Для производства прозрачного плавленого кварцевого стекла применяют следующие разновидности кварцевого сырья: кристаллы и обломки кристаллов горного хрусталя (отходы при обогащении пьезооптического кварца); прозрачный перекристаллизованный жильный кварц и метаморфизованный гранулированный кварц. Основным качеством, которым должно обладать сырье для получения подобного стекла, является его исключительная химическая чистота: содержание Si02 больше 99,9%.
Гранулированный (зернистый) кварц, слагающий крупные жильные тела, представляет собой агрегат прозрачных кварцевых зерен, окруженных тонкими молочно-белыми кварцевыми каемками. Обогащенная крупка гранулированного кварца (со снятыми каемками) по химической чистоте является уникальным природным сырьем для плавки специальных светотехнических кварцевых стекол.
Пьезооптический кварц применяют главным образом в радиотехнике, ультразвуковой технике. Так, в радиотехнике пьезокварцевые пластинки служат основной деталью стабилизаторов (резонаторов) и частотных фильтров, при помощи которых разделяют радиоволны и токи разных частот и длин. В ультразвуковой технике пьезоэлементы применяются для изготовления различных приборов: эхолотов (измерение глубин моря, обнаружение айсбергов, подводных лодок, косяков рыб, затонувших кораблей) и пьезодатчиков (измерения давления пороховых газов; обнаружение пороков в металлах).
В соответствии с требованиями промышленности на пьезооптический кварц для пьезоизделий пригодны кристаллы, гальки, куски и обломки кварца, имеющие бездефектную область -- моноблок, в котором отсутствуют включения других минералов, пород, газа и жидкости, трещины, дофинейские и бразильские двойники.
В оптике из кварца делают линзы, концентрирующие ультрафиолетовые лучи, устройства, определяющие направление вращения плоскости поляризации, призмы для спектрографов, клинья компенсаторов (измерение разности хода лучей).
Технические условия на оптический кварц следующие: 1) к оптическому кварцу относятся кристаллы бесцветного горного хрусталя, прозрачные для лучей ультрафиолетовой области; 2) оптический кварц должен обладать однородностью по показателю преломления, отсутствием дефектов (бразильские двойники, свили, интенсивная окраска, трещины и различного рода включения).
Высококачественное природное кварцевое сырье используется для получения прозрачного плавленого кварцевого стекла, обладающего сочетанием таких ценнейших свойств, как высокая светопрозрачность в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, идеальная радиопрозрачность, нечувствительность к термоудару, непроницаемость для газов, химическая инертность по отношению к агрессивным средам, отличные диэлектрические и антирадиационные свойства, большие запасы прочности и теплостойкости.
Среди требований промышленности к качеству кварца для плавки наиболее жесткими являются технические условия для производства прозрачного кварцевого стекла. Вредными в данном случае являются все виды примесей: твердые минеральные, заключенные в газово-жидких включениях, структурные и др.
Основными потребителями продукции из кварцевого стекла являются следующие отрасли промышленности: электротехническая, электронная, химическая, металлургическая, машиностроительная, оптико-механическая, радиотехническая, авиационная, приборостроение и др.
Генетические типы промышленных месторождений пьезооптического кварца.
1. пегматитовый: зональные камерные пегматиты в апикальных частях субщелочных гранитоидов (Волынское месторождение с топазом и бериллом; Кентское с флюоритом, Горихо в Монголии с флюоритом);
2. гидротермальные месторождения представлены: хрусталеносными кварцевыми жилами (Урал, Казахстан, Якутия, Монголия, Бразилия); хрусталеносными минерализованными трещинами во вмещающих породах;
3. гидротермально-метаморфогенный тип гранулированного кварца для плавки (Кыштымское, Маукское на Урале);
4. россыпные месторождения (Светлинское - Россия, Волынское - Украина);
5. гидротермально-метаморфогенный тип гранулированного кварца для плавки (Кыштымское, Маукское на Урале);
6. россыпные месторождения (Светлинское - Россия, Волынское - Украина);
7. гидротермально-метаморфогенный тип гранулированного кварца для плавки (Кыштымское, Маукское на Урале);
8. россыпные месторождения (Светлинское - Россия, Волынское - Украина);
Хрусталеносные пегматиты пространственно и генетически связаны с интрузиями субщелочных гранитов, располагаясь в их апикальных частях в зоне эндоконтакта с вмещающими породами.
Рис.4. Схематический разрез камерного пегматита.
