Обсуждаются результаты исследования фазового состава и неоднородности ильменита титано-циркониевых россыпей для прогноза качества сырья методами рентгеновской микротомографии и рентгенодифракционного фазового анализа.
Ключевые слова: титано-циркониевые россыпи, ильменит, лейкоксен, рентгеновская микротомография, рентгенодифракционный фазовый анализ
The results of ilmenite testing for phase composition with X-ray CT and X-ray diffraction are discussed. X-ray CT permits to obtain direct visual picture of the internal structure and its peculiarities, as an example the one of ilmenite has been for the first time studied with X-ray CT.
Key words: Ti-Zr placer deposits, leucoxene, ilmenite, X-ray CT, X-ray powder diffraction
Титано-циркониевые россыпи являются важным источником титанового и циркониевого сырья [1, 2]. Содержание основных полезных минералов в промышленных титано-циркониевых россыпях составляет десятки, иногда сотни килограммов на 1 м3 песков. В 2010-2011 гг. рынок титанового и циркониевого сырья оказался дефицитным, что вызвало рост цен, и, в свою очередь, активизировало геологоразведочные работы для восполнения разведанных запасов, поэтому исследование минералогическими методами состава и строения главных рудных минералов этих россыпей, в частности ильменита, позволит получить дополнительную информацию о характеристиках обогатимости сырья при определении рациональных схем его обогащения для получении товарных концентратов, удовлетворяющих по кондициям требованиям промышленности [2].
Главные рудные минералы Ti-Zr россыпей – ильменит FeTiO3, псевдорутил Fe3+2Ti3O9, рутил TiO2, анатаз (реже брукит) TiO2, циркон ZrO2. Плотность большинства этих минералов находится в пределах 4 - 5 г/см3, поэтому они концентрируются в пластах песков различного зернового состава - от мелко- до крупнозернистого. Высокая физическая и химическая устойчивость и невысокая плотность минералов титана и циркония способствуют их переносу на значительные расстояния. Второстепенные минералы– кварц, полевой шпат, глауконит, каолинит; в подчиненном количестве встречаются кианит, силлиманит, ставролит, турмалин, гранаты, эпидот; в незначительных количествах – др. минералы; вредные примеси – хромшпинелиды, монацит.
Из титано-циркониевых песков получают следующие товарные концентраты: ильменитовый (58-68%TiO2), лейкоксеновый (62-90% TiO2), рутиловый (92-98% TiO2), цирконовый, кварцевый. На некоторых месторождениях – полевошпатовый, монацитовый, кианитовый, глайконитовый и др. Промышленная ценность титано-циркониевых россыпей часто определяется не только главными полезными минералами титана и циркония, но и нерудной составляющей (кварц, каолин, полевой шпат), поскольку отходы обогащения, кварцевый песок и глина, могут использоваться в качестве сырья для стекольной и керамической промышленности, формовочных материалов и др.
Изучение минерального состава руд россыпных месторождений традиционными оптическими методами затруднительно из-за крупности слагающих минералов (так, основные рудные минералы россыпных Ti-Zr песков сосредоточены в классе крупности – 0,1+0,044 мм Бешпагирское; – 0,047 мм Тарское) и сложности полиминерального состава россыпей (до 15-20 минералов). Методы оптической микроскопии не позволяют разделить неизмененный и слабоизмененный ильменит ввиду близости их оптических констант.
При определении минерального состава методом оптической микроскопии получают некорректные данные для: хромшпинелидов, их содержание или завышено, или занижено; для кианита и анатаза, их содержание обычно занижено. При этом невозможно определить степень изменения ильменита; определить содержание кварца, присутствующего в тонкодисперсном лейкоксеновом агрегате, и состав самого «лейкоксена» [5].
