Способ определения генезиса карбонатных пород

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (! () 4(5(1 6 01 V 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3630428/24-25 (22) 19.05.83 (46) 23.06.85. Бюл. В 23 (72) Л.Д.Малюшко (71) Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья

1 (53) 550. 84 (088. 8) (56) 1.Справочное руководство по петрографии осадочных пород. Л., Гос. научно-техническое нэд-во неф- тяной и горно-топливной литературы, 1958, т. 1, с.240-245.

2. Сауков А.А. Геохимические методы поиска месторождений полезных ископаемых. М., МГУ, 1963, с.457 (6 1 (нрототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕНЕЗИСА

КАРБОНАТНЫХ ПОРОД, включающий отбор геологических проб и проведение ана-лиза с определением концентраций химических элементов и суждение о гене-, зисе по величине их соотношений концентраций, о т л и ч а ю щ и й,с я тем, что,.с целью повышения достоверности, дополнительно проводят спектральный анализ преимущественно ме-, тодом просыпки воздушного дутья в режиме: сила тока дуги i = 34+0,5 А, фаза поджига дуги cp = 90+3, скорость воздушного потока ч=7 0,5 м/с, масса просыпаемого порошка ш=60+5 мг, экспозиция 15 с, при котором определяют интенсивность (fg J) аналитических линий кальция (Са t 272,16 нм) и магния (М П 279,08 нм) и по ним — концентрацию этих элементов по графику, построенному для каждого иэ элементов по образцам кальцита н доломита гидротермального гепезиса (Т > 10000С), сравнивают полученные таким образом концентрации с истинныии концентрациями и при одновременном совпадении результатов по кальцию и магнию судят о гидротермальном высокотемпературном (Т > 100 С) генезисе доломита; при совпадении результатов по кальцию и в десять pas большему расхождению результатов по магнию судят о гидротермальном высокотемпературном {T ) 70 C) генезисе кальцита; при одновременно больших в два раза результатах спектрального анализа по кальцию и магнию судят о биогенном генезисе доломита (доломит составляет р 70X) или о процес- . се доломитизации по биогенному известняку; при больших в два раза по кальцию и в десять pas по магнию результатах спектрального анализа судят о биогенном генезисе кальцита (в присутствии стронция 5r 0,03Х арагонита); при больших в полтора раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о хемогенном ниэкотемпературном (Т(40 С) генезисе кальцита; прн том же соотношении по кальцию, но больших чем в два, три раза расхождениях результатов по магнию судят о хемогенном нли биохемогенном генезисе смеси кальцита и доломита, в которой доломит составляет от 30 до 70 7 или о процессе доломнтиэации по хемобиогенному или биохемогенноиу известняку.

1163302

Изобретение относится к геохимии и может быть применено при изуче нии карбонатных пород с целью использования их характеристик для выявления геохимических законо- 5 мерностей минерало- и породообразования, Известен способ определения генезиса горных пород; включающий проведение микроскопического анализа и выявления совокупности петрографических данных P) .

Однако микроскопический метод не всегда точен. Например, для получения аргументированного вывода !5 о генезисе карбонатной породы привлекаются также и другие виды анализа;изотопный, электронномикроскопическнй, рентгеноструктурный, рентгенотермолюминесцентный. Все это требует большого объема исследований и ассигнований, а также высокого класса специалистов исследователей.

Наиболее близким к изобретению 2S по технической сущности и достигаемому результату является способ определения генезиса горных пород, в том числе и карбонатных, включающий отбор геологических проб, ана- щ лиэ с определением концентраций химических элементов,, определение типоморфного комплекса химических элементов, характеризующий определенный генетический тип горных пород и суждение о принадлежности исследуемой горной. породы к тому или иному генетическому типу по величине концентраций элементов типоморфного комплекса (2J .

Однако в результате наложения на горные породы различных экзогенных геологических процессов содержание химических элементов, особенно микропримесей, может эначитель-45 но изменяться, в результате чего этот способ становится не эффективным °

Цель изобретения — повышение достоверности при определении генези-5О са карбонатных пород.

