Określanie składu chemicznego i mineralnego skał z wykorzystaniem przenośnego spektrometru XRF pracującego w atmosferze helu

• Autorzy: Skupio Rafał

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.04.02

Warianty tytułu

EN

Determination of the chemical and mineral composition of rocks with the use of a portable XRF spectrometer operating in a helium atmosphere

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono możliwości prowadzenia pomiarów chemicznych z zastosowaniem przenośnego spektrometru fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją energii EDXRF w atmosferze helu. Metodyka badawcza wraz z tworzeniem modeli i interpretacją danych powstała w oparciu o zastosowanie aparatu XRF firmy Bruker, model Tracer 5g. Prowadzenie pomiarów w atmosferze helu umożliwia obniżenie progów detekcji dla pierwiastków lekkich, w tym określanie udziałów sodu (Na) i magnezu (Mg) oraz pierwiastków wchodzących w zakres spektrometrycznego profilowania gamma: potasu (K), uranu (U) i toru (Th). Jednym z elementów nowej procedury pomiarowej jest przygotowanie preparatów w formie pastylek, przy użyciu prasy hydraulicznej o sile nacisku do 25 ton. Pomiary w atmosferze helu mogą być wykonywane jedynie na materiale skonsolidowanym (lita skała, rdzeń wiertniczy lub twarda pastylka). Materiał do badań został pobrany z rdzeni wiertniczych, następnie skwartowany i rozdzielony na poszczególne analizy. Wyniki analiz XRF uzyskane metodą, w której zastosowano przepływ helu, porównano z wynikami pomiarów wykonanych standardową aparaturą XRF, chemicznych badań laboratoryjnych, analiz składu mineralnego XRD oraz badań naturalnej promieniotwórczości gamma. Analizy XRF bez możliwości prowadzenia pomiarów w atmosferze helu wykonane zostały aparatem Titan S1 (firmy Bruker). Badania przeprowadzono na próbkach skał pochodzących z dwóch otworów wiertniczych – P4 (19 próbek) i J1 (11 próbek). W przypadku P4 dysponowano dokładnymi pomiarami laboratoryjnymi ICP-MS (ang. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), ICP-OES (ang. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) oraz wynikami XRD, natomiast w J1 – wynikami badań radiometrycznych i mineralnych. W próbkach z otworu J1 występowały skalenie oraz dolomit, co umożliwiło przetestowanie budowy modeli uwzględniających te minerały w odniesieniu do wyznaczenia udziałów sodu i magnezu. W końcowej części pracy przedstawiono wykresy korelacyjne dla wybranych, najważniejszych pierwiastków budujących matrycę skalną, modele mineralno–chemiczne zbudowane na ich podstawie oraz wykresy korelacyjne dla spektrometrycznych pomiarów gamma.

EN

In the paper, author presented the possibility of conducting chemical measurements in a helium atmosphere using a portable Energy Dispersive X-Ray Fluorescence spectrometer (EDXRF). The methodology, model creation and data interpretation were based on the Tracer 5g XRF (Bruker) application. Measurements in a helium atmosphere enable the reduction of detection limits for light elements, including the determination of sodium (Na) and magnesium (Mg), as well as elements applied in the spectral gamma-ray profiling range: potassium (K), uranium (U) and thorium (Th). One of the new measurement procedure aspects is the preparation of pellets using a hydraulic press with a pressure of up to 25 tons. Measurements with helium flow can only be performed on a consolidated material (solid rock, drill core, or pellet). The material for the research was taken from the cores, then quartered and divided into individual analyses. The results of the XRF analyses obtained with the helium flow method were compared to measurements made with standard XRF equipment, chemical laboratory tests, the results of XRD mineral analyses, and tests of natural gamma radioactivity. XRF analyses without the possibility of conducting measurements in a helium atmosphere were performed with the Titan S1 apparatus (Bruker). The tests were carried out on rock samples from two boreholes, P4 (19 samples) and J1 (11 samples). In P4, precise laboratory measurements ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) and XRD results were available, while in the J1, radiometric and mineral tests were performed. Feldspars and dolomites were present in the samples from the J1 borehole, which made it possible to test the construction of models incorporating these minerals in relation to sodium and magnesium. The final part of the work presents correlation diagrams for selected, most essential elements forming the rock matrix, mineral and chemical models built on their basis and correlation diagrams for gamma spectrometric measurements.

Słowa kluczowe

PL

spektrometria XRF; litologia; skład chemiczny; skład mineralny; spektrometria gamma; analiza rdzeni wiertniczych

EN

XRF spectrometry; lithology; chemical composition; mineral composition; spectral gamma-ray measurements; core analyse

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 4
• Strony: 227--234
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz.

