Phase transitions of ferruginous minerals in the course of thermal processing of feldspar-quartz raw materials from the Sobótka region (Lower Silesia)

This paper presents the results of analyses of feldspar-quartz raw materials from deposits of leucogranites located in the Sobótka region. This is a successive stage of research carried out by the author on reasons for colour variation of ceramic materials obtained from them. This step encompassed the firing of sample pairs of analogous chemical composition in different conditions: in a standard cycle lasting more than 2 hours (at a maximum temperature of 1200°C), and a fast one – lasting around 50 minutes (at a max. temperature of 1260°C). The obtained ceramic bodies were analysed using the XRD method, scanning microscopy SEM-EDS and 57Fe Mössbauer spectroscopy at room temperature. The XRD investigations revealed the presence of quartz in both samples, while remnants of sodium feldspar were observed in the one fired in the fast cycle. The scanning microscopy confirmed that the principal component of the examined bodies is the aluminosilicate melt, resulting from the thermal decomposition of mainly feldspars and quartz. Single quartz grains and other minerals of high melting temperatures, i.e. zirconium, were also observed in the course of microscopic examinations. Products of other mineral phases’ transformations at high temperature, such as: titanomagnetite (spinel Fe-Ti), magnetite, biotite, xenotime, sphalerite as well as probably chlorites and garnets, were also relatively frequent. Mössbauer studies demonstrated the presence of three basic components constituting 30% (each) of the spectra, i.e. Fe₂O₃ (presumably hematite), Fe³⁺ ions (dispersed in aluminosilicate glassy phase), and nanocrystalline or amorphous oxide phase of iron (Fe-O). Some relatively small amounts (5 and 10%) of mixed valence iron cations (Fe^2+/3+) that are not expected to influence the colour difference between samples after firing were also found. A paramagnetic doublet referring to them can be attributed to a titanomagnetite spinel or products of its thermal decomposition. The above-mentioned observations and examinations lead to the finding that the main reason for colour variation in the examined bodies as well as their different microstructure and advancement of phase transitions in the course of firing are different conditions of thermal treatment. These probably also influenced the forms in which iron and other colouring elements occur in the samples studied.

Opracowanie przedstawia wyniki badań kopaliny skaleniowo-kwarcowej pochodzącej ze złóż leukogranitów z rejonu Sobótki. Jest to kolejny etap prowadzonych przez autorkę badań nad wpływem składu chemicznego i mineralnego tych utworów na barwę uzyskanych z nich tworzyw ceramicznych. Obejmował on wypalanie par próbek o analogicznym składzie chemicznym w odmiennych warunkach: w cyklu standardowym, trwającym ponad 2 godziny (w maksymalnej temperaturze 1200°C), oraz szybkim, około 50-minutowym (w maks. 1260°C). Uzyskane tworzywa zostały poddane analizie rentgenowskiej, a także badaniom metodą mikroskopii skaningowej SEM-EDS i spektroskopii mössbauerowskiej w temperaturze pokojowej. Analiza rentgenowska ujawniła obecność kwarcu w obu próbkach, a w przypadku pastylki wypalonej w krótkim cyklu – również reliktów skalenia sodowego. Badania skaningowe potwierdziły, że podstawowym składnikiem badanych tworzyw jest stop glinokrzemianowy, który powstał w wyniku termicznego rozkładu głównie skaleni i częściowo kwarcu. W toku obserwacji stwierdzono obecność pojedynczych ziaren kwarcu oraz innych minerałów cechujących się wysoką temperaturą topienia, takich jak cyrkon. Stosunkowo często obserwowano także produkty przeobrażenia pod wpływem wysokiej temperatury innych faz mineralnych, takich jak: tytanomagnetyt (spinel Fe-Ti), biotyt, ksenotym, sfaleryt oraz przypuszczalnie chloryty i granaty. Badania mössbauerowskie wykazały obecność w tworzywie trzech równorzędnych składowych o względnych zawartościach rzędu 30% każda: Fe₂O₃ (przypuszczalnie hematyt), kationów Fe³⁺ (rozproszonych w stopie glinokrzemianowym) oraz słabo krystalicznej względnie amorficznej fazy tlenkowej żelaza (Fe-O). Stwierdzono również występowanie podrzędnej ilości kationów żelaza o mieszanej walencyjności (Fe^2+/3+), których względny udział w obu próbkach jest niewielki (10 i 5%) i – jak się przypuszcza – nie może przesądzać o zróżnicowaniu ich zabarwienia. Odpowiadający im dublet paramagnetyczny ma przypuszczalnie związek z obecnością tytanomagnetytu lub produktów jego rozkładu termicznego. Powyższe obserwacje i uzyskane wyniki badań skłaniają do stwierdzenia, że główną przyczyną zróżnicowania barwy próbek są odmienne warunki ich obróbki termicznej, w wyniku czego uzyskano tworzywa różniące się stopniem spieczenia oraz zaawansowania przemian fazowych , co zapewne rzutowało na formę związania żelaza i innych pierwiastków barwiących.