Диагностические свойства минеральных пород

   Введение

В настоящее время в  мире существует большое количество различных методов исследования минерального сырья. В результате развития и совершенствования техники и технологий появились новые высококачественные приборы и другие технические средства для изучения и диагностики минералов. В современных условиях качественная техника стала доступной, что позволяет проводить комплексное исследование минерала за меньший промежуток времени. Развитие и расширение научно-технической базы не может не влиять на подход к минералу в целом, то есть при изучении и диагностике минерального объекта вместо нескольких методов достаточно использовать один или использовать такие методы, которые дадут наиболее полную информацию о минерале, в зависимости от поставленной перед исследователями задачи. На данный момент существуют различные методики оценки и диагностики минерального сырья. Следует отметить, что геммологической диагностике (полное исследование) подлежит только ограночное минеральное сырье, в остальных случаях, как правило, приводится общая последовательность действий которая не даёт полной информации об объекте исследований и достаточно субъективна. Целью данной работы является разработка гибкой  диагностической методики  с целью выявления наиболее качественного и быстрого способа идентификации минерального объекта. Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Проанализировать отечественные и зарубежные методики оценки минералов.

2. Провести сравнительный анализ методов изучения и диагностики минералов с целью выявления методов, позволяющих проводить исследование за меньший промежуток времени с большей точностью.

3. Разработать методику диагностики самоцветов в сырье с использованием современных методов, позволяющих диагностировать как типичные ювелирные и ювелирно-поделочные камни, так и редкие или новые минералы, ювелирные характеристики которых ранее не рассматривались.

4. Провести сравнительный анализ гранатов рабочей коллекции гранатов по данным, полученным в процессе исследования для последующего определения их годности и принадлежности к конкретному типу самоцветных камней.

5. Разработать практические рекомендации  по применению предлагаемой методики  для камнесамоцветного сырья  на примере минералов группы  граната.

 

 

 

                                                                                                                                                                                 2.Литературный  обзор     

В процессе анализа литературных данных было установлено, что применение в  ювелирном производстве ювелирного и ювелирно-поделочного сырья определяется различными качествами, свойствами и эффектами, влияющими на общую ценность минерала как эстетического объекта. Вместе с этим значительными являются прочностные характеристики камня, позволяющие осуществить ювелирную обработку минерала. Таким образом, основополагающими для камней, используемых в ювелирном деле, являются следующие особенности: красота, редкость и долговечность.

Редкость камня, свидетельствует  не только о его недоступности  для широкого круга ценителей ювелирных камней, но часто и о его уникальности, что значительно повышает цену такого минерала. Редкими следует считать не только камни ювелирного качества редких минеральных видов, но и достаточно распространенные минералы необычных для какого-либо конкретного вида цветов и (или) обладающих визуальными (оптическими, световыми) эффектами, также положительно влияющими на стоимость обработанного минерала.

Долговечность характеризуется возможностью осуществить ювелирную обработку  минерала и его дальнейшей сохранностью в готовом ювелирном изделии на протяжении долгого времени.

Эти особенности камнесамоцветного  сырья определяются следующими свойствами минералов. Красота камня зависит от цвета (окраски) минерала, чистоты, наличия световых и оптических эффектов, блеска. Редкость самоцвета выражается в отличии от традиционных характеристик распространенных минералов или редкости определенного минерального вида соответствующего ювелирного качества. Долговечность напрямую связана с физическими особенностями камня: его твердостью, вязкостью, текстурно-структурными особенностями (выраженной спайностью, зональностью и пр.). На выявлении именно этих свойств базируется современная оценка ювелирных камней, тогда как для диагностики минералов необходимо использовать специальные методы для определения минерального и химического состава. Появление новых технических методов исследования минералов делает необходимыми корректировки в классических схемах действий при диагностике и выявлении ювелирных свойств минералов, существующих разрозненно и не представляющих на сегодняшний день единой методики.

Под диагностикой минерала понимается определение его различных свойств (твердости, показателей преломления, кристаллохимических особенностей и т. д.), позволяющих установить принадлежность исследуемого минерала к конкретному минеральному виду, то есть идентифицировать минерал. В процессе работы был открыт новый минерал --- керимасит  (англ. Kerimasite) - очень редкий новый  минерал. Химическая формула Ca₃Zr₂(SiO₄)(Fe³⁺O₄)₂ или Ca₃Zr₂(Fe³⁺₂Si)O₁₂.  
Fe³⁺ - аналог кимцеита и Zr - аналог тотурита. Кристаллическая структура островного типа. Является новым CaZr - силикат-ферритным членом группы гранатов. Сингония кубическая, гексаоктаэдрический класс симметрии m3m. Цвет от светло до тёмно-коричневого. Прозрачный, со стеклянным блеском. Спайность не наблюдается, хрупкий. Расчетная плотность 4,105 г/см³. Изотропный. Рельеф поверхности очень высокий. Микрозондовое исследование единичного кристалла обнаружило необычный для известных на данное время гранатов химический состав со значительным количеством Fe. Монокристальная съемка позволила установить класс симметрии и параметры элементарной ячейки этого минерала, которые оказались самыми большими среди известных  гранатов.  В этой работе новыми являются следующие результаты:

1. Разработана комплексная методика  диагностики для самоцветов в  их природном (необработанном) состоянии   с целью обнаружения качеств  и свойств, соответствующих ювелирному  сырью.

2. Экспериментально доказана целесообразность идентификации нетипичных и редких  минералов, а также выявления новых.

3. Разработаны рекомендации по  применению изученных минералов  группы граната.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   3. Объект и методика исследования.

В этой работе определены факторы, благодаря  которым группа граната выбрана в качестве модели для разработки методики диагностики и определения пригодности минерального сырья для ювелирной обработки. Описан широкий цветовой диапазон гранатов, представленных в рабочей коллекции (Табл. 1), раскрыты причины, обуславливающие столь значительную вариативность окрасок минералов этой группы.

В этой работе задачи решены  на основе следующих методов исследования и диагностики минералов.

Микроскопическое исследование минералов  группы граната проводилось с  помощью поляризационного микроскопа ПОЛАМ РП-1 и Leica DFC-320. Оптические свойства изучались в высокопреломляющих иммерсионных жидкостях с показателем преломления в пределах от 1.734 до 2.000, при увеличении х20. Химический состав изучался методом электронно-зондового микроанализа с использованием сканирующего электронного микроскопа JOEL JSM 6510 с энергодисперсионным детектором EDAX и электронно-зондового микроанализатора с волново-дисперсионным детектором Cameсa SX-20. Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы образцов проводились с использованием   порошкового дифрактометра ДРОН-2; порошкового дифрактометра STOE Stadi P; монокристального дифрактометра STOE IPDS II.

Инфракрксные спектры поглощения получены на ИК-спектрофотометре Bruker Vertex 70.

  Минералы группы граната имеют общую формулу R32+R23+[XO4]3, где R2+ = Ca, Fe²⁺, Mg, Mn²⁺; R³⁺ = Al, Fe³⁺, Cr, реже Ti⁴⁺, Zr и V³⁺; X = Si, реже Al, Fe³⁺. В данной группе традиционно выделяются две подгруппы, объединяющие бóльшую часть известных в природе гранатов:  

   пироп  Mg3Al2[SiO4]3;

   альмандин Fе3Al2[SiO4]3;

   спессартин Mn3Al2[SiO4]3;

   кноррингит Mg3Cr2[SiO4]3;

   кальдерит Mn3Fe2[SiO4]3.

 

Данная подгруппа носит название пиральспиты, по названиям трёх наиболее распространённых её представителей – пиропу, альмандину и спессартину. Вторая подгруппа отличается постоянным катионом R²⁺, всегда представленным кальцием, с разнообразными изоморфными замещениями катионов R³⁺:

  уваровит Ca3Cr2[SiO4]3;

  гроссуляр Ca3Al2[SiO4]3;

  андрадит Са3Fе2[SiO4]3;

  голдманит Са3V2[SiO4]3.

 

Аналогично подгруппе пиральспитов, данная подгруппа носит название уграндиты, по первым буквам названий трёх наиболее распространённых членов – уваровита, гроссуляра и андрадита. Наиболее известные ювелирные гранаты относятся, как правило, к одной из данных подгрупп. Ряд редких гранатов, таких как Ti, Zr и Sn-содержащие гранаты, не может быть отнесен к вышеперечисленным подгруппам. Как правило, эти гранаты не рассматриваются в качестве ювелирного сырья. Однако их физические характеристики (твёрдость, цвет, прозрачность, показатель преломления) позволяет рассматривать эти минералы в качестве ограночного материала, в случае нахождения кристаллов, достаточно крупных для выполнения огранки.

Гранаты наиболее подходят для решения  задач, поставленных в работе, так как благодаря разнообразию химического состава обладают рядом свойств, делающих эти минералы хорошей моделью для разработки общей методики диагностики и оценки минерального сырья. К таким особенностям относятся:

1. Высокая твёрдость, лежащая в пределах от 6,5 до 7,5 по шкале Мооса.

2) Широкий диапазон цветов, обусловленный  широким изоморфизмом и наличием  элементов-хромофоров (исключение составляет  только синий цвет, не встречающийся  среди природных гранатов).

3) Кристаллическая структура  граната при значительных вариациях химического состава остается неизменной, кубическая структура обеспечивает одинаковость физических свойств по разным направлениям в кристалле.

4) Наличие включений, различных  по типу и составу.

