Применение термического ДСК/ТГ-анализа в практике геологических исследований

Термический анализ, включая методы дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрии (ТГ), занимает значимое место в современной практике исследований благодаря своей способности раскрывать особенности состава, структуры и реакционной способности природных материалов. Эти методы, основанные на контролируемом нагреве или охлаждении образцов в инертной или реакционной среде, позволяют не только фиксировать изменения массы и тепловые эффекты, но и устанавливать взаимосвязь между термическими свойствами и особенностями строения образца (в физическом, химическом и геологическом плане). В условиях растущего интереса к устойчивому использованию ресурсов и решению экологических задач ДСК/ТГ-метод становится незаменимым для анализа минералов, горных пород, горючих полезных ископаемых и почв.

Актуальность вышеупомянутых методов обусловлена их универсальностью и высокой информативностью. Например, ТГ-анализ позволяет выявить стадии дегидратации, декарбонизации и окисления, что критически важно для изучения литогенеза или оценки качества ископаемых топлив (Hassid et al., 2022; Iordanidis et al., 2001). Метод ДСК, в свою очередь, регистрирует эндо- и экзотермические процессы, которые обусловлены фазовыми переходами, разложением органических соединений и окислительно-восстановительными реакциями (Iordanidis et al., 2001; Wanfen et al., 2015). Комбинация ДСК/ТГ-метода с масс-спектрометрией (QMS) и ИК-Фурье-спектроскопией (FTIR) расширяет возможности идентификации газообразных продуктов, выделяющихся в процессе реакции анализируемых веществ на

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

изменение температуры, что особенно ценно при анализе сложных многокомпонентных систем (Kostova et al., 2021; Labus et al, 2018).

Целью данной статьи является систематизация опыта применения ДСК/ТГ-анализа в практике геологических исследований. Обобщение опубликованных данных позволяет выделить следующие ключевые направления исследований: в области минералогии, литологии и петрографии; каустобиолитов нефтяного и угольного рядов; в области переработки минерального сырья, производственной безопасности и экологии. Результаты обобщения позволяют наметить направления сотрудничества авторов данной работы, реализующих применение методов термического анализа на кафедре минералогии и петрографии геологического факультета, Секторе наноминералогии ПГНИУ, а также привлечь внимание коллег к возможностям метода термического анализа для решения своих исследовательских задач.

Применение ДСК/ТГ-анализа в области минералогии, петрографии и литологии

В области минералогии, литологии и петрографии ДСК/ТГ-анализ оказывается крайне полезен в обнаружении примесей в иссле- дуемых образцах, однако корректное детектирование примесей, а также прочих факторов, оказывающих влияние на термические эффекты, возможно только при грамотной интерпретации полученных результатов. Так, в работе (Спивак и др., 2022), посвященной дифференциальной сканирующей калориметрии природного золота, группа исследователей поднимает тему сложности интерпретации термических эффектов, наблюдаемых в ходе эксперимента. Предлагается объяснение термических эффектов на основе как «предыстории» образования частиц природного золота, так и на основе учета того факта, что природное золото представляет собой сплав с сопутствующими компонентами (медь, серебро и т.п.).

Методы ДСК/ТГ-анализа также позволяют изучить характер термического разложения (Исаева и др., 2014; Меньшикова, 2016) и появления новообразованных минералов. Это демонстрирует процесс нагрева кальцита (рис. 1), который характеризуется, наряду с эндотермическим эффектом термического разложения этого минерала на CaO и CO 2 , экзотермическим эффектом кристаллизации CaO в высокотемпературном диапазоне (при нагреве более 1000° С) (Пшевлодский и др., 2025; Zhuang et al., 2025).

Рис. 1. ДСК/ТГ-кривые нагрева двух образцов кальцита (Пшевлодский и др., 2025)

Методы термического анализа позволяют изучать даже такое неоднородное по своему составу природное образование, как каличе, которое представляет собой горную породу, являющуюся вторичным горизонтом аккумуляции карбоната кальция (Синицина и др., 2019). Так, в данной работе коллектив исследователей при помощи метода синхронного термического анализа установил, что каличе сложено в основной своей массе карбонатом кальция, также в его составе отмечены примеси кварца, полевых шпатов, слюд и глин.

