碳酸鹽巖石中碳酸鹽礦物定量測定方法研究

左艷玲 (中國建筑材料工業地質勘查中心云南總隊，云南 昆明 650118)

0 引言

不同碳酸鹽礦物的受熱分解溫度是不同的，可以根據熱分解法確定礦物的含量，便于礦物測定過程的全面實施。碳酸鹽礦物測量應掌握正確的方法，對CO2的釋放情況進行判斷，結合失重量百分比確定礦物的含量，提高礦物含量的確定效率。碳酸鹽礦物含量測定具有精度要求，需要確保進度分析方向的重點，將精度控制上升到一定的高度。

1 碳酸鹽巖石中碳酸鹽礦物組成分析

碳酸鹽巖石組成較為復雜，如圖1所示，主要由白云石(CaMg(CO3)2)、方解石(CaCO3)等構成，需要對碳酸鹽的組成進行分析，對碳酸鹽礦物的成分進行掌握。對于碳酸鹽礦物而言，具有受熱分解的特點，受熱分解后將會產生CO2，導致碳酸鹽巖石損失一部分重量。對于不同碳酸鹽而言，分解溫度具有一定的差異性，產生吸熱效應后開始氧化反應，通過CO2釋放量對礦物含量展開分析，確保定量分析方法的有效性。分解溫度主要受吸熱效應的影響，且溫度差別較為明顯，可將溫度作為定量測定的依據，得到指定碳酸鹽礦物分解得到的CO2，進而判斷對應礦物的含量[1]。

圖1 碳酸鹽巖石

對于白云石，由Ca和Mg組成碳酸鹽，在受熱過程中分兩次進行分解，通過對溫度的控制，可以實現不同碳酸鹽礦物的分解，對相應的成分展開計算。隨著加熱溫度的不斷升高，第一次被分解的碳酸鹽礦物為MgCO3，溫度在750～800 ℃之間；第二次被分解的碳酸鹽礦物為CaCO3，溫度在850～950 ℃之間。對于方解石，由Ca組成碳酸鹽，主要成分為CaCO3，分解溫度在790～960 ℃之間。由于方解石與白云石組成存在重疊，在分解過程中需要對溫度進行調控，判斷MgCO3部分是否存在分解，對碳酸鹽礦物組成起到輔助判斷作用。此外，碳酸鹽礦物還包括菱鋅礦(ZnCO3)、菱鐵礦 (FeCO3)、菱錳礦 (MnCO3)等，分解溫度分別對應 340～450 ℃、500～580 ℃、460～600 ℃，需要將不同礦物的溫度區分開來，通過分解溫度的不同實現定量測量。

2 碳酸鹽巖石中碳酸鹽礦物定量測定可行性

2.1 溫度控制

通過分解溫度控制可對碳酸鹽進行分解，在溫度控制方面具有一定的難度，需要維持分解溫度的恒定，防止其他碳酸鹽礦物分解，影響對應碳酸鹽礦物的測量。溫度對定量測量的影響較大，需要在溫度方面引起重視，使碳酸鹽礦物具有良好的吸熱強度。以白云石為例，MgCO3相對于CaCO3的吸熱效應較寬，前者分解區間寬度為150 ℃，后者分解區間寬度為100 ℃，可供選擇的溫度控制空間較大，便于對分解溫度進行控制。而且，吸熱強度會受到兩種礦物的共同影響，白云石含量越少，方解石含量越多，MgCO3的吸收強度將會減弱，而CaCO3的吸收強度將會增強。因此，吸收強度對兩者分解過程具有一定的影響，但兩者的吸熱效應較寬，對于單一碳酸鹽礦物而言，分解溫度仍然具有可控性。

2.2 精度控制

碳酸鹽礦物定量測量過程中，需要重視測量精度的控制，防止熱重分析產生較大的差值。通常情況下，允許差值在1%～2%之間，維持精度控制的穩定性，避免精度的影響擴大。精度控制主要集中在以下兩方面：

第一，儀器精度。儀器應滿足精度控制的要求，使用前進行精度校正，防止儀器存在精度問題，影響儀器的正常使用。以分析天平為例，一般應用于精度較高的場所，精度可以達到0.1 mg，對物質進行精準稱量。為了保證碳酸鹽巖石的稱量精度，需要對天平進行調平，保障水平儀內水泡處于正中央，使其能夠處于水平狀態。同時，需要做好天平負載腐蝕性的防范，避免因腐蝕作用而產生誤差，稱量前做好天平的清潔工作。而且，需要做好天平的預熱處理，通常通電預熱30 min，使其具有穩定的工作狀態。

