Передмова

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5

ПЕРЕДМОВА

Прикладна мінералогія – новий науковий напрям у сучасній мінералогічній науці, що виник і сформувався у XX столітті. Їй належить велика роль у майбутньому у зв’язку зі зростаючим впливом мінералів і виготовлених з них продуктів на розвиток сучасної новітньої техніки, високих технологій, металургії, хімічної промисловості, сільського господарства, індустрії синтетичних мінералів тощо.

Прикладна мінералогія охоплює весь комплекс мінералогічних досліджень, спрямованих, перш за все, на залучення в промислове використання нової мінеральної сировини: детальне вивчення фізичних, фізико-хімічних і технологічних властивостей мінералів, розробку для цього нових методів дослідження, визначення мінералогічних критеріїв для розшуків та оцінки родовищ корисних копалин, створення раціональних технологічних схем збагачення й переробки мінеральної сировини. Для цього потрібна сумісна робота геологів, мінералогів, геохіміків, збагачувальників і технологів.

Сучасні методи дослідження мінералів, що ґрунтуються на новітніх досягненнях фізики і хімії, дають змогу одержувати надзвичайно багату інформацію про типоморфізм кожного мінералу і мінеральної асоціації, яку можна використати не тільки для вирішення різноманітних геологічних проблем, а й для важливих завдань господарського значення. Все це, звичайно, змінило уявлення про мінералогію взагалі та її практичну спрямованість зокрема.

Сьогодні прикладна мінералогія охоплює широке коло питань, пов’язаних із типоморфними особливостями мінералів: прогнозування, розшуки й оцінку мінеральної сировини, її комплексне використання, технологічну переробку і безвідвальне виробництво, залучення у промислове виробництво нових видів мінеральної сировини, синтезу мінералів і матеріалів – аналогів природних сполук, вивчення і використання відходів гірничорудного, металургійного та інших видів виробництва тощо.

Цей навчальний посібник написаний на підставі курсів і спецкурсів, прочитаних авторами для студентів старших курсів геологічних спеціальностей Львівського національного університету імені Івана Франка (проф. О.І. Матковський) і Криворізького технічного університету (проф. Б.І. Пирогов). Для його підготовки використано довголітні оригінальні наукові дослідження з питань регіональної, розшукової та технологічної мінералогії, а також численну монографічну, довідкову й навчальну літературу, зокрема випущені авторами цикли лекцій з прикладної мінералогії: Структура і теоретичні основи прикладної мінералогії (1994), Регіональна і розшукова мінералогія (1998), Технологічна мінералогія руд (1999).

Посібник складається з шести розділів: загальні відомості про прикладну мінералогію; типоморфізм мінералів як теоретична основа прикладної мінералогії; регіональна мінералогія і мінералогічне картування; розшуково-оцінна мінералогія; технологічна мінералогія; виявлення нових видів мінеральної сировини. Всі вони стосуються вивчення і використання мінералів надр Землі, що є прямими об’єктами мінералогії.

Потреба такого видання зумовлена тим, що сучасних підручників з мінералогії нема, а в загальних курсах мінералогії прикладні питання спеціально не розглядають. Винятком є підручники А.Г. Булаха “Минералогия с основами кристаллографии” (1989) та “Общая минералогия” (1999), у яких вперше виділено невеликий розділ, присвячений елементам прикладної мінералогії і практичного використання мінералів.

Під час підготовки до видання цього посібника велику допомогу надали працівники кафедри мінералогії ЛНУ В.Дяків, Л.Ланчак, Є.Сливко, Л.Волкова, Н.Гриньків, за що автори їм щиро вдячні.

Всі зауваження і поради до посібника автори просять направляти за адресою: 79005, Львів, вул. Грушевського, 4, геологічний факультет Львівського національного університету імені Івана Франка, кафедра мінералогії.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ПРИКЛАДНУ МІНЕРАЛОГІЮ

У надзвичайно розгалуженій структурі сучасної мінералогії особливу роль відіграє прикладна мінералогія. Адже сьогодні найважливіше завдання цієї науки полягає у сприянні розширенню мінерально-сировинної бази та виявленню нових видів мінеральної сировини. Прикладна мінералогія покликана вирішувати завдання практичного використання мінералів  для прогнозування та оцінки родовищ корисних копалин, виявлення економічно прибуткових і екологічно чистих технологій переробки мінеральної сировини, створення нових видів мінеральної сировини, синтезу корисних кристалів  аналогів мінералів, з’ясування корисних та шкідливих для людини властивостей, декоративних якостей тощо.

