Виды и методы геохимического анализа

Цель и содержание. Познакомить студентов с существующими методами анализов геохимических проб, их достоинствами и недостатками.

Теоретическое обоснование. При геохимических поисках для установления содержаний элементов (их соединений) применяются следующие наиболее распространенные методы анализа: эмиссионный спектральный; атомно-абсорбционный; массовый; колориметрический и другие методы собственно химических анализов: радиометрический; рентгеноспектральный. Кроме того, в отдельных случаях могут оказаться полезными методы определения свойств различных минералов (декриптация, ТЭДС сульфидных минералов и др.).

Часть анализов может выполняться в движении без отбора проб и с автоматической записью результатов. К ним пока относятся немногие: различные радиометрические, газортутные и др. Преимущества этих методов (особенно непрерывность определения, высокая степень автоматизации и экспрессность) делают их эффективными при геохимических поисках.

1. Эмиссионный спектральный анализ

Уже около 50 лет наиболее распространенным методом анализа при геохимических поисках является эмиссионный спектральный анализ. Он может быть использован для определения содержания элементов в коренных породах, рыхлых отложениях, золе растений, сухих остатках водных проб и отдельных минералах. Основой анализа является возможность измерения длины волны и интенсивности излучения, испускаемого атомами, молекулами и ионами вещества в источнике света. Излучение, испускаемое раскаленными газами и парами, в отличие от излучения твердых тел и жидкостей, содержит только определенные длины волн. Поэтому вместо сплошной полосы на экране получается ряд отдельных цветных линий, разделенных темными промежутками. Число и расположение этих линий зависят от природы раскаленного газа или пара. Итак, пары калия дают спектр, состоящий из трех линий – двух красных и одной фиолетовой. Такой спектр называется линейчатым. Тот факт, что атомы каждого элемента дают вполне определенный, присущий только этому элементу спектр, причем интенсивность соответствующих спектральных линий тем выше, чем больше содержание элемента во взятой пробе.

Широкое применение спектрального анализа при геохимических поисках обусловлено рядом его преимуществ. С его помощью можно одновременно определять в исследуемых объектах свыше 70 элементов. К ним относится большинство металлов, включая редкие земельные, определить которые можно и без увеличения объема пробы. Сам анализ не требует проведения сложных операций по предварительной обработке проб, отличается простотой выполнения и соответственно высокой производительностью (пока недоступной при других методах анализа).

Спектрограммы, получаемые на фотопластинках, позволяют достаточно объективно оценивать содержание элементов, кроме того, они могут использоваться для проверки результатов анализа и дополнительного определения тех элементов, которые при первичном анализе не учитывались.

К недостаткам анализа относится возможное наложение линий на спектрограммах, затрудняющее определение. При больших содержаниях элементов (свыше 1%) спектральный анализ часто уступает по точности другим методам. При расчетах невозможно учесть влияние на результат анализа общего химического состава проб и формы нахождения определяемого элемента.

Спектральный анализ подразделяется на два вида: полуколичественный и количественный. Первый по сравнению со вторым дает менее точное определение содержания исследуемых элементов, но производительность его выше, а наиболее простым и распространенным является первый.

Весьма перспективным является использование ЭВМ в цикле расшифровки спектрограмм, для создания территориальных банков геохимической информации, при обработке данных и выдаче результатов в виде таблиц и графиков.

2. Атомно-абсорбционный анализ

Этот метод стал применяться сравнительно недавно. Однако его применение непрерывно расширяется. Особая ценность метода состоит в том, что из одного раствора после разложения образца можно определить содержание около 40 химических элементов. Для анализа образец переводят в раствор, который содержит элементы, подлежащие обнаружению. Затем раствор помещают в камеру атомно-абсорбционного спектрофотометра, где раствор диспергируется и испаряется с помощью пламени. Пламя имеет температуру, достаточную для перевода большей части раствора в атомарное состояние (около 2000⁰С). Пар, содержащий определяемый элемент, освещается источником света, обычно лампой с катодом того элемента, который подлежит обнаружению. По измеренной энергии, дошедшего до детектора, можно количественно установить содержание этого элемента в паре.

Атомно-абсорбционная спектрофотометрия относится к типичным методам определения "следовых" количеств элементов в разнообразных природных объектах – почвах, породах, золе растений, в природных водах.

Перспективным следует считать применение для анализов геохимических проб и беспламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии, используемой пока только для определения содержания ртути.

3. Рентгенорадиометрический анализ

Этот метод сравнительно широко стал использоваться только в последние годы. Он основан на облучении минералов и пород γ-квантами и измерении вторичного излучения элементов. Обычно облучение производится изотопными источниками или портативными рентгеновскими трубками. Это позволяет создать ряд переносных приборов, которые могут быть использованы при детальных литохимических поисках, когда основное внимание уделяется содержаниям небольшой группы элементов-индикаторов оруденения определенного типа.

Рентгеноспектральный анализ успешно применяется для проведения силикатного анализа горных пород, при котором используются квантометры.

Для проведения экспрессных анализов ряда элементов (от Na до Ba и от Hf до U) применяются отечественные приборы, с помощью которых можно одновременно, без перестройки определять 2-4 элемента. Существует группа приборов, позволяющих с высокой точностью устанавливать и в полевых условиях содержание элементов разных групп, например, железа.

4. Изотопные методы

Применяемые в последние годы в геохимических исследованиях данные об изотопном составе, в частности ¹⁸О/О¹⁶, могут служить указанием на температуру формирования месторождений и на пути движения рудообразующих растворов. Изотопный состав элементов определяют с помощью специальных приборов – масс-спектрометров.