Вторичное изменение ильменита называют «лейкоксенизация». Лейкоксен – минералогический термин, обозначающий полиминеральный агрегат, образующийся при изменении ильменита. На ранних стадиях лейкоксенизации – состоит преимущественно из псевдорутила Fe3+2Ti3O9. На более глубоких стадиях изменения - уже из псевдорутила, его гидратированных разновидностей и рентгеноаморфных оксидов и гидроксидов титана. При полностью прошедшем процессе вторичного преобразования ильменита «лейклоксен» состоит из вторичного рутила и рентгеноаморфных оксидов и гидроксидов титана. В незначительных количествах в лейкоксеновом агрегате содержатся гематит, анатаз, рутил, кварц и др.примеси.
Проведено исследование ильменита из концентратов ряда месторождений, отобранного из коллекции образцов промышленных типов руд (литотеки) ФГУП «ВИМС» им. Н.М.Федоровского, с целью изучения их фазового состава и морфологии методами рентгеновской микротомографии (РТ) и порошковой дифрактометрии – рентгенографического фазового анализа (РФА). Анализы выполнялись по нормативно-методичсеким документам отраслевых Научных советов по аналитическим методам (НСАМ) и методам минералогических исследований (НСОММИ) [3].
Впервые для изучения «лейкоксена» титано-циркониевых россыпей был применен метод рентгеновской микротомографии (РТ), которым можно изучать без разрушения и пробоподготовки морфорструктурные характеристики и фазовый состав полиминеральных агрегатов в естественной взаимоориентации индивидов. Экспериментальные исследования выполнены на рентгеновском микротомографе ВТ-50-1 «Геотом» отечественного произвожства («Проминтро», Россия), изготовленном на базе промышленного томографа специально для исследования минеральных объектов. Прибор соответствует требованиям российских регламентирующих документов по аппаратуре неразрушающего контроля и международному стандарту ASTM E1441-11. Условия съемки: микрофокусный рентгеновский источник РЕИС-150М, рабочее напряжение рентгеновской трубки U=100 кV, ток накала I=2,9 А; блок детекторов 8 измерительных каналов со сцинтилляторами CsJ(Na), веерная геометрия при сканировании, шаг сканирования 3 мкм, рабочее поле съемки до 15 мм в диаметре, перемещение по высоте до 7 см; использовался Al–образец сравнения. Время сканирования с параллельной обработкой данных 5-10 минут. Предел пространственного разрешения 5 мкм для линейных неоднородностей. Чувствительность к изменению величины линейного коэффициента ослабления рентгеновских лучей (ЛКО) - 1%. РТ анализ выполнен согласно Методическим рекомендациям НСОММИ №130 «Исследование фазовой и структурно-текстурной микронеоднородности объектов методом рентгеновской микротомографии» [3].
Рентгенографический фазовый анализ позволяет изучить в порошке фазовый состав полиминеральных проб и агрегатов, а также особенности структуры (структурных характеристик) отдельных минералов. Определение минерального состава в методом рентгенографического фазового анализа выполнено на дифрактометре X'Pert PRO (Philips, Голландия) Условия съемки рентгенограмм: монохроматизированное Cu K излучение, U = 50 kV, I = 40 mA, скорость записи 2 град/мин, внутренний стандарт – кремний (Si). Ограничения метода связаны с невозможностью диагностики рентгеноаморфных фаз, порогом обнаружения 0,5-1,0 мас.%, размер минеральных кристаллитов – не меньше 0,1 мкм. Анализ выполнен по Инструкции НСОММИ №54 «Рентгенографический количественный фазовый анализ (РКФА) черных шлихов из рудных (Ti-Zr) песков (на примере Бешпагирского месторождения)» [3],
Результаты исследования. Данные РТ – томограммы и значения линейного коэффициента ослабления рентгеновскиз лучей (ЛКО) – однозначно указывали на неоднородность состава рудных минералов в концентратах. «Лейкоксен» из индийского концентрата содержит реликты псевдорутила; при исследовании двух зерен, идентично выглядевших в оптическом микроскопе. Методом РТ установлено, что одно зерно является ильменитом, другое – псевдорутилом (Рис. 1, 2). Зерна «лейкоксена» российского концентрата являются однородными, в отличие от индийских.