Twórcy

autor

Skupio Rafał

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Acquafredda P., 2019. XRF Technique. Physical Sciences Reviews.
• Alnahwi A., Loucks R.G., 2019. Mineralogical composition and total organic carbon quantification using x-ray fluorescence data from the Upper Cretaceous Eagle Ford Group in southern Texas. AAPG Bulletin, 103(12): 2891–2907. DOI: 10.1306/04151918090. Bruker Corporation, www.bruker.com (dostęp: wrzesień 2019).
• Chao Y., Cancan Z., Feng Z., Song., Chaliu Li., 2015. A novel method for quantitative geosteering using azimuthal gamma-ray log. Applied Radiation and Isotopes, 96: 63–70. DOI: 10.1016/j.apradiso.2014.11.015.
• Chen J.J., Shugar A., Jehle A., 2018. X-radiography of cultural heritage materials using handheld XRF spectrometers. Wiley: 1–8. DOI:10.1002/xrs.2947.
• Conrey R.M., Goodman E.M., Bettencourt N., Seyfarth A., Van Hoose A., Wolff J.A., 2014. Calibration of a portable X-ray fluorescence spectrometer in the analysis of archaeological samples using influence coefficients. Geochemistry Exploration Environment Analysis,14(3): 291–301. DOI: 10.1144/geochem2013-198.
• Jarvie D., Hill M.R.J., Ruble T.E., Pollastro R.M., 2007. Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 91: 475–499. DOI:10.1306/12190606068.
• Jędrychowska S., Wieczorek A., 2013. Analiza wielopierwiastkowa środków smarowych z wykorzystaniem techniki spektrometrii fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją fali. Nafta-Gaz, 2013, 6: 476–485.
• Kowalska S., Kubik B., Skupio R., Wolański K., 2018. Rekonstrukcja profilu litologicznego na podstawie wyników pomiarów składu chemicznego rdzeni wiertniczych i próbek okruchowych. Materiały konferencyjne Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Geopetrol 2018. Wyd. Instytut Nafty i Gazu – PIB, Kraków: 115–121.
• Kozak M., 2010. Zastosowanie optycznej spektrometrii emisyjnej, ze wzbudzeniem w plazmie indukowanej w badaniach przetworów naftowych. Nafta-Gaz, 7: 606–612.
• Loubser M., Verryn S., 2008. Combining XRF and XRD analyses and sample preparation to solve mineralogical problems. South African Journal of Geology, 111(2–3): 229–238. DOI: 10.2113/gssajg.111.2-3.229.
• Ogburn D., Sillar B., Sierra J. C., 2012. Evaluating effects of chemical weathering and surface contamination on the in situ provenance analysis of building stones in the Cuzco region of Peru with portable XRF. Journal of Archaeological Science, 40(4): 1823–1837.
• Rowe H., Hughes N., Robinson K., 2012. The quantification and application of handheld energy-dispersive x-ray fluorescence (ED-XRF) in mudrock chemostratigraphy and geochemistry. Chemical Geology, 324–325: 122–131. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2011.12.023.
• Skupio R., 2014. Wykorzystanie przenośnego spektrometru XRF do pomiarów składu chemicznego skał. Nafta-Gaz, 11: 771–777.
• Skupio R., 2020. Portable XRF spectrometer with helium flow as a tool for lithological interpretation. Geology, Geophysics and Environment. 46(4): 315–320.
• Skupio R., Dohnalik M., 2015. Improvement spectrometric gamma measurements on shale cores with the use of the BGO scintillation detector. Nafta-Gaz, 11: 847–855. DOI: 10.18668/NG2015.11.06.
• Skupio R., Wolański K., 2019. Spektrometryczne pomiary gamma rdzeni wiertniczych o niskiej aktywności. Nafta-Gaz, 6: 324–329. DOI:10.18668/NG.2019.06.03.
• Skupio R. Zagórska U., Kowalska S. 2020. Kalibracja wyników analiz chemicznych piaskowców czerwonego spągowca wykonanych przenośnym spektrometrem XRF. Nafta-Gaz, 1: 12–17. DOI: 10.18668/NG.2020.01.02.
• Wang F.P., Gale J.F.W., 2009. Screening criteria for shale-gas systems. Gulf Coast Association of Geological Societies Transactions, 59: 779–793.
• Wieczorek A., 2012. Ocena możliwości wykorzystania techniki spektrometrii rentgenowskiej z dyspersja fali do badania zawartości szkodliwych i kancerogennych metali ciężkich w produktach naftowych. Nafta-Gaz, 10: 699–707.
• Yasin Q., Du Q., Sohail G.M., Ismail A., 2017. Impact of organic contents and brittleness indices to differentiate the brittle-ductile transitional zone in shale gas reservoir. Geoscience Journal, 21(5), 780–789.DOI: 10.1007/s12303-017-0007-7.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).