способ экспрессного обнаружения высококачественного кварцевого сырья

Формула изобретения

Способ экспрессного обнаружения высококачественного кварцевого сырья, включающий отбор монофракций кварца, замер интенсивности его термостимулированной люминесценции (ТСЛ) с последующим суждением о дефектности структуры, отличающийся тем, что отобранную монофракцию кварца нагревают от комнатной температуры до 500°С без предварительного облучения и по наличию термостимулированной люминесценции (ТСЛ) в интервале 350-500°С и по ее преобладанию над интенсивностью люминесценции в интервале 20-320°С оценивают дефектность структуры и выявляют высококачественное кварцевое сырье.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геологии, разработки и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на ранних этапах геологоразведочных работ для предварительной оценки качества кварцевого сырья и экспрессного обнаружения особо чистого кварца.

Важнейшими качественными показателями кварцевого сырья, пригодного для получения высокочистых кварцевых концентратов, являются содержание элементов-примесей и коэффициент светопропускания. Мировой рынок предъявляет высокие требования к качеству кварцевых концентратов. В то же время пока не разработано оценочных параметров для исходного природного кварца, пригодного для получения концентратов высокой химической чистоты. Проблема состоит в том, что для их разработки необходима информация о типах и содержании структурных примесей в кварце. Известно, что кварц характеризуется большим разнообразием структурных примесей или примесных дефектов (Al, Ge, Ti, ионы щелочных металлов, гидроксильные группировки и др.) и собственных дефектов. Изучению структурного несовершенства кварца с помощью спектроскопических методов, включая люминесцентные, посвящено немалое количество работ таких исследователей как В.Балицкий, С.Вотяков, М.Самойлович, Л.Силинь, А.Таращан, А.Трухин, И.Матросов, Ю.Погорелов и др. Известен способ поиска и оценки месторождений особочистого кварца люминесцентными методами, включающий отбор образцов кварца из исследуемых жил или объектов, установление в них примесей люминесцирующих минералов, определение в отобранных образцах содержаний и характера распределения люминесцирующих минералов, по которым судят о чистоте кварца (Бушев А.Г. и др. "Поиск и оценка месторождений горного хрусталя и сверхчистого кварца люминесцентными методами". Методические рекомендации N 98, Москва, ВИМС, 1995, с.24). Недостатком данного способа является то, что он эффективен только для выявления минеральных примесей, но не структурных. Известен способ поиска месторождений особочистого кварца, заключающийся в том, что проводят отбор мономинеральных образцов кварца, подвергают их термической обработке, облучают гамма-квантами дозой, переводящей изоморфный алюминий в парамагнитное состояние, измеряют методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) концентрации структурных алюминиевых центров в отобранных образцах и по их значениям ниже значения концентрации, установленной из технических требований к особочистому кварцу, судят о наличии особочистого кварца (Раков Л.Т. и др. "Новый метод оценки качества кварцевого сырья". Разведка и охрана недр, 1993, N 7, с.36-38). Недостатком известного способа является то, что он включает ряд сложных операций: облучение образцов кварца гамма-квантами, измерение методом ЭПР концентраций структурных алюминиевых центров, высокотемпературную обработку образцов и значительные затраты исследуемого материала. Известен способ поиска месторождений особочистого кварца, включающий отбор мономинеральных образцов кварца по разведочной сети, измерение в них концентрации лития спектральным количественным методом. О наличии месторождения особочистого кварца судят по концентрациям лития в исследуемых образцах менее 0,5 г/т. (Патент РФ № 2145105, опубл. 27.01.2000, G01V 9/00). Авторами данного способа экспериментально установлена закономерность, заключающаяся в том, что в кварцах пегматитовых и кварцевых жил концентрация лития уменьшается с уменьшением содержания в кварце структурной примеси алюминия. Концентрация лития 0,5 г/т отвечает содержанию в кварце структурного алюминия 20 г/т, соответствующему максимальному допустимому загрязнению этой примесью особочистого кварца. Недостатком данного изобретения является недоучет других структурных примесей, как, например, Na⁺, который, как и Li, располагается в структурных каналах кварца, и с которым также ассоциирована алюминиевая примесь. Так, например, кварц, синтезированный из Na-содержащих растворов, может не иметь Li, но Аl в нем будет достаточно. Наиболее близким по технической сущности является люминесцентный способ исследования структурного несовершенства кварца, заключающийся в том, что отбирают монофракции кварца, подвергают их рентгеновскому облучению при низких температурах (77°К), затем, нагревая до 170°К, регистрируют пики ТСЛ (термостимулированной люминесценции) 135 и 165°К и по их значению оценивают качество кварца. Низко дефектному кварцу соответствуют низкие отношения этих пиков (вплоть до 0) и в целом низкая запасенная светосумма (Вотяков С.Л., Крохалев В.Я., Пуртов В.К., Краснобаев А.А. Люминесцентный анализ структурного несовершенства кварца // Екатеринбург: УИФ "Наука", 1993. - с.33 - прототип). Недостатком известного способа является необходимость постоянного использования низкотемпературного рентгеновского возбуждения, получение низкотемпературных пиков ТСЛ, что связано с наличием специального вакуумного криостата и рентгеновского аппарата. Другим недостатком является тот факт, что не учтена роль собственных дефектов в кварце (возбужденные кислородные состояния), которые могут интенсивно проявляться в люминесценции особо чистого кварца.

