XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Химический состав, морфология и применение гранатов Кительского месторождения (Юж. Карелия)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Летом я побывал на Кительском месторождении с геологами из Академии наук, меня заинтересовали минералы группы граната. Актуальность работы состоит в изучении состава и формы гранатов данного месторождения, а также в оценке пригодности данного минерального сырья в качестве ювелирного или технического материала.
Цель: изучить форму и состав гранатов. Составить мнение о разновидности граната среди изучаемых образцов. Составить мнение о пригодности граната для ювелирного дела или технологических процессов.
Задачи:
1.Отобрать пробы на месторождении
2.Оценить морфоструктурные особенности граната
3.Изучить гранаты под стереомикроскопом, оценить чистоту/наличие включений, цвет, форму, насыщенность окраски, степень разрушенности
4.Изучить гранаты методом оптической микроскопии, электронной микроскопии, раман-спектрометрии .
5.Оценить состояние рынка с учетом необходимости реализации задач по импортозамещению
6.анализ методом электронной микроскопии
7.Составить мнение о пригодности данного граната в ювелирном деле и в качестве технического сырья
ГОСТы, ТУ, МР и прочие нормативные документы
Термины и сокращения:
СанПин - санитарно-эпидемиологические правила и нормативы
ПДК - Предельно допустимая концентрация
Бинокулярный стереомикроскоп - микроскоп для рассматривания предметов с объёмным их восприятием
Агрегат - совокупность минеральных зёрен или их сростков, образующих горную породу или её часть
Вросток/включение - это включения других минералов в кристалл.
Минал - это реальный или теоретический конечный член изоморфного ряда минералов, химическое соединение постоянного состава.
Мкм – микро метр
Рамановская спектрометрия - это неразрушающий метод изучения молекулярной структуры кристаллических, нанокристаллических и аморфных форм углерода.
Сл. – следы ниже порогового значения
Вмещ. – вмещающая порода
Порфиробласт-крупно зернистый агрегат на фоне мелкозернистого массива
Оборудование
В ходе работы я применял следующее специальное оборудование: оборудование для отбора проб, микроскоп бинокулярный стреоскопический, электронный микроскоп, раман- спектрометр.
Методы исследования
Методы исследования: анализ материалов предшественников, сравнение, аналогия; метод оптической микроскопии; метод электронной микроскопии, метод рамановской спектрометрии.
Практическая часть
Объектом моего исследования стал гранат Кительского месторождения. Кительское месторождение граната находится в Питкярантском районе Республики Карелия, на левом берегу реки Сюскюянйоки. в 70–150 м к югу от полотна железной дороги Сортавала – Питкяранта в районе отметки 42 км (рис.1).
Рисунок 1. Положение месторождения на карте Рисунок 2. Я у водопада
Интересными географическими объектами участка работ являются водопады (рис.2). Эти водопады равнинные (высота всего 3-4 метра), но они не менее красивы, чем горные. Особенность этих водопадов – коричневый цвет. Оттенок объясняется торфяными залежами и примесями железа. Один из таких водопадов удалось посетить и сделать несколько интересных фотографий.
Отбор проб
Я отобрал пробы граната на центральной и фланговой частях месторождения. Это были отдельные кристаллы граната, которые сами отделились от породы в ходе природного разрушения породы и перехода ее в более рыхлую массу, близкую к дресве. Среди образцов кристаллы граната, гранат в породе. Размер кристаллов граната различный. Самые крупные кристаллы граната, которые я нашел, имели диаметр до 1,5-2 см. Я знаю, что кристаллы альмандина могут достигать огромных размеров. Самый большой кристалл альмандина, который я видел в музее, достигал 30 см, а в литературе встречается информация о кристаллах граната размером до 1 м [2].
Рисунок 3. Пробы граната Рисунок 4. Проба более крупных кристаллов граната
Кристаллы граната можно было изучать сразу. Кристаллы в породе нужно было сначала препарировать, отделить от вмещающей породы (рис.3,4). После препарации я получил более 20 кристаллов граната, часть которых я решил детально изучить.
При анализе под микроскопом я увидел, что цвет граната на фланге месторождения более розовый, а в центральной части более насыщенный – красный. Преимущественно гранат встречен в виде кристаллов тетрагон триоктаэдрического габитуса. Эти кристаллы разного размера, от совсем мелких до 1,5 см. Участков развития сплошных зернистых масс не встречено.