第二，定量精度。定量測量過程中，采用受熱分解進行間接測量，需要確保CO2精準生成，即同一碳酸鹽礦物生成的CO2，由溫度控制提高對定量精度的掌控能力。定量測量應考慮到水蒸氣的影響，對碳酸鹽巖石進行干燥處理，降低待測巖石中的水分含量，防止將水蒸氣引入到測量環境中。若CO2混入水蒸氣，將會導致碳酸鹽礦物的測量結果偏高，需要確保水分含量控制的嚴格性。預熱是排除水蒸氣干擾的主要方法，降低外部干擾的引入，使定量進度控制能夠得到標準[2]。

2.3 熱分解機理

碳酸鹽礦物具有熱分解的特性，主要由晶體結構決定，在受熱狀態下，金屬陽離子與離子之間的結合力將會下降，對分子結構造成一定程度的破壞，進而引發碳酸鹽發生分解反應，分解成金屬氧化物和CO2。以菱鎂礦為例，熱分解產物為MgO和CO2，產物僅存在一種氣體，可由氣體成分對碳酸鹽礦物進行計算。熱分解溫度的高低受到晶體結合強度的影響，結合強度越高，則需要提供較高的溫度才能使碳酸鹽礦物分解。同時，受熱過程中碳酸鹽礦物受到電離能的影響，由吸收的熱量來提供電離能，使碳酸鹽在能量方面逐漸達到滿足分解的狀態，使碳酸鹽能夠迅速地分解。定量測定過程中，需要注重對溫度的選擇，使熱分解溫度能夠滿足要求，使不同碳酸鹽礦物的分解溫度存在落差，保障分解過程能夠依次開展。

通常情況下，碳酸鹽巖石為多種礦物混合狀態，對分解溫度具有一定的影響，將會影響到分解溫度的熱差。以菱鐵礦作為參考基準，熱分解溫度為570 ℃，若其中匯入少量的MgCO3，則分解溫度將會增加到610 ℃，而菱鎂礦的分解溫度在690 ℃。Fe2+和Mg2+之間具有晶體置換作用，兩者混合后晶體結合力處于中和狀態，隨之引發的是分解溫度的變化，進而導致分解溫度發生偏移。實際上，白云石便是置換作用形成的產物，分解溫度CaCO3和MgCO3兩種碳酸鹽礦物的中和，置換后兩者的結構穩定性將會下降，但由于CaCO3的分解溫度較高，因而白云石的分解溫度仍然較高，需要滿足高溫分解狀態。

3 碳酸鹽巖石中碳酸鹽礦物定量測定方法

3.1 樣品稱重

碳酸鹽礦物測量過程中，需要精準地進行稱重，采用統一質量的礦物進行測量，避免產生不準確的稱重。為了便于展開計算，樣片稱重采用整數形式，稱取質量250 mg的樣品，確保樣質量的充足。稱重前需要對樣品進行處理，將樣品研磨成粉狀，便于對樣品進行稱重。同時，采取預熱處理去除內部的水分，使樣品能夠處于干燥狀態，降低水蒸氣對測量結果的影響。稱重儀器采用分析天平，稱重過程中需要遵守如下步驟：第一，調平。將天平置于平坦的桌面上，對水平儀內氣泡進行觀察，保證調平控制的有效性。第二，預熱。將天平預熱一段時間，使天平能夠保持穩定的測量狀態，使其處于良好的待機狀態。第三，校正。對儀器的精度進行校正，使樣品具有高精度的稱重環境，提高砝碼檢驗的分析效果。第四，稱量。稱量出質量為250 mg的碳酸鹽礦物樣品，逐漸添加樣品的重量，直至樣品質量達到250 mg。第五，關機。稱量結束后將稱量瓶取出，將開關移至關機狀態，使天平內部處于清潔狀態，便于下次稱量過程的進行。

