Электронно-зондовый микроанализ

Как мы уже говорили, ионизирующее излучение может вызвать перемещение электрона с внутренней оболочки атома. Дальнейшая перестройка оболочки приводит к выделению кванта энергии – характеристического рентгеновского излучения. Для данного образца число испускаемых квантов с любой характеристической энергией (или длиной волны) зависит от концентрации присутствующего элемента.

В электронном зонде ионизирующее излучение представляет собой пучок электронов с высокой энергией, который генерируется внутри электронной пушки. Во многих отношениях колонна электронного зонда похожа на колонну просвечивающего электронного микроскопа. Колонна зонда содержит в себе электронную пушку, помещенную в камеру, в которой продуцируются электроны. В колонне прибора электроны фокусируются в узкий пучок с помощью магнитных линз (диаметр пучка около 1 мкм). Пучок фокусируется на образце, расположенном в специальной камере. Характеристическое рентгеновское излучение, испускаемое образцом, фиксируется и обрабатывается электронным способом.

Суть электронно-зондового анализа состоит в сопоставлении рентгеновского излучения исследуемого образца с набором стандартов. Другими словами, испускаемые образцами рентгеновские лучи сравниваются с теми, которые получены в тех же экспериментальных условиях от стандартов известного состава. Одно из главных преимуществ такого анализа состоит в том, что используемый образец не повреждается. Обычно это петрографический шлиф или полированный фрагмент, который после анализа можно использовать для оптического исследования.

В электронно-зондовом микроанализе существует два способа, с помощью которых можно разделить, объединить в пучок и подсчитать кванты рентгеновского излучения. В ходе энергетического дисперсионного спектрального (ЭДС) анализа кванты разделяются в соответствии с их характеристическими энергиями. В ходе кристалл-дифракционного анализа рентгеновские лучи разделяются по их характеристическим длинам волн, для этого используются дифракционные свойства кристаллов.

Рентгеновский флуоресцентный анализ

В электронном зонде может возникнуть вторичная рентгеновская флуоресценция, когда квант рентгеновского излучения поглощается другим атомом, ионизируя этот атом, заставляя его самого испускать характеристические рентгеновские лучи. При рентгеновском флуоресцентном анализе (РФА) образец облучается пучком рентгеновских лучей. РФА-спектрометр похож на электронно-зондовый микроанализатор. Как и при использовании электронно-зондового микроанализатора, рентгеновские лучи, поступившие от образца, сравниваются с рентгеновскими лучами, исходящими от стандартов известного состава, и измеряются в тех же самих экспериментальных условиях. Принципиальным отличием этого метода является то, что источником ионизирующего излучения здесь служит рентгеновская трубка, а не электронная пушка, а поскольку рентгеновские лучи не могут фокусироваться магнитными линзами, то для образования узкого пучка применяется коллиматор. Это устройство состоит из ряда близко расположенных металлических пластин, которые и формируют узкий пучок.

Набор элементов, которые можно анализировать при помощи РФА-спектрометра такой же как и для электронного зонда. Однако точность этого метода сравнительно невысока, что не позволяет использовать этот метод для определения химического состава минералов, и рассматриваемый метод применяют главным образом для валового анализа пород и руд.

Вопросы.

Лекция 15

Генетическая минералогия. Объекты и задачи генетической минералогии. Среды минералообразования. Причины и способы минералообразования. Типы минеральных месторождений. Эндогенное минералообразование (магматический этап минералообразования)

Генетическая минералогия

Генезис (от греч.genesis) означает происхождение, возникновение, процесс образования (в нашем случае – образование минералов). В понятие генезис минералов входят как сведения о геологической обстановке, в которой образовался минерал, так и процесс его «жизни» (эволюции) – зарождение, рост, существование. Также сюда входят сведения об изменении и разрушении минералов.

Генетическая минералогия изучает генезис минералов в полном объеме этого понятия, начиная с геологических факторов и физико-химической обстановки образования минералов, исследуя процессы зарождения кристаллов, их рост и существования и кончая явлениями их разрушения.

