Τμήμα Γεωλογίας Τομέας Ορυκτών Πρώτων Υλών Εξάμηνο Σπουδών Γ Μάθημα : ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΣΤΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ Διδάσκων: Δημήτρης Παπούλης - Στο βιβλίο Υλικά της Γης Ι : Εισαγωγή στις Εργαστηριακές Ασκήσεις, Π. Τσώλη-Καταγά, Β. Τσικούρας (σελ. 95-104) θα βρείτε τις απαραίτητες πληροφορίες που αφορούν α) γενικά στις Ακτίνες Χ και β) στην περίθλαση των Ακτίνων Χ - Όσα περιγράφονται πιο κάτω είναι απαραίτητα για την καλύτερη κατανόηση και χρήση του προγράμματος Crystallographica που θα χρησιμοποιήσετε στα πλαίσια του μαθήματος Εφαρμογές της Πληροφορικής στη Γεωλογία ΠΕΡΙΘΛΑΣΙΜΕΤΡΙΑ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Η Περιθλασιμετρία των Ακτίνων Χ χρησιμοποιείται ευρύτατα και όχι μόνο από γεωλόγους γιατί είναι ο πιο εύκολος, αξιόπιστος και σύντομος τρόπος για : Ι. Ακτινογραφική ταυτοποίηση κρυσταλλικών φάσεων. ΙΙ. Προσδιορισμό mixed-layer αργιλικών ορυκτών (ενδοστρωματωμένα αργιλικά ορυκτά). ΙΙΙ. Ημιποσοτικό προσδιορισμό των ορυκτών που συμμετέχουν στο δείγμα Ι. Ακτινογραφική ταυτοποίηση κρυσταλλικών φάσεων Οι ανακλάσεις για κάθε κρυσταλλική φάση που εμφανίζεται στα ακτινογραφήματα είναι συγκεκριμένες τόσο ως προς τη θέση όσο και ως προς το σχετική τους ένταση (ύψος). Κάθε ανάκλαση εμφανίζεται σε συγκεκριμένη θέση ο 2θ. Οι γωνίες 2θ αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες αποστάσεις d των δικτυωτών επιπέδων, σύμφωνα με την εξίσωση του Bragg: n.λ = 2d.ημθ. Έτσι οι θέσεις που εμφανίζονται οι ανακλάσεις αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες αποστάσεις d των δικτυωτών επιπέδων. Με την περιθλασιμετρία των ακτίνων Χ δεν μπορούμε να αναγνωρίσουμε άμορφα υλικά (π.χ. ηφαιστειακό γυαλί). Η ειδική περίπτωση των αργιλικών ορυκτών Ένα αργιλικό ορυκτό χαρακτηρίζεται από τη θέση της βασικής του ανάκλασης d(001) και από τη θέση των υποδιαιρέσεων της (αρμονικές ανακλάσεις) επάνω σε ένα φυσικό δοκίμιο Οι αρμονικές ανακλάσεις αντιστοιχούν σε διαδοχικές διαιρέσεις, με ένα ακέραιο αριθμό, της τιμής της βασικής ανάκλασης : Εάν d(001) = χå τότε d(002) = χ/2 Å και d(003) = χ/3 Å
1200 1000 800 D (001) D (002) Q K35 Counts 600 400 200 Z Q,Z,D D D Z Z Z Q 0 10 20 30 40 50 60 ο 2θ Εικόνα 1. Ακτινογράφημα κόνεως δείγματος με σημαντική παρουσία δικίτη (D). Στο ακτινογράφημα σημειώνονται η d(001) και η d(002) ανακλάσεις του ορυκτού που εμφανίζονται στις 12,3 ο και 24,6 ο 2θ αντίστοιχα. Απαντήσεις σε βασικά ερωτήματα Το σχήμα των ανακλάσεων από τι εξαρτάται ; Το σχήμα των ανακλάσεων εξαρτάται από : Την κατάσταση της κρυσταλλικότητας Το μέγεθος των κρυστάλλων Ποιος είναι ο αριθμός των ανακλάσεων ενός ορυκτού που αν ταυτοποιηθούν μπορούμε να πούμε ότι είμαστε σίγουροι για την παρουσία του ; Τουλάχιστον 6 Σε ορισμένα ορυκτά η ακριβής θέση της ανάκλασης μπορεί να έχει μικρή απόκλιση από την αναμενόμενη. Που οφείλεται αυτό ; Πόσο μεγάλη μπορεί να είναι αυτή η απόκλιση ;
