Способ определения генезиса карбонатных пород

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН А 00 4(5 6 01 ОПИС Н АВТОРС ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИЕ ИЗОБРЕУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) 1.Справочное руководство по петрографии осадочных пород, Л., Гос. научно-техническое иэд-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 анализа 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, чтос целью повышения достоверности, дополнительно проводят спектральный анализ преимущественно ме-, тодом просыпки воздушного дутья в режиме: сила тока дуги 1 = 34+0,5 .А, фаза поджига дуги у = 90+3 , скорость воздушного потока ч=7 Ю,5 м/с, масса просыпаемого порошка в=60+5 мг, экспозиция 15 с, при котором определяют интенсивность (68 3) аналитических линий кальция (Са 1 272,16 нм) и магния (МЕ П 279,08 нм) и по ним - концентрацию этих элементов по графику, построенному для каждого иэ элементов по образцам кальцита н доломита гидротермального гепезиса (Т10000 С),сравнивают полученные таким образомконцентрации с истинными концентрациями и при одновременном совпадении результатов по кальцию и магниюсудят о гидротермальном высокотемпературном (Т100 С) генезисе доломита; при совпадении результатовпо кальцию и в десять раз большемурасхождению результатов по магниюсудят о гидротермальном высокотемпературном (Т ) 700 С) генезисе кальцита; при одновременно больших вдва раза результатах спектральногоанализа по кальцию и магнию судят обиогенном генезисе доломита (доломит составляет 1 703) или о процес- .се доломитизации по биогенному известняку; при больших в два разапо кальцию и в десять раэ по магниюрезультатах спектрального анализасудят о биогенном генезисе кальцита(в присутствии стронция Яг0,037 -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; при том же соотношении покальцию, но больших чем в два, трираза расхождениях результатов помагнию судят о хемогенном нли биохемогенном генезисе смеси кальцита идоломита, в которой доломит составляет от 30 до 70 7 или о процесседоломитиэации по хемобиогенномуили биохемогенному известняку.116 3302 Составитель А. Величко ахтар Р. Цицика Техред ТЛаточка КорректоР И.ИускаЗаказ 4102/47 ВНИИПИ Госуд по делам и 3035, МоскваИзобретение относится к геохимиии может быть применено при изучении карбонатных пород с целью использования их характеристик длявыявления геохимических закономерностей минерало- и породообразования,Известен способ определения генезиса горных породф включающий проведение микроскопического анализа ивыявления совокупности петрографических данных Ц .Однако микроскопический методне всегда точен. Например, для получения аргументированного вывода 5о генезисе карбонатной породы привлекаются также и другие виды анализа;изотопный, электронномикроскопическнй, рентгеноструктурный,рентгенотермолюминесцентный. Всеэто требует большого объема исследований иассигнований, а такжевысокого класса специалистов исследователей.Наиболее близким к изобретению 25по технической сущности и достигаемому результату является способопределения генезиса горных пород,в том числе и карбонатных, включающий отбор геологических проб, ана- ЗОлиэ с определением концентраций химических элементов определениетипоморфного комплекса химическихэлементов, характеризующий определенный генетический тип горных пород и суждение о принадлежностиисследуемой горной породы к томуили иному генетическому типу повеличине концентраций элементовтипоморфного комплекса 21 .40Однако в результате наложенияна горные породы различных экзогенных геологических процессов содержание химических элементов, особенно микропримесей, может эначитель но изменяться, в результате чегоэтот способ становится не эффективным.