Введение. В последние годы изделия из базальтового сырья (минеральное волокно, каменное литье) получили широкое применение в промышленности, строительстве, энергетике и других сферах народного хозяйства. Постоянно совершенствуется технология производства базальтовых изделий. В то же время от потребностей производства отстают горнорудная база и геологическая служба по обеспечению предприятий базальтовым сырьем высокого качества. Основной причиной такого состояния является непризнание сырья для производства базальтового волокна полезным ископаемым. Как следствие этого отсутствуют кондиции и требования к сырью для производства различных базальтовых изделий. Использование для производства базальтового волокна строительного щебня изменчивого минерального и химического состава отрицательно сказывается как на технологии производства базальтового волокна, так и на его качестве.

Недостаточно разработаны технологические требования к качеству сырья. В производстве базальтового волокна в качестве основного показателя пригодности сырья используется только модуль кислотности (Мк=SiO2+Al2O3/CaO+MgO). Для производства минеральной ваты ГОСТ разрешает использовать сырье с Мк > 1,2. Для производства ваты высшего качества Мк должен превышать 1,6. Вместе с тем известно, что на производство волокна влияют химический и минеральный состав базитового сырья, в частности наличие тугоплавких минералов, степень метаморфизма и др. Сырье, применяемое для производства минерального волокна, должно быть легкоплавким, характеризоваться быстрым переходом в расплав без остатка первичной кристаллической фазы [1].

Цель исследования. Основной целью данной статьи является привлечение внимания к проблемам комплексного геологического изучения сырья, решение которых позволит стабильно получать базальтовую продукцию высокого качества. Одним из направлений изучения сырья является применение комплекса современных методов исследования, позволяющих объяснить связь качества продукции с составом минерального сырья.

Объект и методы исследования. Островодужные вулканиты кулуевской толщи Южного Урала (D1-2kv) в настоящее время разрабатываются ООО «Невадорстрой» для производства строительного щебня, а также используются в качестве сырья для производства базальтового волокна. Доминирующими в составе кулуевской толщи являются базальты толеитовой серии [9], которые связаны постепенными переходами с андезитами и меланократовыми разностями базальтов, что не гарантирует устойчивого химического и минерального состава сырья. В статье рассматриваются результаты исследования меланократового базальта кулуевской толщи на университетском оборудовании комплексом современных методов: оптической и электронной микроскопии, микрозондового, дифрактометрического и термического анализов. В лаборатории ФХМИ Института геологии и геохимии УрО РАН рентгеноспектральным флуоресцентным методом на спектрометре EDX был определен химический состав меланократового базальта.

Результаты исследований. Изучение меланократового базальта в шлифах показало, что он претерпел интенсивные метаморфические преобразования. В процессе метаморфизма в базальте появились сланцеватая и линзовидная текстуры. Последняя выражается в появлении мелких зон тектонического дробления и катаклаза, выполненных хлоритом, карбонатом и частично кварцем.

В базальте хорошо сохранились порфировая, реже гломеропорфировая структуры. Размер порфировых выделений клинопироксена и плагиоклаза 0,5-1,0 мм, реже до 2,5 мм, объем их составляет до 10-15%, поэтому базальты могут рассматриваться как мелко- и редкопорфировые. Порфировые кристаллы клинопироксена и плагиоклаза, обычно испытавшие дробление, замещаются по трещинам хлоритом, а в краевых частях окружены внутренней каймой мелкочешуйчатого хлорита черного и темно-серого цвета и внешней каймой актинолита белого и синевато-серого цвета (рис. 1).

Рис. 1. Базальт. Текстура массивная. Проба 1. Николи скрещенные. Увел. ×60; а - порфировые выделения клинопироксена с высоким рельефом и яркой интерференционной окраской, частично замещенные хлоритом (темно-серые, серые чешуйки с коричневым оттенком) и актинолитом белого цвета; б – гломеропорфировое выделение плагиоклаза с темной каймой хлорита и светло-серой каймой актинолита.

Основная масса базальтов раскристаллизована и преимущественно сложена метаморфическими минералами – актинолитом, хлоритом, эпидотом, альбитом, кварцем и локально карбонатами. Кроме того, в основной массе встречаются реликтовые зерна пироксена размером 0,05-0,17 мм, окруженные узкой каймой хлорита. Структура основной массы афанитовая гранонематолепидобластовая.

Минеральный состав меланократового базальта, помимо шлифов, изучен дифрактометрическим и микрозондовым методами. Фазовый минеральный состав меланократового базальта определен на дифрактометре D2 PHASER (аналитик С.А. Губин). Темноцветные минералы составляют 89,76% массы породы. Первичные авгит-клиноэнстатит (5,96%) и авгит-диопсид (3,00%) по объему резко уступают развивающимся по ним метаморфическим минералам – актинолиту (46,70%) и хлориту (34,10%). Первичные основные плагиоклазы полностью заместились альбит-олигоклазом (5,3%), эпидотом (1,78%) и кварцем (3,16%). Анализ электронно-микроскопических фотографий базальтов позволил отчетливо различать в их составе главные минеральные компоненты, выделять мелкие зоны тектонического дробления, заполненные мелкозернистыми скоплениями хлорит-кварцевого состава (рис. 2), а также микрозерна акцессорных минералов (сфен, хромшпинелиды, магнетит). Электронно-микроскопические исследования показали большие возможности для тонких исследований базальтового сырья и полученного из него волокна.

Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки базальта: а – фенокристалл клинопироксена (1), окруженный каймами хлорита (2) и актинолита (3); б – выделение агрегата кварца (1) и хлорита (2), 3 – актинолит, 4 – эпидот.

Микрозондовым методом в составе базальтов изучен химический состав минералов групп пироксенов, амфиболов, хлоритов и хромшпинелидов.

Авгит-клиноэнстатит характеризуется высокой магнезиальностью (MgO 25,11-26,97; FeO' 1,57-2,62 мас.%), близкой к высокотемпературным ортопироксенам ультраосновных пород (табл. 1). Это согласуется с общим химическим составом базальта (см. ниже). Другой особенностью авгит-клиноэнстатита является его обогащенность элементами, характерными для пироксенов базитовых пород (в мас.%: Al2O3 5,70-9,03; CaO 5,61-5,84; Na2O 0,29-1,35).

Таблица 1

Химический состав основных минералов базальтов, мас. %

Примечания: 1-3 – авгит-диопсид, 4-5 – авгит-клиноэнстатит, 6 – актинолит (среднее из 3 анализов),

7 – клинохлор (среднее из 3 анализов), 8 – хромшпинелид (среднее из 4 анализов).

В составе авгит-диопсида содержание авгитового минала ниже, чем в авгит-клиноэнстатите. Обогащенность пироксенов авгитовым миналом объясняется высокой меланократовостью базальта, вызванной повышенным содержанием в расплаве магния и железа (табл. 2) При низком содержании плагиоклазов в базальте значительная часть катионов алюминия оказалась свободной и изоморфно заместила кремний в кремнекислородных тетраэдрах клинопироксенов.

Магматические амфиболы в базальтах не установлены. Широко распространенный актинолит, образовавшийся в процессе зеленосланцевого метаморфизма, по химическому составу (табл. 1) близок к усредненному актинолиту [3]. Пониженное содержание оксидов железа и повышенное количество оксида магния в актинолите коррелируются с составом исходных клинопироксенов.

При значительном количестве хлоритов в меланократовом базальте их химический состав достаточно однороден в разных частях породы и соответствует клинохлору (табл. 1). Изученный клинохлор по химсоставу практически идентичен с клинохлором из габбронорита Карелии [6]. Клинохлор, по сравнению с актинолитом, содержит намного больше Al2O3, FeO¢, Cr2O3 и существенно меньше SiO2, CaO. Такое различие состава двух метаморфических минералов объясняет размещение кайм хлорита и актинолита вокруг порфировых выделений плагиоклаза и диопсида (рис. 1). Менее подвижный алюминий из магматических минералов входил в состав хлорита, а более подвижный кальций перемещался дальше в краевые части порфировых зерен, где реагировал с минералами основной массы с образованием актинолитовой каймы.

Химический состав меланократового базальта, определенный рентгеноспектральным флуоресцентным методом в лаборатории ФХМИ Института геологии и геохимии УрО РАН на спектрометре EDX-900HS (табл. 2), отражает его меланократовый состав. Это выражается в высоком содержании FeO¢, MnO, MgO и пониженном количестве SiO2, Al2O3, CaO, Na2O, K2O.

Сопоставление по химическому составу базальтов кулуевской свиты с базальтами известково-щелочной серии современных островных дуг [9] показало их большое сходство (табл. 2). Нормальные базальты кулуевской свиты по химическому составу и модулю кислотности (Мк 3,15-3,70) вполне отвечают требованиям для получения качественного базальтового волокна [4]. Меланократовые базальты, напротив, резко отличаются по химсоставу и модулю кислотности (Мк 1,98) от базальтов как кулуевской свиты, так и островных дуг Тагило-Магнитогорской мегазоны Урала [7; 8], поэтому малопригодны для производства базальтового волокна [4]. Ниже будет показана низкая пригодность меланократового базальта по результатам термических исследований. Считается, что чем выше модуль кислотности, тем более устойчиво минеральное волокно к воздействию воды и влаги и, следовательно, более долговечно. Породы с низким модулем кислотности характеризуются низкой вязкостью. Расплав, полученный из такого сырья, будет характеризоваться узким интервалом стеклообразования.

Таблица 2

Химический состав базальтов кулуевской свиты, мас. %

Примечания: 1-2 – базальты кулуевской свиты: 1 – меланократовый базальт, 1 анализ; 2 – базальты, 36 анализов по материалам геологосъемочных и поисковых работ (В.Ф. Турбанов и др., 1978; Хайбрахманов и др., 2007); 3 – базальты известково-щелочной серии современных островных дуг, 6 анализов [9].

