Физические свойства рудных минералов и методы их изучения

Физические свойства рудных минералов, такие как твердость, магнитные свойства, кристалломорфные особенности, электрические свойства и плотность, существенно облегчают их диагностику. Эти свойства минералов используются при выборе процесса обогащения руды.

Твердость — одна из главных констант рудного минерала. Твердостью рудного минерала называется способность его полированной поверхности оказывать сопротивление при царапании, шлифовании и микровдавливании. Минералам свойственна различная твердость в зависимости от кристаллографических направлений. Твердость и хрупкость рудообразующих минералов учитываются при исследовании измельчаемости руды. Применяются два метода определения твердости минералов: качественный и количествен-ный.

Качественное определение твердости минерала методом царапания. В минераграфической практике широко применяется определение твердости рудных минералов методом царапания стальной и медной иглами. Твердость (по шкале Мооса) стальной иглы (швейной) равна 5, а медной 3.

Конец иглы вводят в поле зрения при объективе 4, 7^х и 9^х и опускают до соприкосновения с полированной поверхностью минерала. Установив иглу под углом к поверхности минерала, проводят ею по направлению к руке. Рукой следует устойчиво опереться о столик микроскопа. Если у минерала твердость ниже, чем у иглы, тогда на полированной поверхности образуется царапина. Большинство рудных минералов хрупкие и дают порошок при царапании иглой. У некоторых минералов по сторонам вдоль «царапины появляется стружка. Если минерал ковкий, то игла оставляет желобок (халькозин, медь, золото, серебро и др.).

Минералы по твердости царапания подразделяются на три группы: 1) минералы низкой твердости (до 3, по шкале Мооса) царапаются медной иглой; 2) минералы средней твердости (от 3 до 5, по Моосу) царапаются стальной иглой, но не царапаются медной; 3) минералы высокой твердости (выше 5, по Моосу) ца-рапаются с трудом или не царапаются совсем стальной иглой. В табл. 1 приведена твердость рудных минералов по данным различных исследователей.

При проведении испытаний твердости методом царапания необходимо помнить о том, что твердость анизотропных минералов изменяется в зависимости от ориентировки зерен (антимонита, вольфрамита и др.), а изотропных — в зависимости от кристаллической структуры: у скрытокристаллических разностей минералов твердость ниже, чем у полнокристаллических. Например, колломорфный пирит и кристаллический пирит будут отличаться по твердости.

Качественное определение твердости по относительному рельефу. При изготовлении полированного шлифа рудообразующие минералы имеют различное сопротивление истиранию. В результате этого при шлифовке и полировке твердые минералы стачиваются более медленно, чем мягкие, поэтому во всех полированных шлифах более твердые минералы слегка возвышаются над окружающими их мягкими минералами. При этом твердый минерал имеет положительный рельеф, а мягкий — отрицательный.

Относительную твердость минералов по рельефу определяют по правилу световой полоски, которая видна даже в хорошо полированных шлифах. Для этого устанавливают в поле зрения микроскопа границу срастания испытуемого минерала и минерала с известной твердостью, частично прикрывают апертурную диафрагму и медленно поднимают тубус микроскопа. При подъеметубуса световая полоска будет двигаться в сторону мягкого минерала, при опускании — в сторону твердого минерала. Явление све-товой полоски можно наблюдать с объективами средних увеличений (9); если при этом увеличении световой полоски не заметно, то нужно использовать объектив более сильный (40^х).

Правило световой полоски следует использовать при сравнении рельефа минералов близкой твердости, а также при определении твердости минералов, представленных в виде мелких включений: в другом минерале, твердость которого известна.

Рудные минералы принято разделять на группы по высоте относительного рельефа в полированных шлифах. И. С. Волынский предложил объединить минералы по высоте относительного рельефа в семь групп [10]. Твердость минерала по рельефу не всегда может быть выявлена в скрытокристаллическом и аморфном агрегате (например, в агрегате гидроксидов железа и марганца).

Количественное измерение твердости методом микровдавливания. Микротвердость полированной поверхности минерала может быть измерена под микроскопом путем вдавливания алмазного наконечника (индентора) при определенных нагрузках. Микротвердость является одной из главных констант для диагностики минерала. Сначала измеряют минимальные и максимальные величины микротвердости, а затем вычисляют средние. Распределение минералов по твердости царапания и микровдавливания показано в определительных и описательных таблицах.

