Методы исследования физических свойств минералов, пород и руд

Физические методы анализа минерального вещества включают блок аналитических лабораторных методов диагностики, определения (качественного и количественного состава и структуры пород и руд) на основе изучения физических свойств и непосредственного измерения физических параметров минерального вещества.

Преимуществом физических методов анализа является возможность использования регистрирующих приборов непрерывного действия и автоматических способов контроля параметров на расстоянии. С другой стороны, детальный анализ сложных смесей весьма трудоёмок, так как требует приготовления ряда эталонов для установления зависимости состав - свойства. Минеральное сырье при лабораторных исследованиях физическими погодами с определенной степенью приближения выступает аналогом твердого тела и подчиняется основным законам его поведения при различных воздействиях. В соответствии с этим для минералов, пород и руд определяют, и измеряет "простые" физические свойства и механические характеристики: плотность, твердость и оптические свойства, параметры электрических и магнитных полей, особенности изменении при нагревании (охлаждения), температурные точки фазовых превращений др. Эти свойства отражают макроскопические, механические, структурные и молекулярно-атомарные особенности минеральных веществ.

Кроме измерения "простых" физических свойств минералы, породы и руды подвергают различным энергетическим воздействиям и регистрируют возникающие при этом эффекты. На этом принципе основаны эмиссионные, спектральные, рентгеновские, термические, люминесцентные, электронно-микроскопические, нейтронно-активационные, термо- и магнитно-электрические и многие другие методы исследования.

Плотность- одна из важнейших характеристик минеральных веществ, под которой понимается отношение массы руды или породы к ее объему, причем под массой понимается масса собственно твердой фазы + масса жидкой + масса газообразных фаз, всегда присутствующих в тех или иных формах в породах, рудах или минералах.

С плотностью также связаны такие понятия как удельный вес и объемная масса. Удельный вес породы или минерала - это вес твердой фазы, отнесенный к объему образца породы или минерала. Объемная масса - масса определенного объема абсолютно с другой породы или руды.

Плотностные характеристики при лабораторных исследованиях определяются несколькими способами:

1. Определение плотности твердого тела гидростатическим взвешиванием (рис.1) рассчитывается по формуле

(6)

где d-удельный вес; p₁ -вес образца на аналитических весах; р₂ – вес проволочки на которой крепится образец вместе с образцом; р₃ – масса образца в жидкости; ρ- плотность жидкости

Рис. 1 Весы Мора

1 — емкость с дистиллированной водой, 2 — мостик через чашку весов, 3 — проволочка с минералом

2. Определение плотности твердого тела при помощи пикнометра рассчитывается по формуле

(7)

где d- плотность твердого тела; m- масса твердого тела; М-масса пикнометра с водой; М₀-масса пикнометра с остатками воды и твердым веществом; ρ –плотность воды при температуре проведения опыта.

3.Определение плотности путем разделение в тяжёлых жидкостях. Данный метод базируется на подборе тяжелой жидкости с плотностью равной плотности минерала. Минералы тяжелее жидкости тонут, а более легкие всплывают

4. Плотность можно вычислить математически зная химический состав минерала по формуле:

(8)

где d - плотность в г/см³; Aw - сумма атомных масс атомов в элементарной ячейке и V – объем элементарной ячейки в нм³. Коэффициент 1,6602 х 10^-24 (значение, обратное числу Авогадро)

Твердость минералов, пород и руд - степень их сопротивления какому-либо внешнему механическому воздействию. Этот параметр определяется различными методами, простейший из которых – царапанием либо минералом о минерал- (школа Мосса), либо иглами из различных материалов.

Кроме определения относительной твердости минерала важным диагностическим количественным признаком является микротвердость минерала. Микротвердость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в полированную или естественную поверхность минерала и вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка..

(9)

Прибор для проведения таких исследований ПИТ-3 (рис. 2)

Рис. 2 Схема прибора ПМТ-3 для измерения микротвердости: 1 — микроскоп; 2 — макрометрический винт; 3 — микрометрический винт; 4 - окулярный микрометр; 5 — шток с алмазной пирамидой; 6 — опакиллюминатор; 7 — объектив; 8 — стол для установки микрошлифа; 9 — ручка стола; 10 — винт стола; 11 — регулировочные винты; 12 - грузы; 13 — ручка нагружения.

В таблице 1 приведены точные показатели твердости для эталонных образцов шкалы Мооса рассчитанные методом Виккерса.

Таблица 1

Твердость эталонных образцов шкалы Мооса найденные посредством метода вдавливания алмазной пирамидки

Минерал	Микротвердость	Минерал	Микротвердость
Тальк	2,4	Полевой шпат
Гипс		Кварц
Кальцит		Топаз
Флюорит		Корунд
Апатит		Алмаз

Оптические свойства - важные диагностические и типоморфные признаки минералов, пород и руд. Наиболее часто используются такие оптические характеристики, как цвет, окраска, светопреломление, светоотражение (отражательная способность), цвет черты.

