Методика определения петрографических структур с использованием прибора МИУ-5М

Zakharova, A. A. et al. 2022. Methodology for determination of petrographic structures using the MIU-5M device. Vestnik of MSTU, 25(1), pp. 5–11. (In Russ.) DOI:

Структуры и текстуры – важные категории, учитываемые в общей систематике и расшифровке генезиса горных пород и руд ( Текстуры…, 1958; Половинкина, 1966 ). Но даже из названий указанных фундаментальных монографий видно, что многое неясно в их определениях. Определять ли сначала текстуру как макроскопически (реже микроскопически) различимое сложение горной породы, углубляясь затем до структуры как отношения (неделимых, атомарных, элементарных) минеральных зерен? Или сначала определять структуру и далее восходить к текстуре как иерархически более высокому таксону? Так или иначе, описательный характер бытующих определений приводит к неразрешимости ряда вопросов: конечно ли число петрографических структур и текстур, зависит ли число структур и текстур от числа слагающих горную породу минералов, следует ли при этом учитывать все минералы или только породообразующие (без акцессорных), возможна ли естественная (без конвенциональных границ) классификация петрографических структур? Актуальность этих и ряда других вопросов тем более очевидна, что они больше ста лет назад разрешены в кристаллографии построением математической теории.

Авторы полагают, что непротиворечивые определения петрографической структуры возможны только на языке математики. В ряде статей показано, что организация горной породы (руды) в существенных чертах может быть описана частотами бинарных контактов минеральных зерен всех образующих ее видов ( Войтеховский и др., 2021а, б ). С математической точки зрения любая n -минеральная горная порода предстает как автоморфизм (отображение в себя) определенного набора минеральных видов, реализуемый через контактирующие индивиды. Стиль автоморфизма определяется симметрической матрицей вероятностей контактов, однозначно определяющей структурную индикатрису – поверхность 2-го порядка в n -мерном пространстве. Формальным выражением петрографической структуры служит каноническая диагональная форма указанной симметрической матрицы. Согласно принципу номенклатуры структура S^m соответствует диагональной матрице D, в которой на n позициях стоят m положительных элементов. В случае биминеральных пород возможны два типа структур: S ¹ и S ² , при этом граница между ними определяется линией равновесия Харди – Вайнберга ( Войтеховский и др., 2021б ). Вопросы о числе структур и их естественной классификации для n -минеральных горных пород исчерпывающе решаются теорией квадратичных форм. Теория петрографических структур и их всевозможных преобразований логично развивается в терминах смежных алгебраических теорий. Но досадным препятствием является рутинная процедура подсчета частот межзерновых контактов в петрографических шлифах.

Цель данной работы – изучение возможностей применения прибора МИУ-5М для диагностики петрографических структур на основе описанной выше методики.

О современных анализаторах изображений

Сегодня известно большое число анализаторов изображений. В основном они используются для распознавания разного рода текстурированных образцов, в том числе горных пород ( Ładniak et al., 2015 ). Для распознавания и морфометрии рудных минералов подходят программные пакеты ImageJ и Thixomet ( Рудашевский и др., 2018; Толкунова и др., 2020 ). В случае анизотропных породообразующих минералов возникают сложности, так как программы не позволяют определять зерна разного сечения как один минерал. Использование подобных программ для наших целей требует написания специальных надстроек. В Германии разработана программа QMA ( Popov et al., 2020 ), позволяющая получать различные количественные параметры горных пород на основе трех взаимно перпендикулярных шлифов, изготовленных для каждого образца. Но и она не позволяет считать частоты межзерновых границ.

В геологии активно используется компьютерная томография (CT), позволяющая работать с объемным образцом за счет просвечивания его рентгеновскими лучами ( Popov et al., 2020 ). При этом хорошо различаются сульфиды и силикатные минералы, а также поровое пространство, но между собой минералы одного класса в большинстве случаев различить невозможно. Перспективна технология QEMSCAN, сочетающая сканирование образца в обратно рассеянных электронах для различения минеральных зерен и рентгеноспектральный анализ для характеристики их состава ( Guanira et al., 2020 ). Применительно к характеристике петрографической структуры технология позволяет получить карту шлифа. Но далее снова встает задача подсчета частот межзерновых границ.

Для ее решения одним из авторов (А. З.) использована программа ArcGIS. В программу загружается рисунок шлифа или панорамный снимок хорошего качества. Затем межзерновые границы фиксируются линиями с занесением их цвета в таблицу атрибутов, где типы контактов автоматически суммируются (рис. 1). Преимущества ArcGIS заключаются в упрощении подсчета и исключении ошибок, связанных с малым размером зерен. Основной недостаток подхода – нанесение линий занимает много времени, что не позволяет быстро обработать большое число шлифов.

Рис. 1. Фрагмент петрографического шлифа. Расчет в ArcGIS. Пояснения в тексте

Fig. 1. A fragment of the petrographic thin section. Calculation in ArcGIS. See the text for explanation

Применение МИУ-5М

МИУ-5М – минералогическое интеграционное устройство, предназначенное для количественного анализа структуры минеральных агрегатов под микроскопом. Прибор появился в 1980-х гг. и проектировался с целью развития линейно-дискретного метода геометрического анализа, основы которого были заложены А. А. Глаголевым ( Бродская и др., 2001 ).

