Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,807

ТИПОМОРФНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КВАРЦА

Песков А.В. 1 Алекина Е.В. 1 Тарасова Е.Ю. 2
1 Самарский государственный технический университет
2 Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Приведены результаты расчетов размеров областей когерентного рассеяния и величин микроискажений методом аппроксимации для образцов кварца разного генезиса. Представлено сравнение экспрессного метода по полуширине профилей, аппроксимированных функциями Коши или Гаусса, Фойгта и анализа формы профиля дифракционных линий с учетом асимметрии аппаратных искажений и физического профиля. Исследования проводились на образцах халцедона, волжского агата, яшмы, коричневого кварца, кварцевого песка, кварца песчаников пород коллекторов из керна, которые были отобраны в Самарской области. Также использовался жильный кварц в качестве эталона. Обоснован выбор аналитических линий исследуемого минерала и эталона. Экспрессная рентген-дифракционная методика определения параметров микроструктуры кварца при аппроксимации функцией Фойгта апробирована с учетом ограничений в условиях работы аппаратуры с заданной экспрессностью и точностью. Проведено сопоставление полученных результатов: размеров областей когерентного рассеяния и индекса кристалличности по изученным образцам кварца. Приводятся некоторые достоинства и недостатки использования применяемых методов. Полученные параметры микроструктуры: размеры областей когерентного рассеяния и величины микроискажений кварца возможно приводить в качестве дополнительной характеристики при определении состава терригенных пород. C использованием структурных типоморфных особенностей возможно дифференцировать однотипные кварцевые песчаники.
область когерентного рассеяния
микроискажения
профиль дифракционной линии
рентгеновский метод аппроксимации
кварц
халцедон
физические и экспериментальные уширения
генезис
керн
1. Юргенсон Г.А. Типоморфные признаки жильного кварца и пирита золоторудных месторождений как поисково-оценочные критерии // Кулагинские чтения: техника и технология производственных процессов: 16 международная научно практическая конференция. Чита: Забайкальский государственный университет, 2016. C. 10–15.
2. Лазарев Д.А., Каныгина О.Н. Об определении размеров областей когерентного рассеяния кристаллов кварца в глинистых системах // Вестник ОГУ. 2012. № 4. С. 221–224.
3. Садовничий Р.В., Михайлина А.А., Рожкова Н.Н., Инина И.С. Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород максовской залежи // Труды Карельского научного центра РАН. 2015. № 2. С. 73–88.
4. Нагорнов В.П., Смыслов Е.Ф. Аналитические выражения для определения размеров блоков и величин микроискажений в рентгеновском методе аппроксимации. Рег. № 275–81. Деп. УДК 539.26. Аннотация опубл. в журнале «Известия вузов. Физика». 1981. Т. XXIV. № 3. С. 123–129.
5. Смыслов Е.Ф., Селиванов В.Н. Экспрессный метод определения интегральной ширины и ее составляющих Фойгтовской рентгеновской линии // Заводская лаборатория 1996. Т. 62. № 5. C. 19–20.
6. Селиванов В.Н., Смыслов Е.Ф. Экспрессные методы рентгеновского анализа распределений кристаллитов и дислокационной структуры деформированных поликристаллитов. Теоретические и практические аспекты методов. Ч. 1 // Материаловедение. 1998. № 4. С. 2–9.
7. Juan Pantoja-Cortes, Florentino Sanchez-Bajo, Angel L Ortiz. A line-broadening analysis model for the microstructural characterization of nanocrystalline materials from asymmetric x-ray diffraction peaks. Journal of physics. 2012. V. 24. DOI: 10.1088/0953-8984/24/21/215301.
8. Разва О.С., Ануфриенкова А.М., Коровкин М.В. Оценка степени преобразования кварцитов методом рентгеновской дифракции // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 7. C. 27–28.
9. Песков А.В., Ольховская В.А. Измерение рентгенографических параметров кварца для безэталонной экспрессной оценки содержаний минералов // Вестник СамГТУ. Серия технические науки. 2017. № 1. C. 153–164.