Генетическая минералогия – один из самостоятельных и важнейших разделов современной минералогии. Она оформилась после работ В. И. Вернадского, который обращал внимание на роль процесса в минералогии. Он говорил, что минералогия призвана не только изучать результаты геологического и физико-химического процесса – т. е. минералы, а изучать сам процесс. Как образно сказал П. П. Пилипенко в 1915 г.: «Минералы рождаются, живут, борются и погибают побежденные. Их место занимают победители, чтобы подвергнуться той же участи. Идет непрерывный обмен веществ». Сам термин «генетическая минералогия» был введен в 1912 г. другим ученым А. Е. Ферсманом. Он создал стройную теорию образования минеральных месторождений особого типа – пегматитов, показав в ней генетическую минералогию в полном ее объеме – от рассмотрения геологических и физико-химических условий минералоообразования до деталей роста кристаллов. В этом же объеме шло развитие генетической минералогии в трудах Н. А. Смольянинова, Е. К. Лазаренко, П. П. Пилипенко и др. Итак, генетическая минералогия выясняет условия, закономерности, процессы, приводящие к образованию минералов и их месторождений. Поэтому объектами генетической минералогии являются как сами минералы, так и минеральные месторождения.

Минеральное месторождение – это определенное геологическое тело или единая группа геологических тел, характеризующихся закономерным минеральным составом и некоторыми специфическими процессами своего образования. В пределах месторождения каждый минерал может встречаться в виде разрозненной вкрапленности в горных породах, может образовывать в них систему гнезд (скоплений), линз, прожилков, может встречаться в виде сплошных жил и залежей разной формы.

Характер распределения минерала в месторождении, набор минералов-спутников и последовательность их кристаллизации определяются условиями образования месторождения. Часть минеральных месторождений имеет промышленную ценность, их называют месторождениями полезных ископаемых. Они подразделяются на рудные месторождения и месторождения нерудных полезных ископаемых (пьезосырье, драгоценные камни, слюда, флюорит и др.).

Цели генетической минералогии: 1) выявление геологических закономерностей образования минералов; 2) физико-химические (теоретические и экспериментальные) исследования по определению условий минералообразования; 3) выяснение источников вещества; 4) термобарометрия и установление химической природы сред минералообразования; 5) изучение генезиса минералов; 6) лабораторное моделирование природных процессов роста кристаллов.

Среды минералообразования

Физико-химические среды образования минералов и роста их кристаллов таковы: магма, водный жидкий раствор, газ, гетерогенные системы газ – жидкость, коллоидные растворы, твердые (кристаллические и аморфные) среды.

Магма по своей физико-химической сущности является не простым расплавом (как, например, вода по отношению ко льду, расплавленный сахар по отношению к кристаллическому сахару – в них состав жидкости полностью отвечает составу кристаллов). Магма – это особый раствор, вернее, раствор-расплав. Гранитная магма не точно тождественна гранитам и т. д. Магматический расплав – это силикатный (а поэтому вязкий и существующий только при определенных температурах) раствор, в нем, как в растворителе, существуют подобно водным растворам анионы и катионы, простые и комплексные, а также анионные группировки типа (Si₂O₇)^6-, n(SiO₃)^2n-, (MgO₆)^10-, (CaO₆)^10-, (AlO₄)^5-, (SiO₄)^4- и др. Это как бы готовые каркасы (скелетики) для кристаллизации. Кроме них, в магме имеются H, S, Cl, F, C (форма их нахождения неясна), а также Na, K и др. Путем кристаллизации из магмы образуются главные породообразующие минералы магматических горных пород и некоторые руды в них (хромовые, железные, титановые и др.).

Водные жидкие растворы образуются за счет эндогенных и экзогенных процессов, первые называются гидротермальными, вторые – поверхностными (вадозными) растворами.

Имеется несколько источников H₂O в гидротермальных растворах.

1. Во-первых, это остывающие (застывающие) магматические очаги. При кристаллизации магмы от нее постепенно отделяются летучие вещества. Они поступают во вмещающие породы, конденсируются с образование жидких минерализованных водных растворов.

