Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019


13.08.2019


13.08.2019


08.08.2019


06.08.2019


30.07.2019





Яндекс.Метрика
         » » Методы перечисления химических анализов горных пород

Методы перечисления химических анализов горных пород

08.12.2017

Химический состав горных пород изображается чаще всего в виде чисел, указывающих на процентное содержание весовых количеств различных окислов. Однако во многих случаях удобнее выражать состав породы в числах, соответствующих молекулярным количествам окислов. Для этого каждое из чисел весовых процентов делится на молекулярный вес соответствующего окисла. Числа, соответствующие молекулярным количествам, удобны в том отношении, что при помощи их можно вычислять относительные количества различных минералов в породе, изображать состав пород в виде определенных формул, строить графические изображения состава пород.

Чтобы облегчить сравнение результатов химических анализов, их перечисляют, пользуясь различными методами. В России преимущественно пользуются методами Левинсон-Лессинга, Ниггли и Заварицкого.

Метод Левинсон-Лессинга. Левинсон-Лессинг после перечисления весовых процентов окислов соединяет молекулярные количества R2O и RO в общую сумму, обозначаемую RO, окислы R2O3 — в другую. При этом совершенно отбрасываются Н2О CO2, TiO2. При наличии P2O5 она также отбрасывается, причем вместе с ней отбрасывается утроенное молекулярное количество CaO. Получается магматическая формула породы:
Для упрощения коэффициент при R2O3 принимается за единицу:
Кроме магматической формулы, характерны для горных. пород: 1) отношение R2O:RO; 2) коэффициент кислотности а, который получается делением числа атомов кислорода, соединенных с кремнием, на число атомов кислорода, соединенных с основаниями:
Метод Ниггли. Одним из наиболее удобных методов перечисления химических анализов горных пород является способ Ниггли. R основу его также берутся молекулярные количества.

По Ниггли цифры анализа (весовые проценты) перечисляются на молекулярные количества делением на соответствующий молекулярный вес окисла. Деление проводится до третьего десятичного знака, причем, так как важны соотношения между молекулярными количествами, запятые отбрасываются. Все окисное железо (Fe2O3) пересчитывается на закиснсе (FeO) умножением молекулярного количества Fe2О3 на 2 (Fe2О3 = 2 FeO). Затем молекулярные количества FeO, MgO, MnO, NiO складываются. Также суммируются CaO, SrO, BaO, составляя отдельную величину. Количества Na2O, K2O, Li2O складываются в сумму щелочей. Полученные суммы вместе с Al2O3 + Cr2O3 складываются, и окончательная сумма молекулярных количеств принимается за 100. Относительные количества частных сумм пересчитываются на al, fm, с и alk из расчета, что окончательная сумма равна 100. Таким образом,

al fm с + alk = 100,

где al — пересчитанное молекулярное количество

Al2C3 + Cr2O3;

fm — пересчитанное молекулярное количество

FeO + MgO + MnO + NiO;

с — пересчитанное молекулярное количество

CaO + BaO + SrO;

alk — пересчитанное молекулярное количество

K2O + Na2O Li2O.

Количество SiO2 пересчитывается на величину si по уравнению:
или, что проще, согласно предложению Заварицкого:
Таким же образом приводятся к однородным единицам величины ti (для TiO2), h (для H2O), р (для P2O5) и т. д.

Для того чтобы судить о степени насыщенности породы кремнеземом, Ниггли предлагает пользоваться величиной q' (кварцевое число). Оно выражает количество свободного SiO2, полученного после насыщения имеющегося кремнезема другими окислами. Значит,

qz = si—si',

где si' есть количество связанной кремнекисдоты. Величина si' вычисляется из соотношения:
Такой расчет базируется на том, что: 1) кремнезем связывается щелочами молекулярно в отношении 6:1, образуя щелочные полевые шпаты; 2) для образования анортита требуется удвоенное количество молекул кремнезема против количества молекул глинозема, оставшихся от образования щелочных полевых шпатов, у которых Al2O3 и B2O относятся как 1:1: 3) оставшееся от образования анортита количество CaO, равное с, за вычетом количества al, идущего на образование анортита, связывается кремнеземом в отношении 1:1, образуя метасиликат; 4) на образование метасиликатов магния и железа требуется также эквивалентное количество молекул кремне-кислоты. В щелочных породах, при alk > al, величина qz вычисляется из соотношения:

qz = 6al+ 2 (alk — al) + с + fm = 100 + Bal + alk.

