خبث المعادن الأثرية

تتمثل الخطوة الأولى في دراسة الخبث الأثري المعدني في تحديد الخبث وتحليله على المستوى الكلي في الموقع. وتُستخدم الخصائص الفيزيائية للخبث، مثل الشكل واللون والمسامية وحتى الرائحة، لإجراء تصنيف أولي يضمن الحصول على عينات تمثيلية من أكوام الخبث لإجراء التحليل الدقيق لاحقاً.

فعلى سبيل المثال، عادة ما يكون لخبث الصنبور سطح علوي متجعد وسطح سفلي مسطح نتيجة ملامسته للتربة. ^{[ 7 ]}

علاوة على ذلك، يمكن أن يثبت التحليل الكلي لأكوام الخبث الوزن الإجمالي المقدر والذي بدوره يمكن استخدامه لتحديد حجم الإنتاج في موقع صهر معين.

يُمكن أن يكشف التركيب الكيميائي للخبث الكثير عن عملية الصهر. يُعدّ التحليل الطيفي للأشعة السينية (XRF) الأداة الأكثر شيوعًا في تحليل التركيب الكيميائي للخبث. ^{[ 8 ]} ومن خلال التحليل الكيميائي، يُمكن تحديد تركيب الشحنة، ودرجة حرارة الحرق، والجو الغازي، وحركية التفاعل.

عادةً ما يكون تركيب الخبث القديم نظامًا يوتكتيكيًا رباعيًا CaO-SiO₂ _{- FeO} - _Al₂O₃ ، والذي يُبسط إلى CaO-SiO₂ _{- FeO₂} ، مما يُعطي نقطة انصهار منخفضة وموحدة. ^{[ 8 ] : 21} في بعض الحالات، كان النظام اليوتكتيكي يُحدد بناءً على نسبة السيليكات إلى أكاسيد المعادن في الشوائب ، بالإضافة إلى نوع الخام وبطانة الفرن. وفي حالات أخرى، كان من الضروري استخدام مادة صهر لتحقيق النظام الصحيح. ^{[ 9 ]}

يمكن تحديد درجة انصهار الخبث عن طريق رسم تركيبه الكيميائي في مخطط ثلاثي . ^{[ 10 ]}

يمكن حساب لزوجة الخبث من خلال تركيبه الكيميائي باستخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle K_{v}={\frac {CaO+MgO+FeO+MnO+AlK_{2}O}{Si_{2}O_{3}+Al_{2}O_{3}}}\,}$

أين${\displaystyle K_{v}}$هو مؤشر اللزوجة. ^{[ 11 ]}

مع التطورات الحديثة في تقنيات قياس اللزوجة الدورانية، باتت قياسات لزوجة خبث أكسيد الحديد تُجرى على نطاق واسع. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وبالاقتران مع دراسات توازن الأطوار، تُسهم هذه التحليلات في فهم أفضل للسلوك الفيزيائي والكيميائي للخبث عند درجات الحرارة العالية.

في المراحل المبكرة من الصهر، لا يكتمل فصل المعدن المنصهر عن الخبث. ^{[ 9 ]} لذا، يمكن أن تكون العناصر الرئيسية والثانوية والنادرة للمعدن في الخبث مؤشرات على نوع الخام المستخدم في عملية الصهر. ^{[ 8 ] : 24}

يمكن استخدام المجهر الضوئي ، والمجهر الإلكتروني الماسح ، وحيود الأشعة السينية ، والتحليل البتروغرافي لتحديد أنواع المعادن وتوزيعها في الخبث. تُعد المعادن الموجودة في الخبث مؤشرات جيدة على جو الغاز في الفرن، ومعدل تبريد الخبث، وتجانسه. كما يمكن تحديد نوع الخام والصهر المستخدمين في عملية الصهر من خلال وجود عناصر من الشحنة غير المتحللة أو حتى حبيبات معدنية عالقة في الخبث.

