ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 433, № 4, с. 496-498
= ГЕОЛОГИЯ
УДК 550.8:553.08:53/54
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МАГНЕТИТОВОЙ РУДЫ (МАГНЕТИТА) В СВЯЗИ С ГЕНЕТИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
© 2010 г. В. В. Бахтерев
Представлено академиком Н.П. Юшкиным 02.02.2010 г. Поступило 10.02.2010 г.
Кристаллическая структура природных минералов по степени совершенства заметно отличается от структуры идеальных кристаллов наличием многочисленных искажений и дефектов. Эти черты реальных кристаллов варьируются для одного и того же минерального вида от месторождения к месторождению и относятся к числу типо-морфных особенностей минералов [1, 2]. Более того, "разные генерации одного и того же минерала, возникающие на последовательных этапах и стадиях формирования одного месторождения, всегда различаются между собой по составу, формам и размерам выделений, структурным характеристикам, физическим свойствам" [2, с. 17]. В кристаллической структуре реальных минералов, содержащих несколько видов катионов, распределение их по различным позициям в решетке неодинаково и зависит от условий образования минерала и его последующей термической истории.
Большинство магнетитов характеризуется сложным химическим составом и содержит целый ряд изоморфных примесей. Обладая дефектной шпинелевой структурой, магнетит очень чутко реагирует на изменения условий минералооб-разования, что отражается на его структуре и физических свойствах. Неоднородность магнетита проявляется в возникновении изоморфных замещений Бе2+ и Бе3+ на ряд элементов примесей. Известно, что в процессах обогащения магнетит из руд различных генетических типов ведет себя по-разному. Это во многом обусловлено различиями в его составе и структуре [3]. Кристаллизуясь в различных термодинамических и физико-химических условиях, магнетит в своем химическом составе и кристаллической структуре несет генетическую информацию об этих условиях. Набор физических свойств минерала, несущих такую информацию, разнообразен. Тем не менее инте-
Институт геофизики
Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург
рес к нему не ослабевает. Открываются его новые, не использованные ранее свойства. Важное место в ряду типоморфных признаков могут занять электрические свойства, в том числе при высоких температурах, которые несут информацию о кри-сталлохимических особенностях фазового и структурного состояния вещества. Изучение высокотемпературной электропроводности магнетита (магнетитовой руды) и вмещающих горных пород может выявить новые нетрадиционные поисковые признаки, так как электрические свойства горных пород и минералов являются весьма чувствительными индикаторами их вещественного состава и генетических процессов и важными источниками информации. Кроме того, изучение магнетитов представляет чисто практический интерес. Являясь рудообразующими минералами, они определяют технологические свойства магнетитовых руд.
Цель настоящей работы — исследовать температурную зависимость электрического сопротивления образцов магнетитовой руды различного генетического типа из ряда железорудных месторождений, определить их электрические параметры (энергию активации Е0 и так называемый коэффициент электрического сопротивления Я0), установить характер этой связи.
Методика определения электропроводности образцов горных пород и электрических параметров при высоких температурах описана ранее [4, 5]. Образцы для исследования вырезали в форме кубика с ребром 0.02 м. Измерения выполнены в открытой системе при атмосферном давлении. Электрическое сопротивление измеряли двух-электродной установкой через каждые 10°С в интервале температур 20—800°С. Скорость нагревания 0.066°С/с. Измерительный прибор тераом-метр Е6-13 с динамическим диапазоном от 10 до 1014 Ом и относительной ошибкой измерений от ±2.5 до 4% в конце диапазона. Для определения электрических параметров кривые высокотемпературной электропроводности были построены в
координатах 1§ Я, 1/Т. Энергия активации Е0
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
497
Рис. 1. Кривые зависимости от температуры электрического сопротивления образцов магнетитовой руды из месторождений: 1 — Гороблагодатского, 2 — Пес-чанского, 3 — Ольховского рудопроявления (монокристалл магнетита — правильный октаэдр с размером ребра 23 мм, стехиометрического состава [10]).
определена по величине тангенса угла наклона касательной к кривой 1§ Я = /(1/7) в некоторой точке прямолинейного участка в температурной области, где кривая 1§ Я = /(1/7) не искажена аномальными эффектами. Логарифм коэффициента электрического сопротивления 1§ Я0 определен как величина отрезка, отсекаемого касательной к кривой 1§ Я = /(1/7) на оси ординат.
Образцы магнетитовой руды для исследований отобраны из Гороблагодатского, Песчанского, Естюнинского, Таштагольского железорудных месторождений. Всего изучено 50 образцов. Руда на 90—95% представлена магнетитом.
По геологии и минералогии железорудных месторождений имеется обширная литература (см., например, [6—9]). Скарново-магнетитовые месторождения Урала весьма разнообразны по геолого-структурным и морфологическим особенностям, характеру связи с интрузивным магматизмом, характеру распределения их в пределах рудных зон. Морфологические особенности, строение рудных залежей, состав руды и степень изменения околорудных пород, определяющих, в свою очередь, тип месторождения и масштабы оруденения, в значительной мере обусловлены его положением в вулкано-плутонической структуре, зависят от глубины протекания рудообразу-ющего процесса. Каждое месторождение имеет свои специфические черты развития скарново-рудного процесса.
