Евстигнеева Т.Л.
Проблемы изоморфизма рудных минералов и способы их решения


ПРОБЛЕМЫ ИЗОМОРФИЗМА РУДНЫХ МИНЕРАЛОВ И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ

Т. Л. Евстигнеева

Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Москва, Россия

Для рудных минералов проблема изоморфизма элементов имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. Многие ценные элементы, прежде всего, благородные и цветные металлы, добываются из минералов-носителей, и знание формы их нахождения необходимо для выяснения причин потерь полезных компонентов при разработке современных технологий переработки природного сырья. Исследователи постоянно сталкиваются с непостоянством содержания изоморфных примесей в минералах-носителях из одного и того же образца; присутствием в составе минерала-носителя элементов, которым трудно найти место в кристаллической структуре соединения; необычными, «странными» изоморфными замещениями (например, Au ® Fe в арсенопиритах); «нестехиометричными» составами как редких (например, минералы платиновых металлов), так и широко распространенных минералов (минералы группы блеклых руд, сульфосолей и др.). Основные вопросы, которые необходимо решать в каждом конкретном случае, чтобы выяснить особенности изоморфизма в том или ином минерале, следующие: а) гомогенность, реальный состав и набор изоморфных элементов в минерале; б) положение изоморфных элементов в кристаллической структуре минерала; в) механизм и схемы изоморфных замещений.

Несомненно, для решения этих вопросов было бы желательно использовать современные аналитические методы для изучения рудных минералов (высокоразрешающая электронная микроскопия, синхротронный анализ кристаллической структуры, EXAFS и др.). К сожалению, это не всегда возможно по разным причинам. Однако, в настоящее время можно с успехом решать поставленные задачи, применяя вполне доступный комплекс методов. С помощью микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) определяется состав минералов. Проверять однородность исследуемого материала, а также определять симметрию и параметры кристаллической решетки позволяет сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия (СЭМ и ПЭМ) с анализом состава изучаемых частиц. Метод полнопрофильного анализа дает возможность уточнять и определять кристаллическую структуру минерала, образующего не монокристаллы, а тонкокристаллические агрегаты. Применение метода мессбауэровской спектроскопии (МС) дает информацию о характере ближайшего окружения атомов в структуре, химических связях и природе магнитного упорядочения, валентном и спиновом состояниях атомов некоторых элементов (например, Fe, Sn). Во многих случаях из-за ограниченного количества природного материала для обоснованного заключения о вариациях состава и особенностях изоморфных замещений необходимо синтезировать аналоги исследуемых минералов.

В настоящей работе на примере ряда рудных минералов с применением вышеупомянутых методов приведены результаты исследований: 1) изоморфных замещений в минералах платиновых металлов и их синтезированных аналогах (минералы серий теларгпалита, маякита, станнопалладинита, куперита–брэггита–высоцкита и др.) и смешано-слойных минералов типа валлериита; 2) разработки схем изоморфизма в сложных сульфидных минералах с кристаллической структурой на основе плотнейшей упаковки атомов серы.

Минерал теларгпалит (Pd,Ag)34Te был открыт в месторождении Октябрьское (Норильский район) более 30 лет назад [1]. До настоящего времени вопрос о формуле теларгпалита оставался открытым. Часть анализов теларгпалита соответствует (Pd,Ag)3Te, другая – (Pd,Ag)4Te. Формулы некоторых теларгпалитов нестехиометричны с отношением (Pd+Ag) : Te между 3 и 4. Были исследованы продукты экспериментов по синтезу Pd-Ag-теллуридов в системах Pd3Te–Ag3Te и Pd4Te–Ag4Te и природный минерал из месторождений Талнах и Октябрьское (Норильский район) и Луккулайсваара (Карелия; обр. Т. Л. Гроховской).