1.1. Сучасне уявлення про мінерал та об’єкти мінералогії

Протягом останніх десятиріч мінералогія як фундаментальна дисципліна в системі геологічних наук переживає новий досить бурхливий етап розвитку, стимульований двома важливими чинниками: по-перше, інтенсивним розвитком методів дослідження; по-друге, виробленням нових сучасних підходів до вивчення мінералів та відкриттям нових галузей використання мінералів і виявлення нових видів мінеральної сировини.

З цими чинниками, особливо з першим, пов’язана зміна наших уявлень про сам мінерал, його значне відхилення від класичного ідеалу. Сьогодні немає загальноприйнятого, універсального визначення поняття мінерал, адже воно, як і зміст самої мінералогії, змінюється з часом. Тому фактично дуже важко дати досить точне і водночас стисле визначення цього терміна. Найзручнішим для використання в навчальному процесі є визначення, запропоноване А.Г. Булахом: мінерали  природні хімічні сполуки кристалічної будови. Таке визначення досить вичерпно відображає головні ознаки мінералу  природний матеріал, однорідний, твердий, кристалічний, постійного або змінного складу. Саме такі мінерали є головними, або прямими, об’єктами мінералогії. До об’єктів мінералогії належать і так звані мінералоїди  опал (твердий колоїд), аморфні продукти саморозпаду мінералів, що містять радіоактивні елементи (метаміктні мінерали),  усі вони є закономірними продуктами процесів утворення, життя і руйнування мінералів, хоча й не мають кристалічної будови, а тому їх не можна вилучити з явищ мінералоутворення. Ці об’єкти мінералогії пропонуємо називати ускладненими.

Суперечним і досі є питання щодо положення хімічних сполук кристалічної будови, які одержують штучним шляхом і які утворюються внаслідок перетворень у різних техногенних продуктах і у відходах технологічної переробки. Більшість дослідників трактують ці процеси як негеологічні, і такі сполуки до мінералів не зачислюють або ж вважають їх другорядними (сумнівними) об’єктами мінералогії. До таких, очевидно, належать і сполуки (каміння), що утворюються в організмі людини. Всі ці неземні продукти рекомендують називати так: техногенні мінерали, штучні (синтетичні) мінерали, біомінерали. З огляду на те, що ці речовини є аналогами природних мінералів і мають важливе господарське та життєве значення, ми схильні вважати, що вивчення таких сполук є завданням прикладної мінералогії.

Сучасні досягнення в мінералогії пов’язані з широкомасштабним застосуванням низки нових методів дослідження: електронної мікроскопії і електронографії, рентгеноспектрального мікрозондування, інфрачервоної спектроскопії (ІЧС), мессбауерівської спектроскопії, електроннопарамагнітного резонансу (ЕПР), ядерномагнітного резонансу (ЯМР), ядерноквадропульного резонансу (ЯКР), а також дифрактометричних, електростатичних, магнітостатичних, люмінесцентних, квантово-оптичних та ін. Дослідження, особливо із застосуванням високолокальних методів, допомогли проникнути в надзвичайно тонкі деталі будови, складу та властивостей мінералів і відкрити перед нами світ нових явищ. З’ясовано, що реальні мінерали мають такі головні особливості.

1. Більшість мінералів неоднорідні, мікрогетерогенні і складаються з головної матриці мінералу, в якій є численні мікрофази з досить характерними мікропарагенезисами.

2. Не всі складові частини мінералу (головні й елементи-домішки) є ізоморфними. Навіть у деяких класичних ізоморфних рядах виявлено розриви змішуваності (плагіоклази, піроксени та ін.).

3. Багатьом мінералам властива нестехіометричність складу. Особливо це стосується мінералів, у яких аніони містять леткі компоненти (сірку, арсен, стибій, фтор).