3.2 失重檢驗

3.2.1 測定步驟

碳酸鹽礦物采用灼燒分解的方式，需要搭建灼燒狀態下的反應環境，確保反應溫度控制的適宜性，降低對定量測定的阻礙作用。盛裝碳酸鹽礦物的容器為瓷坩堝，采用酒精噴燈提供加熱條件，將溫度調控完成后置于瓷坩堝下方，對里面的樣品進行加熱，使樣品能夠逐漸分解。為了保證灼燒的充分性，需要采用邊加熱、邊攪拌的方式，縮短熱分解反應的時間，確保樣品能夠穩定進行灼燒。碳酸鹽礦物的燃燒時間為30～50 min，直至無CO2生成為止，可通過澄清石灰水進行檢驗，使樣品能夠充分地進行分解。樣品分解完成后，采用分析天平對樣品進行稱重，得出樣品對應的質量。在定量測定環境下，總共需要進行5次熱分解處理，對熱分解前后樣品質量進行記錄，構建良好的樣品失重檢驗條件。

3.2.2 檢驗原理

碳酸鹽礦物在受熱狀態下將會發生分解反應，需要做好失重檢驗工作，對CO2失重部分展開測量，對樣品的成分展開分析。通過失重檢驗，能夠得到CO2的釋放量，再對礦物量進行評估，獲得礦物量所占的比例。失重檢驗主要針對菱鋅礦、菱鐵礦、菱鎂礦、白云石、方解石，樣品總量為250 mg，將樣品分成5份進行檢驗，每份質量為50 mg，對CO2的釋放量展開分析。以方解石為例，失重部分來自CO2，反應式表示如下：

反應條件為高溫環境，生成CO2為失重原因，因而通過CO2量可以對碳酸鹽礦物進行分析。同理，可對其他碳酸鹽礦物進行失重檢驗，使失重檢驗能夠發揮作用，保證檢驗過程能夠有序開展。失重檢驗采用分析天平進行稱量，碳酸鹽礦物失重為CO2的釋放量，需要注重檢驗精度的把控，保障CO2釋放量測量與實際相符[3]。

3.2.3 要點分析

定量測定的關鍵點在于量的把控，采用等量的樣品進行測量，需要對每份樣品的精度進行控制，提高定量把控的精準性。定量測量對測量儀器具有依賴性，需要合理對測量儀器進行使用，如：天平、量氣管等，使定量測定能夠發揮作用。定量測定需要做好統計工作，分為多個定量結果展開測驗，將碳酸鹽礦物分解結果進行分別統計，便于對礦物的整體構成展開分析。同時，需要注重運算原理的應用，將數學方法與化學分析結合起來，使對象能夠得到定量計算。定量測定處于等量環境下，對不同的反應條件進行分析，適用于碳酸鹽礦物分析過程，以樣本作為等量條件，以溫度作為變量條件，使定量測定過程能夠順利進行，保證定量測定能夠滿足基本原理，使定量測定分析能夠發揮作用。

3.3 計算方法

統計與計算是定量測定的核心，需要注重計算方法的掌控，圍繞CO2的釋放量展開分析，得出礦物量、礦物百分量等結果，使定量測定能夠基于理論實現。計算過程中應注重公式的引入，為定量分析過程提供保障，使統計結果能夠得到有效運用。需要注意的是，化學計算應以礦物的標準式為準，基于理論而不是基于經驗展開計算，經驗僅僅是起到參考作用，否則將會在計算過程中引入誤差，導致定量測定的精度下降。對于差異較大的情況，則需要重新展開測定或采用多次測量取平均值的方式，通過數學方式提高對誤差的限制作用，防止誤差的持續產生，將誤差的影響控制在較低水平。誤差的產生是不可避免的，控制在允許范圍內即可滿足要求，測定結果的差異應控制在2%以內，使計算結果能夠符合實際情況，提高礦物組分計算的精準性。

3.3.1 放出CO2量

放出CO2主要有兩種測量方式，一種為量氣管檢測，精度為0.01 L，再由密度公式得到對應的質量。另一種為間接測量方法，通過熱分解前后樣品質量的差值展開計算，進而得到CO2的釋放量。通過測定流程對比可發現，采用差值計算法的精度要高一些且不容易引入誤差，對精度控制具有顯著的效果。CO2釋放量計算過程如下：樣品熱分解前質量為m1(mg)，熱分解后質量為m2(mg)，則釋放出CO2的質量為：