Терригенные породы, являющиеся коллекторами нефти и газа, сложены песчаниками, основным компонентом которых является кварц. Однако реальные минералы могут обладать различным количеством изоморфных примесей, различием в габитусе и дефектности кристаллической структуры.

При построении литолого-петрофизической модели залежи используют основные коллекторские свойства пород: пористость и проницаемость, однако в построении фациальной модели пласта могут помочь и другие физические свойства. Современные геологические трехмерные модели отложений учитывают фациальные условия формирования осадочных пород, исходя из данных ГИС и исследований керна скважин. Для определения количественного состава минералов и особенностей кристаллической структуры применяется рентгеноструктурный и электронномикроскопический анализы.

Типоморфные особенности кварца могут расчленять одинаковые по химическому составу пласты кварцевых песчаников, а извлеченная генетическая информация повысить информативность фациальной модели залежи.

Концепция типоморфизма минералов была введена впервые А.Е. Ферсманом. Типоморфизм – это свойство минералов в процессе образования и последующего преобразования, то есть генезиса, обладать определенными типоморфными особенностями. Поэтому в минералах имеется генетическая информация, количество которой значительно в распространенных минералах, таких как кварц, кальцит, пирит и другие.

Различают типоморфизм минералов и типоморфные особенности минералов. Стадии минералообразования характеризуются типоморфными ассоциациями минералов. Типоморфные особенности минералов разделяются на химические, структурные и физические.

Химические особенности – это наличие изоморфных примесей, изотопный состав и другое. Структурные особенности минералов – это параметры элементарной ячейки, полиморфизм, дефективность структур: плотность дислокаций, характер вакансий и другие неоднородности. В настоящей работе проводилось изучение структурных типоморфных особенностей с применением рентгенографического анализа.

Физические свойства минералов зависят от несовершенств их строения – дефектов. Дефекты подразделяют на точечные, линейные и объемные. Микроискажения возникают в связи с точечными и линейными дефектами кристаллов. Области когерентного рассеяния – это области кристалла с периодическим расположением атомов разделенными друг от друга границами зерен и дислокационными стенками. Типоморфные особенности кварца изучали ряд исследователей в России [1–3].

Цель исследования: определить параметры тонкой кристаллической структуры (размеры блоков о.к.р. и величин микроискажений) кварца различных генераций.

Материалы и методы исследования

Исследование микроструктуры, предполагающее определение размеров областей когерентного рассеяния и микроискажений, можно проводить с применением рентгеноструктурного анализа.

В работе сравниваются экспрессный рентгенодифракционный метод анализа при аппроксимации функциями Гаусса или Коши [4], Фойта [5; 6] и анализ формы профиля дифракционных линий [7] с учетом асимметрии профилей.

В случае аппроксимирующих функций Гаусса е-αx или Коши 1/(1 + γх2) по линиям 2 порядков отражения можно рассчитать размеры о.к.р. и величины микроискажений по зависимостям [4]. В экспрессном анализе используется функция Фойгта с интегральной шириной B, Коши Bк и гауссовой Bг составляющих. Значения Bк и Bг получают, применяя уравнение Лангфорда.

В ходе расчетов определяют физические уширения по Коши и Гауссу βк и βг, размер ОКР по Коши, Гауссу и общий Dк, Dг , D и величину микроискажений [6]. При расчете по функции Фойгта имеются ограничения:

peskov01.wmf (1)

При анализе профиля [7] дифракционная линия аппроксимируется асимметричной функцией псевдо-Фойгта – суммой функций Лоренца и Гаусса.

Расчет размеров блоков D по [7] при асимметрии пика с учетом полуширины для левой и правой частей линии проводится по зависимости:

peskov03.wmf (2)

где ηR – доля функции Коши для правой доли линии;

ηL – доля функции Коши для левой доли линии;

wLg – полуширина левой доли для эталона;

wRg – полуширина правой доли для эталона;

wRh – полуширина правой доли для эксперимента;

wLh – полуширина левой доли для эксперимента;

Кк – коэффициент, характеризующий форму о.к.р.;

Θ – угол аналитической линии;

λ – длина волны излучения;

a = π – (π/ln2)1/2, b = (π/ln)1/2.