1- гранит; 2 - аплитовая оторочка; 3 - графическая зона пегматита;
4 - пегматоидная зона; 5 - микроклиновая зона; 6 - кварцевое ядро;
7- полость с кристаллами мориона.
Пегматитовые месторождения. Пегматитовые тела представляют собой субизометричные или жилоподобные образования приуроченные к апикальным частям интрузивных массивов субщелочных гранитов. Расположены они в основном в зоне эндоконтакта гранитов с вмещающими породами. Размеры их колеблются в пределах от нескольких десятков сантиметров до 100 и более метров в поперечнике. Хрусталеносные (камерные) пегматиты имеют обычно зональное строение. В полнодифференцированных пегматитах от периферии к центру выделяются следующие зоны (Рис.4): 1)вмещмющий гранит; 2) мелкозернистый гранит (аплит); 3) графический пегматит (писменный гранит); 3) пегматоидная (блоковая) кварц-полевошпатовая зона; 4) полевошпатовая зона; 5) кварцевое ядро. Хрусталеносные полости (погреба), содержащие крупные кристаллы кварца и сопутствующих ему флюорита , топаза ,иногда берилла располагаются в пределах полевошпатовой зоны обычно непосредственно под кварцевым ядром. Объём хрусталеносных полостей составляет от 1 до 100 и более кубических метров. Пьезокварц в пегматитах представлен морионом или зональнымикристаллами, сложенными в центральной части светлым «сотовым» кварцем, переполненным газово-жидкими включениями. Масса отдельных кристаллов составляет несколько десятков тонн, а кондиционных - сотни килограмм..
Пегматитовые месторождения известны в Украине (Волынское месторождение), Казахстане (Кент и Акжейляу), Монголии (Горихо), Бразилии (шт. Минас-Жерайс), КНР и других странах.
Гидротермальные месторождения. Этот генетический тип включает в себя основные месторождения пьезооптического кварца, которые образуются в результате циркуляции гидротермальных растворов по системам тектонических трещин, а также по зонам интенсивного дробления и рассланцевания горных пород.
Гидротермальные месторождения пьезооптического кварца во многом отличаются от рудных жильных месторождений.' Важная особенность их становления заключается в тесном взаимодействии гидротермальных растворов с боковыми породами, из которых извлекаются кремнезем и ряд других компонентов, слагающих хрустальные гнезда и минерализованные трещины. Поэтому большинство хрусталеносных гнезд и минерализованных трещин тяготеет к кварцевым жилам и горным породам, богатым кремнеземом.
Почти все промышленные месторождения пьезооптического кварца практически безрудны и пространственно разобщены с рудоносными жилами.
Хрусталеносные кварцевые жилы обычно пространственно связаны с массивами гранитоидов и располагаются в зоне их эндо- и экзоконтакта с вмещающими породами. Как правило, хрусталеносные кварцевые жилы группируются в отдельные жильные поля и жильные зоны, положение которых контролируется разрывными тектоническими нарушениями различного порядка.
Форма хрусталеносных кварцевых жил весьма разнообразна и зависит преимущественно от типа и происхождения вмещающих жилы трещин. Наряду с кварцевыми жилами простой плитчатой или линзовидной формы нередко встречаются сложные ветвящиеся и пересекающиеся кварцевые жилы и прожилки, слагающие в совокупности жильные зоны
Размеры хрусталеносных жил могут быть весьма значительными. Так, известны жилы, имеющие длину по простиранию до 500 м при мощности от 15 до 30 м. Хрусталеносные жильные зоны, состоящие из системы сближенных кварцевых жил могут иметь протяженность до 1000 м и ширину до 100м. Они сложены молочно-белым кварцем, в котором выделяются участки полупрозрачного и прозрачного кварца с полостями кристаллов горного хрусталя. Большинство промышленно хрусталеносных кварцевых жил имеет небольшие размеры. Гнёзда и полости горного хрусталя располагаются как внутри жил, так и на их выклиниваниях, их объём колеблется от 0,5 до 50 м3 Полости обычно заполнены каолином, серицитом, кальцитом и др. Кристаллы горного хрусталя и дымчатого кварца имеют самые различные размеры: масса наиболее крупных достигает даже сотен килограммов.
Хрусталеносные минерализованные трещины представляют собой своеобразную разновидность хрустальных гнезд, залегающих обособленно от кварцевых жил, непосредственно во вмещающих породах, но территориально они обычно тяготеют к хрусталеносным жильным зонам...
