузии, которой они обязаны своим происхождением.
Так, ближе к гранитной интрузии и в самом интрузиве располагаются гидротермальные жилы с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, далее — жилы с сульфидами меди, золота, свинца и цинка, серебра, затем сурьмы и ртути. Однако подобная зональность не является строго концентрической, проявляется не всегда и характерна лишь для сравнительно небольших (до 10 км в поперечнике) гранитных штоков.
Гидротермальный процесс не ограничивается отложением минералов в трещинах с образованием различных жильных тел. Гидротермы так же, как и газы, просачиваются сквозь боковые породы, химически реагируют с ними, замещают их, привнося новые соединения. Так образуются метасоматические тела, имеющие часто трубчатую или неправильную форму и залегающие большей частью среди карбонатных пород.
|
|
При гидротермальной переработке вмещающих горных пород последние могут быть сильно изменены. Так образуются некоторые тальковые сланцы. При действии гидротермальных растворов на богатые магнием ультраосновные породы и доломиты образуются асбест, тальк, магнезит, а действие низкотемпературных сернокислых гидротерм на богатые щелочами породы ведет к образованию алунита.
Гидротермальное происхождение имеют большинство руд цветных, редких и радиоактивных металлов, золото, а также различные неметаллические полезные ископаемые
Гидротермальные месторождения представляют собой наиболее важный источник таких металлов, как Сu, РЬ, Аg, Аu, Нg, Gе, Тi, Мо, W, Zn, Cd, Co, и др.
Типичные гидротермальные минералы
Кварц, горный хрусталь, Шеелит, Касситерит, Киноварь, Антимонит, Аурипигмент, Галенит, Сфалерит, Халькопирит, Гематит, Барит, Флюорит, Рутил, Пирит, Золото самородное, Вольфрамит, Титанит, Гранаты
Примеры гидротермальных месторождений,Хрусталеносные альпийские жилы Альп и Приполярного Урала. Полиметаллические месторождения Приморья (Дальнегорск)
2. Эвапоритовые фации седиментогенеза и их минеральные парагенезисы.
Эвапориты (соляные породы) состоят из сульфатных и галогенных соединений, выпадающих в осадок в случае увеличения их концентрации в природных водах.
Главными породообр минералами эвапоритов являются гипс CaS04·2H20, ангидрит CaSО4, галит NaCl, сильвин КС1, карналлит KCl·MgCl2. В качестве примесей могут присутствовать глинистые, карбонатные минералы, окислы железа и битуминозные вещества. Породы, имеющие переходный состав, называются соляными глинами и соляными мергелями.
Эвапориты классифицируются по минеральному составу. Наиболее распространенными породами этой группы являются гипс, ангидрит, каменная соль, сильвинит и карналлитит.
|
|
Для эвапоритов характерна пластичность, что обусловливает образование соляных куполов. Эвапориты отличаются от всех др осадоч пород высокими значениями удельного электрического сопротивления, нередко достигающими десятков и сотен тысяч ом-метров. Калийные соли характеризуются повышенной радиоактивностью вследствие того, что они содержат радиоактивный калий.
Гипсовые и ангидритовые породы слагаются одноименными минералами — гипсом и ангидритом, которые в природных условиях в результате гидратации и дегидратации легко переходят друг в друга. Процесс гидратации ангидрита сопровождается существенным увеличением объема породы (на 64,9%). Макроскопически гипс и ангидрит похожи, но ангидрит отличается от гипса большей твердостью. Обычно это светлые породы — белые, зеленоватые, светло-серые, серовато-голубоватые. Гипс и ангидрит образуют пласты или желваки и жилы в трещинах и пустотах других пород.
Каменная соль сложена галитом. В качестве примесей могут присутствовать сильвин, глинистые минералы, органические соединения и окислы железа. Чистая, каменная соль бесцветна, примеси могут ее окрашивать в серый, красный, синий и другие цвета. Каменная соль залегает в виде пластов и линз и обычно ассоциирует с др. эвапоритами.