Без учета асимметрии линии при wLg = = wRg = wg и wRh = wLh = wh размер блоков вычисляется:

peskov04.wmf (3)

Исследования проводились на дифрактометре Thermo scientific ARL XtrA. Объектами исследований являлись образцы халцедона, яшмы, волжского агата, кварцевого песка, песчаника из керна нефтяных скважин, крупнозернистого образца кварца с коричневой окраской, отобранные в Самарской области.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим результаты определения параметров тонкой кристаллической структуры исследованных образцов.

Для образцов халцедона и яшмы по экспериментальным уширениям B и отношению измеренной на половине высоты уширения пика к экспериментальной ширине рассчитаны уширения гауссовой и Коши компонент (табл. 1). Определялось отношение физических уширений гауссовой компоненты для двух порядков отражений βг2cosΘ2г1cosΘ1 и доля функции Коши ηк. Из приведенной таблицы видно, что экспериментальные уширения за счет функции Коши более значительны, чем уширения за счет функции Гаусса. Отношение βг2cosΘ2г1cosΘ1 для халцедона, яшмы и коричневого кварца больше допустимой величины 2, а для агата, породы, песка уширения для рефлекса 202 полностью связаны с функцией Коши, и расчет в связи с этим размера о.к.р. по функции Гаусса не имеет смысла. В связи с этим далее рассчитывался размер о.к.р. по уширениям доли Коши по зависимости 14. Отношение βг2cosΘ2к1cosΘ1 для большинства образцов, исключая коричневый кварц, больше 1, что допускает проведение расчетов по соответствующим зависимостям.

Для халцедона размер о.к.р. по зависимости [4] при аппроксимации по Коши составил D = 155,4 нм, а при аппроксимации по Гауссу D = 144,4 нм (табл. 2). По зависимости [6] c учетом уширения гауссовой и Коши компонент D = 127,8 нм. По зависимостям псевдо-Фойгта [7], при использовании для расчета пика 101, значение о.к.р. составило 19,8 нм, а по пику 202 значение незначительно отличается и равно D = 18,5 нм. Для образца яшмы по зависимостям [4] получены близкие по значению размеры о.к.р. D = 169,8 нм при аппроксимации по Коши. При аппроксимации по Гауссу получен размер о.к.р. D = 112,1 нм, а согласно зависимости [6] c учетом уширения гауссовой и Коши компонент D = 103,2 нм. По зависимостям [7] по пику 101 D = 17,5 нм, а по пику 202 D = 12,8 нм. Полученные значения при расчете по зависимостям российских ученых отличаются от значений, полученных по выражениям зарубежных исследователей.

Таблица 1

Экспериментальные уширения компоненты Гаусса Вг , компоненты Коши Вк, отношение физических уширений по Гауссу и Коши, доля компоненты Коши ηк образцов минералов для отражений 101 и 202

 

hkl

Вг

Вк

βг2cosΘ2г1cosΘ1

βг2cosΘ2к1cosΘ1

ηк

Халцедон

101

0,070

0,129

2,62

1,02

0,83

202

0,153

0,189

0,93

Яшма

101

0,078

0,149

2,25

1,09

0,76

202

0,161

0,219

0,75

Порода

Флер. № 2

101

0,050

0,056

1,36

0,7

202

0,030

0,108

0,996

Порода

Флер. № 6

101

0,047

0,073

1,58

0,65

202

0,000

0,135

1

Агат

101

0,065

0,183

1,07

0,85

202

0,000

0,265

1

Коричневый кварц

101

0,055

0,085

2,3

0,29

0,77

202

0,070

0,107

0,77

Песок

101

0,039

0,074

2,75

0,75

202

0,000

0,185

1

 

Таблица 2

Физические уширения кварца β, физические уширения компоненты Коши βк, экспериментальные уширения анализируемой линии и эталона – wh, wg, размер о.к.р. D и микроискажений ε рефлексов 101 (1 пик), 202 (2 пик) кварца для образцов халцедон и яшма

Расчет по зависимости

hkl

Параметр

Халцедон

Яшма

 

101

βк1, рад.