4. У структурах мінералів часто виявляється різний ступінь упорядкування (упорядкованість і невпорядкованість), наявність домішкових і електронно-діркових центрів.

5. Одні й ті ж катіони у кристалічній структурі мінералів можуть мати не тільки різне координаційне число, а й займати різні позиції в одних і тих самих координаційних поліедрах.

6. Багатьом мінералам, особливо шаруватої будови, властиве явище політипії і змішаношаруватості.

Поряд з цим розширились наші знання про кристаломорфологію й онтогенію мінералів, про роль включень у мінералах. Усе це збагачує поняття типоморфізму мінералів, яке разом з топомінералогією (вчення про просторово-часові мінералогічні закономірності) становить теоретичну основу прикладної мінералогії.

Названі вище дослідження дали змогу не тільки виявити тонкі особливості реальних мінералів, що трапляються в різних типах родовищ, а й розшифрувати ту величезну інформацію, яка в них закладена. На думку А.І. Гінзбурга, ця інформація зводиться до такого [16]:

мінерал має в собі відображення того середовища й умов, у яких утворювався і в подальшому змінювався. Ця інформація закладена в особливостях його кристаломорфології, в характері структур і текстур його агрегатів, у появі в ньому різних елементів-домішок, в ізотопному складі елементів, що складають мінерал, у наявності в ньому численних газорідинних та твердих включень, у явищах невпорядкованості його кристалічної структури, в політипії, наявності в ньому різноманітних дефектів, домішкових центрів і дислокацій, у різних фізичних властивостях;

мінерал настільки чутливо реагує навіть на дуже незначні зміни зовнішніх умов, що в межах одних і тих же геологічних мінеральних утворень можна вловлювати деякі дуже тонкі його відмінності, яких мінерал набуває залежно від просторового положення, тобто від того, чи є він в апікальних чи в кореневих частинах рудних тіл, у центрі або на флангах, у самих рудних тілах чи над ними тощо;

мінерал завжди виникає в певному поєднанні з іншими мінералами. Такі мінеральні асоціації є строго закономірні і характеризують певні процеси мінералоутворення взагалі, і рудоутворення зокрема;

більшість мінералів містить дуже багато дрібних включень (простежуються тільки під електронним мікроскопом), вивчення яких дає змогу отримати додаткову інформацію про умови утворення мінералів і форми входження елементів до їхнього складу;

піддаючи мінерали різним діям – температурним, механічним, акустичним, хімічним, опромінюючи їх частинками різної енергії, створюючи або знижуючи різні дефекти, – можна змінювати в заданому напрямі їхні фізичні властивості, що відкриває нові перспективи практичного використання;

вивчення нових властивостей мінералів – лазерних, радіаційних, напівпровідникових, п’єзо- і сегнетоелектричних, трибоелектричних, електростатичних і магнітних, ізобарних, термічних та інших, а також явищ взаємодії з різними реагентами і бактеріями – значно розширює можливості використання мінералів у промисловості і приводить до залучення нових видів мінеральної сировини у промислове виробництво.

Отже, сьогодні в мінералогії відкриваються надзвичайно широкі перспективи для вирішення на засадах детальних досліджень мінералів низки прикладних завдань як геологічного, так і господарського характеру. Розвиваючи все нове, що з’являється в мінералогії, можна на вищий рівень підняти і деякі інші науки геологічного циклу, зробити їх точнішими, характеризувати природні процеси числом і мірою. Зокрема, інформацію, одержану різними методами з мінералів та їхніх асоціацій, можна використати для вирішення багатьох загальногеологічних питань (тектонічна активність, кореляція осадових товщ і магматичних утворень, розчленування фацій метаморфізму та ін.), для одержання об’єктивних даних щодо умов утворення мінералів і мінеральних комплексів, а також безпосередньо в практиці геологорозвідувальних та експлуатаційних робіт. Дослідники мінералів повинні максимально використати всі можливості, які відкриваються перед наукою для вирішення цих завдань.