В составе теларгпалита часто присутствуют Pb и Bi. Считается, что они замещают теллур, поэтому в формуле обычно объединяются с последним. Отношение (Pd+Ag) : (Te+Pb+Bi) в теларгпалитах из норильских сульфидных руд всегда больше 3 (3.43–3.95). В обоих месторождениях в тесной ассоциации с теларгпалитом встречаются минералы ряда котульскит–соболевскит (PdTe–PdBi). Это определяет присутствие Bi в «теларгпалитах». Детальный анализ теларгпалита из Луккулайсваары показывает наличие в нем тонких включений сопчеита Ag4Pd3Te4. Отношение Pd : Ag в теларгпалите из карельских руд меняется в от 2 до ~1.34, в минерале из норильских руд – от 2.38 до 1.33. Cодержание Ag в теларгпалите прямопропорционально Pd (!), хотя зависимость не совсем четкая.

Результаты изучения продуктов эксперимента (оптическая микроскопия, РА, МРСА, СЭМ+ЭДД) свидетельствуют о том, что существуют две фазы – (Pd,Ag)3Te и (Pd,Ag)4Te, характеризующиеся различным соотношением Pd : Ag, межплоскостными расстояниями и составом ассоциирующих фаз. Как и в природных теларгпалитах, в синтезированных фазах не выявлено никакой зависимости Ag–Te и Pd–Te, а содержание Ag обратнопропорционально содержанию Pd. Просмотр синтезированных образцов под электронным микроскопом при увеличении порядка 10000 позволил установить наличие тончайшей неоднородности фаз, ранее считавшихся гомогенными. Размер выделений варьирует от сотых долей до первых микрометров. Наблюдаются срастания двух теллуридов: Pd4Te и Pd3Te (рис.1 а). Обе фазы могут содержать первые мас. % Ag. Также выявлено присутствие тонких включений (Ag,Pd)-сплава в (Pd,Ag)3Te (см. рис. 1 б). Скорее всего, именно это является причиной «нестехиометричных» формул с повышенным содержанием серебра и отношением (Pd+Ag) : Te в (Pd,Ag)-теллуридах, и также может объяснить наблюдаемую «странную» прямую зависимость между содержаниями серебра и палладия, установленную в природных теларгпалитах. Чем больше серебра в исходной навеске, тем богаче серебром образующийся сплав.

Минерал маякит PdNiAs и природная фаза Ni4Pd2As3 были найдены впервые в богатых медью сплошных и вкрапленных сульфидных рудах (Талнахское месторождение, Норильский район, Россия) в ассоциации с другими минералами платиновых металлов [2]. Состав маякита отвечает формуле (Pd1+xNi1-x)2As. Несмотря на незначительное отклонение отношения Pd : Ni от 1, формула минерала обычно представляется в виде PdNiAs. Близкие маякиту по составу минеральные фазы, содержащие Pd, Ni и As с отношением Me : As ~ 2 : 1, это: (Pd,Ni)2As; ~Pd3-xNi1+xAs2; Pd2As (палладоарсенит); Ni3Pd1As2; ~Ni4Pd3As3, и т. д., – установлены в расслоенных интрузиях Финляндии, Кольского п-ова, Канады и других геологических обстановках. Структура маякита (тип Fe2P) была расшифрована недавно [3].

Было предпринято исследование синтезированных соединений ряда Pd2As-Ni2As с различными соотношениями Pd: Ni– (Pd,Ni)2As [Pd:As>5:1]; Pd5Ni3As4; Pd3Ni1As2; PdNiAs; Ni3Pd1As2. Продукты синтеза в системе Pd2As–Ni2As были изучены оптически, СЭМ+ЭДД и рентгеновскими методами. Состав гомогенных образцов в ряду Pd2As–Ni2As характеризуется стехиометрическими соотношениями Pd,Ni и As. Такие фазы – продукты распада твердого раствора (Pd,Ni)2As в субсолидусной области системыс упорядоченным распределением Pd и Ni по позициям в структуре на базе Fe2P. Изучение их состава показало, что выделения фаз, состав которых по данным МРСА характеризуется нецелочисленными соотношениями Pd : Ni : As, не являются гомогенными – они представлены тончайшими срастаниями (размер выделений 0.0n-0.n мм) соседних соединений ряда, характеризующихся стехиометрическим составом, и/или арсенидов никеля (рис.2 а). В богатой Ni части ряда не были получены T2B-фазы – только тонкие срастания палладистого маухерита и никелина (см. рис.2 б). NiAs содержит до 7.08 мас. % Pd. В маухерите Ni11As8 содержится до 7.96 мас. % Pd.

