Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ЭКСПРЕССНЫЙ ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ

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
В данной статье обсуждается применение полуколичественного рентгеновского анализа методом постоянных коэффициентов для исследования искусственных и природных глиносодержащих пород. Определены коэффициенты пропорциональности для пар мусковит-каолинит, хлорит-каолинит, хлорит-мусковит, каолинит-монтмориллонит. Показано, что в смесях каолинит-иллит с естественным и дефектным каолинитом коэффициенты пропорциональности значительно отличаются. Проведены расчеты параметров дефектности образцов каолинита. Найдены относительные погрешности содержания глинистых и неглинистых минералов: мусковита, каолинита, хлорита, монтмориллонита, кварца – в смесях разного состава. На ориентированных препаратах образца искусственной смеси каолинита и кварца определялись содержания каолинита и кварца по различным базальным отражениям каолинита и отражениям кварца, найдены погрешности определения каолинита и кварца. С использованием коэффициентов пропорциональности для глинистых минералов и предварительно определенных разновидностей иллитов и хлорита проведена экспрессная оценка содержаний минералов в природных образцах с примесями кварца. Определение содержаний минералов в природных образцах глиносодержащих пород, содержащих неглинистые компоненты: кварц, полевые шпаты, карбонатные минералы – возможно проводить в два этапа. Вначале определяется содержание неглинистых компонентов на неориентированных препаратах, а далее, после выделения глинистой составляющей, определяется содержание глинистых компонентов. Исследования с использованием двух отражений минералов показали меньшую погрешность в определении содержаний. Также исследовались искусственные смеси глинистых минералов методом добавки и определены погрешности этого метода. Экспрессный полуколичественный анализ глинистых минералов по методике постоянных коэффициентов может применяться при массовых исследованиях терригенных пород коллекторов нефти и газа.
дифракционный пик
интенсивность
метод внутреннего стандарта
метод постоянных коэффициентов
метод добавки
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. Дьяконов Ю.С. Полуколичественное рентгенографическое определение минералов глин. Методические указания. Всесоюзный научно-исследовательский институт минерального сырья (ВИМС). М., 1984. C. 1–25.
6. Песков А.В., Степанова И.А. Оценка содержаний глинистых минералов в терригенных породах с уточнением содержания калия и железа в гидрослюдах // Ашировские чтения. 2017. Т. 1. № 1–3 (9). С. 335–342.

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


Библиографическая ссылка

Песков А.В., Алекина Е.В., Тарасова Е.Ю. ЭКСПРЕССНЫЙ ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 6. – С. 122-126;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37650 (дата обращения: 15.10.2021).

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 = 1.074