1.2. Господарське використання мінералів

З практичним застосуванням мінералів і продуктів, вироблених на їхній основі, тісно пов’язаний розвиток нашого суспільства. Без такого використання фактично неможливе життя і науково-технічний прогрес суспільства. Сьогодні, по суті, немає жодної галузі господарства, яка б не ґрунтувалась на мінеральній сировині.

Практичне використання мінералів дуже різноманітне. Часто їх застосовують у природному і близькому до нього вигляді завдяки специфічним або цінним властивостям. До таких мінералів належать: коштовне і напівкоштовне каміння (алмаз, берил, топаз, турмалін, родоніт, лазурит тощо), мінерали з особливими пластичними й абсорбційними властивостями (так звані глинисті мінерали  каолініт, монтморилоніт та ін.), мінерали з тепло- і звукоізоляційними властивостями (слюди, вермикуліт) тощо. Багато подібних мінералів застосовують у найрізноманітніших галузях. Наприклад, алмаз високо цінують за його красу і водночас завдяки високій твердості широко використовують для нарізання каменю й металу, цеоліти (водні алюмосилікати каркасної будови) можна використовувати як молекулярні сита (очищення високомутних вод, у тім числі стічних, очищення природного газу, очищення побічних газів від оксидів сірки), як поглиначі радіоактивних елементів (застосовували під час ліквідації аварії на Чорнобильській АЕС), у сільському господарстві для підвищення врожайності сільськогосподарських культур і збільшення продуктивності тваринництва.

Багато мінералів є носіями хімічних компонентів, що мають надзвичайно важливе практичне значення. Адже у складі мінералів виявлено майже всі хімічні елементи періодичної системи, які сьогодні застосовують у народному господарстві, серед них – мінерали благородних, кольорових і чорних металів, рідкісних елементів тощо. Причому різні хімічні елементи можуть бути головною складовою частиною мінералу (видоутворювальні) або ж другорядною (незначною) ізоморфною домішкою (розсіяні). Відповідно, мінерали можуть слугувати рудою тільки головних компонентів, основних і другорядних або тільки другорядних. Наприклад, халькопірит CuFeS₂ містить майже 34 % міді, його видобувають з метою вилучення цього цінного металу, який використовується переважно для виготовлення деталей до електроприладів: сфалерит ZnS є рудою не тільки головного компонента, тобто цинку (вміст його досягає 67,1 %), який застосовують для виготовлення оцинкованого заліза й одержання різних сплавів, а й таких цінних рідкісних елементів (з вмістом від сотих часток відсотка до 5 %), як кадмій (використовують у гальванопластиці для покриття виробів зі сталі й заліза, для одержання легкоплавких сплавів та ін.), індій (застосовують для покриття металевих виробів, а також у виробництві рефлекторів для прожекторів і автомобільних фар), галій (виготовлення галієвих ламп, що дають світло, близьке до сонячного).

Нарешті, чимало мінералів, які можна використовувати у природному вигляді, а також як носії тих чи інших елементів. Зокрема, такий поширений і добре відомий мінерал, як гематит Fe₂O₃ зі вмістом у його суцільних рудах до 70 % заліза, є, насамперед, рудою заліза – головного компонента сталі й чавуну. Крім того, чисті відміни порошкуватого гематиту застосовують для виготовлення червоної фарби й червоних олівців. Мінерал флюорит CaF₂ широко використовують у металургії для одержання більш легкоплавких шлаків, а також у хімічній промисловості, де з нього одержують низку фтористих сполук, зокрема плавикову кислоту. Прозорі й безбарвні різновиди кристалів флюориту застосовують в оптиці для виготовлення лінз, що ліквідовують сферичну і хроматичну аберації, а гарно забарвлені флюорити можна використати як коштовний камінь. Значна кількість мінералів слугує сировиною для керамічної та скляної промисловості, зокрема, андалузит Al₂SіO₅ – для виготовлення жаро- і кислостійкого фарфору, барит Ba[SO₄] – для виготовлення спеціального скла і керамічних фероелектриків; воластоніт Ca₃[Sі₃O₉] – у виробництві кераміки для зварювальних електродів; борати – для виготовлення металокераміки, емалей, високостійкого скла; кварц SіO₂ – для виробництва скла, фарфору, силікатної цегли; з доломіту CaMg[CО₃]₂ виробляють вогнетривку цеглу, фарфорову глазур тощо.

