По отобранным пробам с участка С (С1) площади «Жалпак» представлены результаты рентгенодифракционных анализов, проведенных на двух различных аппаратах:
1) на автоматизированном дифрактометре ДРОН-2 (Алматы, Институт геологии);
2) на автоматизированном дифрактометре D2 PHASER (Польша, Гданьск, Институт экспериментальной физики университета Гданьска).
Автоматизированный дифрактометр ДРОН-2 работает в режиме Cu К a – излучения, в нем установлен β -фильтр. Условия съемки дифрактограмм: U =35 кВ; I =20 мА; шкала: 2000 имп.; постоянная времени 2 с; съемка θ-2θ; детектор 2 град/мин. Рентгенофазовый анализ на полуколичественной основе выполнен по дифрактограммам порошковых проб с применением метода равных навесок и искусственных смесей. Определялись количественные соотношения кристаллических фаз. Интерпретация дифрактограмм проводилась с использованием данных картотеки ICDD: база порошковых дифрактометрических данных PDF2 (Powder Diffraction File) и дифрактограмм чистых от примесей минералов. Для основных фаз проводился расчет содержания. Результаты рентгенодифракционного анализа отобранных проб диатомитов с площади «Жалпак» были представлены отчете по первому этапу.
Рентгенодифракционный анализ отобранных проб диатомитов на аппарате D2 PHASER был проведен в институте экспериментальной физики университета Гданьска (Гданьск, Польша).
D2 PHASER имеет простую схему, состоящей из ультракомпактного гониометра, рентгеновской трубки, высоковольтного генератора, систем формирования рентгеновского пучка и высокоскоростного полупроводникового детектора LYNXEYE (Рисунок 1).
В экспериментах по рентгеновской дифракции на поликристаллическом материале пучок рентгеновского излучения дифрагирует на кристаллитах пробы в определенных направлениях 2Theta.Для установления точного положения пиков 2Theta перед точечным детектором помещают узкую щель.
Детектор LYNXEYEсодержит более 150 полупроводниковых элементов для регистрации интенсивности одновременно, соответственно, для более
150 положений 2Theta. Ошибка определения положения пика во всем диапазоне углов не превышает 0,020.
Основными техническими характеристиками являются:
1) материал анода - стандартная отпаянная рентгеновская трубка: CuKα и CoKα;
2) фокусное расстояние – 0,4 x 12 мм;
3) характеристики источника рентгеновского излучения (U/I): 30 кВ /10 мА;
Рисунок 1 – Установка D2 PHASER
4) радиус вертикального Theta / Theta гониометра 140 мм;
5) связанный метод сканирования θs/θd;
6) интервал углов сканирования 2θ- от 3 до 160°;
7) минимальный шаг сканирования 0,01°;
8) детектор отраженных рентгеновских лучей - твердотельный позиционно-чувствительный детектор LYNXEYE:
9) 190 каналов регистрации;
10) эффективность регистрации рентгеновского Cu-K(aльфа)- излучения не менее 98%;
11) пространственное разрешение детектора 75 мкм;
12) оптическая система:щели на выходном пучке фиксированные; щели на дифрагированном пучке фиксированные.
На рисунке 2 показана дифрактограмма, полученная на аппарате D2 PHASER (Польша, Гданьск, Институт экспериментальной физики университета Гданьска).
Как можно заметить из рисунка, в отобранном образце содержится много кварца, а остальные компоненты представляют собой кристаллические фазы, содержащие, в основном, SiO2. Отметим, что кварц является полиморфной модификацией двуокиси кремния.
Интерпретация рентгенодифракционного анализа по отобранным пробам диатомитов с участка С (С1) площади Жалпак представлена на рисунке 3.
Рисунок 2 - Результаты рентгенодифракционного анализа отобранных проб диатомитов с участка С (С1) площади
«Жалпак», проведенного на автоматизированном дифрактометре D2 PHASER (Польша, Гданьск, Институт экспериментальной физики университета Гданьска)
Рисунок 3 – Интерпретация результатов анализа отобранных проб диатомитов с участка С (С1) площади «Жалпак», проведенного на автоматизированном дифрактометре D2 PHASER (Польша, Гданьск, Институт экспериментальной физики университета Гданьска)
Так как рентгенодифракционный анализ проводился на пробах с одного и того же участка С (С1) площади «Жалпак», но на двух разных аппаратах, нами были сопоставлены оба результата (Рисунок 4).
 |
Рисунок 4 – Сравнение результатов рентгенодифракционного анализа отобранных проб диатомитов с участка С (С1) площади «Жалпак», проведенных на автоматизированном дифрактометре ДРОН-2 (Алматы, Институт геологии) и D2 PHASER (Польша, Гданьск, Институт экспериментальной физики университета Гданьска)
Как можно заметить из рисунка, сигналы рентгеновской дифрактограммы образца, полученные на разных аппаратах совпадают.
