Базальты Сирии для каменного (базальтового) волокна

Н.Е. Аблесимов*, Е.Е. Наумова**, В.Г. Семенов**,Ю.Г. Малова***

*Член-корреспондент РАЕ, Ablesimov1@yandex.ru

**Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета,

***Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск

Приведены результаты фазово-элементных исследований базальтов района г. Шахба, провинции Аль-Сувейда,СирийскойАрабской Республики

на предмет пригодности для производства непрерывного базальтового (каменного) волокна (НБВ). Применялись атомно-эмиссионный и

рентгенофазовый анализы, и мессбауэровская спектроскопия. Полученные данные позволили провести минералого-технологическое картирование

месторождения и дать рекомендации по использованию предложенных базальтов для получения базальтовых волокон в качестве основы

теплоизоляционных материалов и НБВ.

Базальты Сирии с древних времен использовались в качестве строительных материалов. Амфитеатр,римский форум, бани Филипополиса (ныне

Шахба),базальтовый лев у храмаАйн-Дара и сам храм построены из базальтов.Насколько древнее сырье Сирии применимо для НБВ в качестве основы

композитов?

Шахба – район в составе провинцииАль-Сувейдана юге Сирии. Административным центром является город Шахба. Район находится у северо-

западного подножья хребта Джебель-эль-Араб, в 19 км к северу от районного центра г. Сувейда и в 88 км к югу от г. Дамаск. Район сравнительно

хорошо обеспечен дорожной сетью, связывающей его с поселками, районными центрами и Дамаском.Большая часть района покрыта эффузивными

породами базальтового состава, образовавшимися в результате извержений вулканов, начиная с миоцена. Последние извержения имели место в

исторический период. Помимо вулканических покровов здесь встречаются многочисленные вулканические постройки центрального и линейного

типов. Общее количество вулканов около 400. Они сложены шлаками, шлаколавами и пирокластическими материалами. Возраст наиболее молодых

лавовых потоков у некоторых вулканов 4 тыс. лет.Здесь была область активного вулканизма, в пределах которой накапливалась мощная толща

эффузивов, причем преобладал трещинный характер излияний северо-западного простирания[1].

Пять образцовпо 1 кг каждый были предоставлены совместным сирийско-российским предприятиям. Отобраны на месторождении Таль Аль-

Немри, к востоку от г. Шахба, к северу от дороги Шахба – Немри, с глубины около 50 см. Опыт изучения горных пород для производства каменного

волокна показал, что базальты могут быть различны по фазово-элементному составу даже в рамках одного протяженного месторождения [2]. Это

характерно, прежде всего, для платобазальтов в связи с изменениями в результате выветривания и гидротермальных процессов. В связи с этим

требуется установить степень однородности состава месторождения, для чего и отбираются серии по пять образцов с одного месторождения

(карьера).

Предоставленные образцы были промаркированы Исполнителем работы. Образцы были разделены на две части каждый. Половина измельчена

для исследований. Другая половина оставлена для фотографирования и визуальной привязки при последующем отборе технологической пробы.

На рис. 1 показан образец АблС1монолитный, плотный серого цвета. Фото в

естественном свете.

На рис. 2 показан образец АблС4пористый серо-коричневый с миндалекаменной

текстурой.

На рис. 3 показан образец АблС5 коричневатый с миндалекаменной текстурой.

Образцы АблС2и АблС3 по виду аналогичны.

Методы исследованийи пробоподготовка.

Анализ химического состава горных пород на основные породообразующие элементы выполнялся в Центральной лаборатории

Всероссийского научно-исследовательского геологического института (Санкт-Петербург)наатомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно

связанной плазмой «Optima-8300», разложение проводилось путем сплавления с метаборатом лития. Образцы отбирались в количестве по 0,5 кг,

истирались, перемешивались и методом квартования отбираласьпорошковая проба весом 100 г для исследования на спектрометре.Результаты – в

таблице 1.

Общий рентгенофазовый анализ (РФА) кристаллических фаз образцов выполнялся в центре «Рентгенодифракционные методы

исследования» научного парка Санкт-Петербургского госуниверситета.Порошковые обзорные дифрактограммыбыли получены на

дифрактометреBruker «D2 Phaser»,анод CоK.Результаты – в таблице 3.

Исследование железосодержащих фаз методом мессбауэровской спектроскопии (МС) [2-4]выполнялось на кафедре аналитической химии

Института химии Санкт-Петербургского госуниверситета. Образцы для РФА и МС отбирались в количестве 1 г и истирались в агатовой ступке.

Изомерный сдвиг дан относительно железа-армко. Спектры снимались при комнатной температуре. Результаты приведены на рис. 4 и табл. 4-6.

Результаты исследований.

Таблица 1

Содержание породообразующих элементов

N

лаб.

Шифр заказчика,

модуль кисл.Мк

SiO2

%

Al2O3

%

TiO2

%

Fe2O

3 %,

общ.

Fe(3+)/Feобщмессб

., %

MnO

%

MgO

%

CaO

%

Na2O

%

K2O

%

P2O5

%

ппп

ppm

Сумм

а %

1 АблС1, 3,55

46.9 14.7 2.55 12.5

15

.17 9.22 8.14 3.76 1.31 .62 <0.1 99.9

2 АблС2, 3,75

46.3 14.3 2.53 15.3

94

.16 8.23 7.92 2.83 1.26 .62 .39 99.9

3 АблС3, 3,74

45.4 14.7 2.66 15.2

93

.17 7.53 8.52 3.01 1.25 .63 .79 99.8

4 АблС4, 5,23

47.5 13.8 3.97 16.1

41

.19 3.66 8.05 3.77 1.80 .92 <0.1 99.9

5 АблС5, 4,17

46.0 14.6 2.65 15.8

81

.17 5.96 8.57 3.00 1.19 .65 1.19 99.7

Нижние пределы 0.02 0.05 0.01 0.01 +/- 5% 0.01 0.1 0.01 0.1 0.01 0.05 0.1

В таблице 2 приведены данные образцовых базальтов применяющихся для производства каменной ваты и непрерывного волокна.

Базальт SiO2

%

Al2O3

%

TiO2

%

Fe2O3

общ.

%

FeO

%

Fe(3+)

Feобщ.

химия,

%

MnO

%

MgO

%

CaO

%

Na2O

%

K2O

%

P2O5

%

ппп

%

Сумма,

%

Модуль

кисл.Мк

Образцовые базальты

Свиягино,

Приморье

Для ваты 41.65 12.46 2.42

12.13

6.53

46

0.08

14.06

9.68

4.13

1.57

1.13

1.06

99.4

2.3

Бересто-

вецкое,

Украина

Для НБВ 49.0 14.0 2.3

13.5

8.4

38

0.25

5.5

10.0

2.5

0.45

0.4

2.0

-

4

Модуль кислотности образцовАблС4 = 5,23 и АблС5 = 4,17показывает их пригодность для производства непрерывного базальтового волокна

(НБВ). Fe (3+) много, что хорошо, так как Fe(2+) разрушает сетку стекла.Потери при прокаливании минимальны, чтохорошо, так как исключает

внезапное вспенивание при загрузке шихты.Остальные породы пригодны для производства каменной ваты для теплоизоляции при использовании

подшихтовки доломитом в количестве 10-15%.