Форма и качество фигуры вдавливания также отличаются (рис. 1). Комиссией по рудной микроскопии приняты следующие символы для обозначения характера отпечатка: с. — совершенный; вып. — выпуклый; трещ. — трещиноватый; сл. трещ. — слабо тре-щиноватый; вогн. — вогнутый. По характеру отпечатка можно судить о микрохрупкости и упругих свойствах минерала. Сущест-вуют методики оценки хрупкости минералов, основанные на уче-те количества и типа трещин, образующихся вокруг отпечатка; числа отпечатков с трещинами; величины нагрузки. Дробление хрупких минералов вызывает повышенное образование мелких фракций, что способствует переизмельчению.

Для большинства рудообразующих минералов микротвердость и твердость по рельефу, как правило, совпадают, но наблюдаются исключения, когда микротвердость минерала ниже, чем твердость по рельефу (молибденит и халькопирит, сфалерит и теннантит и др.) [10]. Это объясняется характером кристаллической струк-туры минерала, от которой зависят спайность, хрупкость, ковкость, вязкость, а также химическим составом минерала. Для измерения микротвердости минералов применяются различные модели ми-кротвердометров. В СССР используется микротвердометр ПМТ-3 фирмы ЛОМО. Устройство этого прибора и методика работы на нем детально описаны в работе [18].

В приборе ПМТ-3 используется четырехгранная алмазная пирамида с углом 136°. Микротвердометры могут применяться для изучения зерен размером до 1 мкм в диаметре.

В каждом микротвердометре при испытании микротвердости минерала алмазная пирамида под нагрузкой свободно погружается в зерно минерала и выдерживается в течение некоторого времени. В микротвердометре ПМТ-3 нагрузка колеблется от 10 до 300 г. Отпечаток пирамиды измеряют, и по величине диагонали вычисляют микротвердость при данной нагрузке. Величины твердости вдавливания выражаются отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Магнитные свойства минералов. В практике магнитного обогащения минералы разделяются на три группы [30]: 1) сильномагнитные минералы, извлекаемые на магнитных сепараторах с относительно слабым полем (до 120 кА/м). Удельная магнитная восприимчивость % этих минералов равна. 4*10^-5 м³/кг. К ним относятся магнетит, маггемит, титаномагнетит, франклинит, якобсит, моноклинный пирротин; 2) слабомагнитные минералы, извлекаемые на магнитных сепараторах с сильным полем (800 -1500 кА/м и выше); x= (750—10)*10^-8 м³/кг. К ним относятся руд-ные минералы: гематит, лимонит, сидерит, пиролюзит, манганит, псиломелан, браунит, гаусманит, родохрозит, манганокальцит, хромиты, ильменит, вольфрамит, кубанит, гексагональный пирротин; нерудные: пироксен, оливин, гранаты, роговая обманка, серпентин, биотит, глауконит, турмалин; 3) немагнитные минералы, не извле-каемые при магнитном обогащении: кварц, касситерит, кальцит, апатит и др.

Определение магнитности минералов с помощью магнитной стрелки и намагниченной стальной иглы. Крупные выделения магнитных минералов в полированных шлифах исследуются с по­мощью магнитной стрелки, надетой на острие. Шлиф подносят к стрелке (северному или южному полюсу) и наблюдают за ее поведением. Магнитные минералы притягивают конец стрелки к поверхности шлифа. Намагниченная стальная игла притягивает порошок минерала, полученный при царапании полированной по-верхности. Магнитность порошка изучают под микроскопом при малых и средних увеличениях (47, 90).

Исследование магнитности минералов в рудах методом маг­нитной порошкографии. Если магнитный минерал представлен мелкими выделениями (сотые доли — несколько миллиметров в поперечнике), которые вкраплены в немагнитные минералы, и его количество измеряется долями или несколькими процентами, то для определения магнитности применяется метод магнитной порошкографии. Этот метод используется при диагностике магнитных минералов, а также для отличия похожих в отраженном свете магнитных минералов от немагнитных и слабомагнитных (троилит — пирротин, магнетит — маггемит, моноклинный пирротин—гексагональный пирротин и др.). Метод применяется при изучении структур распада с магнитными минералами (магнетит + ильменит; пирротин + пентландит).

Для получения магнитной порошковой суспензии пользуются следующей методикой. Сначала приготовляют концентрированный мыльный раствор, для чего применяют мыло «Детское». Затем к нему добавляют тонкодисперсный магнитный порошок и взбалтывают. В качестве магнитного порошка могут быть использованы тонкорастертый чистый магнетит или порошки завода химреактивов типа НЦ-400, Ф-600, Ф_к-600: Состав магнитной суспензии: вода—10 мл, тонкодисперсный магнитный порошок — 0, 1 г, «дет-ское» мыло в количестве, необходимом для образования устойчивой пены.

