Смоленский В.В., Гульбин Ю.Л. Прикладная геохимия и минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный горный институт

им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра минералогии, кристаллографии и петрографии

ПРИКЛАДНАЯ ГЕОХИМИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург

2006

УДК 550.4

ПРИКЛАДНАЯ ГЕОХИМИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ. Методические ука-

зания к лабораторным работам / Санкт-Петербургский горный ин-т. Сост.:

В.В.Смоленский, Ю.Л.Гульбин. СПб, 2006. 37 с.

Изложены тематика и порядок выполнения лабораторных работ по курсу

«Прикладная геохимия и минералогия» для студентов дневной формы обучения

специальности 130306 «Прикладная геохимия, минералогия, петрология».

Табл.9. Библиогр.: 11 назв.

Научный редактор проф. А.Г.Марченко

Санкт-Петербургский горный

институт им. Г.В.Плеханова, 2006 г.

ВВЕДЕНИЕ

Прикладные аспекты геологических наук, несмотря на свою

«практичность», неотделимы от фундаментальных и теоретических

вопросов, решаемых этими дисциплинами. Без понимания базовых

закономерностей распространенности химических элементов и осо-

бенностей их поведения в различных геологических процессах, не-

возможно полноценное проведение правильных работ по поиску,

разведке и оценке месторождений полезных ископаемых и экологи

ческих исследований. Без знания основных моделей минералообра-

зующих систем и свойств образующихся минералов невозможны

корректное построение геологических моделей месторождений и

схем обогащения полезных ископаемых. Основная задача предмета

"Прикладная геохимия и минералогия" – ознакомление с основами

методов интерпретации минералогической и геохимической инфор-

мации, получаемой при аналитических исследованиях минералов,

горных пород и руд

Лабораторные работы по курсу "Прикладная геохимия и ми-

нералогия" выполняются студентами специальности 130306 "При-

кладная геохимия, петрология, минералогия" в девятом семестре, в

ходе изучения соответствующего теоретического курса. В результа-

те выполнения лабораторных работ студент получает навыки обра-

ботки и интерпретации геохимических и минералогических данных,

наиболее часто используемых в практике современных геологораз-

ведочных и научно-исследовательских работ и должен уметь гра-

мотно использовать методы изучения состава минералов, петрохи-

мических пересчетов, изотопной геологии и геохронологии.

В методических указаниях приводятся возможные темы ла-

бораторных работ, рекомендации по их выполнению и требования к

представляемым студентом материалам. В конце приведен список

основной методической и справочной литературы, которой

следует

пользоваться при выполнении работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Введение: При решении многих геологических задач, зачас-

тую, нет строгой необходимости оперировать абсолютными величи-

нами содержаний химических элементов. Гораздо более важно оце-

нить, какая группа элементов преобладает и изменяется ли это соот-

ношение при переходе от одного типа пород (или минералов) к

дру-

гому. Причем эти изменения могут нести информацию о простран-

ственной неоднородности (например, температурная зональность

минералообразования и т.п.) или об эволюции процесса во времени

(если в одном геологическом пространстве подобраны минералы

или породы разных стадий).

В таких ситуациях принято соотносить цифры абсолютных

содержаний в изученных пробах (С

проба

) к содержаниям этих же эле-

ментов в неком стандартном (эталонном, фоновом и т.п.) образце

(С

стандарт

). Подобную операцию обычно называют операцией нор-

мирования.

Нормированное содержание элемента

стандарт

проба

В качестве стандарта обычно используют хорошо изученный

и многократно проанализированный геологический объект, жела-

тельно близкий по составу к исследуемым пробам. Дополнительным

плюсом нормирования является сглаживание разницы в абсолютных

содержаниях между четными и нечетными химическими элемента-

ми, первые из которых, как известно, более распространены в при-

роде. Наиболее ярко это проявляется

при исследовании элементов,

расположенных рядом в таблице Менделеева, обладающих схожими

химическими свойствами и поведением в геохимических процессах.

Одной из таких «индикаторных» групп элементов являются

редкоземельные элементы: лантан, лантаноиды и близкий к ним ит-

трий. Традиционно принято деление РЗЭ на две группы: легкие РЗЭ

(цериевая группа: от La до Eu) и тяжелые РЗЭ

(иттриевая группа: от

Gd до Lu). Все РЗЭ обладают близкими химическими свойствами,

что объясняется сходством строения их внешних электронных обо-

лочек. Поэтому, в большинстве геохимических процессов, в первом

приближении, они ведут себя почти одинаково. Но, при более вни-

мательном рассмотрении, различия все-таки существуют. В ряду от

La к Lu монотонно изменяются атомный и ионный радиусы (эффект

лантаноидного сжатия), электроотрицательность и еще ряд физиче-

ских и химических характеристик, что и приводит, в результате, к

различному уровню накопления легких и тяжелых РЗЭ в минералах.

