Способ выявления восстановительной среды минералообразования в магме Советский патент 1992 года по МПК G01N23/00 G01V9/00 

Изобретение относится к способам определения условий образования магматических объектов, в частности к способам для выявления восстановительного режима в магме в период кристаллообразования с помощью электронной микроскопии.

Восстановительная среда минералообразования - важный фактор сегрегации рудных компонентов, так как большинство последних, обладая высоким средством к кислороду, в восстановительных условиях остаются свободными и накапливаются в поздних дифференциатах магмы. Выявление восстановительной среды минералообразования в магматических телах поэтому может способствовать правильному прогнозированию и направлению поисковых работ.

Известны способы идентификации восстановительной обстановки в магме на основе обнаружения газов-восстановителей в газово-жидких включениях в минералах 1 и по наличию самородных минералов в породе 2,

Однако первый способ требует специального поиска и отбора фаз, содержащих подобные включения, и использования специальной аппаратуры для идентификации газов во включениях. Кроме того, наличие газов-восстановителей во включениях отдельных выборочных зерен минералов не означает еще, что и вся среда минералообVI

ю

00

VI

.fcb

GJ

разования была восстановительной, т.е. способ недостаточно надежен.

Для обнаружения самородных минералов приходится отбирать большие (10 кг) пробы, дробить их, специально обрабаты- вать на флотационном столе и тяжелыми жидкостями, выделенные фазы тяжелой фракции идентифицировать различными методами (петрографическим, рентгеновским, микрорентгеноспектральным и др.). Кроме того, сами самородные минералы, как правило, редко встречаются в породе, обычно образуются на заключительных стадиях кристаллизации и поэтому не могут целиком характеризовать окислительно- восстановительную обстановку в кристаллизующемся расплаве.

Известен также способ выявления восстановительной среды минералообразова- ния в магме, в котором бомбардируют вскрытую внутреннюю зону кристаллов главных породообразующих материалов или стекла в вакууме ( - Па) сфокусированным пучком электронов с энергией 1-3 кэВ, записывают спектры оже-электро- нов элементов, по особенностям их тонкой структуры выявляют восстановленные формы элементов в минералах и стеклах и на основании этого судят о восстановительной среде минералообразования в магме 3.

Основными недостатками известного способа является его недостаточная чувствительность, сложность и дороговизна. Это связано с тем, что выход оже-электронов на несколько порядков ниже выхода истинно вторичных электронов и для регистрации тонкой структуры оже-спектров, связанной с восстановленными формами элементов, необходимы сложная усилительная аппаратура, сверхвысокий ( - Па) вакуум, высокоразрешающие анализаторы энергий.

Целью изобретения является повышение чувствительности, упрощение и удешевление способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения восстановительной среды минералообразования с магмой, включающем отбоо проб стекол или кристаллов главных породообразующих мине- ралов, бомбардировку вскрытой внутренней зоны оразца в вакууме сфокусированным пучком электронов, регистрацию вторичного излучения, бомбардировку внутренней зоны образца первичным пуч- ком электронов производят с энергиями 8-25 кэВ в вакууме ± - Па, причем одновременно с бомбардировкой образец нагревают в интервале 300-450 К, измеряют истинную вторичную электронную эмиссию

в указанном диапазоне температур и по характеру этой зависимости выявляют восста- новленые формы в стеклах и породообразующих минералах, на основании его судят о восстановительной среде минералообразования в магме.

В основе предлагаемого способа лежит впервые обнаруженное свойство кристаллов и стекол земных и лунных магматическихпородконсервироватьвосстановленные (с пониженной валентностью) химические элементы, концентрирующиеся в микрообластях размером порядка десятка микрон, случайно распределенных среди кристаллов и стекол.

Физическая основа метода заключается в том, что, как показало изучение авторами искусственных эталонов, выход истинных вторичных электронов 1ВТ, возникающих под действием электронного пучка в веществах, склонных к восстановлению (в том числе и для природных магматических минералов и стекол), существенно зависит от температурного хода концентрации электронов в зоне проводимости. Обнаружено, что при наличии .восстановленных форм (полупроводниковый характер электронной структуры) температурная зависимость выхода вторичных электронов имеет характер кривой с максимумом при температуре, опреде- ленной для каждого вещества, но в диапазоне 300-450 К.