Методика магнитной порошкографии такова: суспензию нано­сят пипеткой или стеклянной лопаточкой на всю поверхность или на некоторые участки полированного шлифа при горизонтальном положении столика микроскопа. На поверхности шлифа она вы­держивается 1—2 мин. Время подбирается экспериментально. Раствор суспензии наливают в фарфоровую чашечку или на ча­совое стекло: Полированную поверхность шлифа погружают в жидкость и выдерживают 1—2 мин. По Истечении времени осаж­дения шлиф наклоняют и суспензию смывают несколькими капля­ми спирта или дистиллированной водой. Шлиф остается в на­клонном положении до полного высыхания. Время высыхания в случае смывания спиртом составляет 15—30 с, водой — 1, 5—2 мин.

Электрические с в о й с т в а рудных минералов исполь­зуются для их диагностики, решения ряда генетических задач и в процессах электрической сепарации и флотации или оказывают влияние на ход этих процессов.

Хорошими проводниками электричества являются самородные металлы (медь, золото, серебро, платина, висмут и др.). К провод­никам и полупроводникам относятся сульфиды, сульфосоли, арсениды и некоторые оксиды. Диэлектрики—непроводники электри­чества: аурипигмент, пираргнрит, хромшпинелиды и др.

По электропроводности диагностируют некоторые рудные мине­ралы, например графит и молибденит. Изучая термоэлектрические свойства минералов, можно выделить их генерации на отдельных месторождениях, например для галенита. Электрические свойства одних минералов (например, касситерита) могут изменяться в зависимости от наличия или отсутствия элементов-примесей, дру­гих (например, сфалерита) —от микровключений халькопирита и пирротина.

Сведения об электрических свойствах рудных минералов для исследуемого типа руды должны сопровождаться детальными хи­мическими, микроскопическими и рентгеноструктурными анализа­ми минералов. Справочные данные об электрических свойствах природных минералов имеют лишь ориентировочное значение. Ниже приведена технологическая классификация главнейших ми­нералов по удельному электрическому сопротивлению р, Ом*м.

Плотность минерала зависит от химического состава и типа структуры. Плотность минералов используется в процессах гравитационного обогащения. Разделение минералов гравитационными методами тем эффективнее, чем дальше они отстоят друг от друга по плотности [21]. Наибольшая плотность у самородных металлов — золота, серебра, платиноидов, висмута, меди и др.

Тяжелые сульфиды по их плотности располагаются в следую­щей последовательности: киноварь, никелин, галенит, акантит, висмутин, арсенопирит, кобальтин, халькозин, ковеллин, борнит, пирит, пентландит, пирротин, молибденит, энаргит, халькопирит, сфалерит. Тяжелые оксиды по их плотности располагаются следу­ющим образом: уранинит, вольфрамит, касситерит, колумбит-тан­талит, куприт, гематит, магнетит, пиролюзит, псиломелан, брауниг, гаусманит, ильменит, манганит, гётит и др. Ниже приведено распределение главнейших минералов по плотности [21], г/см³:

Кристалломорфные особенности рудных мине­ралов. Под кристалломорфными особенностями минерала пони­маются форма минеральных индивидов и их внутреннее строение. При диагностике минерала внимательно наблюдают форму и внутреннее строение его зерен, твердые включения в них и грани­цы срастания с другими минералами. Кристалломорфные особен­ности минералов играют большую роль в обогащении (дробление, выщелачивание, флотация).

Форма сечения кристаллов некоторых минералов очень типич­на и может быть использована при диагностике. Представление о полной кристаллической форме минерала может быть составле­но при наблюдении ряда сечений кристалла в полированных шлифах.

Минеральные индивиды правильной кристаллической формы называются идиоморфными. В виде хорошо образованных кри­сталлов и метакристаллов отлагаются рудные минералы с боль­шой силой кристаллизационного роста и высокой твердостью.