3.3.2 礦物量

礦物重量計算公式如下：

式中：m為碳酸鹽礦物質量(mg)；γCO2為放出CO2量(mg)；mCO2為礦物中CO2百分比。

3.3.3 礦物百分量

礦物百分量計算公式如下：

式中：m%為礦物百分量(%)；M為樣品總量(mg)。

3.4 礦物含量

礦物含量計算基于3.3節中的公式展開計算，對碳酸鹽礦物含量統一進行分析，對不同礦物逐個進行計算，充分利用定量測定相關依據，使測定結果能夠直接地展現出來，有助于計算過程的精準進行。在定量測定方法下，不同礦物的計算方法具有相似性，采用通用的公式實現計算過程，防止在計算過程中出現差錯，突進定量計算過程的進行。定量測定是實現不同礦物精度計算的關鍵，結合公式對礦物含量進行求取，提高對礦物含量的分析效果。

3.4.1 菱鋅礦

菱鋅礦放出CO2質量為21 mg，純ZnCO3失重量為35.1%，樣品總量為250 mg，可得到如下計算結果：

菱鋅礦含量：21/35.1%=59.8(mg)

對應百分量：59.8/250×100%=23.9%

3.4.2 菱鐵礦

菱鐵礦放出CO2質量為22 mg，純FeCO3失重量為38%，樣品總量為250 mg，可得到如下計算結果：

菱鐵礦含量：22/38%=57.9(mg)

對應百分量：57.9/250×100%=23.1%

3.4.3 菱鎂礦

菱鎂礦放出CO2質量為26 mg，純MgCO3失重量為38%，樣品總量為250 mg，可得到如下計算結果：

菱鎂礦含量：26/53%=49.1(mg)

對應百分量：49.1/250×100%=19.6%

3.4.4 白云石

白云石放出CO2質量為14.5×2(mg)，純CaMgCO3失重量為23.9%，樣品總量為250 mg，可得到如下計算結果：

白云石含量：14.5/23.9%=60.6(mg)

對應百分量：60.6/250×100%=24.2%

3.4.5 方解石

方解石放出CO2質量為26 mg，純CaCO3失重量為44%，樣品總量為250 mg，可得到如下計算結果：

方解石含量：(40-14.5)/44%=58.0(mg)

對應百分量：58.0/250×100%=23.2%

經過對上述計算結果進行匯總，可得到碳酸鹽礦物的等量混合樣熱分析結果如表1所示。

表1 碳酸鹽礦物的等量混合樣熱分析結果

3.5 熱分析曲線

碳酸鹽礦石分析過程中，還需要與熱分析曲線結合起來，采用多種方法進行分析，使分析結果能夠得到直觀地展示，保障定量測定的實際效果。熱分析曲線以時間(min)為x軸，樣品失重百分比(%)為y軸，將菱鋅礦、菱鐵礦、菱鎂礦、白云石、方解石繪制同一坐標系中，繪制成熱分解曲線，對曲線的特征展開分析。對熱分解曲線分析發現，菱鋅礦與菱鐵礦CO2釋放量相近，菱鎂礦CO2釋放量最高，可以對不同時間狀態下碳酸鹽礦物的失重情況進行觀察，使失重情況的分析更加的方便。同時，還可以確定各個礦物失重之間的界限情況，有助于CO2釋放量的輔助計算，提高熱分析結果的合理性。由于采用定量分析方式，使得熱分析曲線的基礎條件相同，使分析過程能夠建立在相同情況下，便于在數值上對分析結果進行掌控。以白云石為例，MgCO3和CaCO3的吸熱強度大致相等，后者的吸熱效應較寬，因而具有較高的分解熱。對單一礦物進行分析發現，兩者有明顯的界限，便于對兩者產生的CO2量進行分析，確保定量計算的可靠性。

4 結語

綜上所述，碳酸鹽巖石的組成較為復雜，需要采用定量測定的方式，對不同礦物的含量進行檢測，得到準確的分析結果。礦物含量計算應以分析式作為計算條件，為含量計算過程提供依據，確保成分分析的可靠性。礦物量計算是確定碳酸鹽礦物成分的關鍵，一般采用熱分解法展開分析，在指定溫度下對礦物進行探討，提高對礦物的定量識別作用，保障定性測定過程能夠順利進行。