По результатам рентгеновской дифрактограммы был сделан полуколичественный анализ кристаллических фаз, содержащихся в диатомите.
Фазовый, рентгенофазовый качественный и/или количественный анализ – идентификация различных кристаллических фаз и определение их относительных концентраций в смесях на основе анализа дифракционной картины, регистрируемой от исследуемых порошковых образцов. Прецизионное определение параметров элементарной ячейки известного вещества с целью обнаружения изоморфных примесей; индицирование рентгенограмм, определение параметров и возможной пространственной группы для новых соединений. В таблицах 1 и 2 показаны результаты полуколичественных анализов диатомитов, сделанных на аппарате ДРОН -2 и D2 PHASER.
Таблица 1 – Результаты рентгенофазного полуколичественного анализа, проведенного на аппарате ДРОН -2
| Название минерала | Формула | Концентрация, % |
| Смектит | (Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si2O10(OH)2·n H2O | |
| Каолинит | Al2(Si2O5)(OH)4 | |
| Кварц | SiO2 | |
| Тридимит | SiO2 | |
| Гипс | Ca(SO4)(H2O)2 | |
| Слюда | KAl2(AlSi3O10)(OH)2 | 2,5 |
| Хлорит (клинохлор) | (Mg,Fe)5Al(Si3Al)O10(OH)8 | 2,5 |
| Галит | NaCl |
Таблица 2 – Результаты рентгенофазного полуколичественного анализа, проведенного на аппарате D2 PHASER
| Название минерала | Формула | Концентрация, % |
| Пирофиллит | Al2(Si4O10)O | 19,76 |
| Каолинит | Al2(Si2O5)(OH)4 | 45,54 |
| Кварц | SiO2 | 16,95 |
| Дельта кварц (гипотетический) | SiO2 | 6,56 |
| Оксид марганца- железа | Mn1,03Fe1,97О4 | 3,56 |
| Оксид алюминия- магния | MgAl26O40 | 2,5 |
Результаты анализа, проведенного на аппарате ДРОН -2 показали, что слоистые алюмосиликаты составляют 75% (смектит, каолинит), каркасные алюмосиликаты (слюда, хлорит) – 5%, кварц – 14%. По анализам,
проведенным на аппарате D2 PHASER фаза кварца составляет 16,95%, слоистых алюмосиликатов – 65,3%, двуокись кремния – 6,95%, оксидов металлов – около 6%.
Отметим, что в первой таблице результаты полуколичественного анализа показывают содержание смектита, а во второй – пирофиллит. Минералом-прототипом группы смектитов является пирофиллит. Общее количество слоистых алюмосиликатов по проведенным анализам диатомита совпадает. Результаты анализа на ДРОН-2 показывают содержание хлорита и галита, а на D2 PHASER – оксидов магния и железа. Это связано с тем, что при высокой активности Mg и Al в условиях относительно высокой температуры возникают хлориты. То есть оксиды магния и железа могут преобразовываться в хлориты и галиты при различных условиях.
Таким образом, результаты полуколичественного рентгено- дифракционного анализа позволяют установить наличие следующих основных кристаллических фаз в составе диатомита:
- слоистые алюмосиликаты – 65-75%.
- кварц – 14-17%.
Остальные фазы составляют в небольших количествах гипс, галит и оксиды металлов (около 6%).
В качестве примера в таблице 3 и на рисунке 5 представлены результаты валового химического анализа образцов, выполненных в Институте геологии (г. Алматы).