Кристаллы и метакристаллы по форме сечений подразделяются на изометричные и удлиненные (рис. 2). Изометричные зерна имеют одинаковые измерения во всех направлениях в плоскости шлифа. Длина удлиненных кристаллов в несколько раз больше ширины. Изометричные формы сечений характерны для пирита, магнетита, кобальтина, хромита, уранинита и других минералов. Удлиненными формами обладают все призматические, столбчатые, шестоватые, таблитчатые и игольчатые кристаллы. Например, призматические формы характерны для антимонита, арсенопири­та, вольфрамита и др.; таблитчатые или пластинчатые — для молибденита, гематита, кубанита, людвигита и др.; игольчатые — для рутила, джемсонита, гётита и др.

Кроме идиоморфных кристаллов, в сечении шлифа встречаются зерна аллотриоморфной или неправильной формы. Они характер­ны для сфалерита, халькопирита, пирротина, галенита, борнита, халькозина и др.

Для ряда минералов характерна колломорфная форма — сфе­рическая, почковидная и фестончатая. Такие формы часто наблю­даются у гётита, тенорита, малахита, псиломелана, настурана, марказита, реже у вюртцита, халькопирита, пирита и др. (рис. 3). Внутреннее строение таких агрегатов скрытокристаллическое и гелевое с трещинками концентрически-зонального строения и усыхания.

Раскристаллизованные коллоидные агрегаты имеют радиально-лучистое строение в почках и волокнистое строение в полосках и прожилках. В процессе перекристаллизации минералов образу­ются кристаллобласты линзовидной, пластинчатой и овальной формы. При дроблении хрупкие минералы распадаются на облом­ки и осколки.

При диагностике минерала имеет также большое значение внутреннее строение минеральных индивидов: спайность, двойники и зональность. Внутреннее строение минералов изучается в поля­ризованном отраженном свете, при структурном травлении, в элек­тронном микроскопе.

Некоторые минералы имеют от одной до трех систем трещин, в зависимости от числа плоскостей спайности в минерале и от ориентировки полированной поверхности. Если есть три или четы­ре направления спайности, могут образоваться своеобразные фи­гуры выкрашивания — треугольные и четырехугольные (рис. 4). Треугольники выкрашивания характерны для минералов кубиче­ской сингонии (галенита, алтаита, пентландита, сфалерита, маг­нетита и др.).

Трещины спайности в минерале помимо структурного травле­ния могут быть выявлены в процессе окисления и при динамоме-таморфизме; например, окисление галенита в англезит обычно происходит вдоль трещинок кубической спайности.

Двойниковое строение наблюдается в зернах под микроскопом. Различают двойники роста, превращения и давления. Двойники роста характерны для многих рудных и нерудных минералов, на­пример, антимонита, станнина, сфалерита, халькопирита, маркази­та, магнетита, ильменита, гематита, сильванита, геокронита, каль­цита и др. Двойники роста бывают простые и полисинтетические (рис. 5). Двойники превращения имеют пластинчатую или вере­тенообразную форму и часто перекрещиваются.

Полисинтетические двойники давления возникают в зернах при динамометаморфизме. Ярким примером могут служить молиб­денит, антимонит, пирротин, ковеллин и др. При этом во всех зернах минерального агрегата образуются тонкие пластинки двой­ников одинаковой ширины, часто смятые и деформированные.

В анизотропных минералах двойники различаются в скрещен­ных николях. При вращении столика микроскопа просветленные пластинки угасают, а темные, наоборот, просветляются. В изо­тропных минералах двойники выявляются структурным травле­нием, например сфалерит и халькопирит травят в парах царской водки в течение 15—20 с.

Зональное строение характерно для многих минералов, а для некоторых (смальтина, гередорфита, кобальтина, касситерита, арсенопирита, саффлорита, бравоита и пирита) это особенность строения постоянна и может быть использована как диагностиче­ский признак (рис. 6). В минералах обнаруживают зональность роста, которая проявляется в отдельных кристаллах в виде кри­сталлически-зонального строения, свидетельствующего о последо­вательности отложения вещества вокруг центра кристаллизации.

Зональное строение характерно для кристаллов и метакристал­лов и отсутствует в кристаллоблаетах. В натечных агрегатах гётита, псиломелана, настурана и других наблюдается концентри­чески-зональное строение.

Твердые включения, образовавшиеся в процессе распада твер­дого раствора, имеют важное значение для диагностики минерала, например для сфалерита характерны каплевидные включения халькопирита, пирротина и станнина; в титансодержащем магне­тите развиты тельца распада ильменита в виде эмульсии, пласти­нок и решеток; в магматическом пирротине наблюдаются мелкие включения пентландита. Твердые включения в рудных минералах часто представлены реликтами вмещающих пород или ранними рудными минералами.