Считается, что минералы системы PtS–PdS–NiS (куперит, брэггит и высоцкит) обладают широкими полями составов, однако пределы составов до сих пор точно не определены. На основании детального изучения (МРСА, РФА, СЭМ+ЭДД) состава и строения синтезированных соединений системы «куперит – брэггит – высоцкит» уточнены области существования твердых растворов (Pt,Pd,Ni)S и (Pd,Pt,Ni)S в температурном сечении 850 ºС системы PtS–PdS–NiS. По данным МРСА [4], составы синтезированных фаз характеризуют протяженные твердые растворы на основе PtS и PdS. Однако детальный анализ этих соединений (СЭМ+ЭДД) показал, что на самом деле соединения обладают скорее стехиометричными составами. Характерны тесные срастания моносульфидов с разными соотношениями Pt, Pd и Ni (рис. 3).

На основании детального изучения (МРСА, РФА, СЭМ+ЭДД) состава и строения синтезированных соединений системы PtS-PdS-NiS подтверждено существование двухфазной области между ~25 и 75 мол. % PdS при 850 ºС., «куперит» почти не содержит Ni. Соединение (Pd,Pt)7Ni1S8 с ~11.5 мол. % NiS соответствует «высоцкиту» (до 4 мол. % PdS и до 2 мол. % PtS). В основном Ni концентрируется в Niss(Ni1-xS).

Полученные результаты свидетельствуют, что вариации состава синтетических моносульфидов в отношении никеля в значительной степени обусловлены наличием тончайших (0.n мкм, 0ss. Присутствие в продуктах экспериментов очень тонких зерен ассоциирующих фаз объясняет разногласия в опубликованных ранее данных и могут свидетельствовать в пользу существования аналогичных природных соединений. Структурное моделирование (FULLPROF + SHAKAL) позволило выявить различную конфигурацию структурных рефлексов на порошкограммах «брэггитов» разного состава. Это связано с упорядоченным распределением атомов металлов (Pt, Pd, Ni) по трем структурным позициям в тетрагональной ячейке «брэггита», что подтверждает возможность существования промежуточных фаз в ряду (Pt,Pd,Ni)S с целочисленными соотношениями Pt:Pd:Ni, субмикровыделения которых наблюдаются с помощью электронного микроскопа и характеризуются близкими, но характерными составами. Не исключено, что в ближайшее время придется пересмотреть вопрос о количестве минералов в ряду (Pt,Pd,Ni)S.

В природе известен целый ряд минералов ряда (Pd,Cu, Pt)3Sn: станнопаладинит (Pd,Pt)5Sn2Cu; серия таймырит (Pd,Pt)9Sn4Cu татьянаит (Pt,Pd)9Sn4Cu3кабриит Pd2SnCu. Почти всегда состав минералов нестехиометричный, что вызвано тонкими срастаниями или наличием субмикро- и наноразмерных включений «соседних» по ряду (Pd,Cu)3Sn фаз (рис. 4). Детальное изучение синтезированных соединений системы (Pd,Cu)3Sn с помощью СЭМ+ЭДД подтвердило, что причиной «нестехиометрии» промежуточных членов ряда Pd3Sn-Cu3Sn является присутствие субмикро- и нано- размерных включений «соседних» по ряду фаз (рис. 5). С помощью МС изучены особенности координации и валентности Sn в синтезированных “таймырите” Pd9Sn4Cu3, “станнопалладините” Pd5Sn2Cu, “кабриите” Pd2SnCu. Подтверждено изменение координационного окружения атомов олова в структурах согласно разработанной структурной модели путем замещения Pd–Cu в (Pd,Cu)3Sn и упорядочения атомов Pd и Cu по позициям структуры типа Cu3Au [5].

