CC BY
11
УДК 549.766
ПРОГНОЗ ОБРАЗОВАНИЯ СУЛЬФАТОВ МАГНИЯ В КАРЬЕРЕ ШЕРЛОВОГОРСКОГО ОЛОВОПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ КРАЙ)
О.С. Сергутская1
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, 672014, Россия, Забайкальский край, г.Чита, ул. Недорезова, 16а.
Приведены данные рентгено-структурного анализа образцов современного минералообразования в карьере Шерловогорского месторождения и представлена таблица их сравнения с диаграммой фазового равновесия в системе температура-относительная влажность. Проведен модельный расчет образования сульфатов магния с помощью программного комплекса «Селектор» и его сравнение с данными диаграммы фазового равновесия в системе температура-массовая доля MgSO4-H2O. Библиогр. 4 назв. Ил. 4. Табл. 2.
Ключевые слова: сульфаты магния; кристаллогидратная вода; температура; относительная влажность воздуха; диаграмма фазового перехода; программный комплекс «Селектор».
PREDICTION OF MAGNESIUM SULFATE FORMATION IN THE CAREER OF SHERLOVOGORSK TIN-POLYMETALLIC DEPOSITS (TRANSBAIKAL REGION)
O. S. Sergutskaya
Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology SB RAS, 16a Nedorezov St., Chita, Transbaikal Region, 672014, Russia.
The paper introduces the X-ray diffraction analysis data of the samples of modern minerogenesis in the open pit of Sherlovogorsk deposit and gives a table comparing them with the diagram of phase equilibrium in the system of temperature - relative humidity. Using the software package "Selector" the model simulation of magnesium sulfate formation is carried out and is compared with the data of the diagram of phase equilibrium in the system of temperature - MgSO4-H2O mass fraction. 4 sources. 4 figures. 2 table.
Key words: magnesium sulfates; crystalhydrate water; temperature; relative humidity of the air; phase transition diagram; "Selector" software package.
Шерловогорское оловополиметал-лическое месторождение, расположенное в юго-восточной части Забайкалья, разрабатывалось открытым способом до 1993 г. В результате разработки месторождения Сопка Большая образовался карьер с искусственным озером на его дне. В период отсутствия осадков стенки карьера покрываются корочками, натёчностями и выпотами белого, желтого, голубого цветов.
Для идентификации этих минера-лообразований применялся рентгено-структурный анализ, проведенный в
Институте земной коры СО РАН на ди-фрактометре ДРОН-3 на медном Ка-излучении и в порошковой камере Де-бая РКД 57,3 мм на FeKа-излучении. Согласно данным анализа дифракто-грамм образцы представляют собой смеси сульфатов магния, цинка, меди, железа с различным числом молекул кристаллогидратной воды.
Среди сульфатов магния отмечены [1] ассоциации кизерита MgSO4•H2O, старкеита MgSO4•4H2O, пентагидрита MgSO4•5H2O, эпсомита MgSO4•7H2O, гексагидрита MgSO4•6H2O (рис. 1, 2).
1 Сергутская Ольга Сергеевна, младший научный сотрудник лаборатории геохимии и рудогенеза, тел.: 89644617969, e-mail: [email protected]
Sergutskaya Olga, Junior Researcher of the Laboratory of Geochemistry and Ore Genesis, tel.: 89644617969, e-mail: sergutskaya@mail. ru
Рис. 1. Дифрактограмма образца ШГ-05/155 А. Состав пробы: кизерит, старкеит, гипс, кварц, слабые следы гексагидрита, биберита, гидрослюды, каолинит
Новообразованные минералы эфемерны, образование их зависит от метеоусловий в районе месторождения. Основными факторами образования этих минералов, периодичности их появления и времени существования являются температура и влажность воздуха.
Klaus-Dieter Grevel и Juraj Majzlan рассматривают устойчивость гидрати-рованных сульфатов магния как функцию температуры и относительной влаж-
ности. При этом старкеит и пентагидрит они считают метастабильными. Среднесуточные значения температуры и относительной влажности воздуха в районе Шерловогорского месторождения близки к их значениям в восточной части США в штольне Ричмонд (Калифорния), где средняя температура летом составляет от 10° до 40°С при относительной влажности воздуха от 30 до 100%. В этих условиях среди сульфатов преобладают кизерит, старкеит, гекса-гидрит и эпсомит.
1,8731 ЙГ ?8635 1.7561 .7ЭЖ
06 1,7154
"Тщ"
"W
"W
20Cu
Рис. 2. Дифрактограмма образца ШГ-10/184-СМО-2. Состав пробы: старкеит, гексагидрит, бианкит, возможны примеси бойлеита, илезита
В данной работе представлены образцы 2005, 2007, 2009 и 2011 годов отбора. Все они представляют смеси сульфатов магния с различным числом молекул кристаллогидратной воды.
Для расчета минералов по диаграмме фазового равновесия выбиралось определенное количество дней, в каждом году различное. Главным условием было определение сухого периода, который отсчитывался с первого дня отсутствия осадков в районе месторождения; бралась среднесуточная температура и относительная влажность за каждый день. Эти данные накладывались на диаграмму (рис. 3). Полученные результаты представлены в табл. 1, близость результатов может быть приз-
наком схожести процессов образования и устойчивости в районе Шерловогор-ского месторождения.
