Способ определения генезиса карбонатных пород Советский патент 1985 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геохимии и может быть применено при изучв нии карбонатных пород с целью использования их характеристик для вьгавления геохимических закономерностей минерало- и породообразования,

Известен способ определения генезиса горных пород; включаниций проведение микроскопического анализа и выявления совокупности петрографических данных PJ .

Однако микроскопический метод не всегда точен. Например, для получения аргументированного вывода о генезисе карбонатной породы привлекаются также и другие виды анализа:изотопный, электронномикроскопический, рентгеноструктурный, рентгенотермолюминесцентный. Все это требует большого объема исследований и ассигнований, а также высокого класса специалистов исследователей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения генезиса горных пород, в том числе и карбонатных; включающий отбор геологических проб, анализ с определением концентраций химических элементов, определение типоморфного комплекса химических элементов, характеризующий определенный генетический тип горных пород и суждение о принадпежности исследуемой горной породы к тому или иному генетическому типу по величине концентраций элементов типоморфного комплекса JY.

Однако в результате наложения на горные породы различных эк- зогенных геологических процессов содержание химических элементов, особенно микропримесей, может значително изменяться, в результате чего этот способ становится не эффективным.

Цель изобретения - повьшение достоверности при определении генезса карбонатных пород.

Поставленная цель достигается тем,что согласно способу опредепения генезиса карбонатиых пород, включакяцему отбор геологических проб и проведение анализа с определением концентраций химических элементов и суждение о генезисе по

величине их соотношений концентраций, дополнительно проводят спектральный анализ преимущественно методом просыпки воздушного дутья 5 в режиме: сила тока дуги ,5 А фаза поджига дуги Cf 90+3 , скорость воздушного потока ,5M/c, масса просыпаемого порошка +5 мг, экспозиция 15 с, при котором

О определяют интенсивность .(g J) аналитических линий кальция (Са I 272,16 нм) и магния (Mg И 279,08 нм) и по ним - концентрацию этих элементов по графику, построенному для

5 каждого из элементов по образцам кальцита и доломита гидротермального генезиса () сравнивают полученныетаким образом концентрации с истинными концентрациями и

0 при одновременном совпадении результатов по кальцию и магнию судят о гидротермальном высокотемпературном (Т ) генезисе доломита; при совпадении результатов по

5 кальцию и в десять раз большему расхождению результатов -по магнию судят о гидротермальном высокотем-: пературном (Т 70°С) генезисе кальцита; при одновременно больпшх в

0 два раза результатах спектрального анализа по кальцию и магнию судят о биогенном генезисе доломита (доломит составляет 70%).или о Лррцессе доломитизации по биоген, ному известняку при больших в два раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о биогенном генезисе кальцита (в присутствии стронция

Q ,3% - арагонита); при больших в полтора раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о хемогенном низкотемпературном (Т 40 С) гене5 зисе кальцита; при том же соотношении по кальцию, но,больших чем в два, три раза расхождениях результатов по магнию судят о хемогенном или биохемогенном генезисе смеси кальцита

Q и доломита, в которой доломит составляет от 30 до 70% или о процессе доломитизации по хемобиогенному или биохемогенному известняку.

Возможность определения генезиса 5 пород предлагаемым способом основана на том, что энергетическое состояние атомов элемента, входящего в состав вещества,определяется симметрией поля

кристаллической структуры,в которой атомы элемента занимают определенное положение. Поле кристаллической структуры имеет электрический характер и под его влиянием происходит5 расщепление вырожденных уровней атома. Этот эффект прежде всего каса-. ется уровней наиболее удаленных от ядра внешних (валентных) электронов атома. Последние при своих переходах Ю излучают кванты энергии, которые в виде интенсивности спектральных линий являются характеристиками процессов, изучаемых с помощью спектрального анализа.

Различаются случаи слабого, среднего и сильного кристаллического поля. Влияние слабого поля заключаетсяв расщеплении и прецессии вокруг направления поля суммарного полного вектора количества движения атома J(, где L - суммарный вектор орбитального, S - суммарный вектор спинового моментов количества движения). Расщепление вектора J в свою очередь приводит к квантованному изменению интенсиввости спектральных линий элемента, которая определяется (при поперечном иаблкщении) по ; следующим формулам:

