НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НБВ

Инновационные технологии производства базальтового непрерывного волокна

НОВЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ БАЗАЛЬТА В ВОЛОКНО

Проектирование производственных комплексов производства базальтового непрерывного волокна

ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Определение пригодности горных пород для производства базальтового волокна

ХИМИЧЕСКИЙ И МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГОРНЫХ ПОРОД

Магматические горные породы образуются в результате затвердевания магм, которые выходят в нижнюю часть земной коры или в верхнюю мантию. При подъёме вверх во время геотектонических процессов, магмы теряют температуру и затвердевают. При затвердевании до выхода их на поверхность земли, образуются породы, которые получили название интрузивных, или плутонических. Горные породы, образовавшиеся на большой глубине более 2 км, называются также абиссальными, или глубинными. Магмы достигшие земной поверхности в жидком состоянии и излившиеся из вулканов, образуют эффузивные, или вулканические, горные породы. Они называются также излившимися породами.

Вопрос о происхождении магмы и ее распространении в глубинах Земли окончательно пока не выяснен. Существуют гипотезы, по которым большинство частных магм происходит из двух-трех, первоначальных или из одной общей магмы. Согласно гипотезе Левинсона—Лессинга и более поздним работам [42], существуют две магмы — кислая, содержащая около 73% кремнекислоты, и основная с 50—53% кремнекислоты. Основанием для такого заключения послужило то, что именно такое содержание кремнекислоты имеют наиболее распространенные изверженные породы — кислые (граниты и др.) и основные (базальты и др.) [19]. По другой гипотезе [11, 18], первичной является только основная (базальтовая) магма, поскольку соответствующие ей породы распространены в виде продуктов вулканических извержений. Другие породы, в том числе и кислые, образовались за счет дифференциации базальтовой магмы — процесса распада однородной магмы на фракции разного состава, что и привело в конечном итоге к появлению разных пород. Дифференциация в жидкой фазе называется магматической (докристаллизационной); дифференциация, вызванная появлением кристаллов,— кристаллизационной. Магматическая дифференциация может быть вызвана ликвацией, газовым переносом и диффузией.

Теория кристаллизационной дифференциации предполагает, что разнообразные горные породы возникают в процессе кристаллизации родоначальной магмы. Равновесный процесс кристаллизации расплава жидкой магмы при охлаждении протекает в соответствии с законами физической химии. Вид выпадающих кристаллических фаз, порядок их выпадения при кристаллизации определяются химическим составом расплава и свойствами минералов данной физико-химической системы. Каждый минерал имеет определенную температуру кристаллизации, поэтому при охлаждении расплава первыми выпадают минералы с наиболее высокой температурой кристаллизации. В результате выделения кристаллов первого минерала состав жидкой фазы изменяется, вследствие чего при дальнейшем охлаждении выпадают кристаллы другого минерала, с более низкой температурой кристаллизации.

Среди горных пород в соответствии с главными геологическими процессами, которые приводят к их образованию, различают три генетические класса:

1) магматические горные породы — продукты затвердевания природных силикатных расплавов (магм);

2) осадочные горные породы — продукты преобразования осадков, накопившихся на земной поверхности в результате разложения других, ранее существовавших пород и жизнедеятельности организмов;

3) метаморфические горные породы — продукты перекристаллизации магматических и осадочных пород без их расплавления.

Среднее содержание минералов в магматических породах, по Т. Барту, приведено в табл. 1. Цифры таблицы представляют собой средние арифметические, рассчитанные из результатов анализов сотен пород. Ни одна реальная порода не может отвечать среднему составу по многим причинам, одной из которых является несовместимость кварца и нефелина.

Таблица 1.1.1.1.

Средний минеральный состав магматических горных пород.

Минералы

Содержание, %

Щелочные полевые шпаты

Магнетит, гематит, ильменит

Хлорит и серпентин

Из данных табл. 3 видно, что самыми распространенными минералами являются полевые шпаты, сумма которых составляет более 60% от общего объема всех магматических пород.

Минеральный состав горных пород зависит от химического состава магмы и от условий ее кристаллизации. Условия кристаллизации определяют появление тех или иных минералов, в частности образование полиморфных разновидностей. Так, калиевый полевой шпат в эффузивных породах кристаллизуется в форме санидина, а в интрузивных породах — ортоклаза или микроклина. Роговые обманки кристаллизуются только в глубинных условиях, а при застывании лавы на земной поверхности вместо них образуются пироксены. Такой минерал, как лейцит, может образоваться лишь в эффузивных породах, а в интрузивных породах он заменяется смесью ортоклаза и нефелина.

