3.3 Газово-жидкие включения
Как было показано в ряде экспериментальных работ, газово-жидкие включения (ГЖВ), как первичные, так и вторичные, вполне адекватно отражают состав минералообразующей среды и являются своеобразными "пробоотборниками", консервирующими материнский раствор. Этим они принципиально отличаются от расплавных включений, которые могут менять свой состав после их захвата (см.выше). Поэтому анализируя состав ГЖВ можно непосредственно решать вопрос о составе минералообразующей среды.
Анализ составов газово-жидких включений
1) Инструментальные (приборные) методы. На сегодняшний день для анализа составов включений применяются различные методы: газовая и ионная хроматография, масс-спектрометрия, рамановская, инфракрасная и другие виды спектроскопии. Существуют валовые виды анализа и анализ индивидуальных включений. Валовые методы. Анализируется усредненная проба из многих включений. Поскольку, как правило, в минерале-хозяине присутствует несколько генераций включений, валовые методы имеют существенные ограничения из-за смешения их составов.
Подготовка проб. Используется мономинеральная фракция весом 1 - 5 г. Содержимое газово-жидких включений извлекается одним из двух способов: термической декрепитацией или растиранием пробы, и специальной системой напуска подается в прибор для анализа. Оба метода извлечения имеют недостатки и преимущества.
При нагреве образца вследствие роста внутреннего давления во включении начинают вскрываться (декрепитировать). В идеале включения разной генераций, имеющие разные составы и плотности (и поэтому разную динамику роста внутреннего давления) должны вскрываться при разных температурах. Тогда, проведя предварительный нагрев части образца, можно снять декрептограмму - кривую, показывающую температуры вскрытия разных генераций включений. При анализе, проводя последовательный нагрев образца до измеренных температур, можно было бы определять составы включений соответствующей генерации. На деле, в первую очередь вскрываются крупные, расположенные рядом с границей зерна или трещины включения, затем более мелкие. Поэтому включения одной генерации вскрываются не одновременно, пики на декрептограммах получаются размытыми или сливаются в один большой пик. Кроме того, при нагреве выше 500оС начинаются химические реакции с участием газовой фазы, в результате которых образуются СО, Н2, СО2 и углеводороды.
Механическое истирание также может привести к выделению некоторых газов из конструкционных материалов. Кроме того, некоторые компоненты, выделяющиеся из включений, способны адсорбироваться на поверхности минерала при комнатной температуре; в монофракции, отобранной для анализа, возможен захват небольших количеств твердых примесей, что искажает конечный результат. Извлечение содержимого включений обычно проводят в вакууме, реже - в атмосфере инертного газа.
Газовая хроматография используется для анализа летучих: CO2, CO, H2O, H2S, N2, H2, CH4 и других алканов. Метод имеет точность 2-4% (для воды -13 - 15%). Обычно включения вскрывают термической декрепитацией в откачанной кварцевой ампуле при температуре, соответствующей началу пика на декрептограмме, а затем промывают ампулу газом-носителем, подавая пробу в хроматографические колонки. Таким образом, есть возможность последовательно анализировать порции летучих, выделяющихся при разных температурах. Этот метод начал применяться одним из первых и хорошо разработан. При проверке результатов анализа на синтетических включениях известного состава была получена хорошая сходимость, если синтез проводился в условиях гомогенного флюида. При физико-химических условиях существования гетерофазног флюида, количество включений, захватывающих несмесимые фазы, различно, и поэтому результаты анализа не соответствуют валовому составу исходного флюида. Это еще раз подчеркивает ограничения валовых методов анализа.
Масс-спектрометрия является более чувствительным методом для анализа летучих и поэтому требует меньшего количества вещества для анализа. Была использована для количественного определения: СО2, SO2, NH3, NO, NO2, H2S и других газов.
Помимо этого проводится определение изотопного состава таких элементов как H, C, O и S, а также отношений Rb/Sr, Sm/Nd, 40Ar/39Ar для определения возраста минерализации.
Для анализа присутствующих во включениях растворов применяют метод водных вытяжек. Навеска минерала 5 - 10г тщательно промывается, дробится и обрабатывается би- или тридистиллированной водой несколько раз. Полученные растворы анализируют разными методами, из которых в последние годы самыми подходящими являются ионная хроматография и масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS).