* FeO' = FeO + 0,9 Fe2O3. Мк – модуль кислотности.

Проведенные на синхронном термоанализаторе СТА 409 Luxx исследования показали тесную зависимость термического поведения сырья от содержания вторичных минералов. Анализ термических кривых выполнен с учетом справочных данных по термическим свойствам минералов и горных пород [5]. Полученная термограмма отличается наличием большого количества эндо- и экзоэффектов. Общая потеря массы в процессе нагревания до температуры 1500 °С незначительна – 4% (рис. 3). Ниже приводится характеристика эндо- и экзоэффектов на термограмме.

Рис. 3. Кривые нагревания (слева) и охлаждения (справа) образца меланократового базальта.

Резко проявленный эндотермический эффект с пиком 125 °С на кривой нагревания вызван удалением адсорбционной гигроскопической воды, содержащейся, вероятно, в хлоритах. Обычно при анализе габбро-базальтового сырья данный пик на диаграммах отсутствует или проявлен слабо. Эндотермический эффект (Т 607,1 °С) с потерей массы увязывается с дегидратацией «бруситового» слоя хлорита. Слабый экзотермический пик при Т 856,0 °С и небольшая потеря массы при Т 800-868 °С обусловлены дегидратацией «талькового» слоя хлорита и его перекристаллизацией в актинолит. Слабый эндотермический пик при Т 1020,4 °С и небольшая потеря массы при Т 974-1043 °С вызваны разрушением кристаллической решетки актинолита и частичным образованием роговой обманки. Крупный эндоэффект с пиком 1109,3 °С отражает начало плавления, сопровождаемого частичной перитектической перекристаллизацией роговой обманки в диопсид. Крупный эндоэффект с пиком 1247,4 °С характеризует основную стадию плавления с частичной перитектической перекристаллизацией диопсида в клиноэнстатит. Мелкие эндотермические осложнения кривой нагревания при Т 1287 и 1339 °С предположительно связаны с плавлением основного плагиоклаза и авгит-клиноэнстатита. Последующее повышение температуры свыше 1430 °С приводит к полному расплавлению породы.

Анализ кривой охлаждения указывает на экзоэффект, вызванный кристаллизацией клинопироксена с пиком 1139,4 °С. Обычно на кривых охлаждения такой пик отсутствует. Появление непроплавленных включений снижает качество базальтового волокна.

Термические исследования показали, что в изученном меланократовом базальте при нагревании до полного расплавления породы (1430 °С) в атмосферных условиях оливин не обнаружен. Согласно экспериментальным данным [2], оливин начинает кристаллизоваться из базальтового расплава в условиях давления 9 кбар при температуре 1360-1300 °С. В интервале температур 1280-1260 °С вместе с оливином кристаллизуются орто- и клинопироксены. Кристаллизацию расплава при давлении 13,5 кбар отличает отсутствие оливина во всех изученных составах. При температуре 1400 °С первым кристаллизовался ортопироксен, при температуре 1360 °С к ортопироксену добавился клинопироксен. Оба пироксена кристаллизовались совместно при понижении температуры до 1290 °С.

По отсутствию в изученном меланократовом базальте оливина и достаточно близких с экспериментальными данными температурах кристаллизации пироксенов можно сделать заключение о формировании островодужных базальтоидов Южного Урала в условиях повышенного давления.

Выводы. Проведенные комплексные прецизионные исследования меланократового базальта позволили оценить особенности его минерального и химического состава, интенсивность метаморфического преобразования, установить многочисленные эндо- и экзоэффекты при нагревании, плавлении и охлаждении. Сопоставление меланократового базальта с сосуществующими нормальными базальтами кулуевской свиты и с базальтами островодужных комплексов других регионов показало их существенное отличие по химическому и минеральному составу и технологическим свойствам.

По совокупности оценочных параметров, полученных в процессе прецизионных исследований, можно сделать заключение о низкой пригодности меланократовых базальтов для использования в качестве сырья для производства базальтового волокна. С одной стороны, это объясняется меланократовым составом базальта, а с другой - интенсивным метаморфизмом базальта в условиях зеленосланцевой фации. Тугоплавкой примесью, снижающей качество продукции, являются хромшпинелиды.

По химическому и минеральному составу для производства качественного базальтового волокна более подходят и могут быть рекомендованы базальты, особенно их неметаморфизованные или слабо метаморфизованные разности, в которых соотношение темных и светлых минералов отвечает эвтектике. При нагревании такого сырья плавление наступает при наиболее низкой температуре и минимальных энергозатратах.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования Пермского края (научный проект МИГ «Оценка минерально-сырьевой базы Пермского края для обеспечения производства высокотехнологичного базальтового волокна»).

Рецензенты:

Наумов Владимир Александрович, доктор геолого-минералогических наук, директор Естественно-научного института ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь.

Ибламинов Рустем Гильбрахманович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой минералогии и петрографии ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» г. Пермь.