Сильвинит и карналлитит относятся к группе калийно-магнезиальных пород. Сильвинит сложен минералами сильвином и галитом, карналлитит-карналлитом и.-галитом. В качестве примесей могут присутствовать ангидрит и глинистые минералы. Сильвинит и карналлитит часто бывают окрашены в красные или, бурые тона, обусловленные тонкораспыленным коллоидным гематитом.
Условия образования эвапоритов. Породы рассматриваемой группы являются продуктами выпадения осадков в озерных и лагунных бассейнах, расположенных в зонах жаркого сухого климата. Накоплению соляных толщ значительной мощности способствует длительное опускание дна бассейна, сопровождающееся постоянным или периодическим поступлением в него новых порций соленых вод. При возрастании концентрации растворов соляные минералы выпадают в определенной последовательности в зависимости от состава раствора и его температуры. Обычно первыми осаждаются гипс и ангидрит, затем галит, сильвин и карналлит. Строение соляных толщ показывает, что накопление солей не было непрерывным и чередовалось с периодами растворения ранее образовавшихся соляных отложений. Минеральный состав солей может значительно измениться в результате диагенеза соляного осадка и в процессе эпигенетического преобразования породы.
3. Технологическая оценка руд, связанная с процессами обогащения на ГОКах.
Вовлечение в эксплуатацию все более бедных и трудно-обогатимых руд, россыпей и углей приводит к наращиванию объемов горных работ. Высокоэффективные системы разработки и высокопроизводительное оборудование большой единичной мощности, применяемые с целью снижения себестоимости добычи, приводят к повышению разубоживания, еще большему ухудшению качества полезного ископаемого, возрастанию трудностей в обогатительном переделе и резкому падению технологических, экономических показателей обогащения и комплексности использования сырья. Жесткая связь циклов добычи и обогащения полезных ископаемых обеспечивает получение максимальной общей эффективности горно-обогатительного комплекса только при соблюдении следующих обязательных условий по качеству руд и россыпей, поступающих на обогащение:
• максимально возможное удаление породы из крупнокусковой и дробленой горной массы, чтобы снизить бесполезные энергетические, капитальные и эксплуатационные затраты на дробление, измельчение и обогащение, обеспечить более полное раскрытие сростков минералов и за счет этого повысить качество концентратов, извлечение в них ценных компонентов и комплексность использования сырья;
• раздельная добыча и переработка технологически несовместимых сортов полезных ископаемых. Совместная переработка различных по вещественному составу сортов руд и россыпей приводит к резк падению технологич и технико-экономич показателей обогащения.
· постоянство содержаний ценных компонентов, вредных примесей и физ-мех свойств, близких к «проектным» показателям каждого технологич сорта полез ископаемого.
Большое значение имеет способность руды к обогащению. Массивные, или сплошные, руды обычно поступают в плавку без предварительного обогащения, но если они содержат большое количество вредных примесей, то так же, как и вкрапленные руды, предварительно подвергаются обогащению; в плавку поступают полученные при этом концентраты со значительно более высоким содержанием полезных компонентов, чем в первичной руде.
Технологические показатели по извлечению каждого компонента из руды и качество получаемых концентратов зависят от минерального состава руды, во-первых, потому, что каждый металл или элемент может быть представлен различными минералами, обладающими различной, например, флотируемостыо. Изменение соотношения минеральных форм в сторону увеличения труднофлотируемых разностей извлекаемого компонента приводит к уменьшению его извлечения в концентрат. Во-вторых, возможность разделения извлекаемых минералов зависит от степени близости их технологических свойств и трудности его осуществления возрастают при разделении минералов с одинаковым анионом или катионом.
Большое значение имеют технологические свойства полезного ископаемого и при оценке качества неметаллического минерального сырья. Так, например, для слюды важны электроизоляционные свойства, крупность пластинок слюды, ее прозрачность; для асбеста существенное значение имеют огнестойкость, длина волокна, его прочность и эластичность и т. д. Качество горючих полезных ископаемых определяется в первую очередь их теплотой сгорания, а также их химическими свойствами, а для технологического топлива — способностью к коксованию.