Петрохимические методы исследования горных пород. Справочное пособие

Рассмотрены составные части горных пород, выражаемые в виде оксидов, общие особенности химизма магматических, осадочных и метаморфических горных пород, их средние составы, способы пересчетов, а также изображения химических составов горных пород на диаграммах (вариационных, фигурных, точечных, столбчатых, бинарных, треугольных, прямоугбльных, четверных и др.) и значение различных диаграмм для петрологического анализа горных пород. Приведены новые методы с использованием математического аппарата и ЭВМ. Пособие в таком полном объеме выпускается впервые.

Для геологов и петрографов, занимающихся исследованием горных пород, специалистов ряда смежных наук. Может быть использовано преподавателями и студентами геологических специальностей вузов и университетов.

Изучение химизма горных пород является особой областью знания— петрохимией. Традиционно петрохимию рассматривают как часть описательной петрографии, в которой горные породы исследуются с позиций их химического состава. Исторически сложилось так, что петрохнмнческие данные вначале должны были лишь подтверждать петрографические определения горных пород. Начало научного анализа петрохи-мической информации ознаменовалось применением физической химии для построения петрологических моделей и их проверки на основе эмпирической петрохимической информации. В последние годы область применения петрохимических исследований значительно расширилась. Они используются для классификации горных пород, фациально-формационного, металлогенического, геотектонического анализа, представляя собой весьма эффективный метод познання закономерностей природных геологических процессов. Этому способствуют как новые достижения теоретической и экспериментальной петрологии, так и установление многих региональных закономерностей химизма горных пород для различных блоков океанической и континентальной коры. Химизм горных пород используется и в прикладных целях для качественной оценки некоторых видов сырья (огнеупоры, цементное сырье и др.).

Большая потребность в проведении массовых количественных петрохимических определений вызвала развитие многочисленных экспрессных методов анализа. К ним относятся физические и физико-химические методы: фотометрия, рентгеновская спектроскопия, атомно-флюоресцентный анализ, радиопктивационный анализ и др. В свою очередь, это привело к резкому нарастанию петрохимической информации. Количество химических анализов горных пород, производимых в лабораториях нашей страны, исчисляется сотнями тысяч. И. И. Абрамович и В. В. Груза [4] отмечали, что в начале 80-х годов только на предприятиях и организациях Министерства геологии и Академии наук СССР производилось ежегодно около 400 000 химических анализов.

В этих условиях особенно большое значение приобретают способы обработки петрохимической информации. Количество методов представления петрохимических данных растет с каждым годом, и они включают в себя как простые пересчеты и диаграммы, так и сложные. Все более расширяется применение математического аппарата и ЭВМ для обработки петрохимической информации.

Химический состав горных пород в петрохимии обычно выражают в виде массовых содержаний оксидов петрогенных элементов (%). Такая форма представления результатов сохранилась с тех времен, когда химический анализ горной породы производили растворением пробы и последующим определением элементов с помощью группового осаждения. Отделенный осадок выпаривался до постоянной массы в воздухе, так что во многих случаях получалась суммарная масса оксидов, которая выражалась в виде пропорции. Хотя для большинства элементов анализы в настоящее время призводятся другими способами, традиционная форма записи сохранилась и на ней основано большинство химических пересчетов [5, 6]. В последние годы результаты анализов иногда представляются в элементной форме.

При изучении петрохимическнх особенностей горных пород используются различные методы. В зависимости от целей исследования химические анализы приводятся в том виде, как онн получены, или применяются соответствующие пересчеты, и каждый исследователь всегда должен четко определить, для каких целей он проводит это исследование и как собирается использовать эти данные. При этом, как подчеркивал А. Н. Заварицкий [73], исследователь должен помнить, что мы имеем дело только с химическими свойствами, а не с соотношениями составов и свойствами физико-химических систем. Химические составы всегда являются составами поликомпонентных систем, что представляет главную трудность при рациональной разработке методов петрохимическнх пересчетов. Каждый химический анализ является числовым выражением составных частей горной породы. Пересчитывая их любым из способов мы получаем новые числовые выражения, которые пытаемся сравнить между собой. Множества разнообразных применяемых характеристик, параметров, модулей, магматических формул, символов химического состава горных пород неоднозначно равномощны (т. е. не всегда однозначно отображают друг друга).