Задачей настоящего изобретения является разработка экспрессного способа обнаружения высококачественного кварцевого сырья с целью снижения себестоимости, повышения экспрессности и надежности предварительной оценки качества кварцевого сырья и выявления особо чистого кварца.

Поставленная задача решается тем, способ экспрессного обнаружения высококачественного кварцевого сырья, включающий отбор монофракций кварца, замер интенсивности его термостимулированной люминесценции (ТСЛ) с последующим суждением о дефектности структуры, но в отличие от прототипа отобранную монофракцию кварца нагревают от комнатной температуры, до 500°С без предварительного облучения и по наличию термостимулированной люминесценции (ТСЛ) в интервале 350-500°С и по ее преобладанию над интенсивностью люминесценции в интервале 20-320°С оценивают дефектность структуры и выявляют высококачественное кварцевое сырье. Выбор температурного интервала обусловлен тем, что именно в этом диапазоне по интегральному термовысвечиванию можно оценить долю участия примесных и собственных дефектов в люминесценции кварца. Отношение их концентраций отражает степень чистоты кварцевого сырья, поскольку структурная примесь будет препятствовать проявлению собственной люминесценции (Силин А.Р., Трухин А.Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO₂. Рига: Зинатне, 1985, 244 с.). Ранее установлено, что в кварце ТСЛ в диапазоне 20-320°С связана с наличием примесных ионов, выступающих в роли активаторов и соактиваторов люминесценции (Ge, Al, Li, Na) (Погорелов Ю.Л., Матросов И.И., Машковцев Р.И. Изучение радиационных дефектов в кварце, наведенных -частицами, методом ЭПР и термолюминесценции // Изв. вузов. Физика, 1979, № 2, c.110-112; Погорелов Ю.Л., Машковцев Р.И., Таращан А.Н. Роль некоторых парамагнитных дефектов в процессах термовысвечивания природного кварца // ЖПС, т.XXXIV, вып.6, - с.1084-1087). Вакансии кислорода и дефектные кремнекислородные тетраэдры выступают в роли глубоких электронных ловушек (собственные дефекты). Они ответственны за ТСЛ в диапазоне 350-500°С. Авторами предлагаемого изобретения экспериментально установлена закономерность, заключающаяся в том, что в кварце, перспективном для получения концентратов высокой химической чистоты, доля собственной люминесценции значительно выше доли участия люминесценции примесных дефектов, что фиксируется по абсолютному преобладанию интенсивности высвечивания в высокотемпературном диапазоне 350-500°С над свечением в более низкотемпературном интервале (часто при полном отсутствии ТСЛ в температурном интервале 20-320°С, либо при более слабой ее интенсивности). Поэтому о качестве кварцевого сырья предлагается судить по преобладанию высокотемпературной ТСЛ 350-500°С (люминесценции собственных дефектов) над интенсивностью ТСЛ примесных дефектов в температурном интервале 20-320°С. На фиг.1 и 2 представлены кривые ТСЛ кварца из кварцитов Урда-Гарганской площади (Восточные Саяны). На фиг.1 изображены кривые ТСЛ кварца, имеющего повышенные концентрации структурных примесей Al, Ge, Ti, Li, Na (1, 2, 3), на фиг.2 изображены кривые ТСЛ особо чистого кварца, пригодного для приготовления концентратов высокого качества (4, 5, 6). Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения.

Пример 1.