Цель изобретения - повышениедостоверности при определении генезиОса 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 1=34+0,5 А фаза поджига дуги ( =90+3 , скорость воздушного потока ч=7+0,5 м/с, масса просыпаемого порошка в=60+ +5 мг, экспозиция 15 с, при котором определяют интенсивность (8 д Л) аналитических линий кальция (Са 1 272,16 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 (Т70 С) генезисе кальцита; при одновременно больших в два раза результатах спектрального анализа по кальцию и магнию су" дят о биогенном генезисе доломита (доломит составляет 703) 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 Бг ) 0,33 - арагонита); при больших в полтора раза по кальцию и в десять раз по магнию результатах спектрального анализа судят о хемогенномо низкотемпературном (Т40 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 кальцита 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 поля3 1163302 4кристаллической структуры,в которой Различаются случаи слабого, сред- атомы 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 5 равления. поля суммарного полного расщепление вырожденных уровней ато- вектора количества движения атома ма, Этот эффект прежде всего каса- Л(3=1+8, где 1 - суммарный вектор ется уровней наиболее удаленных от орбитального, 8 - суммарный вектор ядра внешних (вапентных) электроновспинового моментов количества движеатома, Последние при своих переходах 10 ния), Расщепление вектора Л в свою излучают кванты энергии, которые в очередь приводит .к квантованному виде интенсивности спектральных линии изменению интенсивности спектральных являются характеристиками процессов, линий элемента, .которая определяет- изучаемых с помощью спектрального ся (при поперечном наблюдении) по анализа. следующим формулам: где Л - тальног ных орб атома; который ранен суммемоментов;И Л, 5-1, - мризующий ориентацию атома в1, и 31 - соответственно интризованной компонент излуче полный момен и спинового тома, характ ризуемость; иной и неполаг нитныйпространстве,нсивности по омент- пол яризов В качестве примера в табл приведен набор возможных инт ностей к и д компонент для ческих линий кальция и магии считанйый по указанным форму 2 и Э нсивналитрас аи,40 Влияние среднего кристаллического поля на расщеплеиие энергетических уровней атомов элемента заклю-,. 45 чается в том, что разрушается спин- орбитальная связь и оба вектора Ь и Я прецессируют вокруг направления поля независимо один от другого. В случае сильного кристаллического 50 поля разрушается не только связь суммарных моментов 1. и Б, но и связь между орбитальными моментами и спинами отдельных электронов атома. Это в свою очередь приводит к рез кому снижению относительной интенсивности аналитической линии элеменЗависимость интенсивностей аналитических линий атомов элементов, полученных при спектральном анализе карбонатной породы от ее генетиче, ского типа, выявлена при изученииколлекции (назовем ее "эталонной" ) образцов карбонатных пород с известным содержанием анализируемых эле- ментов в пробах, Получив спектроаналитическую информацию в виде 8 В Л аналитических линий, для каждого элемента строят набор градуиро, вочных графиков в координатах Вд ЛЬВ С. Набору графиков ставят в-еоот, ветствие рассчитанные по закономер- костям Штарк-эффекта изменение относительной интенсивности аналитической линии элемента. В результате этого каждому графику, построен" ному для определенной кристалпической структуры, в которой анализируемый элемент концентрируется-в ви 1163302де собственного минерального соединения или в виде примеси, ставят. всоответствие определенное энергетическое .состояние валентной оболочки его атомов. 5По установленному в результатепредварительного изучения эталоннойколлекции набору пределов колебаний8 д Л для аналитических линий комплекса породообразующих элементовопределяют типы породы, ее состави генезис.Реализация способа показана напримере определения генезиса карбонатов кальция и магния. 