Методы геохимического анализа осадочных пород
Ввиду бурных темпов развития методов анализа горных пород и минералов, необходимо иметь представление о современном уровне возможностей и ограничений методов анализа вещества, а также уметь рационально их комплексировать при проведении исследований. При изучении осадочных пород необходимо четко сформулировать задачу и определить уровень организации веществ, в соответствии с которым будут проводиться исследования: формационный, породный, минеральный, элементный. Можно изучать осадочные породы в целом, а также отдельно их составные части (обломочный матрикс, цемент, аутигенные минералы, конкреции). Геохимические исследования осадочных образований должны сопровождаться изучением структурно-вещественных особенностей пород. Геохимические исследования дадут результат в случае системного подхода к опробованию осадочных пород, заключающегося в отборе на территории работ относительно неизмененных разностей, а также пород с явными признаками диагенеза, катагенеза, метагенеза и других наложенных постседиментационных изменений.
Объем вещества, имеющегося для исследования, варьирует от миллиграммов (цемент пород, аутигенные минералы и конкреции) до граммов (минерал, порода). В зависимости от поставленной задачи выбирается последовательность использования различных методов анализа. В общем виде последовательность изучения может быть следующей:
1)четкая постановка задачи исследования;
2) выбор методов, выполняемых в определенной очередности;
3) подготовка проб к изучению в соответствии с требованиями методов;
4) проведение анализов;
5) интерпретация результатов и получение выводов с учетом ограничений методов.
Полный силикатный анализ пород и минералов можно выполнить с помощью рентгеноспектрального силикатного анализа, определить состав элементов-примесей позволят эмиссионный спектральный анализ, пламенная фотометрия, нейтронно-активационный анализ, атомно-абсорбционная спектрометрия, масспектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и др.
Рентгеноспектральный флуоресцентныйсиликатный анализ основан на эффекте взаимодействия электронов рентгеновского пучка, падающего на материал пробы, с электронами пробы. При этом происходит испускание энергии в виде рентген-фотона, длина волны которого для каждого энергетического уровня строго определенна. Это вторичное рентгеновское излучение называется рентгеновской флуоресценцией, а интенсивность такого излучения напрямую связана с концентрацией атомов изучаемых элементов пробы. Чувствительность метода зависит от порядкового номера элемента и меняется от n×10-4 до n×10-2 % (табл. 13).
Таблица 13. Чувствительность рентгеноспектрального
флуоресцентного анализа на петрогенные оксиды,
вес. %
| Оксид | Чувствительность анализа |
| SiO2 | 0,1 |
| TiO2 | 0,03 |
| Al2O3 | 0,1 |
| Fe2O3 | 0,1 |
| FeO | 0,2 |
| MnO | 0,03 |
| MgO | 0,1 |
| CaO | 0,03 |
| Na2O | 0,2 |
| K2O | 0,03 |
| P2O | 0,05 |
| Sобщ | 0,02 |
| п.п.п. | 0,2 |
Среди достоинств метода можно отметить высокую воспроизводимость определений больших и малых содержаний; суммарная погрешность составляет 0,3–1 %. Рентгеноспектральный анализ может выполняться без разложения и разрушения пробы, что позволяет использовать тот же материал для других видов анализа. Требуемая навеска – 10 г.
Эмиссионный спектральный анализ основан на свойстве атомов и ионов химических элементов, находящихся в парообразном состоянии, излучать характерный световой спектр. Световое колебание каждого атома характеризуется определенной длиной волны и частотой и фиксируется на фотопластинке. Чем сложнее строение атома химических элементов, тем больше у них электронов и, соответственно, линий в спектре. Интенсивность спектральных линий позволяет судить о концентрации химического элемента в пробе. Различают полуколичественный и количественный спектральный анализы. Требуемая навеска – 60–100 мг. Чувствительность метода от n×10-4 до n×10-1 % (табл. 14).