В редких случаях, когда al > (alk + с), избыток его присоединяет эквимолекулярное количество si; это значит, что вместо с — al + alk берется al — с — alk.

В случае, когда qs = 12, порода насыщена кремнеземом. Для пересыщенной породы, содержащей свободный кремнезем в виде кварца, qz > 12. В случае, когда qz < 12, порода содержит ненасыщенные силикаты, в первую очередь оливин.

Важное значение имеют, согласно Ниггли, также следующие отношения:

1) k — отношение молекулярного количества K2O к сумме молекулярных количеств всех щелочей:
2) mg — отношение молекулярного количества MgO к сумме молекулярных количеств MgO + FeO + MnO:
Если имеется избыток si, он обыкновенно образует кварц. Если же si слишком мало, чтобы образовать кварц, образуются минералы, содержащие меньше SiO2, чем указанные выше наиболее богатые кремнекислотой минералы — именно, образуются оливин, биотит, заместители полевых шпатов (фельдшпатоиды), рудные минералы и др.

Ниггли коэффициенты al, fm, с и alk наносит на тетраэдр, в углах которого помещаются эти коэффициенты, каждый с значением, равным 100 (рис. 1). Для перенесения проекции тетраэдра на плоскость Наггли предлагает следующий метод.
Ребра тетраэдра c—fm делятся на десять равных частей, которые соответствуют точкам fm:с = 9:1, fm:с = 8:2, fm:с = 7:3, fm:с = 5:5, fm:с = 4:6, fm:с = 3:7, fm:с = 2:8 и fm:с = 1:9. В результате этого тетраэдр будет разбит на 10 участков (табл. 3).
Точки внутри каждого такого участка должны быть представлены таким образом, как если бы они лежали на центральной плоскости, представляющей собой равнобедренный треугольник. Все эти треугольники содержат сторону al — alh И проходят через точки I (fm 95 : с 5), II (fm 85 : с 15), III (fm 75 : с 25), IV (fm 65 : с 35), V (fm 55 : с 45), VI (fm 45 : с 55), VlI (fm 35 : c 65), VIII (fm 25 : с 75), IX (fm 15: с85), X (fm 5 : c 95). По две таких точки симметрично расположены друг к другу, например точки I и X, II и IX, III и VIII и т. д. Плоскости раскрываются по линии al—alk, образуя пары треугольников с общей стороной al—alk. Поскольку это необходимо, фигуры лучше всего сводить к двум таким плоскостям, получая таким образом 5 двойных фигур.

Хотя отдельные треугольники равнобедренные, но отличие их от равносторонних настолько мало, что практически, чтобы легче было их использовать, можно считать их равносторонними. Проекционные точки, лежащие в 10 участках, попадают таким образом в секущую фигуру, как будто бы непосредственно к ней и принадлежали. Для этого построения имеют значение al, alk и особенно отношение c:fm, которое определяет соответствующую плоскость. Последнее отношение целесообразно ставить впереди других констант. Какое отношение с:fm соответствует каждой секущей плоскости, видно на пяти чертежах рис. 2.
Проекция Ниггли чрезвычайно удобна тем, что в ней имеются также поля, занимаемые различными горными породами, магматическими и осадочными, с различными генетическими типами последних. Принимается во внимание, кроме того, некоторое отсутствие свежести породы. Числа si, k и mg во внимание не принимаются. Они колеблются внутри каждого поля в известных пределах. Если химический состав породы, перечисленный на коэффициенты Ниггли, укладывается в поле магматических пород и одновременно выполнены остальные условия, то с чисто химической точки зрения нет основания сомневаться в первоначально магматическом происхождении данной горной породы, как бы глубоко она на была преобразована в минералогическом отношении.