2. Во-вторых, H₂O и CO₂ выделяются в глубинных зонах земной коры за счет реакций дегидратации и декарбонатизации глин, мергелей и других осадочных горных при процессах метаморфизма.

3. В-третьих, источником H₂O являются процессы дегазации мантии, выделение из нее углеводородов и их окисление при подъеме во все более верхние горизонты земной коры с образованием H₂Oи CO₂ . Реакции описываются следующей схемой: CH₄ + 2O₂ = 2H₂O + CO₂.

Эти реакции идут с выделением тепла, сопровождаются разогревом флюидов и мощным прогревом окружающих пород.

4. Поверхностные воды. Исследования показали, что они могут мигрировать до глубины 500 м и более, постепенно разогреваясь и минерализуясь за счет извлечения веществ из горных пород на своем пути.

Источник растворенных в гидротермальных водах компонентов также различен. Часть растворенных выносится вместе с водой из магматических очагов, часть из дегазированной мантии, часть из вмещающих пород. Главной формой переноса веществ растворами являются комплексные ионы, например медь переносится в виде (CuCl²)^– нейтральными или слабокислыми растворами и в виде (Cu(HS)₂)^– – щелочными; золото в виде (AU(HS)₂)^–, (AuCl₂)^–, серебро – (AgCl₂)^–, (Ag(HS)₂)^–, молибден – (NaHMoO₄)⁰, (HMoO₄)^–, (КHMoO₄)⁰.

Примеры минеральных месторождений, образовавшихся из гидротермальных растворов многочисленны, например, месторождения сульфидов – пирита, халькопирита, галенита и др.

Поверхностные водные растворы – это, это, во-первых, грунтовые, карстовые, почвенные воды, из них кристаллизуются, например, карбонаты – (кальцит и арагонит) в виде сталактитов и других образований в карстовых пещерах. Во-вторых, это озерные, морские, лагунные воды. Из них в процессе кристаллизации образуются, например, залежи каменной соли, гипса, некоторых разновидностей известняков.

Газ как среда кристаллизации относительно редок. Из вулканических газов кристаллизуются гематит, нашатырь NH₄Cl и некоторые другие минералы. Из газов нередко растут кристаллы льда. В природных геологических средах кристаллизация из газа возможна только при очень узком диапазоне давления воды при определенной температуре. Вода обычно является жидкостью и находится в надкритическом (флюидном) состоянии – это и не газ и не жидкость. Условия, при которых возможна кристаллизация из газа, называются пневматолитовыми.

Гетерогенные системы (газ – вода, газ – водный раствор) образуются в особых случаях. Наиболее очевидны причины их образования в областях современной вулканической деятельности при просачивании горячих водных растворов (термальных вод) по системам трещин вверх. В какой-то момент внешнее давление окажется достаточно низким, чтобы началось испарение растворенных газов – СО₂ и др. Так же дегазируются воды минеральных источников.

Коллоидные системы являются средой для образования минералов в придонных илах и других осадках водных бассейнов и во время их диагенеза. Так возникают различные глинистые минералы, гидроксиды алюминия и железа, часто для них характерно оолитовое строение минералов. Иногда раскристаллизация коллоидов происходит в горячей среде, например, случаи выпадения гелей кремниевого состава в термальных водах в областях современного вулканизма и раскристаллизация из них опала.

Твердые среды образования минералов могут быть аморфными и кристаллическими. Примером аморфной среды может служить раскристаллизация вулканического стекла. Для кристаллической среды возможны три типа явлений. Во-первых, это полиморфные превращения веществ: переход алмаза в графит, высокотемпературного кварца в низкотемпературный, ромбический арагонит (CaCO₃) в тригональный кальцит и т.п. Так возникают псевдоморфозы одной полиморфной модификации по другой, их называют параморфозами. Во-вторых, это распад твердых растворов на смесь фаз, в-третьих – метамиктный распад радиоактивных минералов на смесь фаз под действием собственного α-излучения.