На основании составов, рентегнограмм и свойств курамита Cu3SnS4 и станнина Cu2FeSnS4  предполагалось, что существует ряд станнин–курамит, и в курамите двухвалентное железо (r= 0.80 Å) замещает двухвалентную медь (r= 0.80 Å) [6]. Однако, поскольку электронное строение ионов Fe2+ и  Cu2+ различно, было интересно выяснить, происходит ли на самом деле замещение Fe –  Cu. И если происходит, то по какому механизму. Как показала МС, в соединениях ряда Cu3-xFexSnSприсутствуют атомы железа в двух- и трехвалентном состоянии. Выявлена и предельная концентрация Fe (x)= 0.45±0.02, ниже которой железо находится только в трехвалентном состоянии в октаэдрическом окружении атомов S. На основании этих данных была уточнена структура промежуточной Cu3-xFexSnSфазы при х~0.6. Наилучшие результаты получены при распределении Fe3+ по октаэдрическим позициям, свободным в “нормальной” упорядоченной структуре сфалерита: 8j – xxz (xFe3+ ~1/4, zFe3+ ~ 0.126-0.128, zFe3+ = zS/3 + 5/12, zS = z атомов S в структуре). При этом MeOh–MeTd = 2.31–2.34 Å, что сопоставимо с расстояниями MeTd–S, но меньше, чем MeOh–S (2.57–2.81 Å) (Tdи Oh– тетраэдрические и октаэдрические позиции соответственно). Установлено, что механизм изоморфного замещения в ряду Cu3-xFexSnS4 (0 < x £ 1) имеет сложный характер: образование тетраэдрических вакансий, заполнение вакантных октаэдрических пустот при 0 < x < 0.5 и смену валентности атомов железа при x~0.5 [7].

                Для объяснения полученных результатов предложены две схемы изоморфизма в ряду Cu3-xFexSnS4:

  1. При 0 < x< 0.5 процесс замещения и изменение структурного и валентного состояния атомов происходят по схеме 2Cu2+(Td) ® Cu1+(Td) + ÿ(Td) + Fe3+(Oh), а формула промежуточных соединений соответствует

Cu1+2(Cu2+1-2xFe3+xCu1+x)Sn4+S4. При полном исчерпании Cu2+ конечная фаза отвечает Cu1+2.5Fe3+0.5Sn4+S4.

  1. Выше предельной концентрации x0 = 0.5 схема изоморфизма меняется: Cu+(Td)+Fe3+(Oh) + □(Td) ® 2Fe2+(Td), и конечной фазой этого процесса будет «нормальный» станнин Cu1+2Fe2+Sn4+S[7].

Исследование валентности и типа химической связи (ионная, ковалентная, металлическая) атомов меди в ряду курамит–станнин проведено путем определения коэффициентов поглощения рентгеновских линий атомов меди (La и Lb1LII,III-краями Cu (эффект самопоглощения) с помощью МРСА [8]. По соотношению коэффициентов поглощения, ma и mb образцы серии Cu3-xFexSnS4четко разбиваются на две группы: I – с 0 < x < 0.5 (B1–B5) и II – с 0.5 < x £ 1 (B6–B11). Химическая связь Cu – S меняется с ростом содержания железа. При 0 < x < 0.5 существенно увеличивается вклад 3d электронов атомов меди в химическую связь. Это связано с внедрением атомов Fe3+ в октаэдрические позиции структуры (вторая координационная сфера атома Cu), что приводит к коротким межатомным расстояниям «железо – медь», сопоставимым с расстояниями «Cu–S» (MeTd –S) и смешанному характеру химической связи атомов Cu (металлической и ковалентной). При 0.5 < x £ 1 атомы Fe2+ замещают атомы Cu2+, а ковалентная связь Cu+–S является более ионной, чем в Cu3SnS4. При этом степень ковалентности связей Fe2+–S падает с увеличением концентрации атомов железа.

В кестерите Cu2(Zn0.8Fe0.2)SnSс низким содержанием железа доказано присутствие Fe3+ (высокоспиновое состояние) в октаэдрическом окружении атомов серы [7]. Это аналогично схеме изоморфных замещений для бедных железом членов изоморфного ряда Cu3SnS4–Cu2FeSnS4. Поэтому для кестерита предлагается аналогичная схема изоморфизма с освобождением тетраэдрических позиций в структуре: Zn2+(Tdÿ(Td) + Fe3+(Oh).