Метод ионной хроматографии позволяет определять катионный и анионный составы: SO42-, F-, Cl-, NO-3, Na+, K+, NH4+. Достоинства ионной хроматографии: низкие пределы обнаружения ионов (до 10-3 мкг/мл, а с применением специальной колонки для предварительного концентрирования до 10-5-10-6 мкг/мл), высокая селективность, экспрессность (за 20 мин можно определить до 20 ионов); широкий интервал определяемых концентраций (0,01 мкг/мл - 100 мг/мл), простота подготовки пробы к анализу. Возможности метода расширяются благодаря использованию различных детекторов – атомно-абсорбционных, фотометрических, люминесцентных, кулонометрических, потенциометрических.
ICP-MS-методом получены данные по содержанию во включениях редких земель, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Al3+, Li+ и других катионов. Суть метода: исследуемый раствор с помощью перистальтического насоса подается в распылитель, в котором током аргона превращается в аэрозоль. Аэрозоль через центральный канал (инжектор) плазменной горелки попадает в плазму, где под воздействием высокой температуры (7000–8000 К) элементы, содержащиеся в исследуемой пробе, ионизируются. Образовавшиеся положительно заряженные ионы проходят через систему ионной оптики в анализатор, где происходит отбор ионов с определенным отношением массы к заряду (m/z) и детектирование интенсивности потока соответствующих ионов. Полученный сигнал трансформируется в зависимость интенсивности от величины m/z и обрабатывается на ЭВМ.
Анализ индивидуальных включений. Эти методы анализа возникли недавно и сейчас интенсивно развиваются. Прежде всего, это относится к рамановской и инфракрасной спектроскопии, а в конце 80-х годов стали разрабатываться методы, использующие рентгеновское, и гамма излучение, лазерная спектроскопия.
Рамановская и инфракрасная спектроскопия измеряют энергию перехода между двумя последовательными колебательными молекулярными уровнями. Колебания могут возникнуть в, как минимум, двухатомной молекуле, поэтому только такие молекулы имеют рамановский и инфракрасный спектры. Эти методы позволяют идентифицировать молекулу или, в случае сложных молекул, функциональную группу. Рамановская спектроскопия позволяет проводить анализ вещества в жидком, газообразном и твердом состоянии во включениях размером более 1мкм. Количественные результаты получают при анализе газов или надкритических флюидов при комнатной температуре на СО2, CO, N2, SO2, H2S, CH4 и некоторые другие алканы. Качественный анализ проводится для жидкой и твердой фаз. Так, если включение заморозить, можно выявить наличие кристаллогидратов Na+, K+, Li+, Mg2+ или газгидратов СО2, CH4, H2S; в растворе при комнатной температуре определяют присутствие HS-, SO-4, HSO4-, NH4+. Анализ кристаллической фазы включений при комнатной температуре показал присутствие графита, глауберита, гематита, серы, апатита, карбонатов: кальцита, арагонита, магнезита, нахколита и др, сульфатов: гипса, ангидрита, барита, силикатов: мусковита, кварца, пироксена, полевого шпата и других минералов.
Микроинфракрасная спектроскопия имеет дело с более крупными включениями (более 15-20 мкм) и, в отличие от рамановской, не позволяет определять газы, в молекуле которых имеются атомы только одного вида (N2, H2). Метод имеет ограничения вследствие поглощения минералом-хозяином инфракрасного излучения. На спектроскопах (Micro-FTIR) получают количественные и полуколичественные данные по содержанию органических молекул, воды, CO2, COS, NH4+, CO2/H2O, кетонов, алканов и др. Возможно также исследование распределения молекулярной воды, гидроксильной и карбонатной групп в стекле расплавных включений.
В последние годы приборная аналитическая база для исследования включений интенсивно развивается. Появились методики определения легких элементов (Li, Na, Mg, F, B) и элементов с атомным номером больше 30 методами протонно-индуцированного гамма-излучения (PIGE) и протонно-индуцированного рентгеновского излучения (PIXE). Для экстракции содержимого водно-солевых включений используется различные лазеры, при этом происходит вскрытие и испарение раствора из включения и полученная плазма используется как источник протонов для эмиссионной спектроскопии. Методом лазерной индукционно-связанной плазмы уже сегодня можно анализировать включения на содержание щелочных и щелочноземельных элементов, правда, с невысокой точностью.
Микротермометрия. Наблюдения за фазовыми переходами при изменении температуры является основным методом при изучении флюидных включений. Используя специальную аппаратуру: микроскоп, оборудованный термокамерой или криокамерой, помещаемую на столик микроскопа, проводятся наблюдения за фазовыми изменениями во включении, происходящие при изменении температуры. Обычно образец исследуют при охлаждении (криометрия) и нагреве (термометрия). Все измерения производят только при повышающейся температуре, так как. при охлаждении сильно развиты явления метастабильности и, например, появление пузырька газа или замерзание включения происходит при переохлаждении иногда на несколько десятков градусов.