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНЕЗИСА КАРБОНАТНЫХ ПОРОД, включающий отбор геологических проб и проведение анализа с определением концентраций химических элементов и суждение о гене- , зисе по величине их соотношений концентраций, о тличающий.с я тем, что,с целью повышения достоверности, дополнительно проводят спектральный анализ преимущественно методом просыпки воздушного дутья в режиме: сила тока дуги i 34+0,5 А, фаза поджига дуги Cf 90+3 , скорость воздушного потока ,5 м/с, масса просыпаемого порошка мг, экспозиция 15 с, при котором определяют интенсивность (tg J) аналитических линий кальция (Са I 272,16 нм) и магния (Mg И 279,08 нм) и по ним - концент:рацию этих элементов по графику, построенному для каждого из элементов . по образцам кальцита и доломита гидротермального генезиса (), сравнивают полученные таким образом концентрации с истинными коицентрациями и при одновременном совпадении результатов по кальцию и магнию судят о гидротермальном высокотемпературном () генезисе доломита; при совпадении результатов по кальцию и в десять раз большему расхождению результатов по магнию судят о гидротермальном высокотемпературном (Т 70°С) генезисе кальцита; при одновременно больших в два раза результатах спектрального анализа по кальцию и магнию судят о биогенном генезисе доломита (долоСЛ мит составляет 70%) или о процес- . се доломитизации по биогенному известняку; при больших в два раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о биогенном генезисе кальцита (в присутствии стронция ,03% арагонита); при больших в полтора раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о хемогенном низкотемпературном () генезисе кальцита; при том хе соотношении по кальцию, но больших чем в два, три раза расхождениях результатов по магнию судят о хемогенном или биохемогенном генезисе смеси кальцита и доломита, в которой доломит составляет от 30 до 70 % или о процессе доломитизации по хемобиогенному или биохемогенному известняку.

где J - полный момент атома; который равен сумме полных орбитального и спинового моментов;IМ1 J, J-1,,., - магнитный момент атома, характеризующий ориентацию в пространстве, oi - поляризуемость; Jfj- и J(j - соответственно интенсивности поляризованной и неполяризованной компонент излучения.

В качестве примера в табл.2 и 3 приведен набор возможных интенсивностей 1 и б компонент для аналитических линий кальция и магния, рас считанный по указанным формулам.

Влияние среднего кристаллического поля на расщегшеш1е энергетических уровней атомов элемента заключается в том, что разрушается спинорбитальная связь и оба вектора L и S прецессируют вокруг направления поля независимо один от другого. В случае сильного кристаллического поля разрушается не только связь суммарных моментов L и S, но и связь мевду орбитальными моментами и спинами отдельных электронов атома. Это в свою очередь приводит к резкому относительной интенсивности аналитической линии элемента.

Зависимость интенсивноетей аналитических линий атомов элементов, полученных при спектральном анализе карбонатной породы от ее генетиче- ; ского типа, выявлена при изучении коллекции (назовем ее эталокиой.) образцов карбонатных пород с известным содержанием анализируемых элементов в пробах. Получив спектроаналитическую информацию в виде 8g J аналитических линий, для каждого элемента строят набор градуиро-, ночных графиков в координатах Eg Jtg С. Набору графиков ставят в еоот,;; ветствие рассчитанные по закономерностям Штарк-эффекта изменение относительной интенсивности аналитической линии элемента. В результат те этого каждому графику, построенному для определенной кристаллической структуры, в которой анализируемый элемент концентрируется в виде собственного минерального соединения или в виде примеси, ставят в соответствие определенное энергетическое-состояние валентной оболочки его атомов. По установленному в результате предварительного изучения эталонной коллекции набору пределов колебаний g J для аналитических линий комплекса породообразующих элементов определяют типы породы, ее состав и генезис. Реализация способа показана на примере определения генезиса карбонатов кальция и магния. Измельченную известным способом, например,дроблением и истиранием до 200 меш, навеску пробы примерно 60 мг просыпают с помощью аппарата для просыгтания проб, например УСА-5, в горизонтальную угольную дугу переменного тока ( А), питающуюся от генератора ДГ-2,величин разрядника которого (0,3мм) обеспечи вает фазуподжига дуги f 90. Дугу стабилизируют потоком воздуха со скоростью 7 м/с. Спектр пробы фотографируют через 10-ти ступенчатый ослабитель Клера, который помещают перед щелью спектрографа, например ДФС-8. Ширина щели спектрографа 10 мк. Спектр фотографируют на пластинки спектральные тип П; чувствительностью 16 ед; проявляют в метол гидрохиноновом проявителе 4 мин. Для контроля за соблюдением условий анализа на каждую пластинку сжи гают стандартный образец с известны содержанием анализируемых элементов На спектррграмме находят спектральные линии, выбранные для опреде ляемых элементов в качестве апалити ческих измеряют их интенсивность в ступенях ослабления с точностью до О,1 ступени. На фиг.1 приведен фрагмент спект рограммы с аналитическими линиями породообразующих элементов, а в табл.2 длины волн аналитических линий породообразуюпщх элементов: Са, Mb, Fe,Si,A.,P,Na,K,Mn,Ti. На фиг.2 и 3 приведены градуировочные графики зависимостей Eg J-tg С для линий Са 1 272, 16 нм и Mg II 279,08 и Для обработки способа определеВИЯ генезиса карбоната кальция . использовались образцы с извест1й.1м содержанием СаО (45-56%). По генези различались: водорослевые известияки из рифогенных отложений кембрия Сибирской платформы; хемогенные известняки межбиогермных отложений того же региона и возраста; кайнозойские гидротермальные кальциты из жил г.Ключевой Баженовского кряжа; органогенный арагонит из современных отложений атолла Фунафути. В указанных карбонатах определялась интенсивность аналитической линии кальция Са 1 272,16 нм, появляющейся в спектрах осадочных пород с начальной концентрации СаО 10%. При графической систематизации дант11х в координатах g J - tg С получили набор градуировочных графиков (фиг.2). Так, график П построен для гидротермальных кальцитов. Соответственно графики II и 1У построены для хемогенных и органогенных известняков. Осуществив сопоставление графических (фиг.2) и теоретических данных по возможному изменению относительной интенсивности аналитической линии кальция (табл, 3), устанавливают следующее: в органогенных известняках и арагоните, в образовании которых принимали участие водоросли и организмы (график 1У), соответствующая относительная интенсивность аналитической линии Са 272,16 нм - 4), на энергетическом уровне атома кальция 4р находится 1 валентный электрон с магнитным квантовьм числом т О, суммарный спиновый момент атома , атом кальция находится в поляризованном состоянии. В хемогенных кальцитах (график III, соответствующая относительная интенсивность линии Са 272,16 нм - 3), на энергетическом уровне атома кальция 4р находится I валентный электрон с магнитным квантовым числом т 1; суммарный спиновый момент атома , атом находится в неполяризосванном состоянии. В гидротермальных кальцитах (график И,соответствующая относительная интенсивность линии - 2), на энергетическом уровне атома кальция 4р находится 1 валентный электрон с магнитным квантовым числом Шр -1, суммарный спиновый момент атома S -5-, атом находится в неполяризованном состоянии.