В основе действия прибора лежат линейно-дискретный и точечный методы анализа, смысл которых заключается в измерении в плоскости сечения горной породы длин отрезков (точек), приходящихся на каждый минерал. В результате сканирования (в проходящем и отраженном свете) и компьютерной обработки кроме информации о типах и числе границ возможно получение 22 количественных параметров (модального и гранулометрического состава, коэффициента агрегативности и др.)¹ ( Бродская и др., 2001 ). Прибор состоит из нескольких основных блоков (рис. 2): 1) микроскопа со сканирующим столиком; 2) электродвигателя, управляющего столиком; 3) блоков питания (за пределами фото); 4) компьютера, с помощью которого производится управление устройством.

По сравнению с ручными подсчетами МИУ-5М имеет ряд преимуществ: данные получаются непосредственно со шлифа, обработка которого занимает 1–2 часа. К недостаткам методики можно отнести: присутствие оператора, пересчет исходных данных, влияние минеральных и структурных особенностей горной породы (руды).

Рис. 2. Отечественный прибор МИУ-5М

Fig. 2. Domestic device MIU-5M

Сравнение результатов с ручными подсчетами

МИУ-5М имеет 6 режимов работы для решения различных геологических задач. В нашем исследовании использовался режим сканирования образца линейным методом. По результатам съемки шлифа формируется файл Excel, где отображаются минералы, условия сканирования, число и тип границ. Параметры задаются оператором (рис. 3). Данные необходимо обработать для получения статистики частот межзерновых контактов. Далее частоты контактов необходимо внести в матрицу, получить ее диагональную форму и определить структурный тип горной породы для данного шлифа.

В рамках проведенного исследования отснято 14 шлифов, представленных амфиболитами Керетского архипелага ( Войтеховский и др., 2021а ) и апатит-нефелиновыми рудами Хибинского массива. Ранее для тех и других структурные типы были определены с помощью ручных подсчетов. Сравнение результатов показано на рис. 4.

В результате структурные типы совпали для 10 из 14 образцов. Шлифы, в которых произошел переход к другому типу, изучены дополнительно. Для амфиболитов это образцы 10 и 14. В первом случае могли повлиять кварц-плагиоклазовые шлиры. В них зерна различить трудно из-за близких оптических свойств, для шлифа 10 занижено количество именно этих контактов. Важно отметить, что присутствующие в шлифе крупные зерна амфибола, пересекаемые при сканировании несколько раз, никак не повлияли на статистику контактов. В шлифе 14 средний размер зерна почти в два раза меньше, чем в остальных образцах. При этом шаг сканирования был тот же, что могло исказить статистику из-за пропуска мелких зерен.

В случае апатит-нефелиновых руд структурный тип поменялся у шлифов 2 и 8. В этих образцах присутствуют крупные зерна минералов и хадакристаллы апатита в эгирине. Средний размер зерен для всех шлифов примерно одинаковый. Поэтому использование одного шага сканирования допустимо. Дополнительные расчеты показали, что крупные зерна и в этом случае не влияют на статистику частот. При этом элементы пойкилитовой структуры вносят изменение в число контактов. Большое число мелких хадакристаллов сложно точно зафиксировать при сканировании. В принципе, такие структуры следует изучать при большем увеличении.

Линейное сканирование
Минеральный состав:
Число минералов:	3
№	Минерал
1	Апатит
2	Эгирин/амфибол
3	Матрица
Условия сканирования:
Шаг по Y (мкм):	500
Результаты сканирования:
X (мкм)	Y (мкм)	Минерал
20000	20240	Апатит
20344	20240	Апатит
20608	20240	Апатит
21035	20240	Апатит
21300	20240	Эгирин/амфибол
21558	20240	Апатит
21920	20240	Эгирин/амфибол
22936	20240	Апатит
23292	20240	Апатит
23480	20240	Апатит
23480	20240	Апатит
23915	20240	Апатит

Рис. 3. Фрагмент таблицы с результатами сканирования Fig. 3. Fragment of the table with scan results

Рис. 4. Барицентрическая диаграмма вероятностей p_i j . Квадраты – апатит-нефелиновые руды, круги – амфиболиты; залитые – расчеты вручную, пустые – расчеты на МИУ-5М

Fig. 4. Barycentric diagram of the probabilities p_i j . Squares represent apatite-nepheline ores, circles – amphibolites, filled symbols – manual calculations, empty symbols – calculations using the MIU-5M

Выводы

В результате исследования возможностей применения прибора МИУ-5М для получения статистики частот межзерновых контактов структурные типы горных пород и руд совпали в 70 % случаев. При этом сформулированы следующие методические рекомендации:

• 1.    Неравномернозернистость горной породы (руды) или наличие шлиров не влияют на статистику контактов. Даже при многократном пересечении одного зерна частоты контактов сохраняются.

• 2.    Наличие пойкилитовых вростков может влиять на статистику, поскольку их сложно фиксировать при сканировании. В таких случаях рекомендуется пойкилитовую часть шлифа снимать отдельно при бóльшем увеличении.

• 3.    Шаг сканирования необходимо подбирать исходя из среднего размера зерна. Если в коллекции присутствуют шлифы, в которых размер зерен сильно отличается, для них шаг необходимо подбирать отдельно.

• 4.    Особенности минерального состава могут влиять на статистику межзерновых контактов: наличие шлиров, состоящих из минералов с близкими оптическими свойствами, или гипергенных изменений. В этом случае рекомендуется такие участки сканировать при большем увеличении.

Если фигуративная точка структуры лежит далеко от линии Харди – Вайнберга, описанные выше особенности никак не повлияют на структурный тип (при этом положение точки на диаграмме может несколько варьировать). Переход от одного структурного типа к другому при использовании разных методик подсчета возможен только для горных пород и руд, фигуративные точки которых лежат вблизи классификационных границ. В этих случаях необходимо учитывать приведенные выше рекомендации.