Пламенная фотометрия используется для определения главным образом щелочных и щелочноземельных элементов в породах, минералах, почвах и водах. Содержание того или иного химического элемента определяется по характеристическим спектрам, возбуждаемым в пламени газовой горелки. Раствор пробы распыляется в ацетиленовом пламени, происходит возбуждение спектров испускания легко ионизируемых элементов; эти спектры регистрируются спектрометрами или фотометрами. Интенсивность спектров измеряется фотоэлектрическим способом. Чувствительность метода приведена в табл. 15. Требуемая навеска – 100–500 мг.
Нейтронно-активационный анализ заключается в изучении искусственной радиоактивности, возникающей при облучении стабильных ядер исследуемого вещества потоками нейтронов (гамма-квантов). По величине оценки радиоактивности может быть выполнен как качественный, так и количественный анализ. Во многих случаях чувствительность метода позволяет установить содержание элемента в интервале n×10-6 до n×10-11 % (табл. 16). Величина навески – от микрограмм до 10 г.
Атомно-абсорбционная спектрометрия основана на переходе пробы в парообразное состояние при температуре пламени 3000 оС и поглощении (абсорбции) атомами энергии из внешнего источника при переходе на более высокий энергетический уровень. Величина энергии при таком поглощении, называе
Таблица 14. Чувствительность полуколичественного
спектрального анализа, вес. %
| Эле-мент | Чувстви-тельность | Эле-мент | Чувстви-тельность | Эле- мент | Чувстви-тельность |
| Ag | 1×10-4 | Nb | 1×10-3 | Hf | 5×10-3 |
| Аl | 1×10-3 | Nd | 2×10-3 | Hg | 5×10-2 |
| As | 1×10-2 | Ni | 2×10-3 | Но | 5×10-4 |
| Аu | 5×10-4 | P | 1×10-2 | In | 2×10-3 |
| В | 2×10-4 | Pb | 2×10-3 | Ir | 5×10-3 |
| Ва | 5×10-4 | Pd | 1×10-3 | К | 1×10-1 |
| Be | 1×10-5 | Pr | 2×10-3 | La | 5×10-4 |
| Bi | 5×10-4 | Pt | 5×10-4 | Li | 5×10-2 |
| Са | 1×10-4 | Rb | 1×10-1 | Lu | 5×10-4 |
| Cd | 2×10-3 | Re | 5×10-3 | Mg | 2×10-5 |
| Се | 1×10-1 | Rh | 1×10-3 | Мn | 5×10-4 |
| Со | 2×10-3 | Ru | 1×10-2 | Na | 5×10-2 |
| Сr | 1×10-3 | Sb | 5×10-3 | Ti | 1×10-3 |
| Cs | 5×10-2 | Sc | 1×10-4 | Tl | 5×10-3 |
| Сu | 1×10-4 | Se | 1×10-1 | Tm | 5×10-4 |
| Dy | 5×10-4 | Si | 1×10-4 | U | 5×10-2 |
| Er | 5×10-4 | Sm | 2×10-3 | V | 2×10-3 |
| Eu | 5×10-4 | Sn | 2×10-3 | W | 1×10-2 |
| Fe | 5×10-4 | Sr | 5×10-3 | Y | 5×10-4 |
| Ga | 5×10-4 | Ta | 1×10-1 | Yb | 1×10-4 |
| Gd | 1×10-3 | Tb | 5×10-3 | Zn | 5×10-3 |
| Ge | 5×10-4 | Te | 5×10-2 | Zr | 5×10-3 |
Таблица 15. Чувствительность пламеннофотометрического анализа, вес. %
| Элемент | Чувствительность анализа |
| Li | n×10-6 |
| Na | n×10-4 |
| K | n×10-4 |
| Cs | n×10-6 |
| Rb | n×10-5 |
| Sr | n×10-5 |
| Ba | n×10-1 |
| Ca | n×10-4 |
Таблица 16. Чувствительность нейтронно-активационного анализа,
вес. %
| Элемент | Чувствительность анализа |
| Zn, Zr, Nb, Mo, Cd, Rb, Sn, Та, Os, Hg, Tl, Bi, Ru | n×10-6 |
| Ar, Sc, Cu, Kr, Y, Те, Ва | n×10-7 |
| Na, As, Br, Sr, I, W, U | n×10-8 |
| Ag, An, Rh, Cs, Ir | n×10-9 |
| In, Mn | n×10-10 |
| REE | n×10-11 |
мом атомной абсорбцией, может принимать строго определенные значения, зависящие от энергии переходов между дискретными электронными энергетическими уровнями атомов, и является фиксированной для каждого химического элемента. Чувствительность метода неодинакова для разных химических элементов (табл. 17). Атомно-абсорбционный анализ используют, когда необходимо определить несколько элементов в пробе пород и минералов, а также для анализа природных вод. Требуемая навеска – 1–10 мг растертого вещества или 5 мл раствора.
Масспектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП МС) основана на возбуждении атомной эмиссии с помощью
| Элемент | Чувствительность Анализа | Элемент | Чувствительность анализа |
| Ag | 4×10-6 | Ni | 3×10-5 |
| Аl | 1×10-4 | Os | 1×10-4 |
| As | 1×10-4 | Pt | 1×10-4 |
| Аu | 2×10-5 | Rb | 1×10-3 |
| В | 8×10-4 | Re | 1×10-3 |
| Be | 2×10-6 | Rh | 1×10-5 |
| Bi | 3×10-5 | Ru | 7×10-5 |
| Cd | 1×10-6 | Sc | 3×10-5 |
| Се | 4×10-3 | Sn | 1×10-4 |
| Сr | 1×10-5 | Ta | 1×10-3 |
| Сu | 1×10-5 | Te | 3×10-5 |
| Gd | 2×10-3 | Ti | 2×10-4 |
| Hf | 1×10-3 | U | 1×10-2 |
| Hg | 2×10-4 | V | 1×10-4 |
| In | 2×10-5 | W | 6×10-4 |
| Ir | 2×10-4 | Y | 2×10-4 |
| La | 4×10-3 | Zn | 1×10-6 |
| Li | 3×10-6 | Zr | 1×10-3 |
Таблица 17. Чувствительность атомно-абсорбционного анализа, вес. %
индукционной аргоновой плазмы. Пределы обнаружения очень низки и составляют 0,01–1 г/т (табл. 18). Полный многоэлементный анализ может быть выполнен за 30 с. Требуемая навеска – 1–10 мг.
Таблица 18. Чувствительность ИСП МС анализа, г/т
| Элемент | Чувствительность анализа | Элемент | Чувствительность анализа |
| Ag | 0,001 | Ni | 0,05 |
| As | 0,1 | Pb | 0,3 |
| Аu | 0,005 | Pd | 0,01 |
| Ва | 0,1 | Pr | 0,01 |
| Be | 0,01 | Pt | 0,01 |
| Bi | 0,1 | Rb | 0,1 |
| Cd | 0,1 | Re | 0,005 |
| Се | 0,01 | Rh | 0,01 |
| Со | 0,1 | Ru | 0,01 |
| Сr | 0,05 | Sb | 0,1 |
| Cs | 0,01 | Sc | 0,02 |
| Сu | 0,05 | Se | 0,01 |
| Dy | 0,01 | Sm | 0,005 |
| Er | 0,01 | Sn | 0,2 |
| Eu | 0,005 | Sr | 0,1 |
| Ga | 0,1 | Ta | 0,1 |
| Gd | 0,01 | Tb | 0,005 |
| Ge | 0,03 | Te | 0,01 |
| Hf | 0,05 | Th | 0,1 |
| Hg | 0,005 | Tl | 0,05 |
| Но | 0,005 | Tm | 0,005 |
| In | 0,01 | U | 0,1 |
| Ir | 0,01 | V | |
| La | 0,01 | W | 0,15 |
| Li | 0,01 | Y | 0,1 |
| Lu | 0,005 | Yb | 0,01 |
| Nb | 0,1 | Zn | 0,1 |
| Nd | 0,01 | Zr | 0,1 |
Л и т е р а т у р а
Основная
Логвиненко Н.В., Грамберг И.С. Введение в геохимию экзогенных процессов: СПб., 1997. 132 с.