Таблица 3

Основные кристаллические фазы по данным РФА

Фазы

Шифр

пробы

Стекло

Авгит Нефелин

Ортоклаз

(микроклин) Альбит Сидерит

Оливин -

кварц

Гематит

(титаномагнетит)

АблС1 + + + + + + + ─ ─

АблС2 + + + (+) + Доломит мало ─ + псевдобрукит

АблС3 + + + + ─ Доломит мало ─ + псевдобрукит

АблС4 + + + Плагиоклаз ─ Кальцит мало ─ (+) ильменит

АблС5 + + + Плагиоклаз ─ Кальцит мало ─ + псевдобрукит

Образцовые базальты

Свиягино,

Приморье

Для ваты

─

+ ─ +

+

─

+

─

(+)

Берестовецкое,

Украина

Для НБВ

+

Пироксен

Палагонит –

продукт

взаимодействия

базальтового

расплава с

водой Плагиоклаз

─ ─ (+)

Оксиды железа (гематит – -Fe2O3, титаномагнетит – Fe(Fe1,24Ti0,61)O4) (по данным мессбауэровской спектроскопии). Нет в образце АблС1 и

много в остальных образцах, что не очень хорошо. Гематит при нагревании до 1370-1400° переходит в магнетит с Тпл =1591оС.

Псевдобрукит – Fe(3+)2Ti)O5.Встречается в миндалинах базальтов.

Ильменит – FeTiO3. Тпл= 1365°С.

Альфа-кварц – -SiO2 – нет в образцах, что хорошо, так как его Тпл= 1713-1728°C.

Магнезиальный оливин Mg1,808Fe0,192(SiO4) – в образце АблС1 много, что плохо, так как его Тпл= 1700оС. В остальных образцах мало (по

данным мессбауэровской спектроскопии).

Нефелин – Na7,11(Al7,2Si8,8O32) – мало.

Авгит – пироксен (CaMg0,74Fe0,25)Si2O6 – много.

Альбит – плагиоклаз Na0,499Ca0,491(Al1,488Si2,506.Тпл=1120°С.

Ортоклаз (микроклин) – плагиоклаз K(AlSi3O8).Тпл= 1170°С.

Сидерит – FeCO3. Следы. Тпл = 900°С. Доломит – CaMg(CO3)2. Разлагается при 800°С.

Кальцит – CaCO3.

Основные фазы базальтов (плагиоклазы и пироксены).Наличие гало в области малых углов (5-15 градусов) говорит о присутствии

стеклофазы.Образцы АблС2, АблС3 и АблС5 сильно измененные, содержат карбонатные минералы (сидерит, доломит, кальцит) и гематит.

Железосодержащие фазы по данным МС

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

0,96

0,98

1,00

0,95

0,98

1,00

0,96

0,98

1,00

-10 -5 0 5 10

0,98

1,00

Инт

енси

внос

ть [о

тн. е

д.]

Скорость, мм/с

АблС1

АблС2

АблС3

АблС4

АблС5

Рис. 4. Мессбауэровские спектры образцов – отображают железосодержащие фазы в трех видах лав:

АблС1 – неизмененный оливиновый базальт, ферромагнетиков (рудных минералов) нет, Fe(3+)/Fe(общ.) = 15%;

АблС2 – сильно измененный базальт, оливина нет, практически все железо в степени окисления Fe(3+), Fe(3+)/Fe(общ.) = 30пирокс.% + 30гематит%

+ 4окт.магнетит% + 30тетр.магнетит% = 94%;

АблС3 – сильно измененный базальт, оливина мало, Fe(3+)/Fe(общ.) = 26пирокс.% + 26гематит% + 14маггемит% + 4окт.магнетит% +

23тетр.магнетит% = 93%

АблС4 – базальт с титаномагнетитом (15-20 %, взвешивание), есть немного оливина, Fe(3+)/Fe(общ.) = 10пирокс.% + 6,5гематит% +

16тетр.магнетит% + 8,5окт.магнетит% = 41%;

АблС5 – сильно измененный базальт, оливина мало, Fe(3+)/Fe(общ.) = 20пирокс.% + 42гематит% + 16тетр.магнетит% + 3окт.магнетит% = 81%.