Например, в большинстве гидротермально-метасоматических сис-

тем легкие РЗЭ обогащают минералы фаций повышенной щелочно-

сти, а тяжелые – повышенной кислотности. Таким образом, измене-

ние баланса

соотношения легких и тяжелых РЗЭ в минерале или по-

роде может служить своеобразным индикатором эволюции кислот-

ности-щелочности минералообразующей среды.

В качестве стандарта для РЗЭ, в большинстве случаев, ис-

пользуют содержания РЗЭ в каменных метеоритах – хондритах, счи-

тающихся аналогами мантийного вещества Земли. Составы хондри-

тов приведены практически в любых геохимических справочниках

Стандартная валентность РЗЭ в химических соединениях

равна трем. Но, некоторые из них (Sm, Eu, Yb) могут иметь степени

окисления +2 или (реже) +4 (Ce, Pr, Tb). Наиболее ярко эта особен-

ность проявлена у европия. Переход Eu

↔ Eu

обычно связывают

с активностью кислорода в системе. Ионный радиус Eu

< Eu

, в

связи с чем двухвалентный европий «не помещается» в структуры

тех минералов, куда входит вся группа трехвалентных РЗЭ, а накап-

ливается в других фазах. И наоборот. В связи с этим, при анализе

различных минеральных фаз можно получить т.н. «европиевую ано-

малию», когда содержание европия резко отличается от уровня со-

держаний всех остальных РЗЭ. Аномалии бывают отрицательные

(недостаток европия) и положительные (избыток европия). Таким

образом, по изменчивости величины европиевой аномалии в ряду

проб можно делать предположения об эволюции окислительно-

восстановительных условий среды минералообразования.

Расчет величины европиевой аномалии (

Eu), обычно прово-

дят как разницу между действительным и теоретическим содержа-

нием европия в изучаемой пробе:

Eu = Eu – Eu*,

где Eu – нормированное содержание европия в изучаемой пробе;

Eu* - теоретическое, рассчитываемое исходя из нормированных со-

держаний двух соседних элементов: Sm и Gd:

GdSm

= .

Цель работы: освоить построение нормированных поли-

элементных диаграмм и научиться оценивать направление эволюции

минералоообразующей среды в ходе процесса минералообразова-

ния.

Исходный материал: цифровой массив результатов лабора-

торного анализа РЗЭ в геологических пробах.

Объем работы: 1-2 массива, в зависимости от типа исход-

ных данных.

Лабораторное обеспечение: персональные компьютеры, ус-

тановленные

в компьютерном классе кафедры, программный пакет

MS Excel, геохимические справочники кларковых содержаний.

Форма представления результатов: демонстрация файла с

результатами расчетов.

Порядок выполнения работы:

1. Скопировать указанный преподавателем файл с заданием

в свою рабочую папку.

2. Открыть этот файл в программе MS Excel

3. Рассчитать средние значения содержания РЗЭ для выде-

ленных типов проб и

построить график распределения в координа-

тах X = химический элемент, Y = среднее содержание.

4. Рассчитать нормированные содержания РЗЭ в пробах.

5. Построить графики распределения нормированных РЗЭ

для выделенных типов проб (X = химический элемент, Y = среднее

содержание). Шкала Y – логарифмический масштаб.

6. Рассчитать величины европиевых аномалий для всех ти-

пов проб.

7. Построить график эволюции европиевой аномалии в ходе

процесса минералообразования (X = стадия процесса (тип проб),

Y = величина δEu).

8. Построить тройную диаграмму в координатах нормиро-

ванных содержаний La-Gd-Yb для выделенных типов проб.

9. Проинтерпретировать полученные результаты.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИСКРИМИНАЦИОННЫХ

ДИАГРАММ

ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ КЛАССИФИКАЦИИ И

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК

ФОРМИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Введение: Как известно, большинство существующих клас-

сификаций горных пород основаны на особенностях их минерально-

го и химического состава. При этом могут учитываться как валовый

состав породы, так и особенности состава отдельных минералов

(например пироксенов или полевых шпатов) и

содержания редких

элементов.

Диаграммы в координатах соответствующих компонентов,

на которых четко очерчены стандартные поля составов тех или иных

типов объектов, обычно называют дискриминационными. Такие

диаграммы позволяют достаточно удобно решать вопросы принад-

лежности пород к тому или иному петрохимическому типу (диагра-

мы щелочи-кремнезем, AFM и др.). По своей «математической» су-

ти,

большинство подобных диаграмм – стандартные X-Y или трой-

ные диаграммы. Но в качестве осей часто используются не сами

содержания химических компонентов, а производные от них вели-

чины – различные полиэлементные коэффициенты и петрохимиче-

ские модули. Поэтому при построении подобных диаграмм следует

обращать особое внимание на используемые единицы измерения

(массовые проценты, граммы на тонну, атомные количества и т.п.) и

масштабы соответствующих шкал (обычные или логарифмические).