Η απόκλιση εξαρτάται από το ορυκτό και συνήθως δεν υπερβαίνει τις 0.1 ο 2θ. Σε κάποια ορυκτά η απόκλιση μπορεί να είναι σημαντικά μεγαλύτερη. Αυτό συμβαίνει κυρίως στα αργιλικά ορυκτά αλλά και σε κάποια άλλα ορυκτά όπως ο ασβεστίτης. Συνήθως αυτό οφείλεται σε αντικαταστάσεις π.χ. Ca από Mg στον ασβεστίτη Τα ορυκτά στα οποία δεν παρατηρείται απόκλιση (π.χ. Χαλαζίας) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως standard. Τα σχετικά ύψη των ανακλάσεων πρέπει να συμβαδίζουν με τα θεωρητικά ; Αν διαφέρουν πολύ τι συμβαίνει ; Μπορούν να διαφέρουν σημαντικά όχι όμως καθοριστικά δηλαδή η υψηλότερη ανάκλαση (100%) θα είναι πάντα η υψηλότερη όμως η 30% μπορεί να μεταβληθεί σε 20%. Αν διαφέρουν πάρα πολύ ενδεχομένως να συνυπάρχουν δύο ή περισσότερες ανακλάσεις εκεί που θεωρήσαμε πως είναι μία. Οι δομικές ανωμαλίες ενός ορυκτού πως αποτυπώνονται στο ακτινογράφημα του ; Μπορούν να προσδιοριστούν ; Οι δομικές ανωμαλίες ενός ορυκτού αποτυπώνονται στο ακτινογράφημα του και μπορούν να προσδιοριστούν και προσδιορίζονται με διάφορους τρόπους. Τα πολύμορφα ορυκτά μπορούν να προσδιοριστούν ; Μπορούν να διακριθούν ; Ναι αλλά αυτό δεν είναι πάντα εφικτό Τα σχετικά ύψη των ανακλάσεων διαφοροποιούνται στα προσανατολισμένα δείγματα ; Παρατηρείται το ίδιο για όλα τα ορυκτά ; Τα σχετικά ύψη των ανακλάσεων διαφοροποιούνται στα ορυκτά που μπορούν να προσανατολιστούν (π.χ. φυλλόμορφα) Ο θόρυβος (background) του ακτινογραφήματος από τι εξαρτάται ; Από την ποιότητα του παρασκευάσματος Από την κονιοποίηση του δείγματος Από την ύπαρξη οργανικού υλικού Από την ύπαρξη άμορφων ή όχι καλά κρυσταλλωμένων ορυκτών (π.χ. OPAL- CT) Από το περιθλασίμετρο (XRD) και από το πόσο καλά λειτουργεί.
Πως μπορούμε να περιορίσουμε το θόρυβο ; Με προσεγμένα παρασκευάσματα Σωστά κονιοποιημένα δείγματα Με προγράμματα Η/Υ Από τι εξαρτάται το ύψος και το σχήμα των ανακλάσεων των ορυκτών ; Το ύψος των ανακλάσεων των ορυκτών αποτελεί ασφαλή δείκτη του ποσοστού του ορυκτού στο δείγμα; Το εμβαδό των ανακλάσεων των ορυκτών αποτελεί ασφαλέστερο δείκτη του ποσοστού του ορυκτού στο δείγμα από το ύψος των ανακλάσεων ιδιαίτερα για τα αργιλικά ορυκτά. Έτσι στην εικόνα 2 η υψηλότερη ανάκλαση είναι του χαλαζία όμως η ανάκλαση με το μεγαλύτερο εμβαδόν ανήκει στον καολινίτη. Στο δείγμα αυτό το ορυκτό που βρίσκεται σε μεγαλύτερο ποσοστό είναι ο καολινίτης. L89 900 800 700 600 Κ Κ Q Counts 500 400 Η Q A A 300 200 Q Q 100 10 20 30 40 50 60 ο 2θ Εικόνα 2. Ακτινογράφημα κόνεως δείγματος με σημαντική παρουσία των αργιλικών ορυκτών αλλοϋσίτη (H) και καολινίτη (K), στο δείγμα συνυπάρχουν χαλαζίας (Q) και άστριος (A).
ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΚΗ ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Η/Υ Η ακτινογραφική ταυτοποίηση γίνεται σήμερα με τη βοήθεια προγραμμάτων Η/Υ. Υπάρχει μεγάλος αριθμός προγραμμάτων τα οποία βασίζονται στην ταυτοποίηση των ανακλάσεων του δείγματος με ανακλάσεις από πρότυπα ορυκτά που υπάρχουν στη βάση δεδομένων του προγράμματος. Ένα τέτοιο πρόγραμμα είναι το Crystallographica (εικ. 3). 3000 2500 2 data Multi-phase profile 3-596 Calcite 5-490 Quartz, low 3-14 Montmorillonite 2000 Counts 1500 1000 500 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 ο 2θ Εικόνα 3. Ακτινογράφημα κόνεως δείγματος το οποίο μελετήθηκε με τη βοήθεια του Crystallographica και αναγνωρίστηκε η παρουσία τριών ορυκτών (ασβεστίτη, χαλαζία και μοντμοριλλονίτη)
ΙΙ. Προσδιορισμός mixed-layer αργιλικών ορυκτών Από το ακτινογράφημα του φυσικού δείγματος δεν μπορούμε να αποφανθούμε. Απαιτείται επεξεργασία του δείγματος με γλυκόλη και με θέρμανση. Πιθανόν να εμφανιστεί μια υπερδομή Και στα 3 ακτινογραφήματα οι ανακλάσεις του είναι συμβολή των ανακλάσεων των συστατικών του mixed-layer. Ο προσδιορισμός τους γίνεται πλέον με σύγχρονες μεθόδους και προγράμματα. Στο εργαστήριο μας χρησιμοποιούμε το NEWMODE. ΙΙΙ. Ημιποσοτικός προσδιορισμός των ορυκτών που συμμετέχουν στο δείγμα Ποσοτικός προσδιορισμός δεν είναι εφικτός Ημιποσοτικός προσδιορισμός μπορεί να γίνει με διάφορες μεθόδους όπως : Με βάση τα ύψη των ανακλάσεων Με βάση τα εμβαδά των ανακλάσεων Τα εμβαδά των ανακλάσεων δίνουν πιο αξιόπιστο ημιποσοτικό προσδιορισμό. Πρέπει όμως να προηγηθούν : Καλή προετοιμασία δείγματος Αφαίρεση του θορύβου Αφαίρεση των ψευδοανακλάσεων Ο αξιόπιστος ημιποσοτικός προσδιορισμός είναι μια επίπονη διαδικασία. Έτσι πλέον πραγματοποιείται με τη βοήθεια ειδικών προγραμμάτων. Στο εργαστήριο μας χρησιμοποιούμε το Siroquant Για καλύτερα αποτελέσματα προσθέτουμε Standard δείγματα των ορυκτών που αναγνωρίστηκαν στο ακτινογράφημα. Τα standard αναμιγνύονται σε διάφορες αναλογίες Όταν σε ένα δείγμα πετρώματος δεν λάβουμε ανακλάσεις με το XRD τι μπορεί να συμβαίνει ; 1. Όταν ο θόρυβος είναι υψηλός ; Παρουσία άμορφου υλικού 2. Όταν δεν έχουμε υψηλό θόρυβο ; Πρόβλημα στο XRD.
ΕΝΔΕΔΕΙΓΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ Ακολουθούμε τα παρακάτω βήματα 1. Ανοίγουμε το πρόγραμμα. Η εικόνα που βλέπουμε είναι η παρακάτω. 2. Στη συνέχεια για να εισάγουμε ένα ακτινογράφημα επιλέγουμε το File import profile data
3. Επιλέγουμε μορφή αρχείου.dat ή.txt και εισάγουμε το αρχείο 4. Αφού το αρχείο έχει εισαχθεί ξεκινάμε την ακτινογραφική ταυτοποίηση. Διερευνούμε την ενδεχόμενη ύπαρξη των ορυκτών που είναι δυνατόν να υπάρχουν στο πέτρωμα (δείγμα του οποίου μελετάμε). Για να το επιτύχουμε αυτό επιλέγουμε settings Restrictions
5. Στη συνέχεια γράφουμε τα ονόματα των ορυκτών την παρουσία των οποίων διερευνούμε (πατώντας Enter κάθε φορά που γράφουμε το όνομα ενός ορυκτού). 6. Αφού γράψουμε όλα τα ονόματα των ορυκτών την παρουσία των οποίων διερευνούμε επιλέγουμε Εφαρμογή ΟΚ
7. Επιλέγοντας Card Retrieval στα αριστερά της οθόνης εμφανίζεται η λίστα των πρότυπων ακτινογραφημάτων των ορυκτών που επιλέξαμε 8. Επιλέγοντας ένα από τα πρότυπα οι κορυφές του ακτινογραφήματος του εμφανίζονται κάτω από το ακτινογράφημα του δείγματος μας.
9. Το πρόγραμμα μας προσφέρει τη δυνατότητα αξιολόγησης ποσοτικών δεδομένων ταύτισης του πρότυπου δείγματος με το δείγμα μας πατώντας δεξί κλικ πάνω στο όνομα του πρότυπου και στη συνέχεια επιλέγοντας Analyze Match. 10. Αξιολογούμε τα ποσοτικά δεδομένα ταύτισης του πρότυπου δείγματος με το δείγμα μας και κυρίως το ποσοστό ταύτισης. Αυτό δεν αποτελεί απόδειξη της παρουσία του ορυκτού αλλά ισχυρότατη ένδειξη (αν το ποσοστό ξεπερνά το 80%).
11. Εμπιστευόμαστε περισσότερο αυτό που βλέπουμε παρά τα ποσοτικά δεδομένα ταύτισης του πρότυπου δείγματος με το δείγμα μας. Όταν καταλήξουμε ότι το ορυκτό πράγματι υπάρχει και ποιο είναι το πρότυπο που ταιριάζει περισσότερο τότε πατάμε δεξί κλικ και επιλέγουμε match Material. 12. Τότε οι κορυφές ανεβαίνουν στο ακτινογράφημα του δείγματος μας, βοηθώντας μας να διακρίνουμε ποιες κορυφές απομένουν να αποδώσουμε στην παρουσία άλλων ορυκτών.
13. Για να βεβαιωθούμε ότι η αναγνώριση των ορυκτών έχει πραγματοποιηθεί εστιάζουμε στις ανακλάσεις (χρησιμοποιώντας τα πράσινα βέλη) για να τις παρατηρήσουμε καλύτερα. 14. Εστιάζουμε κυρίως στις μεγαλύτερες ανακλάσεις για να τις παρατηρήσουμε καλύτερα.
15. Συνεχίζουμε την ακτινογραφική ταυτοποίηση μέχρι να αναγνωρίσουμε όλα τα ορυκτά που υπάρχουν στο δείγμα. 16. Τέλος ελέγχουμε αν έχουμε αποδώσει όλες τις ανακλάσεις στην παρουσία των ορυκτών που έχουμε αναγνωρίσει. Αν υπάρχουν κάποιες ανακλάσεις που δεν ανήκουν σε κάποιο από τα ορυκτά την παρουσία του οποίου αναγνωρίσαμε τότε υπάρχει τουλάχιστον ένα ορυκτό στο δείγμα μας που δεν έχουμε αναγνωρίσει. Στην περίπτωση αυτή συνεχίζουμε την αναζήτηση.