15Измельченную известным способом,например, дроблением и истираниемдо 200 меш, навеску пробы примерно 60 мг просыпают с помощью аппарата для просыпания проб, например УСА, в горизонтальнуюугольную дугу переменного тока (д=34 А),питающуюся от генератора ДГ,вличинаразрядника которого (0,3 мм ) обеспечивает фазуподжига дуги У = 90 . Дугу ф 5стабилизируют потоком воздуха соскоростью 7 м/с, Спектр пробы фотографируют через 10-ти ступенчатыйослабитель Клера, который помещаютперед щелью спектрографа, напри- ЗОмер ДФС, Ширина щели спектрографа10 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 известнымсодержанием анализируемых элементов.На спектрограмме находят спектральные линии, выбранные для определяемых элементов в качестве аналитических, измеряют их интенсивностьв ступенях ослабления с точностьюдо 0,1 ступени,ф 5На Фиг, приведен фрагмент спектрограммы с аналитическими линиямипородообразующих элементов, а вФтабл.2 длины волн аналитических линий породообразующих элементов: Са, уМо, Ре,З,АС,Р,Иа,К,Мп,Тз., На фиг.2и 3 приведены градуировочные графики зависимостей 8,1-8 С для линий Са 1 272, 16 нм и Мя 11 279,08 нм.Для обработки способа определения генезиса карбоната кальцияиспользовались образцы с известнымсодержанием СаО (45-563). По генезису различались: водорослевые известняки из рифогенных отложений кембрия Сибирской платформы; хемогенные известняки межбиогермных отложений того же региона и возраста; кайнозойские гидротермальные кальциты из жил г,Ключевой Баженовского кряжа; органо. генный 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 СаО1 ОХ, При графической систематизации данных в координатах 08 Л - 8 С получили набор градуировочных графиков (фиг.2). Так, график П построен для гидротермальных кальцитов. Соответственно графикии У 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 1 У), соответствующая относительная интенсивность аналитической линии Са 272,16 нм - 4), на энергетическом уровне атома кальция 4 р находится 1 валентный электрон с магнитным квантовым числом щ е =О, сум 1 марный спиновый момент атома Я -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 4 р находитсявалентный электронс магнитным квантовым числом в = 1;суммарный спиновый момент атомаБ=- - атом находится в неполяризоФванном состоянии,В гидротермальных кальцитах(график 11,соответствующая относительная интенсивность линии - 2),на энергетическом уровне атома каль ция 4 р находится 1 валентный электронс магнитным квантовым числом ве =-1,суммарный спиновын момент атома 8атом находится в неполяризоФванном состоянии.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) большео75 С, приводит к изменению спина валентного электрона атома кальция (8 в ) что находится в соответствииЭс правилом Хунда.Таким образом, .по интенсивности аналитической линии кальция Са 1 272,6 нм при известном значении его концентрации в пробе, можно судить об условиях образования (генезисе) карбоната кальция. Кроме того, предварительно изучив пределы колебаний В 8 Л, 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: Ц Яр 5,0; 8 Л55 1 ц Ля 5,0 68 Лс 5,0, и если 4,8Ф 8 Л5,2, что соответствует пределам изменения концентрации окиси кальция 44 ( СаОа 56 Х 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 ( 1 д Л у 5,6, что соответствует пределам изменения концентрации окиси кальция 60 6 Са 04 83% по графику П, а следовательно вызывает необходимость перехода. к графику Ш, так как содержание СаО в карбонатных породах не может превышать 56 Х, то такую породу относят к биохемогенному или низко- температурному хемогенному кальциту. Если изменение интенсивнот, сти линии кальция находится в пределах 5,6 ( 28 Лс с 5,9, что соответствует 83СаО95 Х по. графику П, ,55СаО63 по графику Ы и следовательно вызывает необходимость перекода к графику 1 У иэ-.за условия СаО Е 56 Х, то такую породу относят к хемобиогенному кальциту. При 5,9 с К 8 Л .6,1 - породу вносят к органогенному образованию (график У),Для отработки. способа определения генезиса доломита использовались данные по интенсивности линий кальция (Са272,6 нм) и магния(М 8 П 279,08 нм). Набор градуировочных графиков зависимости 68 Л отконцентрации магния в породах различ ного состава и генезиса представлен на фиг. 3. Так график У построен для долоьщтовых пород с известным химическим составом. Среди испальэованных для построения этого графика образцов эталонной коллекции преобладали доломиты и известковистые.