По характеру термических эффектов возможно не только изучение минерального состава и состава примесей, но и интерпретация происхождения некоторых образцов, что отлично продемонстрировано в статье под авторством коллектива турецких исследователей (Alver et al., 2010). Применение метода термического анализа в рамках комплексного изучения природных цеолитов, отобранных из двух разных месторождений, позволило явно разграничить образцы разных месторождений за счет различной потери массы во время процесса нагрева. Механизмы термических преобразований и дегидратации способны открывать нам знания о более глобальных геологических процессах, в том числе механизмах субдукции (Dabiri et al., 2009; Gürtekýn et al., 2006). Так, результаты термического исследования антигорита (минерал подкласса слоистых силикатов, группы серпентина) позволяют наиболее точно установить температурные условия, в которых данный минерал переходит в иные минералы, а также выявить условия термической стабильности минерала (Gürtekýn et al., 2006).

В рамках исследований минерального состава, а также в исследованиях литологической и петрографической направленности отдельного внимания заслуживает изучение глин различного состава (Белоусов и др., 2015; Нгуен и др., 2019; Pires, 2024). Для таких объектов исследования ДСК/ТГ-метод позволяет изучить количество сорбированной и кристаллизационной воды, состав исследуемых образцов как в виде кристаллических, так и аморфных минералов, а также, что наиболее важно, учитывая сложный состав глин, разнообразные примеси, которые оказывают заметное влияние на протекание термических эффектов в изучаемых образцах. Так, результат термического анализа бентонитовых глин позволяет выявить не только наличие свободной и физически связанной воды, но и состав обменных катионов, а также термическую стабильность минерала, зависящую от соотношения алюминия, железа и магния в октаэдрических слоях решетки (Белоусов и др., 2015). Если же останавливаться на изучении свойств воды в глинах (рис. 2), то на основании опытных исследований можно заключить, что термический анализ позволяет выявлять не только общее количество воды в разных состояниях, но и четко разделить воду по конкретным классам, а именно: рыхлосвязанная, прочносвязанная формы воды, вода поверхности минералов, вода кристаллической решетки минералов (Середин и др., 2021).

Применение ДСК/ТГ-анализа в области изучения каустобиолитов нефтяного и угольного рядов

В исследованиях, сосредоточенных на изучении каустобиолитов нефтяного ряда, главенствующую роль играет прикладная направленность работ, связанная с эффективностью поиска и добычей данной группы природных ресурсов. Однако при изучении рассеянного органического вещества неизбежно возникают сложности, связанные с многокомпонентностью данных систем, соответственно, следует уделять особое внимание разделению компонентов (Короб-кин и др., 2022). Метод ДСК/ТГ-анализа также находит широкое применение при анализе углеводородов, что связано с четким температурным диапазоном, в котором наблюдается окисление и улетучивание компонентов смеси углеводородов (твердых парафинов, масел, смол и асфальтенов) (Ко-робкин и др., 2022).

Рис. 2. ДСК/ТГ-кривые образца каолинитовой глины (Середин и др., 2021)

Метод синхронного термического анализа позволяет оценить возможный нефте- и газоносный потенциал и, как следствие, спрогнозировать наличие нефтематеринских толщ на определенной территории, в том числе и в нетрадиционных коллекторах (Петрова и др., 2022; Шишкин, 2009; Labus, Matyasik, 2019). Данный метод находит свое место и при мо- делировании процессов, происходящих как с углеводородами в отдельности, так и с пластом-коллектором (Репях и др., 2012; Wanfen et al., 2015). Так, на примере нефтебитуми- нозных пород месторождения Иманкара (Западный Казахстан) (Репях и др., 2012) доказана эффективность методов ультразвуковой обработки пород для извлечения экстрактов битумов. Проведено изучение как самих нефтебитуминозных пород (до обработки), так и извлеченных после обработки экстрактов битумов. В данном конкретном исследовании метод синхронного термического анализа позволил изучить фракционный состав извлеченных экстрактов, а также долю высокомолекулярных парафиновых углеводородов.