Таблица 3
| Образец: ZH 2 D 1/0 | ||||||||||||
| Все результаты в весовых % | ||||||||||||
| Спектр | O | Na | Mg | Al | Si | S | Cl | K | Ca | Ti | Fe | Итог |
| Спектр 1 | 54,73 | 0,40 | 0,73 | 4,79 | 34,58 | 0,05 | 0,68 | 1,02 | 0,24 | 0,36 | 2,42 | 100,00 |
| Спектр 2 | 55,09 | 0,49 | 0,79 | 4,30 | 33,22 | 0,89 | 0,69 | 0,97 | 1,00 | 0,25 | 2,29 | 100,00 |
| Спектр 3 | 52,23 | 2,46 | 0,64 | 4,25 | 29,51 | 2,07 | 3,37 | 1,05 | 1,88 | 0,36 | 2,17 | 100,00 |
| Среднее | 54,02 | 1,11 | 0,72 | 4,45 | 32,44 | 1,01 | 1,58 | 1,02 | 1,04 | 0,32 | 2,29 | 100,00 |
| Станд. отклонение | 1,56 | 1,17 | 0,08 | 0,30 | 2,62 | 1,01 | 1,55 | 0,04 | 0,82 | 0,06 | 0,12 | |
| Макс. | 55,09 | 2,46 | 0,79 | 4,79 | 34,58 | 2,07 | 3,37 | 1,05 | 1,88 | 0,36 | 2,42 | |
| Мин. | 52,23 | 0,40 | 0,64 | 4,25 | 29,51 | 0,05 | 0,68 | 0,97 | 0,24 | 0,25 | 2,17 |
Рисунок 5
Проведение электронномикроскопического анализа на современных установках по определению топографии в структурах диатомитовых пород по площади «Жалпак» с целью обнаружения квазидвухмерных решеток, характерных для наноструктурных материалов
Образец диатомита был изучен методом сканирующей электронной микроскопии (электронно-зондовый микроанализатор Superprobe JCXA-733), что было описано в первом этапе. Было показано, что на электронномикроскопических снимках в режиме вторичных электронов наблюдается рыхлая структура, состоящая из построений реликтов палеофауны и палеофлоры. Обломки скелетов из кремнистых панцирей диатомовых водорослей микроскопические и за счет неполного их прилегания имеется большое количество пор, сравнимых по размерам или имеющих размеры одного порядка со структурными построениями. Отмечаются обломки опала (около 5 % массы породы) изометричной и реже неправильной формы, размером до 3,2 мм. В обломках присутствуют остатки диатомовых водорослей, количество которых в разы меньше по сравнению с основной массой породы.
На базе научной лаборатории «Нанотехнологии» Актюбинского регионального государственного университета имени К. Жубанова было проведено исследование образцов по площади «Жалпак».
Научная лаборатория «Нанотехнологии» оснащена настольным сканирующим электронным микроскопом G2 Pro фирмы Phenom World (рисунок 6).
Указанный микроскоп позволяет получать изображения с увеличением в диапазоне от 20х до 45000х и разрешением до 25нм. Функциональные
возможности масштабирования (зума) обзорной цветной навигационной камеры позволяют сократить промежуток между оптическим и сканирующим воспроизведением изображения.
 |
Рисунок 6 – Сканирующий электронный микроскоп G2 Pro фирмы Phenom World
Настольный сканирующий электронный микроскоп G2Pro оснащен разнообразными специализированными держателями образцов. Таким образом, обеспечивается возможность изучать образцы из различных материалов всевозможной формы. Стандартный держатель образцов предназначен для образцов различной произвольной формы. Образцы фиксируются на предметном столике. Диаметр образцов до 25 мм, высота до 30 мм.
Основные характеристики работы сканирующего электронного микроскопа G2 Pro представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Характеристики микроскопа G2 Pro
| Наименование | G2 Pro |
| Система | Модуль получения изображений, сенсорный дисплей 17//, мышь, поворотная кнопка для управления, мембранный вакуумный насос, источник питания, флэш-карта памяти USB 2.0 |
| Режим работы | |
| Оптический | Увеличение 20-120х |
| Электронно-оптический | Диапазон увеличения: от 80х до 45000х |
| Источник освещения | |
| Оптический режим | LED, на выбор по оси либо со смещенной осью |
| Электронно-оптический режим | Термоэлектронный источник с увеличенным временем жизни |
| Ускоряющее напряжение | 5 кВ |
| Разрешение | 25нм |
| Режимы получения изображения | |
| Оптический | Цветная цифровая навигационная камера |
| Электронно-оптический | Высокочувствительный детектор обратно рассеянных электронов (композиционный и топографический режимы) |
| Формат изображения | jpeg, tiff, bmp |
| Разрешение изображения | 456х456, 684х684, 1024х1024, 2048х2048 |
| Разрешающая способность элементов изображения | 1,2 нм при 2048х2048 пикселей |
| Сохранение данных | Флэш-карта памяти USB 2.0 и/или сетевой диск |
| Предметный столик | Моторизированный по Х и Y, управляется компьютером |
| Размер образца | Диаметр до 25 мм, высота до 30 мм |
| Время загрузки образца | |
| Оптический режим | < 5 сек |
| Электронно-оптический режим | < 30 сек |
| Размеры и вес | |
| Модуль получения изображений | 286 (Ш) х 566 (Г) х 495 (В) мм, 50 кг |
| Вакуумный насос | 145 (Ш) х 220 (Г) х 213 (В) мм, 4,5 кг |
| Источник питания | 156 (Ш) х 300 (Г) х 74 (В) мм, 3 кг |
| Монитор с сенсорным экраном | 429 (Ш) х 379 (В) х 207 (В) мм, 7,9 кг |
| Температура | 150С~300С |
| Влажность | < 80 % |
| Электропитание | 110-230 В, одна фаза, 50/60 Гц, потребляемая мощность 300 Вт (макс.) |
| Детектор | Кремниевый дрейфовый детектор CCD. Термоэлектрическое охлаждение без жидкого азота |
Согласно проведенным исследованиям взятые образцы с участка А площади «Жалпак» относятся к кремнистой биогенной породе (рисунки 7- 15). Кремнистые биогенные породы – имеют в своем составе кремнезем, представленный останками организмов, строящих скелет из диоксида кремния (спикулами губок, створками диатомей, скелетами радиолярий). Диатомит – очень легкая, пористая, рыхлая, землистая или слабосцементированная порода белого, светло-серого и желтоватого цвета (состоит из скопления микроскопических опаловых панцирей диатомовых водорослей).