Рисунок 5. «Круглый» гранат из пробы К-4 Рисунок 6. «Плоский» гранат из пробы И-3
Как было сказано выше, встречено две разновидности граната: более «круглые» (рис.5) и «плоские» (рис.6). Это, вероятно, разные генерации минерала. Такие разновидности были выделены мной уже после препарации, но этого недостаточно для понимания, какой это именно гранат. Для получения полной картины я обратился к методам точной диагностики фазового и химического состава минералов.
Рисунок 7. Гранат из пробы И-10 Рисунок 8. Гранат из пробы К-2
Примерно 20% кристалла граната из пробы И-10 занимают твердофазные минеральные включения 9 рис.7). На рис.8 виден достаточно крупный осколок розово-малинового оттенка и на поверхности видны некие образования, возможно, это начала образовываться келифитовая кайма или это какие-то вторичные образования светлого кремового оттенка, также видны твердофазные включения. Этот гранат имеет красно-розовый достаточно насыщенный оттенок.
Рисунок 9. Гранат из пробы И-10
В пробе И-10 гранат имеет насыщенный малиновый оттенок (рис.9), он более холодного спектра, но также присутствуют зоны оранжеватой окраски, это все может говорить о неравномерном составе граната в пределах одного зерна. Возможно в зонах оранжеватой окраски присутствует минал гроссуляра.
Рисунок 10. Гранат из пробы К-2 Рисунок 11. Гранат из пробы К-4
В пробе К-2 (рис.10) гранат имеет розовый, а также малиновый цвет. Хорошо заметны твердофазные включения. В пробе К-4 достаточно чистые гранаты, включений почти не видно (рис.11). У граната присутствует рыжеватый оттенок, но в основном, гранат в пробу К-4 розового цвета. Крупных включений мы не видим, только достаточно мелкие включения, этот гранат может идти как технический, а также стоит проверить, можно ли использовать его в качестве ювелирного камня.
Анализ методом рамановской спектрометрии
Данный метод является экспрессным (1–2 с) и неразрушающим аналитическим методом идентификации минеральной фазы вещества [3].
Рисунок 12. Спектр альмандина
Спектры моих образцов идеально совпадают с эталонным спектром альмандина (рис.12). В данном случае нет никакой разницы между плоским и круглым гранатом. И тот и другой – альмандин.
Рисунок 13. Спектр пиропа
Линия моих образцов сильно отличается от пиропов (рис.13). Отличие наблюдается в виде смещения пика примерно на уровне 350 обратных см. Значит, мои образцы нельзя отнести к пиропам. Из этих двух рисунков можно сделать вывод что мои гранаты - это альмандины.
Анализ методом электронной микроскопии
Любой анализ начинается с подготовки пробы и изготовления препарата и от качества этой подготовки зависит качество получаемой аналитической информации. Препарат для анализа методом электронной микроскопии (СЭМ) я изготовил самостоятельно в соответствии с рекомендациями оператора электронного микроскопа.
Один из видов препарата для анализа методом электронной микроскопии представляет собой монету, на которую наклеен двусторонний скотч. Далее эту монету делят при помощи разделителей (в данном случае бумага от скотча) на 4 части, в которые выкладывают зерна исследуемого минерала. Так я и сделал. В один из секторов я приклеил треугольник, который служит меткой для оператора электронного микроскопа, чтобы он понимал, где какая зона (рис.14).
Также обязательно рисуется схема расположения материала разных проб на одном препарате, ниже приведена эта схема (рис.15). Этот анализ предназначен для определения химического состава исследуемых минералов.
Рисунок 14. Препарат для анализа методом СЭМ Рисунок 15. Схема для анализа методом СЭМ
В результате анализа методом электронной микроскопии в лаборатории РАН были получены следующие результаты (рис. 16,17,18,19).
Рисунок 16. Состав граната из пробы K-2
Рисунок 17. Состав граната из пробы K-4
Рисунок 18. Состав граната из пробы И-3
Рисунок 19. Состав граната из пробы И-10
Для расчета минального/компонентного состава граната я использовал программу MineralCalc, в которую я вносил полученные результаты. Привожу результаты некоторых расчетов моих гранатов в данной программе (рис.20,21,22,23).
Рисунок 20. Альмандин из пробы И-3 Рисунок 21. Альмандин из пробы И-10
Рисунок 22. Альмандин из пробы К-2 Рисунок 23. Альмандин из пробы К-4
В результате расчетов я выявил, что все мои гранаты – альмандины.