Полученные данные свидетедьству ют о том, что основным отличительны условием образования органогенных известняков и арагонитов является способность представителей живой природы поляризовать атом кальция. Кроме того, избыток энергии при образовании гидротермального кальци.та из раствора, температура которого (согласно опытным данным) больше 75 С, приводит к изменению спина валентного электрона атома кальция

(), что находится в соответстви

с правилом Хунда.

Таким образом, по интенсивности аналитической линии кальция Са 1 272,16 нм при известном значении его концентрации в пробе, можно судить об условиях образования (генезисе) карбоната кальция. Кроме того, предварительно изучив пределы колебаний fcg J, выраженных в ступенях ослабления линии кальция и аналитических линий других породообраз ющих элементов (табл.2) в образцах эталонной коллекции, можно распознать образ неизвестной карбонатной породы и установить ее гензис.При указанных условиях получения спектрограмм, если выполняются пределы изменения интенсивности линий: tg ,0; tg ,5; tg JM 7,0; Eg V4,5; g VA,0; Ig Jp. 5,0; IK ,0, и если 4, 5,2, что соответствует пределам изменения концентрации окиси кальция 44 CaOs56% по графику И, то такую, породу относят к гидротермальному кальциту. Если при тех же условиях для остальных элементов интенсивность линии кальция меняется в пределах 5,3 tg ,6, что соответствует пределам изменения концентрации окиси кальция 60 СаСХ 83% по графику И, а следовательно вызывает необходимость перехода к графику Ш, так как содержание СаО в карбонатных породах не может превышать 56 %, то такую породу относят к биохемогенному или низкотемпературному хемогенному кальциту. Если изменение интенсивно- сти линии кальция находится в пределах 5, JCQ соответствует 83 СаО 95% по графику IT, ,,63 по графику iii и следовательно вызывает необз5одимость перехода к графику 1У из-за условия СаО €56%, то такую породу относят к хемобиогенному кальциту. При 5,9;$ g «Jca« 6,1 - породу вносят к органогенному образованию (график 1У).

