Спектральный анализ

Спектральный анализ вулканической породы  потухшего вулкана   «Тальская вершина»

К.Русских

Руководитель: Л.А.Саврасова, преподаватель физики ОГАОУ СПО БТОТиС

Актуальность темы: строение земли, её динамика и эволюция, глобальные изменения окружающей среды и климата всегда интересовало человечество.

Цель: изучить горные породы потухшего вулкана  «Тальская вершина».

Задачи: взять образцы вулканической породы для спектрального анализа; познакомиться с аналитическими методами оптического спектрального анализа и стандартных образцов в Институте геохимии  г. Иркутск; проанализировать результаты прямого атомно – эмиссионного анализа горной породы на основе знаний волновой и квантовой теории электромагнитного излучения.

Объект исследования: горные породы потухшего вулкана «Тальская вершина».    

Метод исследования: прямой атомно – эмиссионный анализ. Для проведения лабораторного эксперимента были использованы спектральные установки, которые включали дифракционные спектрографы и квантометр ДФС - 36, дуговые генераторы ДГ - 2 «Везувий», «Шаровая  молния»;  устройство «Поток»  для введения порошков в дугу по способу вдувания – присыпки.

Метод анализа продуктов деятельности интегрированный программный продукт «Автоматическая расшифровка дуговых эмиссионных спектров» позволил нам узнать  химический состав породы, объяснить на основе знаний волновой и квантовой теории электромагнитного излучения  полученные спектры.

Краткий обзор сведений по теме: в Тирренском море в группе Липарских островов есть небольшой остров Вулькано. По имени этого острова огнедышащие горы впоследствии стали называть вулканами. Потухшие - вулканы, существенно переработанные эрозией, полуразрушенные, не проявляющие активности в течение последних 100 тыс. лет. Тункинская долина, протяженностью 200 км, расположена на юго-западе Бурятии, представляет собой своеобразное звено в цепи тектонических опусканий.  Название долины произошло от этнонима «тункэн», известного с XIII века. Эта территория относится к району с высокой сейсмической активностью (до 9 баллов).  По данным геологии, несколько миллионов лет назад долина была ложем гигантского озера, но в результате геологической катастрофы вода озера прорвала перемычку и утекла в Байкал. Об этом напоминают вершины девяти потухших вулканов, до сих пор возвышающиеся над равнинным рельефом долины. Вулканические конусы отчетливо выражены в рельефе в виде холмов высотой 40-50 м, сложены пузырчатыми базальтами, рыхлыми шлаками, вулканическими бомбами. Некоторые вулканы имеют названия: Хара-Болдок (вулкан Черского), Шандагатай, Тальская вершина, остальные известны под общим названием «Бугры».  Вокруг вулкана «Тальская вершина»  на большой площади разбросано огромное количество вулканических бомб различной величины. У подножия выходит на поверхность группа холодных источников, содержащих сероводород; они получили название Кунтенский аршан. Изучив равнинный рельеф долины, используя данные геологии, мы узнали географическое месторасположение потухшего вулкана «Тальская вершина»: он  находится вблизи курорта Аршан на восточной окраине Койморских озер, по правому берегу реки Кынгарга. Очень привлекателен вулканический конус в зимнее время, когда он "дымится" - из горловины его струится теплый воздух. У подножия вулкана сегодня периодически начинают бить горячие ключи.  За год в селе Талое происходит около пятисот землетрясений, то есть почти по два в день. Спектральный анализ — совокупность методов определения состава (например, химического) объекта, основанный на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения. Традиционно различают атомный и молекулярный спектральный анализ, «эмиссионный» по спектрам испускания и «абсорбционный» по спектрам поглощения, а также «масс-спектрометрический» по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов. Спектральный анализ по оптическим спектрам атомов был предложен в 1859 году Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. С его помощью гелий был открыт на Солнце ранее, чем на Земле.

 Методика и техника исследования: первый этап - организовали две экспедиции в Тункинскую долину: летом и зимой, для того чтобы исследовать  потухший вулкан «Тальская вершина» и взять горные породы. Второй этап -  поездка в лабораторию Института геохимии г. Иркутск для обеспечения геохимических исследований горных пород. При исследовании были применены полуколичественные и количественные методики атомно - эмиссионного анализа, исследованы  фотоэлектрические регистрации и компьютерная обработка спектров под руководством д.т.н. И.Е. Васильевой. С применением интегрированного программного продукта «Автоматическая расшифровка дуговых эмиссионных спектров» для обработки спектров, геохимических проб с использованием способа вдувания присыпки, обеспечило количественное определение 14 элементов.

Прямой атомно-эмиссионный анализ  содержание в %

Результаты исследования: для изучения химического состава породы мы провели лабораторный эксперимент с помощью полуколичественной и количественной методики атомно - эмиссионного анализа. В результате получили атомарные спектры. Проанализировав спектры, мы увидели, что  атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, обладают одинаковым дискретным набором возможных энергетических состояний, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. Линейчатый спектр излучения атомов вещества в газообразном состоянии не состоит из чисто монохроматических спектральных линий; каждая линия имеет довольно значительную ширину. Любая спектральная линия имеет конечную ширину. Ширина спектральной линии зависит как от квантового перехода, соответствующего этой линии, так и от внешних условий. Линия атомного спектра имеет наименьшую ширину, если фотоны излучаются неподвижными атомами, изолированными от взаимодействий с другими атомами. Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока, при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа широко используют пламя или плазму различных газов. В данном эксперименте использовался прямой атомно – эмиссионный анализ основанный на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов.  В теории обработки сигналов спектральный анализ также означает анализ распределения энергии сигнала  по частотам, волновым числам и т. п.

Основные выводы:  таким образом, мы выполнили задачи нашего исследования.

Во - первых, организовали две поездки к месту исследования, взяли образцы вулканической породы для спектрального анализа.

Во - вторых,  пронаблюдали прямой атомно – эмиссионный анализ горной породы, объяснили результаты эксперимента на основе знаний волновой и квантовой теории электромагнитного излучения. Узнали о количественном составе горной породы, который включает 14 химических элементов.

В заключении, говоря об этом исследовании, хотелось бы отметить, нашими информаторами были жители села Талое, лабораторный практикум был проведён на базе Иркутского  Института геохимии им. А.П.Виноградова под руководством д.т.н. И.Е. Васильевой. Узнали, что с необходимостью координации геолого – геохимических исследований и аналитических методов изучения геологических объектов Сибири в 1957 году был создан Институт геохимии в г. Иркутске.

Список литературы: М.Г.Ковтунович Домашний эксперимент по физике М.: Гуманитар. изд. Центр ВЛАДОС,2007.

Информационные ресурсы: 1.webmaster@icm.buryatia.ru.2.www.baikalwave.eu.org. 3.http://ru.wikipedia.org/wiki.