0,001276

0,001617

202

βк2, рад.

0,001515

0,002036

101

β1, рад.

0,001139

0,001837

202

β2, рад.

0,001375

0,002993

101

wh1, град.

0,156

0,196

202

wg1, град.

0,091

0,091

101

wh2, град.

0,199

0,292

202

wg2, град.

0,120

0,12

По Коши [4]

ε

0,000127439

0,00096

D, нм

155,4

169,8

По Гауссу [4]

ε

0,00033

1,25E-03

D, нм

144,4

112,0

По Фойгту [6]

ε

2,66621E-05

5,95E-05

D

127,8

103,2

[7]

D1(hkl = 101), нм

19,8

17,5

D2(hkl = 202), нм

18,5

12,8

 

Таблица 3

Рентгеновские параметры рефлекса 110 эталона кварца и халцедона для левой ветви: экспериментальная ширина пика wл, доля Коши ηл; для правой ветви: экспериментальная ширина пика wпр, доля Коши ηпр , размер о.к.р. – D

 

wл, град.

wпр, град.

B.05/Bл

B.05/B пр

ηл

ηпр

D, нм

Эталон кварца

0,110

0,082

0,844

0,697

0,038

0,070

11,1

Халцедон

0,17

0,14

0,69

0,707

0,838

0,8

 

Полученные данные расчета по зависимости (2) (табл. 3) показали размер о.к.р. с учетом асимметрии линий халцедона по пику 101 D = 11.1 нм против D = 19,8 нм без учета асимметрии пика.

Для образцов агата получены близкие значения относительно яшмы и халцедона согласно зависимости [7], и для агата по пику 101 размер о.к.р составил D = 11,3 нм, а для пика 202 D = 10,2 нм (табл. 4). Для образца коричневого кварца получены значительные размеры о.к.р. исходя из зависимости [7] по 3 пикам: по пику 100 D = 174,3 нм, по пику 101 D = 52,4 нм и по пику 202 D = 117,3 нм (табл. 4).

Для образца коричневого кварца отношение βг2cosΘ2к1cosΘ1 менее 1, в связи с чем расчет по зависимости 14 не проводился.

Размер о.к.р. образца кварцевого песка по зависимости [7] составил для пика 101 D = 82 нм, а для пика 202 D = 36 нм (табл. 5).

Образцы кварца песчаника из керна нефтяной площади показали значительную разницу в размерах о.к.р.: образец 2 при аппроксимации по Коши составил по зависимости [4] D = 643,4 нм, а при аппроксимации по Гауссу D = 644,4 нм (табл. 5). По зависимости [6] c учетом уширения гауссовой и Коши компонент D = 642,8 нм. По зависимостям [7] при использовании для расчета пика 101 значение о.к.р. составило D = 84,0 нм, а по пику 202 значение D = 66,8 нм. Образец 6 по зависимости [4] при аппроксимации по Коши составил D = 77,7 нм, а при аппроксимации по Гауссу D = 76,1 нм. По зависимости [6] для образца № 6 c учетом уширения гауссовой и Коши компонент D = 144 нм, а по зависимостям [7], при использовании для расчета пика 101, значение о.к.р. составило 15,8 нм, а по пику 202 значение D = 10,9 нм.

Таблица 4

Физические уширения кварца β, физические уширения компоненты Коши βк, экспериментальные уширения анализируемой линии и эталона – wh, wg, размер о.к.р. D и микроискажений ε рефлексов 101 (1 пик) и 202 (2 пик), 100 (3 пик) кварца для образцов агата и коричневого кварца

Расчет по зависимости

Параметр

Агат

Коричневый кварц

 

βк1, рад.

0,002203

0,00049

βк2, рад.

0,002732

0,000168

β1, рад.

0,002166

0,000339

β2, рад.

0,002523

0,000435

wh1, град.

0,215

0,110

wg1, град.

0,091

0,091

wh2, град.

0,265

0,145

wg2, град.

0,120

0,120

wh3, град.

0,082

wg3, град.