Понятие «цвет» применяется к прозрачным и полупрозрачным веществам, «окраска» - к непрозрачным разновидностям минералов, пород и руд. Цвет и окраска обусловлены способностью вещества поглощать определенную часть спектра видимом света, в результате чего возникает эффект окрашивания (цветности) за счет оставшейся части спектра. Эти оптические характеристики зависят от природы образующих минерал атом или ионов, их координации, поляризационных свойств, типа структуры, наличия элементов-красителей и других факторов.

Цвет минералов подразделяется на три типа:

· Идиохроматические окраски (собственные), вызванные содержанием в минерале элемента, дающего окраску- хромофор.

· Аллохроматические окраски, вызванные наличием механических примесей, обычно микровключений других минералов.

· Псевдохроматические окраски, связанные с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция).

Цвет и окраска могут оцениваться качественно (по сравнению с эталонами), или определяться количественно путем получения кривых спектрального поглощения. На специальных приборах -спектрофотометрах.

Отражательная способность часто является основным диагностическим признаком при минераграфических исследованиях руд, особенно при количественном их определении. Отражательная способность минералов, как и других веществ, характеризуется величиной доли излучения, отраженного поверхностью минерала. Она зависит от природы и состояния поверхности, а также от длины волны излучения, падающего на минерал. Коэффициент отражения уменьшается при изменении длины волны излучения в ультрафиолетовую область спектра. Максимальной отражательной способностью характеризуется серебро (96%) в красно-оранжевой области спектра, минимальной (0,1%) - сажа.

Количественные определения отражательной способности для руд и минералов проводятся на специальных фотоэлектрических и микрофотонетрических приборах сравнительным методом, т.е. с использованием эталонов. Наиболее распространенный прибор для этих целей - микроскоп ПООС-1.

Электрические свойства минералов, как твердых тел с организованной структурой (кристаллической решеткой) определяется энергетическими параметрами атомов, входящих в состав решетки, и способностью к переносу электрических зарядов. К важнейшим электрическим свойствам минералов относятся: электропроводимость, термоэлектрический эффект; эффект Холла; фотопроводимость; пьезо- и пироэлектрический – эффекты; поляризуемость.

По величине электропроводимости все минералы разделяется на проводники (металлы), диэлектрики (кислородные и галогенные соединения) и полупроводники (практически все сульфиды и сульфосоли), хотя это деление в значительной мере условно зависят от внешних условий эксперимента.

Термоэлектрический эффект в минералах - заключается в появлении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) от разности потенциалов, возникающей в двух точках при наличии градиента температуры между ними (рис. 3). Для большей части полупроводников коэффициент термо-ЭДС зависит от химического состава минералов, количества примесей в них и величины термического градиента.

Возникновение в полупроводнике термо-ЭДС связано с изменением количества носителей электрического заряда (электронов и дырок) и их диффузией от более горячей области в холодную. Термоэлектрические эффекты по механизму проводимости делятся на электронные, дырочные и смешанные с этим связаны величина и знак эффекта.

Рис. 3 Схема термоэлемента

Проведение лабораторных исследований термо-ЭДС минералов позволяет решить следующие задачи:

· определять химические потенциалы атомов и ионов в кристаллической решетке минерала;

· диагностировать минералы (особенно редкие сульфиды и сульфосоли);

· качественно и количественно оценивать содержание в минералах элементов примесей, влияющих на термоэлектрические свойства минерала – хозяина;

· изучать неоднородности кристаллов и зерен по знаку величине термоэлектрических параметров;

· определять формационную принадлежность минералов к типам пород и руд;

· выявлять скрытую зональность рудных тел, месторождений, рудных полей и прогнозировать на этой основе перспективные площади и участки;

· определять относительный уровень эрозионного среза рудных тел и месторождений, устанавливать в них вертикальный размах оруденения;

· оценивать физико-химические параметры эндогенного рудообразования;

· прогнозировать и оценивать коренные источники россыпных месторождений;

· сопоставлять минеральные парагенезис рудных тел, месторождения и рудных полей

· учитывать термоэлектрические особенности минералов для технологии их обогащения.

Исследования других электрических эффектов в минералах не получили такого широкого применения при геологических исследованиях как метод термо-ЭДС в связи с особенностями природы минералов, обуславливающих технические трудности при измерениях этих эффектов.

Эффект Холла- заключается в том, что при пропускании тока через клеммы «а» полупроводниковой пластины, помещенной в поле магнита, на боковых клеммах «б» появляется напряжение (рис. 4).

Рис. 4 Эффект Холла

Исследование эффекта может проводиться по двум направлениям - при постоянном токе и постоянном магнитном поле, или при переменном токе и постоянном магнитном поле.

Кроме минералов полупроводников эффект Холла может изучаться и в минералах проводниках,

Фотоэлектрический эффект- процесс возбуждения свободных носителей заряда под действием светового излучения.

Фотоэлектрические свойства проявляются как у типичных минералов полупроводников (галенит, касситерит, молибденит, пирит, и др.) так и у минералов-диэлектриков (сера, морион, флюорит, турмалин и др.). Величиной, характеризующей относительную фоточувствительность минерала, является отношение удельного электрического сопротивления в темноте к его минимальному значению на свету.

Высокой фоточувствительностью обладают алмаз, касситерит, сфалерит, киноварь и другие минералы.