Диэлектрическая проницаемость нефрита в диапазоне 100-10000 Гц

Замечательные свойства нефрита – его прочность (в два раза прочнее стали), вязкость, стойкость к истиранию и воздействию кислот, с давних времен привлекали к нему внимание человека [1–3]. Нефрит являлся первым материалом для изготовления орудий труда и охоты у древних народов Центральной Азии, Европы, Америки, Новой Зеландии и Австралии. На заре зарождения культуры он наравне с кремнем был орудием борьбы человека за жизнь. Буряты, монголы, тибетцы, китайцы с древнейших времен и до сих пор относятся к нефриту с трогательной благоговейностью, поразительным трепетом и нежностью, что является как бы образом жизни народа, его философией, мерилом материальной и духовной культуры, частью быта, медицины, самой жизнью. Известно, что Чингисхан с большим почтением относился к нефриту. Его личная печать была исполнена в виде нефритовой фигурки лежащего тигра. Академик В.А. Севергин в «Первых основаниях минералогии» писал: «В восточных странах делают из него болванчики, чашечки и черенки к ножам, саблям... он в сих обработанных вещах чрезвычайную имеет крепость. Он имеет название свое от мнимой прежде лекар- ственной его силы прогонять камень почечной и мочевой, чего ради его при себе носили». История поисков и находок нефрита на территории России прекрасно описана в работах Ферсмана [1]. К сожалению, не все физико-химические свойства нефрита хорошо изучены.

Статья посвящена определению важной физической характеристики нефрита – диэлектрической проницаемости £ в диапазоне 100-10000 Гц. Знание £ может быть полезным при поисках и разведке месторождений нефрита.

Краткая физико-химическая и геологическая характеристика нефрита

Нефрит – скрытокристаллический, спутанно-волокнистый агрегат амфибола тремолит-актино-литового ряда с общей формулой Ca 2 (Mg,Fe) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 . Твердость его 5.5-6.5, плотность 2.963.01 г/см³. Цвет преимущественно зеленый, светлый или темный с различными оттенками; реже встречается нефрит белого цвета (непрозрачный или водянисто-белый просвечивающий), желтоватый и серый до черного (голубовато-серый, дымчатый, с черными разводами); окраска зависит от содержания железа и примесей хрома, никеля, марганца [1–3]. Очень вязкий благодаря переплетениям тонких кристаллических волокон и поэтому очень прочный. На изломе поверхность неровная с острыми тонкими краями. Пластинки нефрита толщиной до 10 мм просвечивают. Имеет восковой блеск, в том числе на полированной поверхности при любой степени полировки. Условия образования нефрита изучены недостаточно полно, но в настоящее время наиболее обоснованной считается гипотеза о метасоматическом происхождении нефрита. Большинство месторождений нефрита расположено в местах внедрения интрузивных магматических пород в серпентиниты. Известны редкие месторождения, где нефрит образовался в результате воздействия магмы на богатые магнием доломиты. Все нефриты относятся к двум генетическим типам: апосерпентинитовому и апокарбонатному. Апосер-пентинитовые нефриты пространственно и генетически связаны с ультрабазитовой составляющей офиолитов и образуются в серпентинитах на контакте с алюмосиликатными породами. Отличительной их особенностью являются зеленые тона окраски и постоянное наличие темноцветных минералов (магнетит, хромшпинелиды). Апокарбонатные нефриты пространственно и генетически связаны со скарнированными мраморами и образуются в эндоконтакте скиалитов и ксенолитов доломитовых мраморов на контакте с гранитизированными алюмосиликатными породами. Отличительной их особенностью являются светлые тона окраски (от салатово – и оливково-зеленой до белой) и полное отсутствие темноцветных минералов. Нефрит распространен более чем в 20 странах мира, но самые крупные и промышленно значимые его месторождения известны в России, Китае, Канаде, США, Австралии и Новой Зеландии. В России в настоящее время разведано и оценено 16 месторождений, из которых 13 находится в Бурятии. По качественным характеристикам лучшими из них являются Ка-воктинское, Голюбинское и Оспинское. Месторождения нефрита сосредоточены в пяти районах Бурятии: Муйском, Баунтовском, Закаменском, Тункинском и Окинском (рис. 1). В Муе и Баунте известно три месторождения белого нефрита – наиболее дефицитного в настоящее время. На нефритовых месторождениях Бурятии в 2007 г. добыто 909 т сырца и 272 т сортового нефрита.

Методика, результаты измерений и их анализ

Основы диэлектрического метода исследования вещества рассмотрены в работах [4–6]. Нами использован наиболее распространенный в практике низкочастотных измерений диэлектрической проницаемости ε – метод измерения на основе конденсатора. Для прямоугольного конденсатора диэлектрическая проницаемость ε определяется по формуле: ε = С l/ ε 0 S, где S = ab – площадь пластин конденсатора, a и b – размеры сторон пластин конденсатора; l – расстояние между обкладками конденсатора, С – измеренная емкость конденсатора с исследуемым материалом, ε 0 – диэлектрическая постоянная вакуума, 4 π 10^-12 Ф/м.

Данное уравнение широко используется на практике [6] при осуществлении стандартизованного метода измерений диэлектрической проницаемости ε , в соответствии с которым вакуумная емкость конденсатора рассчитывается на основе данных величин l и S :

• С 0 = ε 0 S /l

  Методом конденсатора на частотах 100, 120, 1000 и 10000 Гц определена относительная диэлектрическая проницаемость ε образцов нефрита (рис.2). Измерения проведены портативным RLC– метром типа АКТАКОМ АМ-3003. Погрешность измерений емкости составляет 1–3%. Относительная диэлектрическая проницаемость ε образцов нефрита изменяется в пределах от 8 до 16 Гц и попадает в обычный интервал для кристаллических горных пород. Для контроля правильности измерений протестированы образцы гранита, серпентинита и мрамора (2 образца) с известными характеристиками диэлектрических свойств [7]. Наблюдаемая почти линейная частотная дисперсия ε определяется краевыми эффектами на обкладках измерительного конденсатора.

Заключение

Впервые получены данные по диэлектрической проницаемости ε трех образцов нефрита. Результаты измерений в низкочастотной области радиодиапазона показывают, что необходимо провести дополнительные измерения ε нефрита в более широком диапазоне частот, в частности в диапазоне работы георадара «ОКО-2» (50–1700 МГц). Применение георадаров представляется актуальным при поисках месторождений нефрита и их разработке. Об этом свидетельствуют запросы заинтересованных производственных организаций, занимающихся добычей нефрита (разработкой месторождений нефрита). Мы планируем дальнейшие материаловедческие исследования свойств нефрита в области более высоких частот.

Рис. 1. Выходы нефрита в горной тайге

Рис. 2. Частотные зависимости относительной диэлектрической проницаемости ε образцов нефрита и других горных пород. Масштаб по осям логарифмический.