Мессбауэровские параметры образца АблС1 Таблица 4

Doublets

# A (imp.) Г(mm/s) IS(mm/s) QS(mm/s) %

1 -69588 +/- 946 0.323+/-0.008 1.150+/-0.002 2.907+/-0.004 44.62 Fe(2+) в оливине

2 -13278 +/- 1759 0.573+/-0.077 0.193+/-0.032 0.365+/-0.040 15.12 Fe(3+) в пироксене

3 -17729 +/- 2725 0.481+/-0.098 1.135+/-0.012 1.963+/-0.028 16.93 Fe(2+) в пироксене

4 -11642 +/- 1883 1.009+/-0.157 1.198+/-0.052 0.901+/-0.156 23.33 Fe(2+) в пироксене

Малоизмененный оливиновый базальт. Оливина много, что резко отличает эту породу от остальных и предполагает плавление только в

индукционных электропечах, обеспечивающих нагрев расплава до 1800оС.

Мессбауэровские параметры образца АблС4Таблица 5

Doublets

# A (imp.) Г(mm/s) IS(mm/s) QS(mm/s) %

1 -21888 +/- 924 0.355+/-0.022 1.148+/-0.007 2.813+/-0.016 16.61 Fe(2+) в оливине

2 -24951 +/- 1120 0.428+/-0.029 1.182+/-0.009 1.988+/-0.018 22.81 Fe(2+) в

проксене

3 -14260 +/- 795 0.361+/-0.024 1.097+/-0.010 0.679+/-0.022 10.99 Fe(2+) в

проксене

4 -11355 +/- 1405 0.413+/-0.062 0.314+/-0.016 0.556+/-0.031 10.02 Fe(3+) в

пироксене

Sextets

# A1(imp.) A2(imp.) A3(imp.) Г1(mm/s) Г2(mm/s) Г3(mm/s) IS(mm/s) QS(mm/s) Heff(T) %

1 -4290+/-643 -3588+/-783 -2353+/-1527 0.282+/-

0.048

0.326+/-

0.073

0.288+/-

0.121

0.403+/-

0.015

0.217+/-

0.030

51.874+/-

0.121

6.53 Fe(3+) в

гематите

2 -6988+/-484 -5293+/-873 -3017+/-1329 0.557+/-

0.083

0.478+/-

0.092

0.359+/-

0.220

0.274+/-

0.022

0.075+/-

0.039

49.093+/-

0.204

16.03 Fe(3+) в тетр.

магнетит

3 -6208+/-499 -5622+/-441 -3949+/-1304 0.491+/-

0.072

0.572+/-

0.060

0.431+/-

0.129

0.740+/-

0.027

0.025+/-

0.037

46.329+/-

0.221

17.01 Fe(3+ и Fe2+)

в окт. магнетит

Базальт с титаномагнетитом (15-20 %, отмагничивание и взвешивание). Следы оливина.

Мессбауэровские параметры образца АблС5 Таблица 6

Doublets

# A (imp.) Г(mm/s) IS(mm/s) QS(mm/s) %

1 -13331 +/- 3459 0.380+/-0.045 0.276+/-0.023 0.729+/-0.011 8.32 Fe(3+) в

пироксене

2 -24168 +/- 3314 0.444+/-0.021 0.467+/-0.017 0.709+/-0.006

17.62 Fe(3+) в

пироксене или

псевдобруките

3 -3680 +/- 353 0.564+/-0.075 1.106+/-0.025 2.902+/-0.049 3.41 Fe(2+) в оливине

Sextets

# A1(imp.) A2(imp.) A3(imp.) Г1(mm/s) Г2(mm/s) Г3(mm/s) IS(mm/s) QS(mm/s) Heff(T) %

1 -26138+/-

1906 -18707+/-890 -6424+/-9043

0.321+/-

0.012

0.306+/-

0.015

0.234+/-

0.006

0.368+/-

0.002

0.183+/-

0.005

51.441+/-

0.038 25.66 Fe(3+) в гематите

2 -12946+/-

1881 -7876+/-890

-9747+/-

13758

0.266+/-

0.047

0.289+/-

0.029

0.284+/-

0.054

0.418+/-

0.003

0.284+/-

0.007

50.456+/-

0.066

13.94 Fe(3+) в

маггемите?