Маслов А.В. Осадочные породы: методы изучения и интерпретация полученных данных. Екатеринбург, 2005. 289 с.
Скляров Е.В., Гладкочуб Д.П., Донская Т.В. и др. Интерпретация геохимических данных. М., 2001. 288 с.
Супруненко О.И., Тугарова М.А. Геохимия нафтидов. СПб., 2003. 144 с.
Юдович Я.Э. Курс геохимии осадочных пород (избранные главы). Сыктывкар, 2001. 284 с.
Дополнительная
Барабанов В.Ф. Геохимия. Л., 1985. 423 с.
Вернандский В.И. Очерки геохимии. М., 1983. 420 с.
Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С. и др. Справочник по геохимии. М., 1990. 480 с.
Дегенс Э. Геохимия осадочных образований. М., 1967. 286 с.
Добровольский В.В. География микроэлементов: Глобальное рассеяние. М., 1983. 174 с.
Лисицын А.П. Процессы океанической седиментации: Литология и геохимия. М., 1978. 329 с.
Мигдисов А.А., Балашов Ю.А., Шарков И.В. и др. Распространенность редкоземельных элементов в главных литологических типах пород осадочного чехла Русской платформы //Геохи-мия. 1994. № 6. С. 789–803.
Наноминералогия: Ультра- и микродисперсное состояние минерального вещества /Под ред. Н.П. Юшкина и др. СПб., 2005. 581 с.
Перельман А.И. Геохимия. М., 1989. 423 с.
Ронов А.Б., Мигдисов А.А. Количественные закономерности строения и состава осадочных толщ Восточно-Европейской платформы и Русской плиты и их место в ряду древних платформ мира // Литология и полезные ископаемые. 1996. №5. С. 451–475.
Сауков А.А. Геохимия. М., 1976. 480 с.
Страхов Н.М. Основы теории литогенеза. М., 1960. Т. 1. 212 с.
Щербина В.В. Основы геохимии. М., 1972. 296 с.
Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Основы литохимии. СПб., 2000. 479 с.
Bard J.P. Composition of horblendes formed during The Hercynian progressive metamorphism of the Arocena metamorphic belt SW Shain //CMP. 1970. Vol. 28. P. 117–134.
Bevis R.E., Kokelaar B.P., Dunkley P.N. Petrology and geochemistry of lower and middle Ordovican igneous rocks in Wales //Proc. Geol. Ass. 1984. Vol. 95. P. 337–347.
Brugmann G.E., Arndt N.T., Hoffmann A.W. Nobel metal abundances in komatiite suites from Ontario and Gorgona //Geochim. Cosmochim. Acta. 1987. Vol. 51. P. 2159–2169.
Evensen N.M., Hamilion P.J., O`Nions R.K. Rare earth abundances in chondritic meteorites //Ibid. 1978. Vol. 42. P. 1199–1212.
McDonough W.F., Sun S., Ringwood A.E. Rb and Cs in the earth and moon and evolution of the earth`s mantle // Ibid. 1991. Roos Taylor Symposium volume.
Naldrett A.J., Duke J.M. Platinum metals in magmatic sulfide ores //Science. 1980. Vol. 208. P. 1417–1424.
Sun S., McDonough W.F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts //Magmatism in the oceanic basins. Geol. Soc. Spec. Publ. 1989. № 42. P. 313–345.
Taylor S.R., McLennan S.M. The continental crust. Oxford. 1985. 220p.
Wakita H., Rey P., Schmitt R.A. Abundences of the 14 rare-earth elements and 12 trace elements in Apollo samples // Lunar Sci Conf. 1971. P. 1319–1329.
С о д е р ж а н и е
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .