Фролов В.Т. Руководство к лабораторным занятиям по петрографии осадочных пород

Подождите немного. Документ загружается.

Получение кривой при ступенчатом изотермическом на-

гревании требует 15—20 дней. Для экономии времени опре-

деления обычно ведут сразу для серии образцов (например,

для 10). Затрата времени на один образец значительно со-

кращается, но и в этом случае остается большой— 1,5—2 дня.

К. М. Феодотьевым (1953 г.) описана автоматическая

установка для получения кривых потери веса с помощью тор-

зионных весов при изотермическом нагревании. Образец под-

вешивается к коромыслу весов и в этом положении нагре-

вается. Затрата времени на получение одной кривой также

равна 1,5—2 дням. Все это заставляет переходить к более

скоростному динамическому методу получения кривых по-

тери веса.

Кривые изменения веса при непрерывном (и обычно

равномерном) нагревании получают с помощью торзионных

весов, к коромыслу которых подвешивается нагреваемая

проба (обычно 100—200 мг). Вес пробы регистрируют через

короткие равные промежутки времени (например, через

1 мин) или через равные интервалы температуры печи (20,

40° и т. д.); температура определяется термопарой, которая

располагается возможно ближе к тиглю с образцом. Помимо

быстроты этот способ имеет еще и другое преимущество

перед методом ступенчатого изотермического нагревания —

близость условий при получении кривых изменения веса и

кривых нагревания, благодаря чему первые можно более

успешно использовать для количественной оценки реакций,

фиксируемых на дифференциальных кривых нагревания.

А. И. Цветковым, Д. А. Виталем и М. Ю. Тельтовтом

(1955 г.) описана установка для одновременной автомати-

ческой записи кривых нагревания и кривых потери веса,

в которой достигается максимальное тождество условий на-

гревания обеих навесок. Навески помещают в одну печь и

нагревают одновременно. Абсцисса (температура) у обеих

диаграмм единая, в результате чего кривые полностью ока-

зываются сопряженными («Методы изучения осадочных по-

род»,

т. I, стр. 437—438, фиг. 123). Такая сопряженность

кривых позволяет более строго количественно (через потерю

веса) оценить любую реакцию, отраженную термограммой.

При сравнении данных кривых потери веса, полученных

двумя описанными выше способами, следует иметь в виду,

что температуры одних и тех же реакций на кривых при

непрерывном нагревании (как и на кривых нагревания)

вследствие непрерывного повышения температуры, без до-

стижения состояния равновесия, всегда завышены (пример-

http://jurassic.ru/

но на 100° — «Методическое руководство по ...изучению глин»,

1957,

стр. 276) по сравнению с кривыми, полученными при

ступенчатом изотермическом нагревании, когда объект сушат

до постоянного веса, т. е. получается равновесная система

для каждой заданной температуры.

В настоящее время термический анализ все чаще прово-

дят комплексно: помимо записи термограммы и кривой по-

тери веса одновременно производят газоволюметрические

определения: исследуют состав газовых выделений, опреде-

ляют их объем, по которому и судят о количестве исходного

вещества (Берг, 1961). А. А. Нырков (1962 г.) предложил

полезное дополнение к этому комплексному методу — бата-

рею индикаторов, которые изменением цвета отмечают пары

воды, С0

, СО, H

S, S0

, CI, NH

, 0

, выделяющиеся из на-

греваемого образца породы.

Люминесцентный анализ

Люминесцентный анализ представляет собой один из спе-

циальных методов исследования осадочных пород, получив-

ший благодаря своей простоте и возможности массового

опробования пород как в лабораторных, так и в полевых

условиях широкое распространение.

Он основан на свойстве многих веществ светиться («лю-

минесцировать») под влиянием облучения их ультрафиоле-

товыми (или катодными и рентгеновскими) лучами. Особен-

но сильными люминесцентными свойствами обладают битумы

и большинство других природных органических соединений,

что объясняет развитие люминесцентного метода преиму-

щественно на материале нефтяной геологии, где он назы-

вается часто люминесцентно-битуминологическим анализом.

Задача этого анализа — обнаружение присутствия битумов

и некоторая дифференциация их, а также первая количест-

венная оценка; изученные этим методом породы при необ-

ходимости подвергаются затем более детальному химиче-

скому (химико-битуминологическому) исследованию.

Широкое внедрение люминесцентного метода в нефтяную

геологию связано прежде всего с именем В. Н. Флоровской

(1954 и другие). Она отмечает четыре основных свойства лю-

минесценции, используемых для диагностики веществ: 1) цвет,

зависящий от длины волны поглощаемого света, состава и

структуры вещества, присутствия в нем примесей, темпера-

туры среды и т. д.; 2) интенсивность, зависящая от тех же

причин, а также от количества битумов в породе, что и ис-

http://jurassic.ru/

пользуется для определения их содержания; 3) спектр, опре-

деляемый уже не визуально, а на спектрографах, что дает

объективную характеристику люминесценции; 4) фосфорес-

ценция, т. е. свечение, продолжающееся в отличие от флюо-

ресценции более 10~

сек после прекращения возбуждения.

Она вызывается примесями в кристаллической решетке ве-

ществ и не всегда улавливается невооруженным глазом.

В этих случаях пользуются фосфороскопами.

Для исследования берут небольшой кусок породы (100—

200 г) и очищают (освежают) его поверхность. Так как

у многих битумов люминесценция слабая, она может быть

усилена действием растворителей, из которых чаще всего

применяют хлороформ. Несколько его капель, нанесенные

на поверхность образца, обычно приводят к появлению устой-

чивой люминесценции. Иногда для лучшего извлечения биту-

мов образцы приходится дробить.

Этим способом можно устанавливать прежде всего качест-

венный состав битумов, которые подразделяются на свободные

(извлекаемые хлороформом — битум А) и связанные (не

экстрагируемые растворителями — битум С). Среди би-

тума А по цвету пятна при люминесценции выделяют лег-

кий битум А, маслянистый битум, битум среднего состава,

смолисто-асфальтовый битум и другие типы. Они разли-

чаются цветом люминесценции, меняющимся в этой после-

довательности от голубого через желтый к бурому и корич-

невому в соответствии с общим правилом, установленным

эмпирически: «с увеличением удельного веса природных групп

органических веществ цвета люминесценции изменяются от

фиолетовых, фиолетово-синих, сине-голубых и голубых —

у легких групп, через желтые, оранжевые, бурые до темно-

коричневых— у тяжелых» (Преображенский и Саркисян,

1954,

стр. 100).

В настоящее время разработано много способов и прие-

мов качественного и количественного люминесцентно-биту-

минологического анализа. Они описаны как в специальных

работах, так и в общих руководствах («Методы изучения

осадочных пород», т. II, стр. 142—156; Преображенский и

Саркисян, 1954, стр. 98—106 и др.).

Понятие о спектральном анализе

Известно, что вещества, нагретые до определенной темпе-

ратуры, начинают излучать свет. Характер этого света (дли-

на его волны или спектр длин волн и их соотношение друг

http://jurassic.ru/

с другом) зависит от ряда причин — температуры, состояния

нагретого тела (твердое или газообразно-парообразное) и со-

става. При красном калении испускаются в основном крас-

ные лучи (длина волны 750

MJI),

К которым при повышении

температуры последовательно присоединяются лучи все бо-

лее коротких длин волн — оранжевый, желтый, зеленый, го-

лубой, синий и фиолетовый свет (длина волны 380 м-и),

а потом и ультрафиолетовый свет (длина волны меньше

380 мц). Тела в состоянии белого каления испускают свет

всех длин волн и поэтому кажутся белыми — они характери-

зуются сплошным спектром. С помощью призмы (спектро-

скопа) его можно разложить на составляющие и получить

цветную световую полоску, которую можно анализировать.

Однако более удобно изучать спектры линейные, которые

получаются при разложении света, испускаемого раскален-

ными веществами, находящимися в состоянии пара или газа:

в этом случае вместо непрерывного светового спектра полу-

чается темная полоса, пересеченная несколькими цветными

линиями. Для каждого элемента, как известно, весьма харак-

терны цвет, интенсивность, количество линий и расстояние

между ними, т. е. их можно определить по линейным спек-

трам. Если в спектре натрия, например, имеются всего две

линии, а в спектре водорода — три, то в спектре железа на-

считывается до 460 различных линий только в области види-

мой части спектра.

Спектральный анализ представляет собой чувствитель-

ный и достаточно простой и быстрый метод исследования

элементного состава пород, минералов, руд, зол, воды, неф-

тей и т. д. по световому спектру их раскаленных газов или

паров (или по спектру поглощения, произведенному их рас-

творами)

Большинство элементов могут быть определены

при содержании не свыше 0,01—0,0001%, причем количе-

ственные определения осуществляют с точностью до 2—7%

от концентрации элемента («Методы изучения осадочных

пород», т. II, стр. 105). Это делает метод незаменимым при

определении рассеянных химических элементов, присутствие

которых не всегда удается установить химическими анали-

зами или устанавливается сложными и трудоемкими ис-

следованиями. Большими преимуществами спектрального

анализа являются также возможность одновременного (без

предварительного разделения) определения большого чис-

ла (десятки) элементов и использование малого коли-

чества (миллиграммы — первые десятки миллиграммов)

вещества.

http://jurassic.ru/

Таким образом, спектральный анализ можно рассматри-

вать также как важное дополнение химического анализа.

Различают качественный и количественный спектральный

анализ. Для качественного анализа необходимо: 1) возбудить

до свечения атомы элементов пробы; 2) получить спектр

и 3) произвести определение характерных линий. Для коли-

чественного анализа кроме этого надо еще измерить интен-

сивность спектральных линий.

Источником возбуждения вещества — нагревания до све-

чения и получения газового и парообразного состояния--

чаще всего служит вольтова дуга постоянного (в последнее

время и переменного) тока, обычно получающаяся между

угольными электродами. Анализируемую пробу в виде по-

рошка помещают в углубление нижнего электрода. Этим

способом возбуждается до 70 элементов — все металлы и ме-

таллоиды, кроме серы и селена. Для анализа растворов при-

меняют высоковольтную искру, которая возбуждает все ме-

таллы и металлоиды, включая серу, селен, а также галоиды.

Для анализа почв и некоторых минералов, включающих ще-

лочные, щелочноземельные и другие элементы с низким

потенциалом ионизации, используют ацетиленовое или дру-

гое пламя.

Спектры получают с помощью спектроскопов, предназна-

ченных для визуального наблюдения спектров в видимой об-

ласти и спектрографов, фотографирующих спектры в области

от инфракрасных (1000 мц.) до ультрафиолетовых (200 мд.)

частей. Наиболее распространены призменные спектрографы

с кварцевой или стеклянной оптикой. Основная часть их —

трехгранная призма (или несколько призм), характеризую-

щаяся величиной дисперсии — самым важным параметром

спектрального аппарата, поскольку от этой величины зависит

его способность пространственно разделять линии разной

длины волн, чтобы они четко определялись.

Для определения элемента нет необходимости находить

в спектре все линии. Чаще всего бывает достаточно устано-

вить 1—2 характерных линии (обычно ими являются наи-

более интенсивные), называемые аналитическими, или «по-

следними» (поскольку при уменьшении концентрации они

исчезают последними), и только в случае перекрытия их

линиями иных элементов используют другие (менее интен-

сивные) линии. Иногда для более точного определения дли-

ны волны линии ее приходится измерять на спектрограмме

под микроскопом. Для расшифровки линий и определения по

ним элементов имеются специальные атласы и таблицы

http://jurassic.ru/

(А. К. Русанов, 1948; Л. Н. Индиченко, 1951; А. Н. Зейдель

и другие, 1952; С. К- Калинин и другие, 1952; С. М. Катчен-

ков,

1958). Определение некоторых элементов требует пред-

варительного обогащения их химическим или другим путем.

Количественный спектральный анализ применяют для

определения малых (от 0,001%) и средних (до 1—5%, реже —

до 15%) содержаний элемента. Он основан на зависимости

между интенсивностью линий и концентрацией элемента в

пробе. Определения производят сравнением с эталонами —

с образцами, для которых известно содержание определяе-

мых элементов. Эталоны должны быть близки по химиче-

скому составу и физическим свойствам к определяемым про-

бам. Получают и фотографируют при одинаковых условиях

спектры образца и эталона. Затем, на основании математи-

ческой зависимости, установленной в 1926—1930 гг. совет-

ским ученым Б. А. Ломакиным (см. «Методы исследования

осадочных пород», т. II, стр. 109 и др.), впервые разрабо-

тавшим методику точного количественного анализа, сравни-

вают эти спектрограммы и определяют содержание в анали-

зируемой пробе. Более подробно это освещено в «Методах

изучения осадочных пород» (1957, т. II, стр. 109—114) и дру-

гих работах.

Спектральный анализ относится к перспективным и бы-

стро развивающимся методам исследования вещества. Рас-

ширяется и область его применения, включающая поиски

месторождений полезных ископаемых, геохимические, фа-

циально-генетические и стратиграфические исследования,

частности, в целях корреляции разрезов при их деталь-

ном сопоставлении по малым и рассеянным элементам.

Изучение в электронном микроскопе

Первый электронный микроскоп, еще несовершенный, был

изготовлен в 1931 г. в Германии; здесь же впервые в 1937 г.

был создан первый промышленный микроскоп. С тех пор в

разных странах создано много совершенных' моделей, как

универсальных, так более узко приспособленных к харак-

теру объектов (биологических, химических, физических и др.).

Широкое применение электронный микроскоп нашел и

в геологии, в особенности при исследовании осадочных по-

род. Это объясняется новыми возросшими возможностями

исследования наиболее тонкодисперсных частиц, появивши-

мися в связи с изобретением электронного микроскопа. Если

невооруженный глаз человека может различать частицы до

http://jurassic.ru/

0,1 мм, а разрешающая способность светового микроскопа

не превышает 0,0001 мм или 0,1 ц, (10~

мм или 1000 А), то

электронный микроскоп позволяет видеть частицы в одну-две

миллионные доли миллиметра (2-10^

мм). Впервые можно

было увидеть строение крупных молекул, коллоидные частицы

и плоские сетки кристаллических решеток минералов.

Создание электронного микроскопа стало возможным

после того, как была установлена волновая природа мате-

рии. Еще в 20-х годах де Бройль высказал плодотворную

гипотезу о том, что с каждой движущейся материальной ча-

стицей связан волновой процесс (волны де Бройля). Длина

волны обратно пропорциональна массе частицы и скорости

ее движения: у электронов при больших скоростях в совре-

менных микроскопах она в 100 000 раз меньше световой,

т. е. почти на пять порядков. Разрешающая сила, как и

в световом микроскопе, определяется из того факта, что

только частицы, превосходящие по размеру половину длины

волны, могут влиять на эти волны (рассеивать, отражать)

и ими обнаруживаться. В электронных микроскопах первого

класса разрешающая способность равна 10—15А (в отдель-

ных случаях 6—8 А), а полезное увеличение до 200 000 раз.

К ним относится наш микроскоп УЭМВ-100. Ко второму и

третьему классам относятся приборы с разрешением соответ-

ственно в 20—30 А и 40—100 А и увеличением до 100 000 и

40 000 раз (Грицаенко и др., 1961, стр. 17—19). В СССР та-

кими микроскопами являются ЭМ-5 и ЭМ-3.

Из различных типов электронных микроскопов — просве-

чивающих, эмиссионных (электроны испускает сам исследуе-

мый объект), отражательных, растровых (действующих по

типу телевизионного изображения) и теневых — наиболее

широко распространены первые, позволяющие исследовать

в проходящих электронных лучах.

Просвечивающие электронные микроскопы состоят из

пяти основных частей, или узлов: 1) осветительной системы —

электронной пушки, в которой эмиссия (распыление) элек-

тронов происходит чаще всего из раскаленной вольфрамовой

нити, являющейся катодом, и конденсора (одной или двух

магнитных линз), фокусирующего своим полем пучок элек-

тронов на объекте (в отличие от светового микроскопа, осве-

тительная система здесь находится вверху); 2) камеры об-

разцов с предметным столиком; 3) объективной линзы (тоже

магнитной), производящей первичное (обычно небольшое,

в 200—300 раз) увеличение; 4) одной или нескольких проек-

ционных линз (также магнитных), производящих вторичное

http://jurassic.ru/

увеличение; 5) фотокамеры с флюоресцирующим экраном и

4—6 кассетами — для наблюдения и фотографирования

объекта.

Магнитными (или электромагнитными) линзами назы-

вают устройства, создающие магнитные или электрические

поля, ускоряющие, фокусирующие пучки электронов и со-

здающие изображения. Так как длина свободного пробега

электронов в обычных условиях невелика, то для получения

изображения на конце колонны микроскопа необходимо зна-

чительно его увеличить, что достигается при очень низких

давлениях

•

(порядка Ю

-4

—10~

мм рт. ст.). Только в этих

условиях электроны могут развивать большую скорость и

двигаться прямолинейно. Откачка воздуха из электронного

микроскопа осуществляется двумя — форвакуумным и диф-

фузионным — насосами. Питание из сети осуществляется

обычно через стабилизатор (обеспечивающий стабильность

напряжения) и два блока — низковольтный (питает пушку,

обмотки линз, мотор и печь насосов) и высоковольтный

(обеспечивает выпрямленное ускоряющее напряжение для

разгона электронов).

В целом, как это было видно, общая схема электронного

микроскопа аналогична схеме светового. То же можно ска-

зать и об основных законах, положениях и приемах световой

и электронной оптики.

Успех исследования при использовании электронного ми-

кроскопа зависит не только от качества прибора, но и от

уровня техники препарирования.

Методы исследования в электронной микроскопии подраз-

деляют на прямые и косвенные. Они различаются прежде

всего методами препарирования: в первом случае иссле-

дуется сам объект, чаще всего препарат, приготовленный из

него,

а во втором — отпечатки с его поверхности, которые

называют репликами.

Применение той или иной техники препарирования, как

и метода в целом, определяется характером объекта и зада-

чами исследования: прямые методы применяют для опреде-

ления формы, размера, относительной толщины частиц (на-

пример, глинистых), однородности материала, явления ди-

фракции, интерференции, муаровой полосчатости и т. д.,

а косвенные — для изучения рельефа и структуры поверхно-

сти массивных тел.

Прямыми методами, более распространенными в литоло-

гии, объект изучают как в проходящем, так и в отраженном

свете. В последнем случае исследуют отполированную по-

http://jurassic.ru/

верхность массивных тел. Для изучения на просвет толщина

частиц или тонких срезов и пленок не должна превышать

1 ц., поскольку с увеличением толщины усиливается погло-

щение и рассеивание электронов и объект становится непро-

зрачным. Кроме того, поглощение электронов ведет к разо-

греванию и изменению объекта и сгоранию поддерживающей

пленки. При изучении менее прозрачных частиц размер их

или толщина пленки должны быть еще меньшими.

Наиболее распространенный способ приготовления препа-

ратов для исследования на просвет — суспензирование в

жидких средах (например, глинистых частиц в воде).

Из размокающих глин получают суспензию частиц мень-

ше 0,001 мм обычным способом (стр. 212), а из аргиллитов—

растиранием. Из неразмокающих минералов суспензию по-

лучают сначала раздроблением и легким растиранием, а за-

тем обработкой ультразвуком. Суспензию рекомендуется

готовить по возможности непосредственно перед нанесением

ее на поддерживающую пленку и не рекомендуется высу-

шивать фракции — это может привести к образованию стой-

ких агрегатов. Одну-две капли суспензии пипеткой наносят

на поддерживающую пленку («пленку-подложку»), чаще

всего изготовляемую из коллодия. Предварительно пленку

следует поместить на поддерживающую бронзовую или дру-

гую сеточку (Грицаенко и др.,

1961,

и др.) с величиной ячейки

около 0,1 мм. После просмотра подсушенных препаратов в

световом микроскопе из сетки пробойником вырубают уча-

стки с наиболее равномерным расположением частиц и эти

сеточки вставляют в специальные патроны, которые и поме-

щают в столик электронного микроскопа, а затем изучают.

В зависимости от способа освещения объекта электрон-

ным пучком (нормально падающим или наклонным) можно

получить светлопольное (светлое поле и темный объект) и

темнопольное (темное поле и светлый объект) его изобра-

жение. Последнее отличается большей контрастностью и бо-

лее резким выявлением тонких деталей, которые на более

ярком светлом фоне теряются. Кроме того, с помощью ми-

кроскопа можно получать и стереоскопические снимки, а так-

же электронограммы (в микроскопах ЭМ-3 и ЭМ-5 — с по-

мощью электронографических насадок), т. е. дифракционные

картины, выявляющие кристаллическую структуру минерала,

что является предметом электронографии (стр. 81).

Электронный микроскоп применим для изучения самых

разных горных пород и минералов, но особенно большую

роль он играет в исследовании глин (гл. III).

http://jurassic.ru/

Рентгеноструктурный анализ и электронография

В основе всех физико-химических свойств веществ лежит

их атомно-молекулярный состав и строение — определенная

геометрия расположения материальных частиц (атомов, групп

атомов, молекул) в пространстве. Если состав в конечном

итоге определяют химическим анализом, то строение иссле-

дуют путем структурного анализа, представленного рентге-

ноструктурный методом или рентгенографией и в последние

годы рентгеноструктурной дифрактометрией и электроно-

графией.

Углубленным изучением строения вещества в геологии,

в частности в литологии, занимаются как для лучшего по-

знания свойств и систематики минералов, так и для их диаг-

ностики, ибо лишь атомно-молекулярное строение опреде-

ляет индивидуальность минерала и наиболее достоверно

отличает его от других, даже в случаях полного химического

тождества. Поскольку эти методы достаточно трудоемки

(главным образом из-за сложной аппаратуры и расчетов)

и могут быть выполнены специалистами, к ним прибегают

при определении минералов лишь на заключительной стадии

их исследования.

Средством исследования такой тонкой структуры веще-

ства, какой является атомно-молекулярная, служат одни из

наиболее коротких волн: в рентгенографии — рентгеновские

лучи (или у"

изл

чение

)

длиной волны в

0,5—2

А (что в

1 000—10000 раз меньше световой волны), а в электроно-

графии— поток быстро движущихся электронов, длина вол-

ны которых — при значительной скорости движения — также

соизмерима с межатомными расстояниями в структуре мине-

ралов. Способом изучения является дифракция — рассеива-

ние и отражение этих волн атомами минерала. Поскольку

явления дифракции волн лежат в основе обоих методов,

остановимся на этом несколько подробнее.

При прохождении через вещество высокопроницаемые

волны малой длины возбуждают в узлах решетки (т. е. в ато-

мах или их группах) вторичные волны, которые рассеиваются

во всех направлениях и гасятся. В кристаллических же ве-

ществах благодаря закономерному расположению узлов

(источников этих вторичных волн) в определенных направ-

лениях волны будут колебаться в одинаковых фазах и уси-

ливать друг друга. Эти направления часто не совпадают

с первичным пучком лучей, а располагаются к нему под не-

которым углом. Величина угла равняется углу падения пер-

http://jurassic.ru/