Удобнее всего наносить коэффициенты Ниггли на диаграмму, которая строится таким образом, что на абсциссу наносится число si, на ординату от точки числа si наносятся числа al, с, fm и alk, до направлению вниз (на продолжении ординаты) — иные коэфициенты, например k, mg и т. д. Так получается возможность графически сравнивать состав различных горных пород и составлять вариационные диаграммы.

Метод Заварицного. Заварицкий предложил один из наиболее рациональных методов перечисления и составленную при помощи этого метода диаграмму нового типа.

Обычно при перечислении исходят из отношения окислов (в весовых или молекулярных количествах):



SiO4 : Al4O3 : Fe2O3 : FeO : MgO : CaO : Na2O : K2O : + H2O : — H2O : TiO2 : MnO : P2O5.

Заварицкий исходит из отношения чисел атомов:

О : Si : Al : Fe : Mg : Ca : Na : К : H : Ti : Mn.

Для вычисления основной формулы, дающей математическое представление о химическом составе горной породы, он принимает во внимание лишь характерные для породы отношения между семью элементами:

Si : Al : Fe : Mg: Ca : Na : К

(при незначительном содержании Мn присоединяется к Fe, а Ti условно к Si).

С точки зрения атомной структуры минералы горных пород образованы кислородным каркасом, внутри которого в определенном для каждого минерального вида порядке заключены катионы металлов. С этой точки зрения основные химические свойства горных пород, представленные вышенаписанным рядом отношений, определяются соотношением катионов разных элементов, входящих в такие решетки. Эти особенности состава породы следует считать существенными.

Главные признаки, которые ложатся в основу классификации горных пород, следующие:

1. Взаимоотношение салических и фемических составных частей горных пород. Это вытекает из глубокого различия между атомной структурой алюмосиликатов и простых силикатов (отношение легких светлых минералов к тяжелым темным).

2. Избыток или недостаток в составе породы кремнекислоты. Это определяет, согласно Лакруа, появление таких "симптоматических" минералов, как кварц, оливин или заместители полевых шпатов (фельдшпатоиды).

3. Характер полевых шпатов — чрезвычайно важный классификационный признак химического и минералогического состава породы. Другими словами — характер салических, алюмосиликатных составных частей, который определяется относительными количествами щелочных алюмосиликатов и алюмосиликатов кальция.

4. Особенности щелочных алюмосиликатов, с одной стороны, и простых силикатов, с другой.

Все эти признаки отчетливо выступают благодаря методу Зяварицкого.

Основная числовая характеристика магматических горных пород, исходя из сказанного, выражается, согласно Заварицкому. отношением четырех чисел:

А : С : В : S,

где А — сумма молекулярных количеств щелочей (Na2O + K2O + Li2O);

С — молекулярное количество Al2O3;

В — сумма молекулярных количеств Fe2O3 + FeO + MnO + MgO + CaO;

S — сумма молекулярных количеств SiO2 + TiO2.

Перечисляя сумму А+С+В + S на 100, получаем: а:с:b: причем a+c+b+s = 100.

Эти величины обозначают:

а — относительное число атомов щелочных металлов, входящих в алюмосиликаты и комбинирующихся в атомных решетках минералов с атомами Al.

с — относительное число атомов Ga, которые могут войти в состав алюмосиликатов в сочетании CaAl2. В некоторых породах известковый алюмосиликат отсутствует и вместо него может присутствовать ферросиликат натрия (эгирин). Этот случай рассматривается отдельно.

b — относительное число всех остальных металлических атомов, за исключением Si (и Ti), не входящих в алюмосиликат натрия и принимающих участие главным образом в строении решеток простых силикатов.

s — относительное число атомов Si.

По химическому составу магматические породы можно разделить на три группы, характеризующиеся определенным соотношением молекулярных количеств Al2O3, CaO и (Na2O + К2O).

1. Составы нормальные: CaO + Na2O + K2O > Al2O3 > Na2O + K2O.

