Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

EXPRESS SEMI-QUANTITATIVE X-RAY ANALYSIS OF CLAY MINERALS

Peskov A.V. 1 Alekina E.V. 1 Tarasova E.Yu. 2
1 Samara State Technical University
2 Samara Branch of the Lebedev Physical Institute
This article discusses the application of semi-quantitative X-ray analysi s by the reference intensity ratio (RIR) method for the study of artificial and natural clay-containing rocks. The proportionality coefficients for the combinations muscovite-kaolinite, chlorite-kaolinite, chlorite-muscovite, and kaolinite-montmorillonite are determined. It is shown that the proportionality coefficients in the mixtures of kaolinite-illite with original and imperfect kaolinite differ significantly. The parameters of the defect rate of kaolinite samples are calculated. Relative errors in the content of clay and non-clay minerals:muscovite, kaolinite, chlorite, montmorillonite, quartz i in mixtures of different compositions are found. On oriented samples of an artificial mixture of kaolinite and quartz, the contents of kaolinite and quartz are determined from various basal reflections of kaolinite and quartz reflections, and errors in the concentration of kaolinite and quartz are found. Using the proportionality coefficients for clay minerals and pre-determined varieties of illite and chlorite, an express analysis of the mineral content in natural samples with quartz admixtures is performed. Determination of mineral content in natural samples of clay-bearing rocks containing non-clay components: quartz, feldspar, and carbonate minerals can be carried out in 2 stages. First, the content of non-clay components on undirected preparations is determined, and then, after the separation of the clay composition, the content of clay components is determined. Studies using two mineral reflections showed a lower error in determining the mineral content. Artificial mixtures of clay minerals were also studied by the additive method and the errors of this method were determined. Express semi-quantitative analysis of clay minerals by the method of constant coefficients can be used in mass studies of terrigenous rocks of oil and gas reservoirs.
diffraction peak
intensity
internal standard method
constant coefficient method
additive method
1. Михалкина О.Г. Применение метода рентгеновской дифракции для исследования керна и техногенных продуктов // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2016. C. 96–107.
2. Chipera S.J., Bish D.L. Fitting full x-ray diffraction patterns for quantitative analysis: a method for readily quantifying crystalline and disordered phases. Adv. Mater. Phys. Chem. 2013. V. 3. P. 47–53.
3. Hillier S. Accurate quantitative analysis of clay and other minerals in sandstones by XRD: comparison of a Rietveld and a reference intensity ratio (RIR) method and the importance of sample preparation. Clay Minerals. 2000. V. 35. P. 291–302.
4. Jozanikohan G., Sahabi F., Norouzi G.H., Memarian H., Moshiri B. Quantitative analysis of the clay minerals in the Shurijeh Reservoir Formation using combined X-ray analytical techniques. Russian Geology and Geophysics. 2016. V. 57. P. 1048–1063.
5. Dyakonov Yu.S. Semi-quantitative radiographic determination of clay minerals. Metodicheskiye ukazaniya. Vsesoyuznyy nauchno-issledovatel’skiy institut mineral’nogo syr’ya (VIMS). M., 1984. P. 1–25 (in Russian).
7. Peskov A.V., Stepanova I.A. Assessment of the content of clay minerals in terrigenous rocks with clarification of the content of potassium and iron in hydrosludes // Ashirovskiye chteniya. 2017. V. 1. No. 1–3 (9). P. 335–342 (in Russian).