доломиты с содержанием мйнерала СаМ 8(СО) )50 Х иэ рифогенных отложений кембрия Сибирской платформы, Осуществив аналогичные для кальция сопоставления графических (фиг.З) и теоретических данных по возможно-. му изменению относительной интенсивности аналитической линии магния (табл.4), устанавливают, что графику 1 У соответствует относительная интенсивность линии магния, равная 8. Градуировочные графики зависимости 68 Л для линии Са 1272, 6 нм от содержания кальция в указанном комплексе пород совпали с графиком Н (соответствующая относительная интенсивности линии - 4), если содержание минерала СаИ 8(СОу)ф 1 60 Х и графиком П (соответствующая интенсивность линии - 3) в остальных:случаях,Оопоставление графических и табличных данных позволяет установитьследующее, Энергетическое состояниевалентной оболочки атома кальцияв структуре доломита (СаИя(СО) ) такое же, как в органогенном карбонате кальция: 1 электрон на уровне 4 р 8 в = 0 атом поля-,2 ф Е фриэованЭнергетическое состояние валентной оболочки атома магния:электронуровне 4 рф 8 ш ф атомполяризован, т.е. атом магния сохраняет некоторую связь с магнитным полем, чем вероятно, объясняется бсицшая, по сравнению с кальцитом, 1163302 10магнитная восприимчивость этого минерала.Образование структуры доломитапроисходит с использованием атомовкальция, подвергнутыхпервоначальному процессу поляризации под действием электрического поля живыхорганизмов (как это имело местов рифогенных отложениях кембрия Сибирской платформы),Присутствие в окружающей среде неполяризованных атомов кальция препятствует об 1 азованию доломита и приво. дит к совместному нахождению доломита, образующегося с использованием по ляриэованных атомов кальция и хемогенного кальцита, образующегося с использованием неполяризованных атомов кальция при Т 640 С.В полученном Опытном путем ВысокоОтемпературном (Т 120 С) хемогенномдоломите состояние валентных оболочекатомов кальция и магния отличаются своеобразием: у атома кальция 1 электрон на уровне 4 р, 8 в в , ш =-1, атом ф4неполяризован (относительная интенсивность линии - 2); у атома магнияна уровне 4 р находится 1 валентныйэлектрон, 8 в , в , гп1 или О, атомполярнзован, Кроме того, изучив предварительно пределы колебаний 8 3,выраженной в ступенях ослабления, линий кальция, магния и других породообраэующих элементов (табл.2) дляэталонных проб, можно распознать образ неизвестной Са-И 8 карбонатной породы и установить ее генезис.При выполнении указанных условийполучения спектрограмм, если 8,6(1 К Л 1,5; 5,3 е Вр Л с 5,6 и, кроме 4 щтого, 1 .1 (50; Г 8 455; Ц ЛН (5 8,1 4 О 8(5 О В 8 75,0, то определяют, что анализируемая доломитовая порода (минералСаИ 8(СО) в ней составляет 703) щимеет органогенное происхождениеилн образуется при процессе долотомитиэацин по биогенному известняку.Элемент Са Ик Уе Ях АВ Р На К Т 1 Ип Линия элемента, нм272,16279,08292,66298,76265,25255,33330,23344,67307,52293.30 При соблюдении указанных условий для Р, Ре,8, А 0, Ба, И, если 8,2( ( Ц Лф 8,6 и 5,4 ( 18,1 5,5, то определяют, что анализируемая карбонатная порода (минерал СаИк(СОз) составляет в ней 54-703)имеет хемобиогенное происхождение,При соблюдении укаэанных условий для Р, Ре, Ях, А, Иа, Ип если 7,0 4 с Ф 8 .1 ф 8,2 и 5,5 88 1 С 5,6, то определЪют, что анализируемая карбонатная порода (минерал СаИ 8(СОЗ ,в ней составляет 50 %) имеет биохемогенное происхождение, При тех же условиях для остальных породообраэующих элементов если 18,7 = 4,2 и 38 Зр 1 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 за 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.Т а б л и ц а 1ив фее ула О ЮеС йохо,ю 3 ооооъ ИХам к 3 уоа3 баев ЬеЧе ФЧ Фс иеВ о Ф 2 о о ф о А х х о х х х ф еов фз х мФ Ое фЭ М Ц о е П Э Ф 11 +е ееюе,1,7 еверии Лнее феВ В+л фсч.ь: сч Ф м к сч счсею м 7й М М сч счВ В м сч сч 3 М с .Ф э +сч щ 1 У счф ф 1 ссъ сч к сч фсчМ сс иО. сч сч сч с,фа мвч нсе еч сч фв