Зазначимо, що є низка мінералів, практичне використання яких з часом змінювалося. Наприклад, циркон Zr[SіO₄] у давнину цінували як напівкоштовний ювелірний камінь, тепер його здебільшого використовують як сировину для одержання діоксиду цирконію ZrO₂ і металічного цирконію. Крім того, він слугує джерелом гафнію, який міститься у ньому в невеликій кількості (до 5 %) і потрібний у ядерних реакторах.

Мінерали також використовують у сільському господарстві. Зокрема, вирощування сільськогосподарських рослин потребує великої кількості різних мінеральних добрив (фосфорних, калійних, азотних тощо); врожай збирають за допомогою різних складних механізмів, для виготовлення яких потрібні відповідні метали; перевозять врожай транспортом, по шосейних дорогах і залізницею, для будівництва яких використано різноманітні будівельні матеріали.

Нові галузі виробництва – лазерна, киснева, мікробіологічна, атомна промисловість і ракетобудування, засоби зв’язку, промисловість напівпровідників і п’єзоелементів, а також стара металургійна і металообробна промисловість – усі вони ґрунтуються на мінеральній сировині. Без мінералів не було б ні шкіл, ні лікарень, ні концертних залів, не можна було б насолоджуватися фотографією і греблею; транспорт і зв’язок залишились би примітивними. Слід зазначити, що завдяки використанню мінералів людина проникла в космічний простір, у глибини океанів, одержала можливість переміщуватися зі швидкістю, яка в тисячі разів перевищує призначену їй природою.

Сумарна кількість мінералів, зокрема їхній видобуток і споживання, часто слугують головною ознакою могутності і процвітання держави. Саме на цій підставі ми поділяємо держави на високорозвинуті (США, Великобританія та ін.), які є головними виробниками і споживачами мінеральної сировини; розвинуті (наприклад, Чилі, Мексика та ін.), що виробляють мінеральну сировину і помірно її споживають; слаборозвинуті (наприклад, Нігерія або Малаві), у яких і виробництво, і споживання є обмеженим.

Видобуток та використання мінералів і мінеральних продуктів дуже нерівномірні. Є мінерали, які добувають і використовують у великих кількостях (табл. 1.1). Вони належать до головних видів мінеральної сировини, видобуток якої становить мільйони тонн. Інші мінерали й мінеральні продукти використовують у менших кількостях, їхній видобуток – тисячі тонн (табл. 1.2).

Таблиця 1.1

Видобуток і використання головних видів мінеральної сировини у 1982 р., за [20]

Мінеральна сировина	Видобуток, млн. т	Головне застосування
Азбести	4	Ізоляція
Барит	7	Бурові розчини
Бентоніт	8	Наповнювач
Боксити	79	Одержання алюмінію
Хромовмісні концентрати	8	Одержання хрому
Мідні руди – розрахункова кількість (вихід металу 8,2×10⁶ т)	820	Електропровідник
Польовий шпат	4	Кераміка
Флюорит	4	Металургія
Золоті руди – розрахункова кількість (вихід металу 1300 т)	130	Ювелірна справа
Гіпс	65	Пластичні матеріали
Залізні концентрати	783	Одержання заліза
Каолін	16	Наповнювачі, кераміка
Магнезит	11	Вогнетриви
Руди мангану	23	Одержання мангану
Фосфати	123	Добриво
Платинові руди – розрахункова кількість (вихід металу 200 т)	200	Каталіз, ювелірна справа
Поташ	26	Добриво
Кухонна сіль	170	Розморожування, хімія
Пірит (і сірка)	50	Сірчана кислота
Тальк	7	Наповнювач
Олов’яні руди – розрахункова кількість (вихід металу 213 000 т)	213	Олов’яні пластини
Титанові концентрати	6	Фарба, папір
Цинкові руди – розрахункова кількість (вихід металу 7×10⁶т)	70	Злитки

Blog

Передмова

Содержание

ПЕРЕДМОВА

Олов’яні пластини