0,078

По Коши [4]

ε

0,000154415

0,000063

D, нм

78,4

567,7

По Гауссу [4]

ε

0,003565603

0,00013

D, нм

74,9

505,5

По Фойгту [6]

ε

0,0000717

D

753

[7]

D1(2Θ = 26,6), нм

11,3

52,4

D2(2Θ = 54,4), нм

10,2

117,3

D3 (2Θ = 20,8), нм

174,3

 

Таблица 5

Физические уширения кварца β, физические уширения компоненты Коши βк, экспериментальные уширения анализируемой линии и эталона – wh, wg, размер о.к.р. D и микроискажений ε рефлексов 101 (1 пик) и 202 (2 пик) кварца для образцов № 2 и № 6 керна нефтяных скважин

Методика анализа

Параметр

Образец № 2, керн

Образец № 6, керн

Кварцевый песок

 

βк1, рад.

0,000299

0,001414

0,000464

βк2, рад.

0,000470

0,002575

0,001471

β1, рад.

0,000247

0,002103

0,000346

β2, рад.

0,000270

0,002366

0,0004

По Коши [4]

ε

5,66023E-07

6,93E-05

2,15E-05

D, нм

643,6

77,71

485,5863

По Гауссу [4]

ε

0,00001

3,2 Е-05

0,000572

D, нм

642,7

76,1

466,7

По Фойгту [6]

ε

3,15E -05

0,000226

0,00021

D

642,8

144,0

937

[7]

wh1, град.

0,105

0,211

0,098

wg1, град.

0,091

0,091

0,078

wh2, град.

0,136

0,256

0,185

wg2, град.

0,12

0,12

0,162

D1(2Θ = 26,6), нм

84,0

15,8

82

D2(2Θ = 54,4), нм

66,8

10,9

36

 

В ряде работ [8] изучалось качество кварца в зависимости от наличия изоморфных примесей и размера кристаллов с применением рентгенографического анализа методом расчета индекса кристалличности. Расчет индекса кристалличности кварца позволяет эффективно и качественно выявить наиболее перспективные виды кварцевого сырья для получения концентратов особо чистого кварца. В [9] получены значения индекса кристалличности и размер о.к.р. для образцов кварца разного генезиса. Индекс кристалличности для представленного ограниченного ряда образцов возрастает с увеличением размеров о.к.р., и из-за недостаточной изученности физических основ индекса кристалличности и малой выборки образцов эта связь недостаточно достоверна.

Заключение

Для образцов кварца крупнозернистого песка и коричневого кварца получены большие размеры о.к.р., чем для образцов халцедона, агата и яшмы. Размеры о.к.р. образцов кварца пород керна нефтяной площади значительно различаются. Исследование параметров тонкой кристаллической структуры рассмотренными группами методов показало их некоторые преимущества и ограничения. При исследовании экспрессным методом аппроксимацией функциями Гаусса, Коши или Фойгта можно использовать линии 2 порядков отражений. Это линии с hkl-100, 200, 300, 400, 101, 202. При исследовании методом анализа формы линий не указаны ограничения в использовании любой одиночной линии из рентгенометрических данных минерала. Кроме того, расчет можно проводить по асимметричным линиям.

Размер о.к.р. с учетом асимметрии линий халцедона по пику 101 равен D = 11,1 нм. Это значение меньше размера о.к.р., полученного без учета асимметрии пика D = 19,8 нм. Результаты, полученные по зависимостям из [7] по линиям с разными hkl, отличаются друг от друга приближенно до 50 %, что сопоставимо и представляет интерес для дальнейшего изучения. В зависимостях расчета размеров блоков D методом анализа профиля линий для Kk-коэффициента, зависящего от формы о.к.р., принято значение, равное 1, исходя из предположения, что форма о.к.р. сферическая. Используя описанные методы, возможно дополнительно проводить изучение образцов кварца по размерам о.к.р. и расчленять пласты кварцевых песчаников.


Библиографическая ссылка

Песков А.В., Алекина Е.В., Тарасова Е.Ю. ТИПОМОРФНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КВАРЦА // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 11. – С. 95-100;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37521 (дата обращения: 30.05.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685