В случае невосстановленных форм (диэлектрический характер электронной структуры) выход эмиссии слабо зависит от температуры.

На фиг. 1 представлены оже-спектры титана (416 эВ) для кристаллов титаната стронция, где 1 - неотожженных полностью окисленных (невосстановленных), 2 - ото- женных в вакууме в течение 2 ч при 870 К; 3 - в течение 1 ч при 1070 К; 4 - в течение 1 ч при 1270 К; (по оси абсцисс - температура в К, по оси ординат интенсивность эмиссии оже-электронов в произвольных единицах).

На фиг. 2 -температурные зависимости выхода вторичных электронов для кристаллов титаната стронция, где 1 - неотожженных полностью окисленных (невосстановленных); 2 - отраженных в вакууме 2 в течение 2 ч при 870 К; 3 - втечение 1 ч при 1070 К; 4 - в течение 1 ч при 1270 К (по оси абсцисс - температура в К, по оси ординат - выход вторичных электронов в условных единицах).

На фиг. 3 - температурная зависимость выхода вторичных электронов для скола породообразующего кристалла пироксена с острова Фогу, где 1 -окисленные (невосстановленные) участки; 2 - участки, обогащённые восстановленными формами элемен- тов.

На фиг. 4 - температурная зависимость выхода вторичных электронов для частиц вулканического лунного стекла, где 1окисленные (невосстановленные участки),12 - участки, обогащенные восстановленными формами элементов.

Способ определения восстановительной среды минералообразования в магме состоит в следующем.

Сначала отбирают пробу: свежие не измененные выветриванием стекла или отдельныекристаллыглавныхпородообразующих минералов. Предпочте- ние отдается образованиям, содержащим Si, Tl, Fe, Al - элементы, которые, как показали независимые исследования, склонны образовывать восстановленные формы в природных образованиях. Проба раздавли- вается и обломки с вскрытыми внутренними зонами помещаются в углубления медной пластинки - подложки. Величина обломков может не превышать 50 мкм.

Затем препарат помещают в камеру электронного микроскопа с вакуумом 10 - 10 Па, облучают сфокусированным пучком первичных электронов с энергией 8-25 кэВ и область облучаемой поверхности образца 10 - 10 кв.мкм, одновременно нагревая образец от 300 до 450 К и измеряя вторично-электронную эмиссию с помощью стандартного простого детектора вторичных электронов.

Анализ проводят в различных областях поверхности образца. Затем строят кривые зависимости интенсивности выхода истинных вторичных электронов от температуры. Если на этих кривых имеется максимум в диапазоне температур 300-450 К, то гово- рят о наличии восстановленных форм элементов. При отсутствии максимума на данной кривой (ее независимость от температуры) - об отсутствии восстановленных .форм. Диапазон указанных температур(300- 450 К) подобран эмпирически, так, чтобы он удовлетворил практически всем образцам минералов и стекол магматических пород для земных и лунных условий восстановления.

В случае снижения температуры нагрева образца ниже 300 К происходит зарядка образцов, может оказаться недостаточной эмиссия вторичных электронов. При повышении температуры выше 450 К на общем повышенном фоне эмиссии вторичных электронов могут не выявиться ее аномалии. Если энергия пучка первичных электронов несоответствует значению 8-25 кэВ наблюдаются сходные отрицательные эффекта. Указанный уровень вакуума - Па необходим и достаточен для нормального функционирования всей измерительной системы.

П р и м е р 1. Берут образцы титаната стронция: исходный (полностью окисленный невосстановленный) и искусственно восстановленные путем отжига в вакууме при Т 870, 1070. 1270 К. У всех образцов путем их дробления вскрывают внутренние зоны и получают оже-спектры титана в оже- спектрометре (вакуум 10 - Па) (фиг. 1), характеризующие отсутствие восстановленных форм при температурах отжига до 1070 К, наблюдается расщепление линии оже-перехода с энергией 416 эВ, спектры 1-2, либо их наличие при температурах отжига 1070 К, наблюдается расщепление линии, оже-спектры 3-4. Затем в вакууме - при энергии первичного электронно: го пучка 25 кзВ в другом приборе получают температурные зависимости истинно вторичной электронной эмиссии (фиг. 2 в интервале 300 - 450 К).