2. Составы пересыщенные глиноземом: Al2O3 > GaO + Na2O + K2O.

3. Составы пересыщенные щелочами: Na2O + К2O > Al2O3.

Об избытке или недостатке кремнезема можно судить не относительной величине s. Наибольшее число атомов Si, которое может войти в состав щелочных силикатов, равно трем, соответственно формуле полевых шпатов (Na, К) AlSi3O8.

Порядок перечисления по Заварнцкому следующий:

1. Перечисляем весовое процентное содержание окислов на молекулярные количества их.

2. Складываем молекулярные количества SiO2 и TiO2, обозначаем эту сумму S.

3. Берем сумму молекулярных количеств Na2O и K2O. Если эта сумма меньше, чем Al2O3, пли равна этому количеству, удваиваем сумму Na2O + K2O и обозначаем ее А.

За. Если K3O + Na2О > Al2О3, то величину А получим, удваивая Al2O3, а избыток Na2O = K2O + Na2O — Al2O3, умножив на два, обозначаем С.

4. Берем разность Al2O3 — (K2O + Na2O). Если она меньше, чем CaO, или по крайней мере равна ей, обозначим ее С.

4а. Если Al2O3 > K2O + Na2O + С2O, то C = CaO и в таком случае избыток Al2O3' = Al2O3 — (K2O + Na2O + CaO), умножив на два, присоединяем к величине В.

5. Удваивая количество Fe2O3 и складывая его с количеством FeO (+MnO), получаем FeO'. В случае пород, пересыщенных щелочами, величину FeO убавляем на величину С (см. п. 3а).

5а. В некоторых весьма редких случаях может случиться, что C > FeO'; тогда обозначаем разность С—FeO', через Na', что представляет избыток натрия (умноженного на два), т.. е. излишние атомы Na после образования С.

6. Определяем CaO' = CaO — С.

7. Складывая FeO + MgO + CaO', получаем величину В. Сюда же присоединяем, как указано, удвоенный избыток Al2O3', когда он имеется (см. п. 4а), или, в указанных выше очень редких случаях, избыток Na' (тогда, очевидно, отсутствует FeO').

8. Приводим отношение A:C:B:S или A:C:B:S к 100 по формулам:
т. е. выражаем А:С:В:8 (или a:c:b:s) в процентах.

Таким путем получаем основную числовую характеристику химического состава породы а: с: b: s.

Кроме того, для характеристики состава породы могут служить следующие дополнительные коэффициенты или параметры:
В породах, пересыщенных глиноземом, к ним присоединяем еще, как указано выше:
В породах, пересыщенных щелочами, для f' величина FeO обозначает количество закиси железа, уже уменьшенное на величину С. В редких случаях, когда C > FeO', остается избыток Na'; получается дополнительный параметр:
В этом случае f отсутствует.

В зависимости от результатов пересчета получаем четыре химические группы магматических пород с такими числовыми характеристиками:

1. Составы нормальные:

a:c:b:s; f':m':c'; n; t; ф.

2. Составы пересыщенные глиноземом:

а:с:b:s; a':f':m'; n; t; ф.

3. Составы пересыщенные щелочами:

a:c:b:s; f:m':с; n; t; ф.

4. В еще более редких случаях, сильно пересыщенные щелочами породы:

a:c:h:s; n':m': с'; n; t; ф.

Заварицкий подчеркивает как важное обстоятельство: параметры основной характеристики — числа именованные, параметры дополнительные — отвлеченные числа.
Весовые числа (l-я колонка) пересчитываем на молекулярные количества (2-я колонка). Складываем SiOj + TiO3, получаем S (917). Складываем Na2O + K2O, получаем числа R2O (или R3O*Al3O3). Так как за параметр А ’берем число атомов К и Na, то для получения А (122) надо сумму щелочен (61) умножить на 2. Вычитая сумму щелочей из Al2O3, получим C(111). Вычитая полученное количество полевошпатовой извести из всего количества CaO, получаем количество свободной извести CaO' (047) или соответственно атомов Ca. Перечисляем Fe2O2 на закись FeO, для чего количество первого умножаем на 2. Прибавляем сюда FeO и MnO, получаем FeO' (112). Складываем FeO' + MgO + CaO', долучаем В (300). Сумма А + С В + S = 1450 (N).