Технические аспекты
Гранаты используются в промышленности в качестве абразива и в ювелирном деле. В качестве абразивов чаще всего применяются железистые гранаты и, особенно, альмандин [4].
Основным дефектом альмандина, как ювелирного камня, является неоднородное строение минерала – зональность и включения посторонних минералов, что часто делает его непрозрачным и пригодным к использованию только в качестве абразивного сырья [1].
В моем случае все замеры в разных зонах кристаллов показали альмандин, значит состав не зональный. Гранат из пробы к-4 прозрачный и на первый взгляд почти не содержит включений.
Таблица 1. Требования к ювелирному гранату
К сожалению, если смотреть по данной таблице (рис.24), размер чистой зоны камня без включений хотя бы на 2 сорт ювелирного сырья для альмандина должен быть 4*4*4 мм [1]. В моем случае размер бездефектного участка составил по моим наблюдениям 3*4*3 мм примерно, что недостаточно для соответствия данным требованиям (рис.24). Поэтому мой гранат может быть использован только как технический.
Цена деления – 1 мм
Рисунок 24. Оценка размера бездефектного участка граната
Я считаю, что наличие почти кондиционного граната может говорить о том, что при более детальных поисках можно найти и кристаллы граната с бездефектной зоной, отвечающей требованиям к ювелирному сырью.
Важный аспект заключается в том, что исследованный гранат содержит ощутимые количества Скандия (рис.16,17,18,19). Информацию о том, что данный гранат содержит скандий я находил также в статьях разных исследователей [5]. Скандий - редкоземельный металл, его основное применение – в различных областях высоких технологий, от производства ракет и спутников до лазеров и робототехники. Металл также часто используется в производстве высококлассного спортивного оборудования благодаря своей поразительной прочности. Чистый скандий не используется в ювелирном деле, но его оксид применяется в производстве фианитов [6].
Так, добавка скандия в мельчайших количествах (доли весового процента) в сплавы алюминия и алюминия с магнием существенно, на десятки процентов, а порой ив разы увеличивает механические свойства: твердость, прочность, длительную прочность. Пластичность же при этом не уменьшается.
В отношении влияния на здоровье человека скандий считается не токсичным.
В ходе исследования рынка промышленного граната я пришел к выводу что в России пока практически нет зарегистрированных и поставленных на баланс месторождений граната, его промышленная добыча не ведется. Лучший кондиционный гранатовый песок – Австралийский. Поставки в Россию ограничены в связи с санкциями.
Важно искать свои отечественные источники сырья. Одним из таких источников может стать карельский гранат Кительского месторождения.
Помимо своего прямого назначения изученный гранат может рассматриваться, как источник скандия.
Выводы
-
Изучена форма и состав гранатов. Весь изученный гранат относится к альмандину, а также содержит весьма дорогой металл – скандий.
-
Гранат на месторождении Кителя может быть использован преимущественно как технический и только в редких случаях, как ювелирный, но потребуется выбирать зоны граната без дефектов нужного размера.
-
Произведена оценка производителей граната. Сделан вывод о том, что в нашей стране есть источники граната, которые позволят решить потребности промышленности в гранатовом сырье.
Использованная литература
-
Методические указания по поискам и перспективной оценке месторождений цветных камней (ювелирных, поделочных, декоративно-облицовочных). Выпуск 17, Гранаты, Москва, 1977
-
Электронный ресурс https://mgc-labs.ru/library/geologiya-samotsvetov/granaty/
-
Электронный ресурс https://pharmacopoeia.regmed.ru/pharmacopoeia-projects/izdanie-15/1/1-2/1-2-1/1-2-1-1-metody-spektralnogo-analiza/ramanovskaya-spektrometriya/?vers=4410&projects=Y&comments=y
-
Электронный ресурс https://www.bibliongo.ru/moya-rodina/uralskaya-parallel/priroda-urala/184-mineraly-urala/597-granaty-veterany-mineralnogo-tsarstva
-
А.М. Ручьев. Карельский гранат – перспективный источник скандия и редкоземельных металлов. Институт геологии Карельского научного центра РАН, Петрозаводск. Труды Карельского научного центра РАН, №11, 2017. С 30-42
-
Электронный ресурс https://remixgold.ru/news/useful/blestyashchaya-desyatka-metally-primenyaemye-v-yuvelirnom-dele/