Моусонит Cu6Fe2SnS– минерал, родственный станнину, со структурой, производной от ZnS. На основании сходства формул и рентгеновских характеристик с редким минералом чаткалитом Cu6FeSn2Sбыло предположено, что в ряду моусонит–чаткалит происходит замещение Sn на Fe [9], что вполне допустимо с точки зрения размерного фактора (Sn4+ на Fe3+ – радиус обоих 0.67 Å). Исследованы валентное состояние и координация 57Fe и 119Sn в соединениях ряда Cu6FeSn2S8–Cu6Fe2SnS8. В чаткалите – Fe2+, в моусоните – Fe3+. Спектры промежуточных членов ряда – суперпозиция двух хорошо разрешенных парциальных спектров (Fe2+ и Fe3+). При росте общей концентрации Fe количество Fe3+ растет, а Fe2+ уменьшается, что соответствует гетеровалентной схеме замещения (Fe2+ +2Sn4+®2Fe3+ + Sn4+).

На основе изучения состава смешанно-слойных сульфид-гидроксидов (валлериит, точилинит) из сульфидных медно-никелевых руд месторождений Норильского района и Воронежского массива и валентности атомов железа в них с помощью методов СЭМ+ЭДД и МС рассмотрен вопрос однородности смешанно-слойных минералов, уточнены их формулы, определены особенности и пределы изоморфных замещений в сульфидной и гидроксидной составляющих. Установлено, что все изученные валлерииты из разных типов медно-никелевых руд представлены тонкими срастаниями нескольких минералов: валлериита, кальцита или сидерита, пирита (редко), хлорита. Диапазон размера минеральных частиц 0.03–десятки микрометров. Состав частиц валлериита, полученный с помощью ЭДД, не совсем идентичен опубликованному ранее. Содержание железа во всех изученных образцах недостаточно для распределения его между сульфидной и «бруситовой» (гидроксидной) компонентами [10]. Железо полностью «связывается» с серой и медью, а для «бруситового» слоя остаются магний и алюминий. Например: а) CuFeS2·1.25(Mg0.75Al0.25)(OH)2 [+ CaCO3 + MgSiO3]; б) CuFeS2·1.2(Mg0.75Al0.25)(OH)2 [+ Mg-содержащий силикат]. Отношение Me : S в «CuFeS2» ~0.75–0.8, а Cu : Fe ~ 0.8. Обращает на себя внимание постоянство отношения Mg:Al в изученных валлериитах (~3 : 1). Результаты МС (Т. Губайдуллина, МГУ) подтверждают отсутствие железа в «бруситовой» компоненте. 

Выводы

  • Цветные и благородные металлы (ЭПГ, Au, Ag, Fe, Cu, Zn и др.) образуют как собственные минералы, так и присутствуют в минералах-носителях в рассеянной форме. Считается, что последняя обусловлена образованием твердых растворов, однако, в условиях открытых неравновесных систем рудные элементы присутствуют в минералах-концентраторах в виде субмикронных включений и наночастиц собственных фаз, которые трудно поддаются изучению методами простой диагностики. Это подтверждено результатами изучения минералов платиновых металлов (брэггит–куперит–высоцкит; теларгпалит, маякит; и др.), смешанно-слойных сульфидов-гидроксидов, и т. д..
  • Детальное изучение особенностей координации и валентного состояния замещающих друг друга элементов в изоморфных рядах сульфидов со структурой на основе плотнейшей упаковки атомов серы свидетельствует о том, что в зависимости от концентрации замещающего элемента осуществляются различные схемы изоморфизма – появление вакансий, заполнение свободных позиций, изменение валентности и координации замещающего элемента.