Таким образом, появляется возможность использовать данную диаграмму применительно к Шерловогор-скому месторождению, для отслеживания интересующих сульфатов в условиях изменения температуры и относительной влажности воздуха с последующей идентификацией и изучением. В летний период образование таких минералов происходит достаточно быстро: в течение 24 часов после дождя стенки карьера покрываются белыми, голубыми, желтыми корочками, натёчностями и почкообразными минеральными образованиями.
50 60 70 80 90 100
и [%]
Рис. 3. Диаграмма фазового равновесия в системе температура-относительная
влажность воздуха [4]
Таблица 1
Состав образцов минеральных образований
Номер пробы Состав по РФА Состав проб по диаграмме (Grevel, Majzlan, 2009)
ШГ-05/155А Старкеит, кизерит Кизерит, гексагидрит, следы старкеита
ШГ-07/159 Гексагидрит, слабые следы старкеита Гексагидрит, старкеит, эпсомит
ШГ-09-СМ0-20 Старкеит, кизерит, слабые следы гексагидрита Эпсомит, следы гексагидрита
ШГ-10/184-СМ0-2 Старкеит, гексагидрит Эпсомит, возможно, гексагидрит
ШГ-11-СМО-11-1 Старкеит, гексагидрит Гексагидрит, эпсомит, старкеит
Однако возможность нахождения новообразованных сульфатов в зоне окисления в карьере Шерловогорского месторождения вызывает ряд трудностей, представленных частым изменением погодных условий и неустойчивым состоянием некоторых минералов. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды, переход от одного гидратированного сульфата магния к другому гидратированному сульфату происходит достаточно быстро. Решением этой проблемы может быть привлечение химической термодинамики, которая дает оценку фазового состава и вероятного направления преобразования.
Был проведен анализ фазовой диаграммы (рис. 4) системы MgSO4-H2O [3] и расчетов программного комплекса «Селектор» [2] и сравнение данных диаграммы с модельным расчетом (табл. 2).
Расчеты проводились при различной температуре и массовой доле сульфата магния, использовались следующие базы данных: Sprons98, Yokokawa, Hydrates.
Сравнение расчета программного комплекса и диаграммы показывает большую схожесть результатов при температуре 25-55°С. При массовой доле MgSC>4 выше 25% и температуре вы-
ше 20 °С особенно четко видна идентичность данных. Чистый кизерит появляется при достаточно высоких температурах, порядка 80°С и выше, в реальных же условиях в летний период он образуется при температурах до 40°С в ассоциации с гексагидритом, что подтверждается данными рентгенострук-турного анализа. Основные минералы, устойчивые в диапазоне температур 10-40°С, это кизерит, гексагидрит и эпсо-мит. Меридианит не был обнаружен в карьере Шерловогорского месторождения, это, возможно, связано с температурными условиями его образования и устойчивости (ниже +5°С), так как отбор образцов проводился в летний период. Старкеит и пентагидрит выступают в роли метастабильных, образуются редко и являются промежуточными минералами между гексагидритом и кизеритом, в природных условиях обнаружены в смеси с этими минералами.
Таким образом, для исследования процессов образования сульфатов в карьере Шерловогорского месторождения предложенная диаграмма в связи с комплексом «Селектор» позволяет получать результаты, хорошо согласующиеся между собой. Появляется возможность прогноза минералообразования, условий их формирования, устойчивости и
_MgS046H20 MgS04H20
MgS047H20 MgS046H20
10 20 30
Mass percent MgS04
Рис. 4. Диаграмма фазового равновесия в параметрах Т - массовая доля W%
Таблица 2
Сравнение результатов расчета с данными фазовой диаграммы
Массовая доля MgSO4, % Температура, °С Диаграмма Селектор
25 0 Меридианит Меридианит, эпсомит
10 Эпсомит Меридианит
25 Раствор Меридианит, гексагидрит, эпсомит
35 0 Меридианит Меридианит
10 Эпсомит Меридианит
25 Эпсомит Эпсомит
55 Гексагидрит Гексагидрит
40 0 Меридианит+эпсомит Меридианит
10 Эпсомит Меридианит
25 Эпсомит Эпсомит
55 Гексагидрит Гексагидрит
45 0 Меридианит+эпсомит Меридианит
10 Эпсомит Меридианит
25 Эпсомит Эпсомит
55 Гексагидрит Гексагидрит
50 0 Эпсомит+кизерит Меридианит
10 Эпсомит+кизерит Меридианит
25 Эпсомит+гексагидрит Эпсомит
55 Гексагидрит Гексагидрит
55 0 Эпсомит+кизерит Меридианит
10 Эпсомит+кизерит Меридианит
25 Гексагидрит+кизерит Эпсомит
55 Гексагидрит+кизерит Гексагидрит
приблизительное время отбора интересующих сульфатов.
Библиографический список
1. Сергутская О.С. Современные сульфаты магния, цинка и меди в карьере Шерловогорского месторождения (Забайкальского края) // Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: материалы Всероссийской конференции с участием иностранных ученых. Томск: Изд-во НТЛ, 2012. С. 275-278.
2. Чудненко К.В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория,
алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2010. 287c.
3. Chou, I-M., et al. The stability of sulfate and hydrated sulfate minerals near ambient conditions and their significance in environmental and planetary sciences. Journal of Asian Earth Sciences (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.jseaes.2012.11. 027.
4. Grevel, K.-D., Majzlan, J., 2009. Internally consistent thermodynamic data for magnesium sulfate hydrates // Geo-chimica et Cosmochimica Acta 73. P. 6805-6815.
Рецензент кандидат гео лого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета М.В. Яхно