Поставленная цель достигается тем,что согласно способу определения генезиса карбонатных пород, включающему отбор геологических - 55 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 в режиме: сила тока дуги i=34+0,5 А фаза поджига дуги g =90+3, скорость воздушного потока v=7+0,5 м/с, масса просыпаемого порошка ш=60+

+5 мг, экспозиция 15 с, при котором определяют интенсивность (fg J) аналитических линий кальция (Са I

272,16 нм) и магния (Мя П 279,08 нм) и по ним — концентрацию этих элементов по графику, построенному для каждого из элементов по образцам кальцита и доломита гидротермального генезиса (Т Г 100 С) сравнивают полученные таким образом концентрации с истинными концентрациями и при одновременном совпадении результатов по кальцию и магнию судят о гидротермальном высокотемпературном (Т >100 С) генезисе доломита; при совпадении результатов по кальцию и в десять раз большему расхождению результатов .по магнию судят о гидротермальном высокотем-. пературном (Т > 70 С) генезисе кальцита; при одновременно больших в два раза результатах спектрального анализа по кальцию и магнию судят о биогенном генезисе доломита (доломит составляет o70X) или о процессе доломитизации по биогенному иэвестняку, при больших в два раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о биогенном генезисе кальцита (в присутствии стронция

Sr 3 О,ЗХ вЂ” арагонита); при больших в полтора раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о хемогенном о низкотемпературном (Т < 40 С) генезисе кальцита; при том же соотношении по кальцию, но, больших чем в два, три раза расхождениях результа.тов по магнию судят о хемогенном или биохемогенном генезисе смеси кальета и доломита, в которой доломит составляет от 30 до 707 или о процессе доломитизации по хемобиогенному или биохемогенному известняку .

Возможность определения генезиса пород предлагаемым способом основана на том, что энергетическое состояние атомов элемента входящего в состав вещества, определяется симметрией поля з 1! 63302 4 кристаллической структуры,в которой Различаются случаи слабого, средатомы элемента занимают опреде- него и сильного кристаллического по-, ленное положение. Поле кристалли- ля. Влияние слабого поля заключаетсяческой структуры имеет электрический в расщеплении и прецессии вокруг напхарактер и под его влиянием происходит равления. поля суммарного полного расщепление вырожденных уровней ато- вектора количества движения атома ма. Этот эффект прежде всего каса- J(J--L+S где L — - суммарный вектор ется уровней наиболее удаленных от орбитального, S - суммарный вектор ядра внешних (валентных) электронов спинового моментов количества движеатома. Последние при своих переходах 1О ния). Расщепление вектора J в свою излучают кванты энергии, которые в очередь приводит .к квантованному виде интенсивности спектральных линии изменению интенсивности спектральных являются характеристиками процессов, линий элемента, .которая определяетизучаемых с помощью спектрального ся (при поперечном наблюдении) по анализа. следующим формулам: где J — полный момент атома; который ранен сумме полных орби тального и спинового моментов;1И Л, J 1,... — магнитный момент атома, характеризующий ориентацию атома в пространстве, — поляризуемость; 31 и Jg — соответственно интенсивности поляризованной и неполяризованной компонент излучения.

В качестве примера в табл.2 и 3 приведен набор возможных интенсивностей % и д компонент для аналитических линий кальция и магния, рас-. 40 считанйый по указанным формулам.

Влияние среднего кристаллического поля на расщепленные энергетических уровней атомов элемента заклю-,. 45 чается в том, что разрушается спинорбитальная связь и оба вектора L и S прецессируют вокруг направления поля независимо один от другого.

В случае сильного кристаллического 50 поля разрушается не только связь суммарных моментов L и S, но и связь между орбитальными моментами и спинами отдельных электронов атома.

Это в свою очередь приводит к рез- 55 кому снижению относительной интенсивности аналитической линии элемента.