На рисунке 7 представлено изображение с разрешением 97,5 мкм и диапазоном увеличения 2750х. Внизу указан масштаб 40 мкм. В центре изображения отчетливо виден остаток удлиненной формы имеющего пористую структуру. Ширина объекта равна 12,8 мкм, диаметр одной из пор равен 2,57 мкм.
На рисунке 8 продемонстрировано изображение породы с разрешением 16,3 мкм и диапазоном увеличения 16500х. Масштаб 8 мкм. Наблюдается объект с правильным чередованием пор диаметром 1,19 мкм, в центре которых отчетливо видны сферические пустоты размером 437 нм в поперечнике.
На рисунке 9 приведено изображение образца с разрешением 10,7 мкм и диапазоном увеличения 25000х. Масштаб 4 мкм. В правой части зарегистрирован объект с расположением пустот почти по концентрическим окружностям. Диаметры пустот имеют различные размеры, однако все они имеют одинаковый порядок. Для примера были измерены две окружности диаметры, которых соответственно равны 565 нм и 616 нм.
Рисунок 10 выполнен с разрешением 51,6 мкм и диапазоном увеличения 5200х. Масштаб 20 мкм. В центре отчетливо виден остаток древней палеокультуры с относительным размером 29,5 мкм. В нем наблюдается ячеистая структура, напоминающая пчелиные соты.
На рисунке 11 показано тоже изображение только с разрешением 14,5 мкм и диапазоном увеличения 18500х. Масштаб 6 мкм. Практически все изображение занимает достаточно хорошо упорядоченная структура имеющая форму гексаграммы – звездчатого шестиугольника, состоящего из двух правильных треугольников (схема 1). Структура имеет два вида пустот. Размеры наиболее маленьких пустот от 124 нм до 165 нм. Большие по размерам пустоты имеют относительные параметры в 3-4 раза превосходящие маленькие пустоты. Диаметры больших пустот колеблятся от 259 нм до 505 нм.
На рисунке 12 продемонстрировано изображение с разрешением 23,3 мкм и диапазоном увеличения 11500х. Масштаб 10 мкм. На рисунке изображен фрагмент имеющей сетчатую структуру. Размеры пустот варьируются от 392 нм до 916 нм.
Рисунок 13 выполнен с разрешением 21,5 мкм и диапазоном увеличения 12500х. Масштаб 10 мкм. В нижней части изображения наблюдается объемный объект,напоминающий соты, толщиной от 3,60 мкм до 4,91 мкм. В объекте имеются достаточно большие отверстия диаметром от 1,03 мкм до 1,22 мкм. В нижнем основании объекта наблюдаются пустоты размером 473 нм в поперечнике. В верхнем основании различимы пустоты размером от 198 нм до 216 нм.
Рисунок 7
 |
Рисунок 9
 |
Рисунок 11
 |
Рисунок 13
 |
Рисунок 15
Рисунок 14 выполнен с разрешением 16,3 мкм и диапазоном увеличения 16500х. Масштаб 8 мкм. В центре наблюдается фрагмент палеокультуры размером 6,81 мкм. В объекте выделяются пустоты расположенные строго по вертикальным и горизонтальным рядам, образующие сетчатую структуру. Размеры пустот практически одинаковы и равны 272 нм.
На рисунке 15 продемонстрировано изображение выполненное с разрешением 16,3 мкм и диапазоном увеличения 16500х. Масштаб 8 мкм. В центре изображения наблюдается объект правильной круглой формы диаметром 8,76 мкм. В объекте имеются пустоты расположенные по концентрическим окружностям (схема 2). Размер пустот от 121 нм до 166 нм. По результатам электронномикроскопического анализа на сканирующем электронном микроскопе G2 Pro определена топография в структурах диатомовых пород по площади «Жалпак». На всех изображениях сделанных на электронном микроскопе G2 Pro обнаружены квазидвухмерные решетки
свидетельствующие о наноструктурности исследуемого материала.