Таким образом, хотя минеральный состав и определяется в первую очередь химическим составом магмы, возможны некоторые его варианты, зависящие от условий образования породы. Поэтому минеральный состав, как наиболее существенная особенность магматических горных пород, положен в основу их классификации. Использование минерального состава вместо химического для классификации магматических пород имеет также то преимущество, что минералы доступны для непосредственного наблюдения и легко диагностируются с помощью поляризационного микроскопа. Магматические горные породы (изверженные) образуются в результате остывания магмы и её кристаллизации.

Магма – это огненно жидкий силикатный расплав, содержащий различные элементы, их окислы и летучие компоненты (углекислота, вода, хлор, фтор и др. эл-ты).

Если застывание магмы происходит в глубине земной коры под покровом вышележащих пород, то здесь остывание проходит медленно, вся магма успевает закристаллизоваться, образуя полнокристаллические зернистые породы. Когда процесс остывания магмы проходит на поверхности земли, то происходит отделение летучих компонентов. В этом случае породы иногда имеют стекловатую структуру, не являясь полностью закристаллизованными.

Полнокристаллические – интрузивные горные породы, образовавшиеся в глубоких недрах земли.

Полукристаллические – эффузивные (и некоторые гипобиссальные), образовавшиеся на небольшой глубине.

Стекловатые (геалиновые) – лавы.

Основные элементы состава магматических горных пород, являются следующие элементы: O , Si , Al , Fe , Ca , Mg , K , Na , Ti , H .

Плосчатая – проявляется в чередовании различных по составу полос, образующихся при наследовании текстур осадочных пород или в результате инъекции.

Пятнистая – при наличии в породе участков (пятен), отличающихся по составу, цвету, устойчивости к выветриванию.

Массивная – при отсутствии ориентировки породообразующих минералов.

Плойчатая – когда под влиянием стресса порода собрана в мелкие складки.

Очковая – представляет собой более или менее округлые или овальные агрегаты среди сланцевой массы породы.

Катакластическая – отличается раздроблением и деформацией минералов.

В зависимости от содержания кремнезема и других оксидов изверженные горные породы делятся на следующие [31]:

ультраосновные, богатые MgO и FeO, но наиболее бедные (менее 45%) SiO2 (дуниты, пироксениты — в интрузивных и пикриты — в эффузивных комплексах);

основные, содержащие от 45 до 55% SiO2, богатые СаО и Аl2Оз, но более бедные MgO, FeO (габбро, нориты—в интрузивных и базальты и диабазы — в эффузивных комплексах);

среднекислые, содержащие от 55 до 65% SiO2, более бедные СаО, но обогащенные щелочами (диориты, кварцевые диориты — в интрузивных; порфириты, андезиты и другие — в эффузивных комплексах);

кислые, содержащие более 65% SiO2, еще более богатые щелочами и более бедные, по сравнению с предыдущими, СаО, MgO, FeO (гранодиориты, граниты — в интрузивных; липариты, кварцевые порфиры — в эффузивных комплексах).

Химический состав соответствующих интрузивных и эффузивных пород очень близок.

Химический и минералогический составы пород взаимосвязаны:

ультраосновные породы — плагиоклазов нет, присутствуют пироксены, оливины и рудные минералы (перидотит), оливины и рудные минералы (дунит);

основные породы — характерны основные плагиоклазы, темный минерал, иногда оливин (габбро, диабаз, авгитовый порфир, базальт) ;

среднекислые породы — щелочный полевой шпат, плагиоклаз, немного темных минералов (сиенит, ортоклазовый порфир, трахит), средний плагиоклаз и темный минерал (диорит, порфирит, андезит);

кислые породы — только кварц и полевые шпаты (аляскит), кварц, калиевый полевой шпат, кислый плагиоклаз, слюда и реже другие темные минералы (гранит, кварцевый порфир, липарит).

В приведенном описании минералогического состава пород к темным минералам отнесены: в кислых породах — биотит, реже пироксен или амфибол, в основных и средних—пироксен или амфибол, в ультраосновных — пироксен и оливин.

Таким образом, изверженные горные породы имеют различный химический и минералогический составы. Наиболее распространены кислые магматические горные породы (граниты и др.), содержащие свыше 65% SiO2 и состоящие из кварца, полевых шпатов (ортоклаза, микроклина, кислого плагиоклаза — олигоклаза и слюды), и основные (базальты и др.), содержащие 40— 52 % SiO2 и состоящие в основном из основных плагиоклазов (лабрадорита и др.) и пироксенов (авгитов переменного состава).