Зависимость интенсивностей аналитических линий атомов элементов, полученных при спектральном анализе карбонатной породы от ее генетиче, ского типа, выявлена при изучении коллекции (назовем ее "эталонной" ) образцов карбонатных пород с известным содержанием анализируемых эле- ментов в пробах. Получив спектроаналитическую информацию в виде

fg J аналитических линий,,для каждого элемента строят набор градуиро", вочных графиков в координатах Eg JFg С. Набору графиков ставят в-еоот ветствие рассчитанные по закономер- костям Штарк-эффекта изменение относительной ННТВНсНВНосТН аналитической линии элемента. В результа. те этого каждому графику, построен" ному для определенной кристаллической структуры, в которой анализируемый элемент концентрируется в ви1163302 де собственного минерального соединения или в виде примеси, ставят. в соответствие определенное энергетическое:состояние валентной оболочки его атомов. 5

По установленному в результате предварительного изучения эталонной коллекции набору пределов колебаний

Eg J для аналитических линий комплекса пбродообразующих 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 просыпания проб, напри- 20 мер УСА-5, в горизонтальную угольную дугу переменного тока (i=34 А), питающуюся от генератора ДГ-2,величина разрядника которого (0,3мм ) обеспечивает фазу поджига дуги = 90 . Дугу стабилизируют потоком воздуха со скоростью 7 м/с. Спектр пробы фотографируют через 10-ти ступенчатый ослабитель Клера, который помещают перед щелью спектрографа, напри- щ мер ДФС-8. Ширина щели спектрографа

10 мк. Спектр фотографируют на пластинки спектральные тип П; чувствительностью 16 ед; проявляют в метолгидрохиноновом проявителе 4 мин.

Для контроля за соблюдением условий анализа на каждую пластинку сжигают стандартный образец с известным содержанием анализируемых элементов.

На спектрограмме находят спект- © ральные линии, выбранные для определяемых элементов в качестве аналитических, измеряют их интенсивность в ступенях ослабления с точностью до 0,1 ступени, g$

На фиг,! приведен фрагмент спектрограммы с аналитическими линиями породообразующих элементов, а в табл.2 длины волн аналитических линий породообразующих элементов: Са, у

Мо, Fe,Si,AE.,Ð,Na,К,Mn,Ti. На фиг.2 и 3 приведены градуировочные графики зависимостей I, g J-Eg С для линий Са 1 272, 16 нм и Mg 11 279,08 нм.

Для обработки способа определения генезиса карбоната кальция использовались образцы с известным содержанием СаО (45-563). По генезису различались: водорослевые известняки из рифогенных отложений кембрия

Сибирской платформы; хемогенные из- . вестняки 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 > IOX. При графической систематизации данных в координатах Rg J †. Eg С получили набор градуировочных графиков (фиг.2). Так, график П построен для гидротермальных кальцитов. Соответственно графики

Ill u IY 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 IУ), соответствующая относительная интенсивность аналитической линии Са 272,16 нм — 4), на энергетическом уровне атома кальция 4р находится 1 валентный электрон с магнитным квантовым числом m = О, сум1 марный спиновый момент атома S-у-, атом кальция находится в поляризованном состоянии.

В хемогенных кальцитах (график Ш, соответствующая относительная интенсивность линии Са 272, 16 нм — 3), на энергетическом уровне атома кальция 4р находится I валентный электрон с магнитным квантовым числом в = 1; суммарный спиновый момент атома !

S=- — атом находится в неполяризованном состоянии.

В гидротермальных кальцитах

{график 11,соответствующая относительная интенсивность линии — 2), на энергетическом уровне атома каль ция 4р находится 1 валентный электрон с магнитным квантовым числом ае =-1, суммарный спиновын момент атома S ! атом находится в неполяризо2 ванном сос тоянии .! 163302

10 тальных:случаях.

Полученные данные свидетельствуют о том, что основным отличительным условием образования органогенных известняков и арагонитов является способность представителей живой природы поляризовать атом кальция.

Кроме того, избыток энергии при образовании гидротермального кальцита иэ раствора, температура которого (согласно опытным данным) больше о

75 С, приводит к изменению спина валентного электрона атома кальция (8 †) что находится в соответствии

1 с правилом Хунда.