Таким образом, оже-спектроскопия обнаруживает восстановленные формы только при больших концентрациях последних, соответствующих условиям отжига 1070 К, в то время, как предлагаемый способ (вторично- электронная эмиссия) (фиг. 2) выявляет восстановленные формы уже при их малых концентрациях (после отжига 870 К, кривая 2). Это доказывает более высокую чувствительность предлагаемого способа в сравнении с известным.

Пример 2. Исследовался скол кристалла породообразующего пироксена с острова Фогу (архипелаг островов Зеленого Мыса). В подобных кристаллах ранее методом оже-спектроскопии были выявлены участки, обогащенные восстановленными формами элементов Si, Fe, Tl. Образец облучают в вакууме до 10 Па потоком первичных электронов с энергией 25 кэВ, одновременно нагревая от 300 до 450 К и регистрируя вторично-электронную эмиссию. Всего было проанализировано десять участков на экспонированной поверхности. Для каждого из них строилась кривая зависимости вторично-электронной .эмиссии от температуры, Шесть кривых имеют максимум эмиссии при температурах 430 К (на фиг. 3 кривая 2 ), на четырех кривых подобный максимум отсутствует (на фиг. 3 кривая 1),

Полученные результаты свидетельствуют о наличии восстановленных форм элементов в шести изученных участках и об отсутствии подобных форм в четырех других анализированных участках. Наличие участков с принципиально различным характером вторично-электронной эмиссии при одних и тех же параметрах эксперимента означает также, что восстановленные формы элементов в пироксене не являются на- веденными, возникшими под воздействием облучения, а изначально были присущи минералу.

Г) р и м е р 3. Берут частичку зеленого лунного вулканического Стекла и проиэво- дот те же действия, что и в примере 2, но С энергией потока первичных электронов 8 кэб. Регистрируют вторично-электронную эмиссию на 5 участках (фиг. 4). По виду кривых 1 и 2 на фиг. 4 делают вывод, что на двух участках в частичке стекла содержатся восстановленные формы элементов (одна из подобных кривых с максимумом - кривая 2), на трех участках восстановленных форм нет (одна из подобных кривых без максимума - кривая 1).

Предлагаемым способом изучались земные и лунные стекла и кристаллы магматического генезиса, В большей части образцов магматических стекол, пироксенов, измельнитов земных магматических пород восстановленные формы не обнаружены. Однако по наличию ярко выраженных максимумов 1ВТ в диапазоне температур 300450 К от отдельных внутренних зон некоторых земных породообразующих, пироксенов, стекол лав, лунных стекол, ильменитов и пироксенов наблюдаются восстановленные элементы, что свидетельствует о существовании восстановительной среды минералообразования в магме. Формула изобретени я Способ выявления восстановительной среды минералообразования в магме, включающий отбор проб стекол или кристаллов главных породообразующих минералов, бомбардировку вскрытой внутренней зоны образца в вакууме сфокусированным пучком электронов и регистрацию вторичного излучения, отличающийс я тем. что, с целью повышения чувствительности, упрощения и удешевления способа, бомбардировку вскрытой внутренней зоны образца производят пучком электронов с энергией 8-25 кэВ, при одновременном нагреве образца в диапазоне температур 300-450 К, измеряют зависимость интенсивности истинно вторичных электронов от температуры в указанном диапазоне температур и по наличию максимумов на этой зависимости судят о восстановленных формах элементов в стеклах и породообразующих минералах и о восстановительной среде в магме.

290

340 390

.З

440 Т,К

290340 390

ФагЛ

т,к

Изобретение относится к способам обнаружения геологических объектов с применением электронной микроскопии и может быть использовано в минералогии, геологии для выявления флюидного восстановительного режима в магме в период кристаллообразования. Целью изобретения является повышение чувствительности, упрощение и удешевление способа. Отбирают пробы стекол и кристаллов главных породообразующих минералов, бомбардируют в вакууме внутренние зоны образца, нагретые до 300-450 К, первичным пучком электронов с энергиями 8-25 кэВ и по характеру изменения вторичной эмиссии от темпера туры выявляют восстановленные формы элементов. По наличию указанных форм элементов судят о восстановительной среде минералообразования магмы. 4 ил., 3 пр. fe