А Б В
Рис. 1. Визуально сходные зерна ильменита и псевдорутила (Индия, ильменитовый концентрат), зд. и на рис. 3: А -фотография, Б – томограмма, обработка по «TomAnalysis» и В – гистограмма % соотношения фаз; ильменит – малиновое, псевдорутил – оранжевое.
Рис. 2. Россыпь зерен ильменита и псевдорутила (соотв. рис. 4): ильменит – малиновое и фиолетовое (структурно упорядоченный ильменит), псевдорутил – оранжевое.
Количественным рентгенографическим фазовым анализом, основываясь на известной методике РКФА черных шлихов Ti-Zr руд Бешпагирского месторождения [3], установлено: ильменитовые концентраты Ti-Zr россыпей Индии и Украины состоят преимущественно из псевдорутила, в индийском отмечается присутствие ильменита, в украинском он не установлен; лейкоксеновые концентраты – главным минералом российского является рутил (подтверждено микрорентгеноспектральным анализом), а индийский – смесью рутила и псевдорутила (рис. 2). Элементный состав ильменитовых концентратов приведен в таблице 1, их номера (1-4) соответствуют таковым на рис. 2 при исследовании методом порошкового рентгенодифракционного анализа.
Таблица 1
Элементный состав зерен ильменитового концентрата, в %
|
|
Mg |
Al |
Si |
Ca |
Ti |
V |
Cr |
Mn |
Fe |
O |
Total |
|
1 |
0.14 |
0.19 |
0.22 |
0.06 |
37.60 |
0.24 |
0.00 |
1.17 |
22.21 |
35.66 |
97.50 |
|
2 |
0.15 |
0.31 |
0.27 |
0.09 |
37.72 |
0.07 |
0.12 |
1.02 |
21.72 |
35.64 |
97.11 |
|
3 |
0.13 |
0.20 |
0.16 |
0.08 |
37.02 |
0.38 |
0.00 |
1.26 |
22.89 |
35.60 |
97.73 |
|
4 |
0.07 |
0.22 |
0.17 |
0.06 |
37.76 |
0.22 |
0.00 |
1.32 |
21.66 |
35.47 |
96.94 |
Рис. 3. Дифрактограммы лейкоксеновых (Л) и ильменитовых (И)
концентратов
из Индии – ЛИ и ИИ, Украины – ИУ, России
– ЛР.
Проведенные исследования показали, что наиболее экспрессными и экономически целесообразными для изучения минерального состава, в том числе при определении показателей обогатимости сырья, являются рентгенографический и рентгенотоммографический методы исследования.
Выражаю благодарность научному руководителю д.г.-м.н. Ожогиной Е.Г. за общее руководство работой; к.г.-м.н. Кривоконевой Г.К и к.г.-м.н. Якушиной О.А. за консультации; Кривощекову Н.Н. за фотографии образцов.
Литература:
Распоряжение Правительства РФ от 21 июня 2010 г. № 1039-р. «Стратегия развития геологической отрасли до 2030 года». Собр. законодат. РФ, 28.06.2010, N26, ст. 3399.
Распоряжение МПР РФ от 05.06.2007 № 37-р «Об утверждении Методических рекомендаций по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых».
Нормативно-методическая документация по аналитическим, минералогическим и технологическим исследованиям // Справочник. Издание третье, дополненное / М.: ФМЦ лабораторных исследований и сертификации минерального сырья «ВИМС», 2008.- 152 с.; дополнения 2012 г. М.: «ВИМС». 2012. - 10 с.
Иоспа А.В. «Лейкоксен: минерал или агрегат» /Тез. докл. IV Науч.-практ. конф. 22-23 мая 2012, Москва / М.: ВИМС. -2012. - С. 57.