5. Другие методы анализа геохимических проб

В тех случаях, когда содержание определяемых элементов велико и точность спектрального анализа не удовлетворяет предъявляемым требованиям, используются массовые и колориметрические методы химического анализа. Из массовых методов широкое применение нашел пробирный анализ для идентификации золота, серебра и металлов платиновой группы.

Большее распространение, чем массовые, имеют колориметрические методы. Они основаны на способности многих элементов, находящихся в специальном растворе, поглощать или рассеивать свет с определенной длиной волны. Если такое поглощение или рассеяние света связано количественно с содержанием металла, этот эффект используется для определения его содержания.

Преимуществами колориметрических методов являются простота анализа и портативность оборудования, а существенным недостатком – невозможность одновременного определения группы элементов.

Хроматография на бумаге основана на различной скорости движения по фильтровальной бумаге ионов, находящихся в растворе. При определенных условиях они располагаются в виде ряда полос в зависимости от силы их сцепления с целлюлозной бумагой. Бумагу обрабатывают специальными растворами, образующими окрашенные соединения с определенными ионами – так называемые хроматограммы. Элемент идентифицируют по цвету и относительному положению на хроматограмме. Содержание элемента устанавливают по интенсивности окраски и ширине полосы. Недостатками метода являются не всегда высокая точность анализа и необходимость поддержания в лаборатории строго заданных температур и влажности воздуха.

Полярографический метод определения содержания элементов – единственный электрический метод, сравнительно широко применяющийся при анализе геохимических проб. Он отличается высокой точностью по сравнению с другими методами при обнаружении малых содержаний элементов в природных водах. Но для проведения полярографических анализов необходимы хорошо оборудованная лаборатория, дорогостоящее сложное оборудование и высокая квалификация исполнителей.

Флуоресцентный (люминесцентный) анализ применяется при геохимических исследованиях в основном для установления содержания урана. Пробы с повышенным содержанием урана после сплавления с соответствующими флюсами после воздействия ультрафиолетового излучения проявляют люминесценцию. При определенных условиях интенсивность свечения пропорциональна содержанию урана в пробе. Уровень интенсивности свечения устанавливается визуально (при сравнении с эталоном) и с помощью фотоэлектрических устройств. Описанный метод анализа является одним из наиболее простых и точных методов обнаружения низких содержаний урана.

Анализ гидрогеохимических проб требует специфических особенностей поведения элементов в водных растворах. Анализ водных проб включает обнаружение газов, макро- и микрокомпонентов, образующих истинные и коллоидные растворы. В зависимости от поставленной задачи и условий выполнения анализы вод делятся на полевые (сокращенные) и полные.

При полевых анализах необходимо определить химический тип воды. Для этого достаточно иметь сведения о физических свойствах исследуемой воды, щелочности (pH) и содержании основных макрокомпонентов, к которым относятся СО₂ (свободный), H₂S, O₂, HCO₃, Cl, SO₄, NO₃, NH₄, K, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺. Для определения макрокомпонентов изготовляют специальные полевые гидрохимические лаборатории. Значение pH-метр-милливольтметра. Для определения pH часто в полевых условиях используют индикаторную универсальную бумагу.

Важнейшей задачей при проведении геохимических поисков является установление в водах содержания металлов, которое обычно составляет тысячные и десятитысячные доли миллиграмма на литр. Применение наиболее простых колориметрических методов ограничено необходимостью определения большого числа элементов. В связи с этим основным методом идентификация металлов в водах является спектральный анализ сухого остатка водной пробы. Концентрация микрокомпонентов для последующего спектрального анализа проводится различными методами. Важнейшие из них следующие: 1) получение сухого остатка путем испарения; 2) концентрация в органическом растворителе; 3) извлечение с помощью ионообменных смол и сорбентов; 4) концентрация при помощи органических соосадителей, гидроксида аллюминия (метод ПТПИ) или сульфида кадмия (метод ВИТРЛТИ). Способ концентрирования иногда значительно влияет на чувствительность определения элементов.

Газовая съемка и газовый каротаж, сравнительно недавно применяемые при поисках рудных месторождений, требуют специальных методов анализа. Определение диоксида углерода, кислорода, водорода, азота, оксида углерода – главнейших компонентов газовых смесей – проводится прибором ВТИ. Отдельные газы можно обнаружить по их поглощению определенными реагентами, путем сжигания в соответствующих условиях, адсорбции, а также хроматографическими методами. Непосредственно в поле прибором ШИ-10 устанавливают содержание СО₂.

При минеральной форме миграции элементов, образующих вторичные ореолы, одним из наиболее эффективных методов поисков является шлиховой. Лабораторный анализ шлиховых проб разделяется на два этапа: подготовка шлихов к анализу (разделение их на фракции) и изучение состава фракции. Итогом второго этапа является определение минералов, составляющих отдельные фракции.

С развитием в последние годы термобарогеохимических (флюидометрических) методов поисков появилась необходимость определять количество газово-жидких включений в минералах, их состав и температуру декриптации.

Аппаратура и материалы: плакаты, диаграммы рисунки.

Мероприятия по технике безопасности не предусматриваются

Методика и порядок выполнения работы

Проведите сравнительный анализ рассмотренных методов.Результаты работы приведите в виде сводной таблицы по основным характеристикам видов анализов(время выполнения анализа, точность, экономическая выгодность и уникальность, специфические особенности методов)

Содержание и форма отчета