Аналогичные принципы используются при построении дис-

криминационных диаграмм, применяемых для разделения пород по

источникам вещества и типам геодинамических обстановок их фор-

мирования (диаграммы Пирса и др.). В связи с тем, что в настоящее

время в отечественной геологической литературе крайне широко

используются английские аббревиатуры подобных образований, на-

помним основные из них:

DM Depleted Mantle деплетированная мантия;

ЕМ Enriched Mantle обогащенная мантия;

PM Primitive Mantle примитивная мантия;

CC Continental Crust континентальная кора;

OFB Ocean Floor Basalts базальты океанического дна;

IAB Island-Arc Basalts островодужные базальты;

IAT Island-Arc Tholeiites островодужные толеиты;

VAB Volcanic-Arc Basalts базальты вулканических дуг;

VAG Volcanic-Arc Granites граниты вулканических дуг

OIB Ocean Island Basalts базальты океанических островов;

OIT Ocean Island Tholeiites толеиты океанических островов;

BABB Back-Arc Basin Basalts

базальты задуговых бассейнов;

WPG Within-Plate Granites внутриплитные граниты;

WPB Within-Plate Basalts внутриплитные базальты;

LKT Low Potassium Tholeiites низкокалиевые толеиты;

CAB Calc-Alkaline Basalts известковощелочные базальты;

COLG Collision Granites коллизионные граниты;

MORB Mid-Ocean Ridge Basalts базальты срединно-океанических

хребтов.

Цель работы: освоить построение дискриминационных диа-

грамм и научиться оценивать классификационную принадлежность

изучаемых горных пород.

Исходный материал: цифровой массив результатов лабора-

торного анализа химических элементов в горных породах и сведе

ния об особенностях их минерального состава.

Объем работы: 1-2 массива, в зависимости от типа исход-

ных данных.

Лабораторное обеспечение: персональные компьютеры, ус-

тановленные в компьютерном классе кафедры, программный пакет

MS Excel, геохимические справочники с эталонными диаграммами.

Форма представления результатов: демонстрация файла с

результатами расчетов.

Порядок выполнения работы:

1. Скопировать указанный преподавателем файл с заданием

в свою рабочую папку

2. Открыть этот файл в программе MS Excel.

3. Построить диаграмму TAS: щелочи-кремнезем (X = SiO

Y = K

O+Na

O) и совместить ее с эталонной (Меню: Копиро-

вать→Специальная вставка→Рисунок).

4. Нанести на нее дополнительные поля для выделения ще-

лочных серий пород (Автофигуры→Линии→Кривая; затем: Формат

автофигуры→Начать изменение узлов).

5. Построить диаграммы Харкера (X = SiO

, Y = указанные

преподавателем элементы).

6. Построить диаграмму Пирса (X = Rb, Y = Y+Nb) и совмес-

тить ее с эталонной.

7. Открыть программу Statistica и построить диаграмму AFM

(A = K

O+Na

O, F = FeO+0.9Fe

, M = MgO). Меню:

Graphs→3D XYZ graphs→Ternary Plots→2D Scatterplot. С помощью

кнопки Variables указать имена переменных.

8. Проинтерпретировать полученные результаты.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

РАСЧЕТ БАЛАНСА ВЕЩЕСТВА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ

МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Введение: Одной из главных особенностей метасоматиче-

ских процессов является перераспределение химических компонен-

тов горных пород, выражающееся в возникновении новых мине-

ральных ассоциаций

и изменении состава исходных минералов.

Следствием перемещения вещества может являться изменение

плотности и пористости пород. Поэтому одной из классических за-

дач, возникающих при исследовании метасоматических образова-

ний, является сравнение химического состава неизмененных и изме-

ненных горных пород и расчет баланса вещества - то есть оценка

направленности изменения (привнос или вынос) и его количествен-

ная характеристика.

В настоящее

время существует несколько десятков методов

для решения подобных задач, но почти все они могут быть разделе-

ны на две группы:

а) методы прямого сравнения и их модификации;

б) методы, учитывающие объемные соотношения сравни-

ваемых пород.

Первые основаны на использовании непосредственных ре-

зультатов химического анализа горных пород (метод прямого срав-

нения)

или могут ориентироваться на фиксированные содержания

малоподвижных, инертных компонентов, содержание которых при

метасоматозе остается практически постоянным (методы

=const, TiO

=const и др.). Применение этих методов корректно,

если разница в пористости исходных и измененных пород не пре-

вышает 2 %.

Вторые учитывают изменение пористости пород, определяе-

мое физическими методами и оперируют количествами атомов в

единицах объема (атомно-объемные методы и др.).

Цель работы: освоить основные приемы расчетов баланса

вещества по результатам химического анализа

метасоматических

горных пород.

Исходный материал: цифровые массивы результатов лабо-

раторного анализа химических элементов в горных породах и харак-

теристики их объемного и удельного веса.

Объем работы: 2-3 массива, в зависимости от типа исход-

ных данных.

Лабораторное обеспечение: персональные компьютеры, ус-

тановленные в компьютерном классе кафедры, программный пакет

MS Excel, петрохимические и

петрофизические справочники.