На рис. 1 в качестве примера приведены кривые 1§ Я = /(7) некоторых образцов магнетитовой руды (магнетита). По величине электрического сопротивления при нормальной температуре ис-
Рис. 2. Связь между Ео, 1§Яо исследованных образцов
магнетитовой руды из месторождений: 1 — Гороблагодатского; 2 — Естюнинского; 3 — Песчанского; 4 — Таштагольского; 5 — Ольховского рудопроявления (монокристалл). Около некоторых точек выписаны номера образцов, температурные кривые электрического сопротивления которых приведены на рис. 1.
следованные образцы различаются на 5—6 порядков. При 800°С различие сокращается до двух порядков. Во всем температурном интервале характер зависимости для отдельных образцов изменяется различным и сложным образом. При этом в области температуры Кюри на кривых всех исследованных образцов наблюдается прямолинейный участок. Его положение и протяженность на температурной кривой для отдельных образцов имеют разные значения. Для области 450—650°С были определены параметры высокотемпературной
электропроводности Е0 и 1§ Я0 всех исследованных образцов. Результаты приведены на рис. 2, где показана связь между Е0 и 1§ Я0 исследованных образцов магнетитов. Графическое изображение этой связи в координатах Е0, 1§Я0 обнаруживает обширное поле распределения точек, которое вбирает в себя результаты исследования всех образцов четырех месторождений. Для исследованных образцов Е0 меняется от 0.1 до 1 эВ,
1§ Я0 — от —2 до 3.5. Для всей совокупной выборки прослеживается связь между электрическими параметрами, которую можно выразить в виде
Я0 = а - ЬЕ0,
где а и Ь — коэффициенты. Для Естюнинского и Гороблагодатского месторождений эта связь прослеживается отчетливо и имеет вид соответственно ^Я0 = 4.5 - 6.65Е0 и ^Я0 = 3.3 - 6.65Е0. Для исследованных месторождений все фигуратив-
5 ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 433 № 4 2010
498
БАХТЕРЕВ
ные точки расположены в области, ограниченной прямыми ¡я Я0 = 4.41 — 5.65Е0 и ¡я Я0 = 0.52 — — 5.65Е0 (рис. 2). При этом для образцов Горобла-годатского месторождения точки лежат в области Е0 от 0.15 до 0.30 эВ, ¡яЯ0 - от 0.5 до 2.0, для Пес-
чанского — Е0 от 0.3 до 0.6 эВ, ¡яЯ0 от -2.1 до -1.1. Для всей совокупной выборки, а также для частных выборок отдельных месторождений коэффициент Ь в уравнении связи одинаков и равен 5.65. Коэффициент а для каждого месторождения имеет свое значение и меняется от 0.52 до 4.41.
Положение точек с координатами Е0, ¡яЯ0 в
поле ¡я Я0 = ДЕ0) связано с различными генетическими условиями исследованных образцов маг-нетитовой руды.
Рассматривая природу связи, отметим следующее. Хотя коэффициент электрического сопротивления Я0 не имеет вполне определенного физического смысла, его величина может меняться за счет различных кристаллохимических особенностей соединения. В теории диэлектриков указывается лишь на возможные основные причины его изменения. Некоторые из этих причин таковы: изменение концентрации подвижных ионов (в процессе электропроводности участвуют только те ионы, которые под влиянием теплового движения сорваны со своих узлов и находятся в более свободном состоянии); механизма перескока; размеров кристаллической решетки; внутрикри-сталлического электрического поля. От температуры зависимость слабая. Зависимость от температуры энергии активации, напротив, очевидна. Энергия активации Е0 зависит от прочности кристаллической решетки, природы подвижных ионов, от их положения в решетке [11].
Поскольку исследованные образцы не имеют конкретной геологической привязки, выполненные исследования и приведенные результаты
позволяют лишь качественно оценить экспериментально полученные связи между E0 и lg R0 и сопоставить их с генетическим разнообразием магнетитовых руд.
Автор благодарен О.А. Хачай, И.И. Глухих и А.Ж. Кузнецову за предоставленные образцы маг-нетитовой руды для настоящих исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чернышева Н.Е., Смелянская Г.А., Зайцева Т.Н. Ти-поморфизм магнетита и его использование при поисках и оценке рудных месторождений. М.: Недра, 1981. 236 с.
2. Типоморфизм минералов: Справочник / Под ред. Л.В. Чернышевой. М.: Недра, 560 с.
3. Пирогов Б.И., Поротов Г.С., Холошин И.В., Тарасен-ко В.Н. Технологическая минералогия железных руд. Л.: Наука, 1988. 269 с.
4. Бахтерев В.В. // ДАН. 2000. Т. 375. № 1. С. 72-74.
5. Бахтерев В.В. Высокотемпературные исследования гипербазитов Урала. Екатеринбург: УрО РАН, 2008. 152 с.
6. Фоминых В.Г. // ДАН. 1981. Т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.