Рис. 3. Термогравиметрическая (ТГ) кривая и кривая дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК), полученная при сжигании горючих сланцев (Бариева и др., 2016)

При изучении каустобиолитов угольного ряда основная направленность исследований сосредоточена на оценке качества сырья при его непосредственном применении (сжигании). ДСК/ТГ-анализ дает возможность оценить качество сырья, его теплоемкость, влияние примесей на процесс сжигания, что актуально как для углей, так и для горючих сланцев (рис. 3) (Бариева и др., 2016; Hassid et al., 2022; Iordanidis et al., 2001).

Методы термического анализа применимы и при рассмотрении методик, связанных с переработкой горючих полезных ископаемых непосредственно под землей, а именно с переработкой горючих сланцев в газ (Мартемьянов, 2013). Использование синхронного термического анализа необходимо и при планировании безопасной добычи угля, т.к. этот метод применим при оценке способности угля к самовозгоранию (Kumar Moha-lik et al., 2022).

Применение ДСК/ТГ-анализа в области переработки минерального сырья, производственной безопасности и экологии

В сфере переработки минерального сырья основное внимание исследователей больше сосредоточено на измерении и интерпретации не «геологических» характеристик изучаемых объектов, а на параметрах, применимых в производственном процессе. В связи с этим ДСК/ТГ-анализ находит место при изучении свойств, проявляющихся в процессе нагревания образцов, а именно для оценки возможности переработки базальтов и габбро в каменное волокно и сварочные материалы соответственно (Блинов и др., 2015; Игнатова и др., 2010; Меньшикова и др., 2012), для оценки возможности модифицирования цеолитов и опок при производстве сорбентов (Лыгина и др., 2015), для исследования влияния висмута и сурьмы на термические свойства золото-серебряных руд (Миронова и др., 2017). Вышеупомянутый анализ также применим при оценке качества обогащения каолинового сырья при производстве керамической плитки и огнеупоров (Сергиевич, 2017). Также синхронный термический анализ применяют при оценке возможности переработки урансодержащих руд (Ходжиев и др., 2017). На примере данных руд показана воз- можность посредством метода ДСК/ТГ-анализа выявить минералы-примеси в урансодержащей руде, а именно каолинита, кварца, слюд и доломита, которые характеризуются появлением специфических эффектов на термических кривых ДСК и ТГ.

В области производственной безопасности ДСК/ТГ-анализ дает возможность произвести оценку самовозгорания различного сырья, например сульфидов (Ибламинов и др., 2014). При этом метод не позволяет в полной мере имитировать подземные условия нахождения природного сырья, что необходимо учитывать при оценке подобного опасного производственного явления (Рыльникова и др., 2020).

Термический анализ также находит применение в области экологического мониторинга для оценки термической стабильности фульвокислот и гуминовых кислот в почвенном покрове (Boguta et al., 2017). Практика авторов по исследованию образцов почв в воздушной среде показывает, что они характеризуются серией последовательных термических эффектов, связанных с дегидратацией сорбированной из воздуха влаги: эндотермический эффект с потерей массы с пиком эффекта в диапазоне от 55 до 77° С экзотермическим эффектом разложения термолабильных компонентов почвенного органического вещества (главным образом углеводов и алифатических соединений, с пиком эффекта в диапазоне от 311 до 380° С); экзотермическим эффектом деструкции термостабильных компонентов (в основном лигнина и ароматических соединений, с пиком эффекта в диапазоне от 367 до 495° С); экзотермическим эффектом окисления черного углерода (диапазон протекания реакции от 439 до 725° С).

Заключение

Таким образом, ДСК/ТГ-анализ находит широкое применение в практике геологических исследований, однако использование данного метода крайне требовательно к условиям и методике эксперимента, а также к грамотной интерпретации и обработке полученных результатов, что, в свою очередь, повышает требования к квалификации исследователя.