Минерализованные трещины содержат хорошо сформированные кристаллы и друзы горного хрусталя, дымчатого кварца, мориона, цитрина и аметиста. Характерной особенностью минерализованных трещин является формирование отдельных кристаллов и друз горного хрусталя непосредственно на стенках открытой трещины.
Месторождения гидротермального пьезооптического кварца развиты на Приполярном и Южном Урале, Алдане, Памире, Тянь-Шане, в Казахстане. Классическим примером месторождений этого типа являются месторождения Бразилии, которая является главным мировым поставщиком кристаллокварцевого сырья.
Гранулированный кварц.
Гидротермально-метаморфические жилы гранулированного кварца имеют простую линзовидную или более сложные формы; их длина по простиранию колеблется от первых десятков до первых сотен метров, по падению -- до 40 м, мощность колеблется от 1 до 5 м (иногда до 15 м). Чаще они вытянуты в линейные зоны или образуют штокверки в метаморфических породах. Гранулированный кварц характеризуется повышенной химической чистотой и высоким светопропусканием. Он образовался при метаморфизации первичного жильного кварца, сопровождавшейся очисткой от минеральных и газово-жидких включений. стекла. Примерами месторождений этого типа являются Кыштымские, Ларинское, Вязовское, на Урале, а также ряд объектов Казахстана и других регионов.
Россыпные месторождения.
Россыпные месторождения пьезооптического кварца обычно пространственно связаны со своими коренными источниками: хрусталеносными телами пегматитов и гидротермальными жилами. Генетически это элювиально-делювиальные и аллювиальные образования. Их размер в поперечнике может достигать 1,5 км и более при небольшой мощности (0,5--1,5 м). Обломки кристаллов кварца слабо окатанные, как правило, обладают высоким качеством. Промышленные хрусталеносные россыпи широко развиты на восточном склоне Ю.Урала, Украине; примером зарубежных месторождений этого типа являются россыпи, сопутствующие хрусталеносным гидротермальным жилам Бразилии.
Со средины 20 века во многих странах, в том числе в России, налажено производство пьезооптического кварца путём гидротермального синтеза, что позволяет в основном удовлетворить потребность промышленности в нём.
Исландский шпат (СаСО3)
Основные свойства: бесцветный или окрашен в различные цвета, прозрачный, высокое двупреломление, пропускает ультрафиолетовые лучи, люминесцирует при воздействии катодного, ультрафиолетового и рентгеновского облучения, хрупок, растворим в воде и кислотах, твердость 3.
Благодаря ярко выраженной способности к двойному лучепреломлению и высокой прозрачности для ультрафиолетовых и обычных световых лучей исландский шпат широко применяют в оптико-механической промышленности. Из него изготавливают поляризационные, двупреломляющие и полутеневые призмы, лучеразводящие цилиндры и пластины, бифокальные линзы, детали полярископов, поляриметров, фотометров, интерферометров, поляризационных микроскопов. Всего подобных приборов насчитывают более 200.
Кроме традиционных областей применения, оптический кальцит опробуют в новых областях науки и техники: в квантовой электронике, оптотронике и астрофизике. Устройства с использованием исландского шпата являются неотъемлемой частью лазеров, оптико-электронных вычислительных машин и других систем, имеющих существенное значение для современной техники и исследования космоса.
Промышленные типы месторождений исландского шпата.
Месторождения исландского шпата находятся на древних платформах и связаны с породами трапповых формаций и представляют тип низкотемпературных гидротермальных шпатоносных тел в траппах. Шпатоносные тела локализуются в пустотах миндалекаменных базальтов, а также в горизонтах шаровых лав. Это главный геолого-промышленный тип месторождений, представленный залежами протяжённостью до 1 км при мощности в первые метры. Исландский шпат высокого и среднего качества.
Все 32 месторождения исландского шпата России расположены в пределах Сибирской кальцитоносной трапповой провинции. Три разрабатываемых месторождения (Столбовое, Крутое и Бабкинское), содержат 70% запасов оптического кальцита. Месторождения такого типа известны в Исландии, в ЮАР.
Менее значимыми являются месторождения представленные жилами и зонами дробления в карбонатных породах (Северный Кавказ, Тува, Памир, Казахстан).
В связи с дефицитом природного сырья в настоящее время осуществляется гидротермальный синтез кристаллов исландского шпата. В качестве шихты используются обломки природных кристаллов.
Литература:[3] с.375-392; [2] с.92-105, 127-133; [1] c.196-204; [25].
Лекция 5 (2часа). Флюорит. Барит и витерит