Среди широко употребляемых петрохимических методов наибольшей популярностью пользуются методы пересчетов по П. Ниггли, А. Н. Заварицкому, В. Кроссу, Дж Иддингсу, А. Пирсону и X. Вашингтону, Т. Барту. В последние годы широкое распространение начинают получать методы пересчетов А Ритмана, А. А. Маракушева, О. М. Розеиа н др. Все эти методы преследуют своей главной целью обеспечить лучшее сопоставление и интерпретацию химического состава горных пород, чем это позволяют непосредственно цифры анализа.

Разработка каждой системы пересчетов химических анализов горных пород обычно проводится на основе определенной концепции: минералогической, физико-химической, кристаллохимической и т. д. Полученные в результате пересчета петрохимические коэффициенты, характеристики, параметры и пр. представляют собой функции многих переменных, где роль аргументов выполняют содержания оксидов по результатам химического анализа горной породы. В последние годы многими исследователями подчеркивается настоятельная необходимость строгой оценки информативности используемых петрохимических коэффициентов на основе изучения степени влияния вариаций оксидов на изменчивость пет-рохимической характеристики в среднем.

Бурно развивающееся направление — применение математико-статистических и эвристических методов для обработки петрохимической информации. Эти методы основаны на представлении результата химического анализа горной породы в виде многомерной случайной величины. Широкое применение в петрохимии получили приемы статистической проверки гипотез, корреляционный и регрессионный анализы, факторный анализ, метод главных компонент, кластерный анализ и др. Применение быстродействующих ЭВМ значительно облегчает задачи исследователя, освобождая его, с одной стороны от операций ручного счета, а с другой — открывая новые перспективы в использовании методов математической статистики в петрохимии.

В пособии приведены методы пересчетов, накопленные за весь период развития петрографии (каждый нз них страдает условностями и пока еще не создан метод, который бы сразу решал многочисленные задачи одновременно). Показано, как химические составы горных пород помогают решать геологические, петрологические, геохимические, металлогенические и другие задачи. Наряду с пересчетами при этом широко применяются графические методы сравнения результатов.

Любое петрохимическое исследование с применением методов математической статистики (а также и других петрохимических методов) не должно быть формальным. В каждом случае исследователь должен видеть за обрабатываемыми цифрами реальный петрологический процесс. Такой творческий подход к математико-статистическим методам принесет исследователю удовлетворение и полностью окупит труд, затраченный на изучение математического аппарата обработки петрохимической информации. Для большинства методов обработки, приведенных в пособии, в вычислительных центрах нашей страны существуют машинные программы. Учитывая, что ряд петрографов не имеют связи с ВЦ, мы привели варианты ручного счета с применением микрокалькуляторов для ряда методов. Следует, однако, отметить, что большинство -методов многомерного статического анализа невозможно использовать без применения ЭВМ.

Для придания пособию универсальности введены единые, наиболее употребляемые учеными мира минеральные символы и символы компонентов с учетом предложений Р. Кретца [245]. Пособие снабжено соответствующими таблицами, и им можно пользоваться почти без привлечения дополнительной литературы. В большинстве таблиц приведены формулы, .иллюстрирующие, как были получены табулированные числа. Для лучшего отыскания необходимого метода в зависимости от задач исследования пособие снабжено предметным указателем. Все величины приведены в соответствие с Международной системой единиц (СИ).

Авторы с благодарностью приняли полезные советы и предложения Д.А.Родионова, О.Н.Розена, В.Е.Гендлера, Л.С.Бородина, П.Н.Басаргина, В.И.Фельдмана и др., полученные во время работы над пособием.