Для отработки способа определения генезиса доломита использовались данные по интенсивности ли0ний кальция (Са 1 272,16 нм) и магния (Mg П 279,08 нм). Набор градуировочных графиков зависимости Cg J от концентрации магния в породах различного состава и генезиса представSлен на фиг.З. Так график 1У построен для ДОЛОШ1ТОВЫХ пород с известным химическим составом. Среди использованных для построения этого графика образцов эталонной коллекции преоб0ладали доломиты и из1вестковистые доломиты с содержанием минерала CaMg(CO) % из рифогенных отложений кембрия Сибирской платформа. Осуществив аналогичные для каль5ция сопоставления графических (фиг.З) и теоретических данных по во9можно-г му изменению относительной интенсивности аналитической линии магния (табл.4), устанавливают, что графику 1У соответствует относительОная интенсивность линии магния, равная 8. Градуировочные графики зависимости g J для линии Са I 272 16 нм от содержания кальция в указанном комллексе пород совпали

5 с графиком 1П (соответствуницая относительная интенсивности линии - 4), если содержание минерала CaMg(COj) 60 % и графиком И (соответствующая интенсивность линии - 3) в остальных ;случаях.

Сопоставление графических и табличных данных позволяет установить

S следующее.Энергетическое состояние валентной оболочки атома кальция в структуре доломита (CaMg(COj),). такое же, как в органогенном карбонате кальция: 1 электрон на уров0не 4р, S -п поля-, ризован.

Энергетическое состояние валентной оболочки атома магния; | электрон на уровне 4 р, S ---, , атом

5 поляризован, т.е. атом магния сохраняет некоторую связь с магнитным полем, чем вероятно, объясняется , по сравнению с кальцитом. магнитная восприимчивость этого минерала , Образование структуры доломита происходит с использованием атомов кальция, подвергнутых первоначальному процессу поляризации под действием электрического поля живых организмов (как это имело место в рифогенных отложениях кембрия Сибирской платформы). Присутствие в окружакнцей среде неполяризованных атомов кальция препятствует образованию доломита и приводит к совместному нахождению доломита, образ тащегося с использованием п ляризованных атомов кальция и хемоге ного кальцита, образуилцегося с испол зованием неполяризованиых атомов кал ция при Т . В подученном опытном путем высоко температурном ( С) хемогенном доломите состояние валентных оболоче атомов кальция и магния отличаются св еобразием: у атома кальция 1 электрон на уровне 4р, 5 m -1, атом неполяризован (относительная интенсивность линии - 2); у атома магния на уровне 4р находится 1 валентный электрон, S -:г, ni 1 или О, атом поляризован. Кроме того,изучив предварительно пределы колебаний tg J, выраженной в ступенях ослабления, ли ний кальция, магния и других породообразующих элементов (табл.2) для эталонных проб, можно распознать образ неизвестной Ca-Mg карбонатной по роды и установить ее генезис. При выполнении указанных условий получения спектрограмм, если 8,6 f.g ,5; 5,3fceg Jcoi5,6 и, кроме Tofo/ g ,05 fg J5.5,5; ig 4,5; tg R ,0; Bg Л„„ . 5,0, TO определяют, что анализируемая доло датовая порода (минерал CaMg(CO)y в ней составляет 70%) имеет органогенное происхождение или образуется при процессе доло омитизации по биогенному известняку. При соблюдении указанных условий для Р, Fe,Si, АЕ, Na, ti, если 8,2 ie ,6 и 5, Jcc,5,5, то определяют, что анализируемая карбонатная порода (минерал CaMg(COa)a составляет в ней 54-70%)имеет хемобиогенное происхождение. При соблюдении указанных условий для Р, Fe, Si, А, Na, Mn если 7,0 te ,2 и 5,5$ Eg ,6, то определяют, что анализируемая карбонатная порода (минерал СаЗЛ(СО) .в ней составляет 50 %) имеет биохемогенное происхождение. При тех же условиях для ocTanbffliix породообразующих элементов если tg J 4,2 и tg ,0, то определяют, что анализируемая доломитовая порода имеет хемогенное происхождение при ТЭ:100°С. Предложенное решение по сравнению с известными минералого-геохимическими методами позволяет увеличить достоверность определения генезиса горных пород за счет того, что вскрываются энергетические закономерности, определяющие образование связей мезеду элементами при постро ении минералов горной породы. Предлагаемый способ прост в реализации, не требует сложной аппаратуры и больших временных затрат. Таблица 1 Линия элемента, нм Элемент

e t

4 f

t cr

A с A, Я. r S Д

« M

I

Л i

M 7 Т

I e

2 Л JP

i

Г4

s

I 7 7 т

ж

ЧХ

I. in

Л

«s

tf

i

o

«

H

M N

M «V

% 1Л «Л

о Э r . «Л JI r tt n о

Я:l«

«I

«S

I

«Ч

5

t

I 3

t

«ft

Sj

Sf

N

Q

Фиг.1

f о - Nj i4CtSy.j , ts t - oi vicov .-- Nj 4 f

Фиг.г

г / -- M -fc Ч /1 C f f ,-. j Cj «f r Vn «Л

Фиг 3