Отобрано шесть мономинеральных проб кварца по 10 мг из кварцитов Урда-Гарганской площади (Восточные Саяны). Получены кривые термовысвечивания (ТСЛ) в температурном интервале 20-500°С для каждого образца (фиг.1). По абсолютному преобладанию высокотемпературной ТСЛ с максимумами в интервале температур 350-500°С над интенсивностью люминесценции в интервале 20-320°С у кварца, для которого получены кривые ТСЛ под № № 4, 5, 6 оцениваем данное кварцевое сырье как высококачественное, пригодное для производства особо чистых кварцевых концентратов (фиг.2). По интенсивности термовысвечивания в температурном интервале 20-350°С, намного превышающей ТСЛ в интервале 350-500°С (что свидетельствует о значительной доле структурной примеси) у образцов кварца под № № 1, 2, 3, оцениваем рассматриваемое кварцевое сырье под № № 1, 2, 3 как неперспективное на получение высококачественного концентрата (фиг.1, кривые 1, 2, 3). Известно, что Гарганский кварценосный район выделен геологами в качестве перспективного по совокупности минерагенических факторов и прямых признаков кварцевой минерализации. Наиболее чистые разности мономинеральных кварцевых пород названы суперкварцитами (Спиридонов A.M., Непомнящих А.И., Воробьев Е.И. Суперкварциты Восточного Саяна как новый источник сверхчистых кварцевых материалов // Металлы Сибири - Тезисы конференции, Иркутск, СО РАН, 1999). В примере № 1 этот чистый материал фиксируется по преобладающей ТСЛ в интервале температур 350-500°С (кривые 4, 5, 6). В то же время геологами отмечается некоторая неоднородность качественных характеристик кварца Гарганского блока, что нашло отражение в примере 1 (кривые 1, 2, 3).

Пример 2

Отобрано 7 мономинеральных проб кварца по 10 мг из кварцитов Верхнеокинской площади (Восточные Саяны, Гарганский кварценосный район) - проявление «Семерка». Получены кривые термовысвечивания (ТСЛ) в температурном интервале 20-500°С для каждого образца (фиг.3).

По абсолютному преобладанию высокотемпературной ТСЛ с максимумами в интервале температур 350-500°С над интенсивностью люминесценции в интервале 20-320°С оцениваем исследуемое кварцевое сырье как высококачественное, пригодное для производства особо чистых кварцевых концентратов. Действительно, Гарганский кварценосный район выделен геологами в качестве перспективного по совокупности минерагенических факторов и прямых признаков кварцевой минерализации. Наиболее чистые разности мономинеральных кварцевых пород названы суперкварцитами (Спиридонов A.M., Непомнящих А.И., Воробьев Е.И. Суперкварциты Восточного Саяна как новый источник сверхчистых кварцевых материалов // Металлы Сибири - Тезисы конференции, Иркутск, СО РАН, 1999). В примере № 2 этот чистый материал фиксируется по преобладающей ТСЛ в интервале температур 350-500°С.

Пример 3

Отобрано четыре мономинеральных пробы кварца по 10 мг из кварцитов Урда-Гарганской площади (Восточные Саяны) - проявление «МТП». Получены кривые термовысвечивания (ТСЛ) в температурном интервале 20-500°С для каждого образца (фиг.4). По абсолютному преобладанию высокотемпературной ТСЛ с максимумами в интервале температур 350-500°С над интенсивностью люминесценции в интервале 20-320°С оцениваем исследуемое кварцевое сырье данного участка как высококачественное, пригодное для производства особо чистых кварцевых концентратов. Действительно, Гарганский кварценосный район выделен геологами в качестве перспективного по совокупности минерагенических факторов и прямых признаков кварцевой минерализации. Наиболее чистые разности мономинеральных кварцевых пород названы суперкварцитами (Спиридонов A.M., Непомнящих А.И., Воробьев Е.И. Суперкварциты Восточного Саяна как новый источник сверхчистых кварцевых материалов // Металлы Сибири - Тезисы конференции, Иркутск, СО РАН, 1999). В примере № 3 этот чистый материал фиксируется по преобладающей ТСЛ в интервале температур 350-500°С.

Пример 4

Отобрано две мономинеральных пробы кварца по 10 мг из кварцитов Урда-Гарганской площади (Восточные Саяны) - проявление «МТП». Получены кривые термовысвечивания (ТСЛ) в температурном интервале 20-500°С для каждого образца (фиг.5). По интенсивности термовысвечивания в температурном интервале 20-350°С, намного превышающей ТСЛ в интервале 350-500°С (что свидетельствует о значительной доли структурной примеси), оцениваем данный участок проявления МТП как не перспективный на получение высококачественного концентрата. Действительно, среди кварцитов Урда-Гарганской площади геологами отмечается некоторая неоднородность качественных характеристик кварца (Спиридонов A.M., Непомнящих А.И., Воробьев Е.И. Суперкварциты Восточного Саяна как новый источник сверхчистых кварцевых материалов // Металлы Сибири - Тезисы конференции, Иркутск, СО РАН, 1999), что нашло отражение в примере 4.

Таким образом, заявленный способ позволяет быстро и надежно дать предварительную оценку качества кварцевого сырья и рекомендовать это сырье как высококачественное или не рекомендовать как неперспективное для получения концентратов высокой химической чистоты.