5) Возможность отнесения гранатов ко всем типам камнесамоцветного сырья.

 Определение формы выделения  минералов показало, что форму  хорошо ограненных кристаллов  имеют: пироп (Богемия), пироп (Грибовское), шерломит (Карелия), гроссуляр 01 (Асбест), гроссуляр 04 (Асбест), гроссуляр 02 (Вилюй), гроссуляр (Мончегорск), кимцеит (Танзания), керимасит (Танзания), уваровит (Сарановское), уваровит (Рай-Из), пироп-кноррингит (Ботуобинская). Остальные гранаты собранной коллекции представлены скрытокристаллическими агрегатами.

Макроскопическое описание образцов проводилось при естественном (дневном) освещении невооруженным глазом и использовании лупы с  увеличением х 2,5.

В ходе описания были выявлены образцы  в виде четких кристаллов, красиво окрашенные, прозрачные, не имеющие текстурно-структурных особенностей негативно сказывающихся на внешнем облике камня, а также выявлено отсутствие видимых трещин и включений (табл. 2). Такими образцами являются: пироп (Богемия), пироп (Грибовское), гроссуляр 01 (Асбест), уваровит (Сарановское), керимасит (Танзания), пироп-кноррингит (Ботуобинская), которые при выявлении остальных характеристик, свойственных ювелирным камням могут считаться минеральным материалом для фасетной огранки.

Определение твердости гранатов по шкале Мооса. Твердость гранатов рабочей коллекции установлена в пределах от 6,5 до 7,5 по шкале Мооса, что соответствует классическим характеристикам данного минерального вида. Исключение составил уваровит (Рай-Из), твердость которого данным методом установить не удалось, так как минерал при малейшем механическом воздействии разрушается.

Микроскопическое исследование проводилось  на поляризационном микроскопе ПОЛАМ РП-1 с максимальным увеличением х 20. Для данного вида исследования были изготовлены прозрачно-полированные шлифы. В процессе исследования были определены предварительный минеральный состав гранатов, типы и виды минеральных включений, их количество и равномерность распределения в основном минерале (табл. 2), из данных приведенных в ней следует, что при наличии включений соответствуют общим эстетическим  требованиям и рассматриваются для ювелирно-поделочных работ следующие гранаты: шерломит (Карелия),  пироп (Дора-Майра), гроссуляр 01 (Вилюй), гроссуляр (Мончегорск), гидроморимотоит (Хибинский массив), альмандин (Шуерецкое), альмандин (Кителя), гроссуляр 05 (Асбест). Определение химического состава камня или определение концентрации минералов в изучаемом минеральном объекте осуществляли  с помощью количественного рентгенофазового анализа тонкодисперсных образцов на порошковом дифрактометре ДРОН 2.0. Для данного исследования необходимо около 10 мг вещества, растертого в порошок. В ходе проведения было установлено, что в случае большого количества разнообразных по составу минеральных включений установить их не является возможным, так как полученные на дифрактограмме пики, соответствующие разным минеральным видам перекрывают друг друга и по этой причине идентифицировать  все, входящие в состав образца минералы не представляется возможным. Также интерпретация полученных результатов достаточно трудоемка и занимает значительное количество времени. Сравнение полученных результатов проводилось по международной рентгеновской базе порошковых рентгенограмм — ICDD (International Committee on Diffraction Data). Монокристальная   съемка на монокристальном дифрактометре STOE IPDS II с двухкоординатным  детектором IPDS (Stoe) (MoKα-излучение, графитовый монохроматор, λ = 0.71073 Å) позволила определить класс симметрии минерала и параметры его элементарной ячейки. Данный способ позволил идентифицировать минерал за 10-15 мин. В других случаях необ ходимо время от 8 часов и более.

Для проведения съемки выделялся мономинеральный  прозрачный образец (частичка минерала, микрокристалл, прозрачный ограненный камень). В ходе монокристальной съемки определяли вид симметрии исследуемого минерала и параметры его элементарной ячейки, что способствует точной и быстрой диагностике. Для интерпретации результатов использовали базу структурных параметров неорганических соединений — ICSD (International Committee on Single-crystal Data). Результатом этого исследования стала разработка методики  диагностики всех гранатов рабочей коллекции, установление подгруппы, к которой они относятся по качеству и открытие нового минерала. Электронно-микрозондовое исследование проводилось на сканирующих электронных микроскопах CamScan с энергодисперсионным анализатором Link AN10000 и JEOL JSM 6510, оборудованным энергодисперсионным детектором EDAX для определения химического состава вещества с высокой степенью локальности (~ 2 мкм). Для проведения данной работы использовались, приготовленные ранее прозрачно-полированные шлифы, изготовлена шайба с микрокристаллами граната с полированной поверхностью, микрокристаллы гранатов.