Интрузивные изверженные горные породы основной группы (габбро) обычно труднодоступны, эффузивные (базальты и диабазы), как правило, представлены мощными, легко доступными поверхностными залежами.

Так как изверженная на поверхность земли в виде лавовых потоков магма быстро затвердевает, то образовавшаяся горная порода обычно имеет мелкокристаллическое строение и содержит значительное количество стекловидной фазы, что облегчает ее плавление. В связи с этим базальты как сырье представляют большой интерес.

В составе магматических пород могут участвовать минералы первичные, или собственно магматические, и минералы вторичные, или постмагматические. К первичным относятся минералы, которые были обнаружены в виде порфировых выделений в эффузивных породах и, следовательно, могут образоваться из магматического расплава. К вторичным, относятся все те минералы, которые не встречаются в форме порфировых выделений.

Первичные минералы по их количественной значимости в составе породы разделяются на главные и акцессорные. При классификации пород по минеральному составу в первую очередь учитывается присутствие или отсутствие главных минералов, их количество, особенности и взаимоотношения.

Главными минералами магматических горных пород являются силикаты и алюмосиликаты. По особенностям химического состава и окраски, обусловленной составом, среди главных минералов различаются цветные — мафические, или фемические, содержащие много железа и магния, и светлые— фельсические, или салические, содержащие много кремния и алюминия. К фемическим минералам относятся оливины (форстерит-фаялит), пироксены (энстатит-гиперстен, диопсид, авгит, пижонит, эгирин), амфиболы (роговая обманка обыкновенная и базальтическая, арфведсонит, рибекит), биотит; к салическим— плагиоклазы (альбит-анортит), натри-калиевые полевые шпаты (санидин, ортоклаз, микроклин), кварц, фельдшпатиды (нефелин, лейцит, содалит), мелилит. В тех случаях, когда главные минералы входят в состав породы в небольшом количестве (менее 5%), они описываются как второстепенные составные части.

Акцессорные минералы, обычно составляющие не более 5% от общего объема породы, подразделяются на характерные, присутствующие только в определенных породах, и нехарактерные, встречающиеся в породах разного состава. Характерными акцессорными минералами являются хромит, шпинель, ортит, монацит, перовскит, эвдиалит, шорломит и другие; нехарактерными — апатит, циркон, титанит, магнетит.

Вторичные минералы могут образоваться в разное время после кристаллизации магмы. Иногда они возникают непосредственно из газов и растворов, выделившихся из магмы при ее кристаллизации, а чаще при взаимодействии этих газов и растворов с первичными минералами. Вторичные минералы, образовавшиеся сразу после кристаллизации магмы, получили название эпимагматических. Те из эпимагматических минералов, которые замещают родственные главные минералы (например, мусковит, развивающейся по биотиту, или канкринит — по нефелину), называются викарирующими. Но вторичные минералы могут образоваться и значительно позже затвердевания магматического расплава, под влиянием растворов, не связанных с происхождением породы. Они могут возникнуть также при процессах выветривания — это экзогенные вторичные минералы.

Достоверное выяснение генезиса вторичных минералов возможно в том случае, если известны геологические условия нахождения горной породы. К вторичным минералам магматических горных пород относятся серпентин, иддингсит, тальк, хлорит, тремолит-актинолит, цоизит, эпидот, мусковит, серицит, каолинит, пренит, цеолиты, карбонаты и др.

Кроме первичных и вторичных минералов, в магматических породах могут присутствовать ксеногенные — чуждые минералы, возникшие за счет загрязнения магмы растворенными в ней обломками осадочных пород.

Базальты являются свежими (кайнотипными) породами темно-серого (до черного) цвета с плотной, редко — пористой массой. Структура базальтов зависит от хода процесса кристаллизации магмы и времени образования породы. Диабазы представляют собой измененные (палеотипные) аналоги базальтов. Их состав, а иногда и структура изменены вследствие образования вторичных минералов, поэтому диабазы часто окрашены в зеленые оттенки.

В состав всех базальтов входят авгит и магнетит. В зависимости от содержания оливина базальты делятся на два типа: без оливина или с незначительным содержанием оливина — толеитовые и платобазальты (разли­чают еще оливиновый толеит); с оливином — оливиновые (щелочные оливиновые) или океанические. В природе существуют и переходные типы базальтов. На примере Камчатки и Большого Донбасса показано наличие тесной генетической связи между толеитовой и щелочной оливиновой магмами, что делает нецелесообразным такое деление базальтов на две группы.