Таким образом, .по интенсивности аналитической линии кальция

Са I 272,16 нм при известном значении его концентрации в пробе, можно судить об условиях образования (генезисе) карбоната кальция. Кроме того, предварительно изучив пределы колебаний fg J, выраженных в ступенях ослабления линии кальция и аналитических линий других породообраэу ющнх элементов (табл.2) в образцах

"эталонной" коллекции, можно распознать "образ" неизвестной карбонатной породы и установить ее генезис.При указанных условиях получения спектрограмм, если выполняются пределы изменения интенсивности линий: fg Jð 5,0; fg Л ; с< 5,5; Pg Ля ( 5,0; Eg д„„„ 5,0, и если 4,8 < Ф8 Л & 5,2, что соответствует пределам изменения концентрации окиси кальция 44 (CaOa56X по графику П, то такую. породу относят к гидротер.— мальному кальциту. Если при тех же условиях для остальных элементов интенсивность линии кальция меняется в пределах 5,3 с 7g Л 5,6, что соответствует пределам изменения концентрации окиси кальция 60 6 Са04

<83% по графику П, а следовательно вызывает необходимость перехода. к графику !П, так как содержание

СаО в карбонатных породах не может превышать 56 %, то такую породу относят к биохемогенному или низкотемпературному хемогенному кальциту. Если изменение интенсивнот, сти линии кальция находится в пределах 5,6 c Eg J< 5, 9, что соответствует 83 (СаО 95% по. графику П,,55 СаО 63 по графику iIi и следовательно вызывает необходимость перекода к графику 1У иэ-.за условия СаО Е 56% то такую породу относят к хемобиогенному кальциту.

При 5,9а ag Л .6 1 - породу вносят к органогенному образованию (график 17), Для отработки. способа определения генезиса доломита использовались данные по интенсивности линий кальция (Са 272,16 нм) и магния (Mg ll 279,08 нм). Набор градуировочных графиков зависимости fg J от концентрации магния в породах различного состава и генезиса представлен на фиг.3. Так график 17 построен для долоьятовых пород с известным химическим составом. Среди испальэованных для построения этого графика образцов "эталонной коллекции преобладали доломиты и известковистые. доломиты с содержанием мйнерала

CaMg(C0>)>>50 X иэ рифогенных отложений кембрия Сибирской платформы. Осуществив аналогичные для кальция сопоставления графических (фиг.3) и теоретических данных IIo возможно-. му изменению относительной интенсивности аналитической линии магния (табл.4), устанавливают, что графику 1Ó соответствует относительная интенсивность линии магния, равная 8. Градуировочные графики зависимости Cg Л для линии Са I

272, 16 нм от содержания кальция в указанном комплексе пород совпали с графиком 1Il (соответствующая относительная интенсивности линии — 4), если содержание минерала СаИ8(СО )+ 60 Х и графиком П (соответствующая интенсивность линии — 3) в осОопоставление графических и табличных данных позволяет установить следующее. Энергетическое состояние валентной оболочки атома кальция в структУРе доломита (СаИ8(СО ) ). такое же, как в органогенном карбонате кальция: 1 электрон на уровне 4р S - - m = О атом поля-, е риэован.

Энергетическое состояние валентной оболочки атома магния: I электрон

1 уровне 4 p, S m 1 атом поляризован, т.е. атом магния сохраняет некоторую связь с магнитным полем, чем вероятно, объясняется бохц шая, по сравнению с кальцитом, 1163302

10 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 окружающей среде неполяризованных атомов кальция препятствует образованию доломита и приво. дит к совместному нахождению доломита, образующегося с использованием по-1э ляриэованных атомов кальция и хемогенного кальцита, образующегося с использованием неполяризованных атомов кальция npH T «(40 С, В полученном опытном путем высоко- ® о температурном (T 120 С) хемогенном доломите состояние валентных оболочек атомов кальция и магния отличаются своеобразием: у атома кальция 1 электрон на уровне 4р, Я - вЂ, ше=-l, атом

4 не поляри з о ван (от но сительная интенсивность линии — 2); у атома магния на уровне 4р находится 1 валентный

1 электрон, S †. вЂ, гп 1 или О, атом поляризован, Кроме того, изучив пред- 39 варительно пределы колебаний Rg J, выраженной в ступенях ослабления, линий кальция, магния и других породообраэующих элементов (табл.2) для эталонных проб, можно распознать образ неизвестной Ca--Mg карбонатной породы и установить ее генезис.

