Способ выявления восстановительной среды минералообразования в магме

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 д

l (21) 4710889/25 (22) 06.06.89 (46) 23.04.92. Бюл. М 15 (71) Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии

АН СССР (72) Н.А. Ашихмина, О.А. Богатиков, Н.В. Садовская, Ю,Я. Томашпольский и

Д,И. Фрих-Хар (53) 550.83(088.8) (56) 1, Ермаков Н.П., Долгополов Ю.А. Термобарогеохимия. — М,: Наука, 1979, с. 270.

2. Новгородова M.È, Самородные металлы в гидротермальных рудах. — М.: Наука, 1983; с. 285.

3. Авторское свидетельство СССР

М 1326970, кл, 6 01 V 9/00, 1985. (54) СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ МИНЕРАЛООБРДЗОВАНИЯ В МАГМЕ

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 прогно(s1)s 6 01 N 23/00, G 01 V 9/00 (57) 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. 3 зированию и направлению поисковых работ. 00

Известны способы идентификации восстановительной обстановки в магме на ос- ф, нове. обнаружения газов-восстановителей в газово-жидких включениях в минералах (1) и по наличию самородных минералов в по.- роде f2).

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 минералооб1728743 разования была восстановительной, т,е. способ недостаточно надежен.

Для обнаружения самородных минералов приходится отбирать большие (10 кг) пробы, дробить их, специально обрабаты- 5 вать на флотационном столе и тяжелыми жидкостями, выделенные фазы тяжелой фракции идентифицировать различными методами (петрографическим, рентгеновским, микрорентгеноспектральным и др.). 10

Кроме того, сами самородные минералы, как правило, редко встречаются в породе, обычно образуются на заключительных стадиях кристаллизации и поэтому не могут целиком характеризовать окислительно- 15 восстановительную обстановку в кристаллизующемся расплаве.

Известен также способ выявления восстановительной среды минералообразования в магме, в котором бомбардируют 20 вскрытую внутреннюю зону кристаллов главных породообразующих материалов или стекла в вакууме (10 — 10 Па) сфокусированным пучком электронов с энергией

1-3 кэВ, записывают спектры оже-.электро- 25 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 (31, 30

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 35 вторичных электронов и для регистрации тонкой структуры оже-спектров, связанной с восстановленными формами элементов, необходимы сложная усилительная аппаратура, сверхвысокий (10 — 10 Па) вакуум, 40 высокоразрешающие анализаторы энергий, Целью изобретения является повышение чувствительности, упрощение и удешевление способа. 45

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения восстановительной среды минералообразования с магмой, включающем отбоо пооб стекол или кристаллов главных породообразующих мине- 50 ралов, бомбардировку вскрытой внутренней зоны оразца в вакууме сфокусированным пучком электронов, регистрацию вторичного излучения, бомбардировку внутренней зоны образца первичным пуч- 55 ком электронов производят с энергиями

8-25 кэВ в вакууме +. 10 — 10 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 восстановленые формы в стеклах и породообразующих минералах, на основании его судят о восстановительной среде минералообразования в магме.

8 основе предлагаемого способа лежит впервые обнаруженное свойство кристаллов и стекол земных и лунных магматических пород консервировать восстановленные (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!". 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, определенной 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 — отоженных в вакууме в течение 2 ч при 870 К; 3 — в течение 1 ч при 1070 К; 4 — e 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, обогащен1728743 ные восстановленными формами элементов.

На фиг. 4 — температурная зависимость выхода вторичных электронов для частиц вулканического лунного стекла, где 1 — 5 окисленные (невосстановленные участки); 2 — участки, обогащенные восстановленными формами элементов.

Способ определения восстановительной среды минералообразования в магме 10 состоит в следующем.

Сначала отбирают пробу; свежие не измененные выветриванием стекла или отдельные кристаллы главных породообразующих минералов. Предпочте- 15 ние отдается образованиям, содержащим

Si, Ti, Fe, Al — элементы, которые, как показали независимые исследования, склонны образовывать восстановленные формы в природных образованиях. Проба раздавли- 20 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 25 электронного микроскопа с вакуумом 10

10 Па, облучают сфокусированным пучком первичных электронов с энергией 8- 25 кэВ и область облучаемой поверхности о5разца

10 — 10 кв,мкм, одновременно нагревая 30 образец от 300 до 450 К и измеряя вторично-электронную эмиссию с помощью стандартного простого детектора вторичных электронов, Анализ проводят в различных областях 35 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 rosoрят о наличии восстановленных форм элементов. При отсутствии максимума на данной кривой (ее независимость от темпе-. ратуры) — об отсутствии восстановленных .форм. Диапазон указанных температур(300450 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 поаышении 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 уроаень вакуума 10 —

10 Па необходим и достаточен для нормального функционирования всей измерительной системы.

Пример 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 ожеспектрометре (вакуум 10 — 10 9 Па) (фиг. 1), ха ра ктеризующие отсутствие аосста новленных форм при температурах отжига до

1070 К, наблюдается расщепление линии оже-перехода с энергией 41б эВ, спектры

1 — 2, либо их наличие при температурах отжига 1070 К. наблюдается расщепление линии, оже-спектры 3 — 4. Затем в вакууме 10 1—

10 Па при энергии первичногоэлектронного 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 (вторичноэлектронная 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 учаcTKN, 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 криBGR 1), Полученные результаты свидетельствуют о наличии восстановленных форм элементов в шести изученных участках и об отсутствии подобных форм в четырех других анализированных участках. Наличие участ1728743 т отн. ед.

4I6

Е, эВ. 390 440 Т,К

Д г. 2.

ЧЬ2 1 ков 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- 5 веден ными", возникшими под воздействием облучения, а изначально были присущи минералу.

Пример 3. Берут частичку зеленого лунного вулканического стекла и произво- 10 дят те же действия, что и в примере 2, но с энергией потока первичных электронов 8 кэВ., Регистрируют вторично-электронную эмиссию на 5 участках (фиг. 4). По виду кри-. вых 1 и 2 на фиг. 4 делают вывод, что на двух 15 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 — 20 кривая 1), Предлагаемым способом изучались земные и лунные стекла и кристаллы магматического генезиса, В большей части образцов магматических стекол, пироксенов, 25 измельнитов земных магматических пород восстановленные формы не обнаружены.

Однако по наличию ярко выраженных максимумов t" 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 изобретения

Способ выявления восстановительной среды минералообразования в магме, включающий отбор проб стекол или кристаллов главных породообразующих минералов. бомбардировку вскрытой внутренней эоны образца в вакууме сфокусированным пучком электронов и регистрацию вторичного излучения, отличающийся 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.

1728743

290 340 390 440 Т, К

290

340

390

Т,К

Ри2, Ф

Редактор M. Янкович

Заказ 1403 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1 в отн ед.

I вт. отн. ед.

Составитель Н, Ашихмина

Тех ред М.Морге нтал Корректор О, Кундрик