Количественный анализ глинистых минералов является важной задачей изучения пород коллекторов нефти и газа. Проведение количественного анализа глинистых минералов является трудной задачей в связи с тем, что эти минералы обладают широкими вариациями изоморфных замещений, структурными дефектами и большим разнообразием политипных модификаций. Наиболее распространенным способом определения количественного состава глин является метод рентгеновской дифракции. Количественный анализ возможен лишь для относительных концентраций глинистых фракций, при определении же абсолютных концентраций глинистых фракций в почвах или песчаниках результат в лучшем случае полуколичественный. Проблему можно решить, дополняя рентгеновский анализ другими аналитическими методиками – термогравиметрией, или ИК-спектроскопией, но это значительно усложняет анализ и не гарантирует однозначного результата. Большинство трудностей проистекает из самой природы глинистых минералов, для которых сложно как определить интегральные интенсивности дифракционных пиков, так и подобрать эталоны. Что касается природных грунтов, то трудности усугубляются тем, что общее содержание глинистых минералов зачастую очень невелико, а преобладают другие минеральные группы. Тем не менее был разработан целый ряд методов для количественной оценки содержания фаз глинистых минералов – метод MIF (mineral intensity factor), метод внешнего стандарта, метод без использования стандарта, метод Ритвельда [1] и метод полнопрофильной подгонки [2]. Все методы можно разделить на две группы – использующие для анализа отдельные рефлексы или полную картину дифракции. Точность методов первой группы зависит от выбора конкретного дифракционного пика в качестве количественного отражения процентного содержания определяемой фазы в природном образце; вторая группа методов основана на сопоставлении всей дифрактограммы образца с дифрактограммой стандартной смеси и качество анализа определяется выбором стандарта – природных минералов или теоретической численной модели. Хотя авторы всех методов делают некоторые общие утверждения о точности предложенных методик, существует сравнительно мало работ, посвященных изучению точности количественных и полуколичественных методов, выполненных непосредственно на геологических образцах глинистых минералов. В работе [3] проведено сравнение методов Ритвельда и внутреннего стандарта и показано, что точность обоих методов примерно одинакова. Концентрации отдельных фаз могут быть определены с точностью до 3 мас. %. Особо отмечается, что точность анализа гораздо сильнее зависит от качества приготовления образцов, чем от выбора метода анализа.. В работе [4] использовался метод внутреннего стандарта для анализа геологических образцов с построением калибровочных кривых по смесям эталонных фаз и было показано, что точность анализа сильно зависит от концентрации фаз: для основной минеральной составляющей погрешность составляла ±5 %, а для второстепенных фаз с низкой концентрацией возрастала до ±15 %.

Цель исследования – на образцах искусственных смесей глинистых минералов, природных образцах глин с использованием методики постоянных коэффициентов для экспрессного рентгеновского полуколичественного анализа [5] определить погрешности и содержания минералов. Для массового изучения образцов может быть использован экспрессный рентгенографический анализ на основе метода постоянных коэффициентов.

Материалы и методы исследования

На бинарных смесях эталонов глинистых минералов и в поликомпонентных смесях ставилась задача определить содержание и погрешности определения содержаний минералов. Бинарные смеси были состава 50 % + 50 % и 25 % + 75 %, а поликомпонентные смеси имели состав 25 % + 25 % + + 25 % + 25 % и 33,3 % + 33 % + 33,3 %. Кроме глинистых фаз имелись смеси кварца и каолинита. В качестве компонентов использовались украинский каолинит, клинохлор, монтмориллонит и мусковит из коллекции минералогического музея. Рентгенографический анализ выполнен на установке Thermo scientific ARL XtrA.В методике полуколичественного рентгенографического определения минералов глин созданная Ю.С. Дьяконовым определение содержаний проводится по зависимостям [5]:

PESK01.wmf (1)

где j = 1…, N xi = βiCi’.

Cистему уравнений (7) решают по методу наименьших квадратов и находят среднее значение xi. При расчетах используют некоторое среднее значение

PESK02.wmf (2)

PESK04.wmf (3)

где Ii – интегральная интенсивность j-го пика; j – номер пика; i – номер кристаллической фазы в образце; n – число фаз в образце;

aij – отношение интенсивностей j-го пика к максимальному пику; βi – величина пропорциональная интенсивности максимального пика на дифрактограмме чистой i-й фазы; сi' – величина, пропорциональная содержанию i-й фазы; PESK05.wmf – cреднее значение xi; PESK06.wmf – cреднее значение сi;

PESK07.wmf – коэффициент пропорциональности, cреднее значение βi базальных отражений конкретного минерала (табл. 1).

Таблица 1

Найденные содержания и погрешности смеси каолинита и мусковита и погрешность