Перечисляя относительные количества А:С:В:S на проценты и приводя сумму к 100, получаем а:с:b:s и дополнительные параметры:

f' = 37; m' = 47; с' = 16; n = 84; t = 1,3; ф = 24.

Удобнее всего все эти перечисления производить с помощью счетной линейки. Сложение удобнее всего производить на счетах.
Как и в первом примере, находим А; после вычитания Al2O3 — (Na2O+ K2O) видно, что разность (126) больше CaO. В таком случае все число атомов Ca (116) уйдет с С, которое будет равным 116. Остается избыток Al2O3, т. е. разность 126—116=010. Умножая это число на 2, получаем число атомов Al, которые войдут в В вместе с Fe2O3 (перечисленным на FeO), FeO и MgO. Дальше — как в первом примере.

Дополнительные параметры: а' = 11; f' = 51; m' = 38; n = 80; A = 0,8; ф = 12.

Сложив Na2O и K2O, получаем сумму (138), большую, чем Al2O, (113). Следовательно, весь Al2O3 войдет в алюмосиликаты щелочей и число атомов К и Na в алюмосиликатах будет равно 2Al2O3 = 226 (А). Остается еще избыток щелочей 025. Этот избыток, удвоенный, равен числу атомов Na, входящих в С. На то же число надо уменьшить число атомов Fe, остаток входит в Я Дополнительные параметры: f' = 62; m' = 25; с' = 13;
Избыточное число атомов Na, не входящее в состав алюмосиликата (98), больше числа атомов Fe (+Mn) на 42 (98—56 = 42). Все железо войдет в С, а 42 атома Na — в B.

Дополнительные параметры: n' = 59;m = 11; c' = 30; n = 86,

Изложенный выше способ перечисления химических анализов магматических пород, предложенный Заварицким, удовлетворяет ряду важных требований. Это перечисление выражает главные особенности химического состава магматических пород при помощи отношений четырех чисел главной характеристики и трех (или двух) дополнительных. Одновременно достигается полное однозначное соответствие цифр этих числовых характеристик с семью цифрами главнейших окислов, входящих в состав породы. Заварицким установлена далее возможность замены цифр анализа группами отношений (не более четырех чисел), что позволяет легко нанести эти отношении на сравнительно простую диаграмму.

Удобнее всего для проектирования этих четырех чисел пользоваться барицентрической диаграммой, аналогичной той, которая использовалась и ранее Озанном и другими петрографами и широко используется в физической химия. Предлагаемые Заварицким числовые характеристики выражают однозначно ряд отношений между семью числами. В этих числах даны шесть независимых переменных. Простейшим геометрическим элементом, именно точкой, отношение семи чисел может быть изображено только в шестимерном пространстве. Поэтому вместо двух точек Заварицкий применяет векторы, их соединяющие; посредством этих векторов можно построить диаграмму в трехмерном пространстве.
Для упрощения Заварицкий предлагает системы проекций, одну для главных характеристик и другие для дополнительных. Эти системы проекций он соединяет в один целый геометрический образ, дающий полное представление об особенностях составов, выраженных в числовых характеристиках.

Для основной числовой характеристики химических составов, представленных четырьмя числами, при пользовании барицентрической диаграммой можно получать одну точку. При этом Заварицкий за основу проекция принимает прямоугольный тетраэдр.

На рис. 3 показано расположение точек проекций (фигуративных точек) виртуальных или нормативных минералов, их миналов, т. е. простейших их составов, в правильном тетраэдре. Для этих миналов получаются следующие отношения параметров основной характеристики:
Для реальных минералов — пироксенов, амфиболов и слюд, естественно, получаются отклонения от этих теоретических отношений:
Параметры с и с имеют прямо противоположный характер в отношении химического состава породы. При С > 0 фигуративные точки состава помещаются внутри тетраэдра, в случае же а:с:b:s они помещаются вне тетраэдра, как это показано на рис. 4.