Большее значение имеет классификация базальтов на основании химического состава, который находится в определенном соответствии с их минеральным составом: например, содержание SiO2 увеличивается от мелилититов к базальту обыкновенному. По содержанию SiO2 все базальты делятся на три группы: основные, нейтральные и кислые. В группу основных базальтов входят: мелилитит оливиновый, мелилитит, нефелинит оливиновый, нефелинит, а также лимбургит и авгитит, которые характеризуются наличием стекловидной фазы. По химическому составу к этой группе относятся базальтовые породы, содержащие до 42% SiO2. Следует отметить, что к группе основных базальтов должны быть отнесены образцы базальтов, доставленные с Луны. В их состав входит 40—42% SiO2. Иногда из группы основных базальтов выделяют ультраосновные (мелилититы и нефелиниты оливиновые) с содержанием SiO2 менее 40%.

В группу нейтральных входят базальты с 43—46% SiO2: базаниты, лейцититы и оливиновые лейцититы. В этих базальтах имеется полевой шпат. К группе кислых базальтов относятся базальт обыкновенный, базальт оливиновый и тефриты (свыше 46% SiO2).

Чтобы избежать путаницы, следует знать, что согласно классификации изверженных горных пород основные, нейтральные и кислые базальты относятся к основным магматическим горным породам.

Характеристики основных породообразующих минералов.

ОЛИВИН, группа минералов подкласса островных силикатов, члены изоморфных рядов форстерит Mg2SiO4 — фаялит Fe2SiO4 — тефроит Mn2SiO4. Желтовато-зеленый, оливковый. Твердость 6-7; плотность 3,2-4,4 г/см3. По происхождению магматический (главный минерал многих ультраосновных изверженных пород и каменных метеоритов).

ФОРСТЕРИТ — сырье для огнеупоров. Прозрачный золотисто-зеленый оливин — хризолит — драгоценный камень.

МАГНЕТИТ (магнитный железняк), минерал подкласса сложных оксидов, FeFe2O4. Железо-черные кристаллы, зернистые массы. Твердость 5,5-6,0; плотность 5,2 г/см3. Ферримагнетик. По происхождению метаморфический (встречается в кварцитах и кристаллических сланцах), контактовометасоматический, магматический (крупные скопления в основных породах). Главная руда железа.

АЛЬБИТ (от лат. albus — белый), породообразующий минерал группы плагиоклазов, Na[AlSi3O8]. Белые, желтоватые, розоватые кристаллы; агрегаты. Часты двойники. Твердость 6-6,5; плотность ок. 2,6 г/см3.

АНОРТИТ, минерал группы полевых шпатов, Ca[Al2Si2O8]. Цвет серый, розовый. Твердость 6-6,5; плотность ок. 2,8 г/см3.

АВГИТ (от греч. auge — блеск), породообразующий минерал подкласса цепочечных силикатов, (Ca, Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Тi) [(Si, Al)2О6]. Примеси Na, K, Mn, реже Ni, V, Cr. Зеленые, бурые до черных кристаллы, сплошные зернистые массы. Твердость 5-6; плотность 3,2-3,6 г/см3. Составная часть преимущественно основных и ультраосновных горных пород.

ПИРОКСЕНЫ, группа минералов подкласса цепочечных силикатов, М'М[Si2O6], где М' — Li, Na, Ca, Mg, Fe; М — Al, Ti, Cr и др. Кристаллизуются в моноклинной (клинопироксены), реже ромбической (ортопироксены) сингонии. Различают щелочноземельные (диопсид — геденбергит, авгит) и щелочные (эгирин, жадеит, сподумен) пироксены. Главные породообразующие минералы основных и ультраосновных, отчасти щелочных изверженных, реже метаморфических и контактовометасоматических горных пород.

ПЛАГИОКЛАЗЫ, породообразующие минералы подкласса каркасных силикатов. Непрерывный изоморфный ряд альбит Na[AlSi3O8] — анортит Ca[Al2Si2O8]. В зависимости от содержания анортитового компонента (в молекулярных %) различают: 0-10 альбит, 10-30 олигоклаз, 30-50 андезин, 50-70 лабрадор, 70-90 битовнит, 90-100 анортит. Твердость 6-6,5; плотность 2,6-2,8 г/см3.