3 -12842+/-

1035 -11133+/-721 -9914+/-5372

0.456+/-

0.038

0.423+/-

0.022

0.334+/-

0.021

0.341+/-

0.004

0.113+/-

0.008

48.934+/-

0.086

22.78 Fe(3+) в тетр.

магнетит

4 -2824+/-320 -2385+/-235 -1138+/-281 0.861+/-

0.147

0.747+/-

0.105

0.727+/-

0.106

0.779+/-

0.032

0.495+/-

0.062

45.322+/-

0.258

8.28 Fe(3+ и Fe2+) в

окт. магнетит

Сильно измененный базальт. Оливина мало. Параметры спектров образцов АблС2 и АблС3 подобны приведенным в табл. 6.

Обсуждение результатов, выводы и рекомендации к использованию горных пород.

1. Месторождение, как и следовало ожидать, неоднородно по данным всех трех методов анализа. Обнаружены три вида лавы:

АблС1 – плотный неизмененный оливиновый базальт;

АблС4 – пористый базальт с титаномагнетитом (15-20 %, измельчение, отмагничивание и взвешивание), оливина практически нет;

АблС2, АблС3, АблС5 – сильно измененный базальт с гематитом и карбонатами, оливина мало.

Кварц не обнаружен ни в одном из образцов, поэтому волокна не будут ломкими.

2. Порода представленная образцом АблС1 непригодна для производства НБВ из-за малого модуля кислотности. Из этой породы можно

производить каменную вату для теплоизоляции с подшихтовкой доломитом при использовании индукционных электропечей с холодным тиглем,так

как присутствует магнезиальный оливин с Тпл = 1700оС.

3. Породы, представленные образцами АблС4 с Мк = 5,23 и АблС5 с Мк = 4,17 пригодны для производства НБВ в многопостовой газовой печи

с фидером. Необходим электроподогрев расплава для выхода на температуру 1600оС из-за большого количества рудных минералов.

4.Наиболее пригодны для опытной плавки породы, представленные образцом АблС5, так как железо в них в основном находится в степени

окисления три, что способствует образованию сетки стекла и исключает взаимодействие двухвалентного железа с платиной фильер по реакции

Pt + 3Fe2+

→ (PtFe)тв. р-р + 2Fe3+

[2, C. 326].

5.Знакомство с геологической обстановкой района Шахба [1] показало, что в районе помимо излившихся монолитных базальтовых лав, откуда

взяты предоставленные образцы, присутствуют пирокластические (шлаковые) конусы с дисперсными базальтами. Можно брать шлаки. И взрывать не

надо и дробить, и они уже стекловатые! Вулканический шлак района г. Шахба представляет собойпористую стекловидную породу базальтового

состава с Мк = 3,9! Необходимо попутно рассмотреть и такое сырье.

Литература

1. Шираф М.М. Особенности состава и условия образования вулканических шлаков и базальтов группы месторождений районов Шахба, САР.

Диссертация на соискание уч. степени кандидат геолого-минералогических наук. Специальность: 04.00.14 - Геология, поиски и разведка рудных и

нерудных месторождений. М.: 1984. 283 с.

2. Аблесимов Н.Е., Земцов А.Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. Москва,

ИТиГ ДВО РАН, 2010. 400 с.

3.Аблесимов Н.Е.и др. Информационно-поисковая система «Мессбауэровские спектры сплавов и минералов» в экологическом мониторинге.

Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Москва: 1998.Т. 3. С. 4.

4. Химические применения мессбауэровской спектроскопии. М.: Мир, 1970. 502 с.