 

Литература 

  1. Коваленкер В. А., Генкин А. Д., Евстигнеева Т. Л., Лапутина И. П. Теларгпалит – новый минерал палладия, серебра и теллура из медно-никелевых руд Октябрьского месторождения // Зап. ВМО, 1974. № 5. С. 595–600.
  2. Генкин А. Д., Евстигнеева Т. Л., Тронева Н. В., Вяльсов Л.Н.Маякит PdNiAs – новый минерал из медно-никелевых сульфидных руд // Зап. ВМО, 1976. № 6. С.698–703.
  3. EvstigneevaT., Kabalov Yu., Schneider Crystal Structure of PdNiAs, and the isomorphous Series Pd2As–Ni2As // Proceedings of EPDIC-6. 1998.
  4. Evstigneeva T. L., Trubkin N. V., von Seckendorff V.Experimental study of Pt–Pd–Ni monosulfides: problems and solutions //LITHOS, 2004. Suppl. tovol. 73. No. 1– P. 832.
  5. Евстигнеева Т. Л.Особенности кристаллохимии минераловPd–Sn–Cu // Матер. Международ. науч. конф. «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов». Казань, 2005. С. 74–76.
  6. Коваленкер В. А., Евстигнеева Т. Л., Тронева Н. В., Вяльсов Л. Н.КурамитCu3SnS4 – новый минерал группы станнина // Зап. ВМО, 1979. № 5. С. 564–569.  
  7. 7. Евстигнеева Т Л., Русаков В. С., Кабалов Ю. К.Изоморфизм в минералах семейства станнина // Тр. Минерал. Музея им. Ферсмана, 2003. Т. 38. С. 63–69.    
  8. 8. Куликова И. М., Евстигнеева Т. Л., Бортников Н. С.Исследования химической связи атомов меди в минералах семейства станнина (ряд курамит–станнин) // Докл.РАН, 2005. Т. 401. № 3. С. 384–387.  
  9. Коваленкер В. А., Евстигнеева Т. Л.,Вяльсов Л. Н., Малов В. И.Чаткалит Cu6FeSn2S8 – новый минерал системы Cu–Fe–Sn–S // Минералог. журн., 1981. Т. 3. № 5. С. 79–86.
  10. Органова Н. И.., Генкин А. Д., Дмитрик А., Евстигнеева Т. Л., Лапутина И. П.Структурные особенности и изоморфизм минералов группы валлериита // Изоморфизм минералов. М.: Наука, 1975. C. 150–162.

 

Подписи к рис. ст. Евстигнеевой

 

Рис.1. Срастани фаз в продуктах синтеза.

а – срастание Pd4Te (темное) и Pd3Te (светлое); б – включения (Ag,Pd)-сплава (темные округлые выделения) в (Pd,Ag)3Te. SEM, BSE-изображение.

 

Рис.2. Продукты синтеза в системе Pd2As–Ni2As.

а – матрица (Pd,Ni)2As (светлое), включения PdNiAs (темно-серое); б – Ni3Pd1As(светлые кристаллы) с Ni11As(темное). BSE-изображение.

 

Рис.3. Продукты экспериментов в системе PtS–PdS–NiS (температурное сечение 850 ºС).

а – “брэггит” Pd(Pt,Ni)S(светлые кристаллы) + “высоцкит” Pd6Pt1Ni1S (темные каймы); б – “куперит” Pt6Pd1Ni1S (светлое) + “брэггит” (Pt5Pd2Ni1)S8 (темное); в – Pd7Pt1S8 + Pd5Pt3S8г – “зональное” срастание Pd5Pt2Ni1S8 (край) – Pt4Pd3Ni1S– Pt6Pd1Ni1S8 (центр). BSE-изображение. Шкала 20 мкм.

 

Рис. 4. Тонкое строение выделений минералов группы станнопалладинита.

а – атокит (Pd,Cu)3Sn с 32.5 мас.% Pt и таймырит (Pd,Pt)9Sn4Cu3 с 31.7 мас. % Pt; мелкие белые обрастающие кристаллики – тетраферроплатина PtFe (талнахитовые руды, рудник Маяк); б – кабриит Pd2SnCu, серые прожилки (0.2 мкм) в таймырите (Pd,Pt)9Sn4Cu3 с 1.83–3.66 мас. % Pt; белые зерна – самородное серебро и галенит (моихукитовые руды из центральной части тела массивных руд, месторождение Октябрьское). BSE-изображение.

 

Рис.5. Строение синтезированных фаз в системе (Pd,Cu)3Sn.

 а – Pd2SnCu (светлое) + Pd9Sn4Cu(темное); б –Pd2Sn (светлое) + (Pd,Cu)3Sn (темное). BSE-изображение.