КВАРЦ, SiO2, один из самых распространенных породообразующих минералов; по структуре — каркасный силикат. Кристаллические модификации: гексагональная (b-кварц, устойчив выше 573 °C) и тригональная (a-кварц, устойчив ниже 573 °С). Часты двойники, образует зерна, зернистые кристаллы, агрегаты и сплошные массы. Цвет разнообразный: бесцветный кварц — горный хрусталь, фиолетовый — аметист, дымчатый — раухтопаз, черный — морион, золотистый — цитрин и др. Твердость 7; плотность 2,65 г/см3. Пьезоэлектрик. Кварцевые пески и кварциты используются в керамической и стекольной промышленности; монокристаллы кварца — в оптическом приборостроении и как пьезоэлектрический материал; окрашенные разновидности кварца — в ювелирном деле.

ПОЛЕВЫЕ ШПАТЫ, группа самых распространенных породообразующих минералов подкласса каркасных силикатов; ок. 50% массы земной коры. Изоморфные смеси алюмосиликатов K, Na, Ca, Ba. Белые, розовые, серые и др. Твердость 6-6,5; плотность 2,6-2,8 г/см3. Различают полевые шпаты: кальциево-натриевые — плагиоклазы; щелочные (калиево-натриевые) — ортоклаз, микроклин, санидин и др. и калиево-бариевые.

РОГОВАЯ ОБМАНКА, породообразующий минерал подкласса цепочечных (ленточных) силикатов сложного химического состава. Темно-зеленые (до черных) удлиненные кристаллы, сплошные зернистые массы. Твердость 5,5-6,0; плотность 3,1-3,3 г/см3.

БИОТИТ, породообразующий минерал из группы слюд, K(Mg, Fe)3[AlSi3O10](OH,F)2. Черные, коричневые, бурые кристаллы, листоватые агрегаты. Твердость 2,5 — 3,5; плотность 2,7 — 3,3 г/см3; легко расщепляется на гибкие листочки. Распространен в изверженных и метаморфических породах; в пегматитах встречаются кристаллы площадью до 7 м2.

МУСКОВИТ, породообразующий материал группы слюд подкласса слоистых силикатов, KAl2[AlSi3O10](OH,F)2. Светло-коричневый, зеленоватый. Твердость 2-3; плотность 2,8-2,9 г/см3. Промышленные месторождения мусковита — главным образом в пегматитах. Крупнокристаллический мусковит — диэлектрик, применяется в радио- и электротехнике, молотый мусковит — в промышленности стройматериалов и при производстве электроизоляционной бумаги.

ГЕМАТИТ, минерал подкласса простых оксидов, Fe2O3. Примеси Ti (до 11%), Al (до 14%), Mn (до 17%) и др. Стально-серые до черных кристаллы (железный блеск, или спекулярит); буровато-красные скрытокристаллические массы (красный железняк). Твердость 6,0-6,5; плотность ок. 5,3 г/см3. По происхождению метаморфический, гипергенный и др.

ИЛЬМЕНИТ (титанистый железняк), минерал подкласса сложных оксидов, FeTiO3. Состав непостоянен; примеси Mg, Mn и др. Черные кристаллы, плотные массы. Твердость 5-6; плотность 4,8 г/см3. Встречается в основных, щелочных породах и в щелочных пегматитах; также в россыпях.

НЕФЕЛИН, минерал подкласса каркасных силикатов, KNa3[AlSiO4]4. Серые, красноватые и другие кристаллы, агрегаты с характерным жирным блеском. Твердость 5,5-6; плотность ок. 2,6 г/см3. Главный минерал щелочных изверженных пород.

АПАТИТ, минерал класса фосфатов, Ca5[PO4]3. (F,Cl, OH)2. Содержание P2O5 — 41-42%. Примеси CO2-, Mn, редкоземельных элементов, U, Sr и др. Белые, голубые, желтые, фиолетовые и другие кристаллы и зернистые агрегаты. Твердость 5; плотность ок. 3,2 г/см3

ТИТАНИТ (сфен), минерал подкласса островных силикатов, CaTi[SiO4]O. Примеси TR, Fe, Al, Mn, Nb, Sn и др. Медово-желтые, зеленоватые, бурые, бесцветные кристаллы. Твердость 5-5,5; плотность 3,5-3,6 г/см3. Прозрачные разновидности титанитов — ювелирные камни.

Химический состав (% по массе) горных пород различных месторождений[16,50,55].