ИСТИНА

В Арктике сосредоточено колоссальное количество природных ресурсов, в том числе минеральное сырье. Для обеспечения положительных результатов геохимического поиска рудных месторождений необходимо обеспечить докларковую чувствительность широкого круга элементов при их определении из одной навески, воспроизводимость, достаточную для используемого масштаба, экспрессность, низкую стоимость анализа без химического вскрытия пробы. Реализовать данные требования можно с помощью компактных систем для быстрой оценки элементного состава геохимических проб на базе лазерно-искровых эмиссионных спектрометров (ЛИЭС). Однако, как и для всех методов прямого анализа, важнейшими проблемами являются влияние основы пробы на результаты анализа и относительно невысокая чувствительность определения следовых компонентов. Данный проект направлен на повышение чувствительности ЛИЭС-определения ключевых элементов для геохимического поиска на уровне их среднего содержания в земной коре, разработка методов изучения структуры и распределения элементов (как легких, так и тяжелых) в геологических объектах. Для решения поставленных задач будет проведена адаптация твердотельных лазеров с диодной накачкой с высокой частотой следования импульсов для ЛИЭС-анализа геологических объектов и разработка оптимальной оптической схемы для обеспечения воспроизводимой плотности мощности лазерного излучения на поверхности пробы при высокой эффективности сбора излучения плазмы. В данном проекте предлагается комплексное изучение метода пространственного сжатия плазмы в микрокамере, ранее разработанного руководителем проекта для повышения чувствительности за счет использования энергии ударной волны. Также предполагается сочетание пространственного сжатия в микрокамере с двухимпульсным воздействием на пробу. Для коррекции поимпульсных флуктуаций сигналов будет использоваться оригинальный метод корреляционного выбора сигнала сравнения. Для изучения изменения соотношение Fe/Mn по слоям железомарганцевых конкреций будет использован метод расчета состава пробы только на основании спектральных данных. Для повышения пространственного разрешения при изучении распределения легких (Li, Si и др.) и основных рудных (Fe, Mn, Cu, Ni, Co и др.) элементов в геологических объектах будет использоваться режим «протяженной искры». Предложенный комплекс подходов позволит разработать способ прямого ЛИЭС анализа для определения основных рудных компонентов и выявления геохимических аномалий, пригодный для поисковых работ.

Adaptation of laser induced breakdown spectroscopy to geological survey in the Arctic

1. Минитиарюзация ЛИЭС системы за счет использования твердотельных лазеров с диодной накачкой с высокой частотой следования импульсов (до 4-5 кГц) в сочетании с накоплением сигнала на ПЗС-камере с усилителем яркости при анализе следовых компонентов в геологических пробах. 2. Выбор наиболее чувствительных аналитических линий определяемых элементов в эмиссионном спектре лазерной плазмы и временных условий их наблюдения. 3. Оптическая схема высокоэффективной системы сбора излучения с использованием телескопа и многожильного оптоволокна. 4. Определение оптимальной конструкции микрокамеры для повышения чувствительности определения микрокомпонентов в геологических пробах, в том числе при многоимпульсном воздействии. 5. Выбор внутреннего стандарта на основании корреляционного анализа для коррекции поимпульсных флуктуаций сигналов. 6. Метод расчета состава пробы только на основании спектральных данных (прежде всего соотношения Fe/Mn в железомарганцевых конкрециях). 7. Использование «протяженной искры» для изучения распределения элементов в в железомарганцевых конкрециях.

В ходе выполнения проекта были изучены механизмы ударного сжатия лазерной плазмы в микрокамерах, изготовленных на 1-ом этапе Проекта. Показано, что этот эффект усиливается с ростом энергии лазерного излучения: так, для 240 мДж наблюдается скачок электронной плотности плазмы, в то время как для 70 мДж такого скачка нет. При этом основную роль несет резкое увеличение электронной плотности, а не температуры. В результате интенсивные ионные линии испытывают резкое тушение в районе 2-4 мкс, а резонансные атомные линии в этом временном диапазоне увеличиваются в десятки раз. Продемонстрированы аналитические возможности высокочастотных твердотельных лазеров с диодной накачкой и ПЗС-детектором: количественные измерения возможны только для основных компонентов, в случае грунтов , конкреций и руд – кальция, марганца, железа, титана. Определение микрокомпонентов данной системой невозможно в силу малой чувствительности ПЗС-детектора. Впервые изучено влияние степени спрессованности образца на параметры лазерно-индуцированной плазмы (температуру, электронную плотность, интенсивность линий и ее стандартное отклонение). Для вариации спресованности (т.е. давления, прикладываемого к порошку, для получения таблетки) использовали гидравлический пресс, а в качестве объекта изучения выступал государственный стандартный образец состава корки рудной ООПЕ 604. Использование одного и того же образца для подобных исследований обеспечило независимость результатов от дисперсности и минерального состава пробы. Впервые показано, что влияние на температуру и электронную плотность плазмы существенно зависит от времени наблюдения плазмы: так, показано значительное увеличение параметров плазмы при переходе от давления 0-1 т/см2 к давлениям более 3 т/см2. При этом для высокой степени спресованности отсутствует влияние давления на параметры плазмы. Впервые оценены параметры «протяженной» искры и продемонстрировано существенное различие в температуре и электронной плотности с традиционной «точечной» плазмой: «протяженная» плазма характеризуется более «мягкими» условиями возбуждения. Впервые получена «протяженная» искра на поверхности золотосодержащих руд. Как известно, лазерно-индуцированная плазма – не стационарный источник излучения с высокой температурой (Т=6000-13000 К) и электронной плотностью (Ne=1015-1018 см-3). Эти факторы обусловливают значительные уширения вследствие Штарковского эффекта, и, как результат, значительных спектральных интерференций. Из-за этого часто не удается отнести наблюдаемый пик к какой-либо спектральной линии. Эта проблема особенно актуальна для определения следовых содержаний редкоземельных элементов, обладающих богатым эмиссионным спектром, в образцах с высоким содержанием железа (до 15% масс. в ЖМК). Впервые на примере лантана продемонстрированы возможности моделирования спектров плазмы для оценки пределов обнаружения в различных матрицах: показано что в горных породах (святоносит, содержание железа 3.5%) предел обнаружения лантана составляет 5 млн-1, в то время как в железомарганцевых конкрециях (ООПЕ 604, содержание железа 15% и марганца 15%) – 80 млн-1. При определении отношения Mn/Fe в железо-марганцевых конкрециях продемонстрированы возможности ЛИЭС анализа без градуировки: сходимость результатов анализа, полученных с градуировкой ЛИЭС сигнала, на 25-30% хуже, чем без градуировки. На основании сравнения результатов определения основных, минорных и микрокомпонентов с помощью ЛИЭС с независимыми аналитическими методами, можно сделать вывод о том, что различные варианты ЛИЭС могут быть полезны для решения количественных задач по определению как основных компонентов, так и микрокомпонентов в реальных рудных и осадочных породах Арктического региона.