تُصنَّف معادن الخبث إلى سيليكات وأكاسيد وكبريتيدات . وقد صنّف باخمان السيليكات الرئيسية في ^الخبث وفقًا لنسبة أكاسيد المعادن إلى السيليكا . ^{[ 1 ] [ 8 ]} : ¹⁷¹

نسبة MeO  : أمثلة سيليكات SiO ₂

2  : 1 فايليت

2  : 1 مونتيسيلليت

1.5  : 1 ميليليت

1  :1 بيروكسين

_يُعدّ الفاياليت (Fe₂SiO₄ ₎ أكثر المعادن شيوعًا في الخبث القديم. ومن خلال دراسة شكل الفاياليت، يمكن تقدير معدلات تبريد الخبث تقريبًا. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

يتفاعل الفاياليت مع الأكسجين لتكوين الماغنيتيت :

3Fe ₂ SiO ₄ + O ₂ = 2FeO·Fe ₂ O ₃ + 3SiO ₂

لذلك، يمكن حساب جو الغاز في الفرن من نسبة الماغنيتيت إلى الفاياليت في الخبث. ^{[ 8 ] : 22}

يشير وجود كبريتيدات المعادن إلى استخدام خام كبريتي. تبقى كبريتيدات المعادن بعد مرحلة الأكسدة قبل الصهر، مما قد يدل أيضاً على عملية صهر متعددة المراحل.

عندما يكون الفاياليت غنياً بأكسيد الكالسيوم، يتشكل المونتيسيلليت والبيروكسين . وهما مؤشران على ارتفاع محتوى الكالسيوم في الخام. ^{[ 1 ]}

يُعد تحليل نظائر الرصاص تقنيةً لتحديد مصدر الخام في عمليات الصهر القديمة. ويُعتبر تركيب نظائر الرصاص بصمةً مميزةً لرواسب الخام، ولا يتغير إلا قليلاً في جميع أنحاء الرواسب. كما أن تركيب نظائر الرصاص لا يتغير أثناء عملية الصهر. ^{[ 16 ]}

تُستخدم كمية كل نظير من النظائر المستقرة الأربعة للرصاص في التحليل، وهي: 204Pb ^، و ²⁰⁶ Pb، و ²⁰⁷ Pb، و ²⁰⁸ Pb. تُقاس النسب: ^208Pb / ^207Pb ، و 207 ^Pb / ^206Pb ، و ²⁰⁶ Pb/ ^204Pb ، باستخدام مطياف الكتلة. باستثناء ^204Pb ، تُعدّ جميع نظائر الرصاص نواتج التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم . عند ترسب الخام، ينفصل اليورانيوم والثوريوم عنه، ولذلك فإن الرواسب المتكونة في فترات جيولوجية مختلفة ستحمل بصمات نظائر رصاص مختلفة .

²³⁸ U → ²⁰⁶ Pb

²³⁵ U → ²⁰⁷ Pb

²³² Th→ ²⁰⁸ Pb

على سبيل المثال، أجرى هاوبتمان تحليلًا لنظائر الرصاص على خبث من فينان، الأردن . وكانت البصمة الناتجة مطابقة لتلك الموجودة في خامات الدولوميت والحجر الجيري والطفل الزيتي في منطقتي وادي خالد ووادي دانة في الأردن . ^{[ 8 ] : 79}

يُعدّ تحديد عمر الخبث القديم أمرًا صعبًا، فهو يفتقر إلى المواد العضوية اللازمة لإجراء التأريخ بالكربون المشع ، كما لا يحتوي على قطع أثرية مثل شظايا الفخار. وقد يكون التأريخ الفيزيائي المباشر للخبث باستخدام التأريخ بالتألق الحراري طريقةً فعّالةً لحلّ هذه المشكلة. يُمكن تطبيق التأريخ بالتألق الحراري إذا احتوى الخبث على عناصر بلورية مثل الكوارتز أو الفلسبار . مع ذلك، فإنّ التركيب المعقد للخبث قد يُصعّب هذه التقنية ما لم يتم عزل العناصر البلورية. ^{[ 17 ]}