При выполнении указанных условий получения спектрограмм, если 8,6

< fg J 9 5; 53е fg J 56 и, кроме того, Eg Л (5,0; Fg Д.(5,5; fg 3> с

< 4,5; fg 3, <4,0; В8 J>c5,0; Eg д,„„<, 5,0, то определяют, что анализируемая доломитовая порода (минерал

CaMg(CO>) < в ней составляет >70X) щ имеет органогенное происхождение или образуется при процессе долотомитиэацин по биогенному известняку.

Таблица 1

Линия элемента, нм

Элемент

272,16

279,08

292,66

298,76

265,25

255,33

330, 23

344,67

307,52

293.30

Са

Ир.

Fe

S1

АВ

Na

К

Ti

Ип

При соблюдении указанных условий для P, Fe,Si, AR, Na, 11п, если 8,24 (Ц JHg8 6 и 5 4с g Зс 5,5 то определяют, что анализируемая карбонатная порода (минерал CaMg (COq) a составляет в ней 54-703)имеет хемобиогенное происхождение, При соблюдении укаэанных условий для P, Fe, Si, AE, Na, Мп если 7,0 4

«с gg .1у,р8,2 и 5,5с Cg .1с 5,6, то определЪют, что анализируемая карбонатная порода (минерал CaMg(C0>Q ,в ней составляет <50 %) имеет биохемогенное происхождение, При тех же условиях для остальных породообраэующих элементов если Eg J

ig Зр г=8,0, то определяют, что анализируемая доломитовая порода имеет хемогенное происхождение при

Т>100 С.

Предложенное решение по сравнению с известными минералого-геохимическими методами позволяет увеличить достоверность определения генезиса горных пород sa счет того, что вскрываются энергетические закономерности, определяющие образование связей между элементами при построении минералов горной породы, Предлагаемый способ прост в реализации, не требует сложной аппаратуры и больших временных затрат.

1163302 о

l Р а

lc б

Ц оg

1х !., ах о о ду55($3х

„rv

1 х х сч . и 4ч w cv с ° » м м

Ф х х хх бч с»

° м

4ч» м

a" iГх d a

1 ! к

KcIx as э о аоэ и кL Фе

Ю Ъ

Ю»

Ъ Ф

Ф

Ю

I сч м е ч т щ, еч м . ч с м »» Фч

ei

»»

Фч Ф4 °

° ч

Ф! к5» у ох

ER х с

1 О Ф ф t ае у

Лка

Ь х

5l о

CI х сс

v u х х

lO о х ъ х мФ а I сс

Ц о б

П

lll М

° I +

»

»а

I сЧм

Фч м м б н б

I »

О\ \Ъ

+ б

Ф

»

° Ф о\ к

Ф4

l

tV с м

CV

И

Х б

° Ф б ь

1

cv

Ф

<ч

-о

М б

Ю б Ф

Ю к .Ф

Фч

+

1 ь, еч сч и.е

» б О1 О

° Е б б Ф ф»»

1 вел и

Л н

Ф Ф

В б

)}б3302 сЪ

0 сч

Х сч

° сЪ

° ч сч сч

II

° Э

В. !

N с Ъ

В

Х сч

1I сс\

М сч ссЪ

В

° Ф

N eV а

cv !

° Ф

° ч !

° Юв

C)

° в

° В

Ф ,.й м 3 м е а!

3 ссЪ

1 с1 а, Ф Ф

li

-Ф э

Ъ

Ф»

I сс

l ч сl

1С

В

"Ъ

В

° сс ф

IA сч к сч

В в

ВВ сч

О, C I ссЪ

II О

:ч

В

1 ссЪ сч

И сч

В

N cV с., 3 сч с» Г сч

ccI

В Р г »

° Ф

Ц\

К сч

l с

N N с фФ Ъ

В I

Зй М"

N eV а

6Ъ.Ф

Р\

t сч . с». с:

Х

I1

"О

СЧ N N съ съ

М Я ВВ

1 163302

Ф

Фиг.!

1163302

1163302

Ф™O 4д

М

47иг. 3

Составитель А. Величко

Редактор P. Цицика Техред T.Èàòî÷êà Корректор И.Муска

Заказ 4102/47 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4