Плоскости ABS и CBS развернутого прямоугольного тетраэдра проектируются на плоскость чертежа (рис. 5).
Каждая точка изображена в виде двух проекций P1 и P2 причем SR = b, P1R = а, PR = с. Для нахождения величины s проводим прямую P1T под углом 45° к осям координат (пли PT = P1R) и затем откладываем отрезок TU = P2R (можно сразу отложить отрезок RU = P1P2). В таком случае получаем SR = b, RT = P1R = a, TU = c, так как s = 100 — (а + с + b), а мы приняли, что SB = 100 следовательно, s = SB — (SR + RT + TU) = UB.

Координатные оси b + а + с Заварицкий называет: Ось SA — ось щелочная, SC — анортитовая, SB — фемическая. Координатные плоскости SAB bSCB он называет щелочной и известковистой. Изображение точек пространственной диаграммы получают в виде двух проекций на щелочную и известковистую грани основного тетраэдра. Составы, пересыщенные щелочами, занимают особое место, выходя за пределы тетраэдра. Следует отметить, что все фигуративные точки минералов и горных пород в данной системе проекций не выходят за пределы треугольников аn — nе — mt и cooтветственно ас — nе — mt и, следовательно, построения занимают только центральную часть диаграммы, захватывающую эти треугольники.

Вычерчивать диаграмму удобно на клетчатой бумаге, приняв длину SB (ребро тетраэдра) равной 100 см (т. е. единица масштаба 1 см и точность нанесения точек 1 мм).

При построении диаграммы по Заварицкому поступают следующим образом.

На клетчатой бумаге наносят крупную сетку: примерно 6 квадратов в горизонтальном и в вертикальном направлениях, но 2,5 см в квадрате. В левой части проводят вертикальную линию, соответствующую фемической оси SB. Направо от нее будет находиться щелочное поле, налево — анортитовое поле.

Наносят прежде всего фигуративные точки P1 и P2 на обоих полях — щелочном и анортитовом, отсчитывая вниз от точки S число делений коэффициента b до точки В; затем проводят через эту точку R горизонтальную линию, параллельную анортитовой и щелочной осям, P1 P2; на линии P1P2 откладывают отрезки, пропорциональные коэффициентам а и с. Точки P1 и P2 будут фигуративными точками, каждая в своем поле (см. рис. 5).

На этих фигуративных точках строят далее дополнительные векторы в точке для f':m':с' и точке Р2 для коэффициента и (риc. 6, 7)

Чтобы вычислить положение и размеры вектора для отношения дополнительных параметров f':m':c', строят прямоугольный треугольник, вершина которого совпадает с P1. Сумма f' + m' + с' равна 100. Треугольник строится в масштабе, в 10 раз меныпем, чем основная диаграмма.

На построенном треугольнике f1'm1 параллельна оси SB, f1c1 параллельна оси SA.

Фигуративная точка, изображающая f':m':с’, соответственно a':f':m', совпадает с P1. Так как треугольник проекций прямоугольный л сторона его равна 100, a f' + m' + c' = 100, отрезок QR равен m', PR равен с' и PT равен Р. Параметром является гипотенуза с направлением направо и вниз. Длина и направление этого вектора определяют следующие химические характеристики горной породы.


Короткие векторы указывают на богатство железом, крутые, т. е. близкие к фемической оси — на богатство магнезией, пологие — на богатство свободной известью. Ho самому способу построения векторы, выражающие соотношение f':m':c' направлены вниз и направо, векторы, выражающие соотношение a':f':m' — вниз и налево. Последнее указывает на то, что мы имеем дело с породами, пересыщенными глиноземом.

Числовые характеристики Заварицкого нанесены на диаграмму.

Пересчет химических анализов магматических пород по методу Заварицкого целесообразен по той причине, что он дает особенно ясную картину химических особенностей различных типов магматических пород (сравнительно с другими методами, в частности — Ниггли).