ECS中元素与矿物转换模型——Herron论文阅读笔记

title: "The research of ECS by Herron in 1990"

date: "2014年10月4日"

不知道为什么ECS的中文资料那么少,并且每一份资料都那么相似,一直在英文文献中追参考文献,追到了Herron的几篇重量级paper,分别是1986年和1990年发表的两篇文献。

  • MINERALOGY FROM GEOCHEMICAL WELL LOGGING

MICHAEL M. HERRON

Schlumberger-Doll Research, Old Quarry Road, Ridgefield, Connecticut 06877

Clays and Clay Minerals, Vol. 34, No. 2, 204-213, 1986.

这篇全文已开放下载

  • Geological applications of geochemical well logging

M. M. Herron and S. L. Herron

Schlumberger-Doll Research , Old Quarry Road, Ridgefield, Connecticut 06877-4108, U.S.A.

Abstract

第2篇paper颇费周折,托朋友下载到并打印了出来,拖了一年多,最近重新读了一遍。

关注ECS元素俘获测井已经很长时间了,但以前一直只是关注,而我关注的东西太多了,所以ECS一直停留在一个很模糊的认知状态下。 2009年开始,接触到XRF元素录井以后,一直在想怎么扩展元素录井的应用范围,但一直找不到方向,2012年的时候,西南石油大学程超老师提示我,为什么不借鉴一下ECS测井方法和技术呢,有点恍然大悟的感觉,两项技术何其相似,确实有理由去认真琢磨,于是开始重点关心ECS技术。

如前所说,ECS这项国外公司垄断的技术,国内的文献极少,即便是有,也似乎是相互摘抄的感觉,我从cnki上扫荡了几遍以后得出的感受,超星读秀上关于ECS的专著也几乎找不到,唯一一份相对详细的材料来自百度,一份非常像一篇硕士论文的word文档,详细的把市面上中文ecs资料整合了在一起。感谢这份资料,让我蹩脚的英语阅读能力少受了很多苦头。由于长期搞不明白ECS技术中的闭合氧化物转换模型,让我失去了信心,很快被乱七八糟的日常工作冲淡,这一放就是一年多时间。

今年的某天,某个大牛偶然提到,某个皇家研究院正在申报元素转换为矿物的计算模型的专利,让我重新燃起希望,至少,还有一些人也在努力,并有了很大的突破,但是我现在无法看到他们的成果,更无法应用到我的工作中去,而现在手头的工作,是很需要这方面的技术内容来支撑的。因此下个狠心(已经下了无数次狠心了),重新阅读相关文献,重新想想办法。。。

Herron在1986年发表的文章中,奠定了元素转换矿物的模型基础,主要采用了因子分析作为基本算法,感谢吴喜之教授编写的从数据到结论,通俗的解释了什么是因子分析,第二次读paper,第二次读吴教授这本书以后,我才基本搞明白是怎么回事。。。Herron先生的这篇文章,打开了元素转换矿物的这扇大门,明确提出了转换模型为:

E=CM

其中:

E:元素含量矩阵

M:矿物含量矩阵

C:矿物元素转换系数矩阵

同时,文章给出了Fe、AL、K三种元素与高岭石、伊利石和钾长石三种矿物的转换系数,实际上如果认为石英主要成分是Si的话,很容易扩展成四种主要元素与四种主要矿物的转换模型。

目前国内ECS相关的资料基本都是1990-2000年左右的老文献,提及到的相关技术细节,基本就停留在此了,除了高楚桥先生发表的利用地球化学测井信息反演岩石矿物含量的一种优化算法,但无奈资质太差,一直没理解到高先生文章中的精髓。。。

幸好,4年后的1990年,Herron先生在Geological Society of London发表的这篇paper,进一步详细的阐述了转换模型,以及转换过程中的一些技术细节,最重要的是莫过于是剩余元素含量这个思想了。过去,我对元素转换为矿物经历了认同-否定-再认同-再否定。。。这样一个曲折的过程,否定这方面工作的主要理由就是矿物很少是理想状态下的,也就是说同一种矿物,它既有可能是以不同的分子式存在的,同时矿物尤其是长石类与粘土类矿物的化学组成过于复杂,对于我这种知识背景的人,去做这样的工作,实在太困难,不如直接否定掉。Herron先生在论文里给了我们信心与力量,地球上已知的2000多种矿物中,常见且含量值得去计算的矿物不过10余种。。。

文中给出了9种矿物与元素的换算系数矩阵,这个矩阵被少量的中文文献翻译了过来,做这方面的工作的人真是太少了?

Mineral |Al |Si |Fe |K |Ti |S |Ca |XSFe|WMIN

----------|----|----|----|----|----|----|----|----|----

Feldspar |10.0|30.0|0.0 |10.0| 0.0|0 |1.0 |0 |0

Quartz |0.0 |46.7|0.0 |0.0 |0.0 |0 |0.0 |0 |0

Calcite |0.0 |0.0 |0.0 |0.0 |0.0 |0 |40.0|0 |0

Kaolinite |19.0|22.0|0.8 |0.0 |0.9 |0 |0.0 |0 |14

Illite |12.0|24.0|8.0 |4.0 |0.8 |0 |0.0 |0 |8

Semectite |8.5 |21.1|1.0 |0.5 |0.2 |0 |0.2 |0 |32

Pyrite |0.0 |0.0 |47.0|0.0 |0.0 |53 |0.0 |0 |0

Rutile |0 |0 |0 |0 |60 |0 |0 |0 |0

Siderite |0 |0 |0 |0 |0 |0 |0 |48 |0

这篇文章的贡献绝不仅仅是这个系数矩阵,当然这个系数矩阵能让后来人省不少事,或者——陷入歧途。。。

我更大的收获是文章中提出的元素剩余含量的思想与处理方法。

从上面表里可以看出,Pyrite实际只与Fe和S元素相关,它的分子式是FeS2,二硫化亚铁!我曾经一直以为是FeS,真是不错不知道,一错就错上好多年。。。

那么,直接用47的Fe加上53的S,不就是是它了么?我仔细分析了slb公司的ECS测井数据,顺便提一下,这么多年来,这么大的区域上,仅有3口井的少量井段做过这项昂贵的特殊测井项目,我拿到手的是数据量最大并且是最近测量的。实际上,从数据曲线分析,ECS测量的Pyrite含量与S元素含量非常相似,几乎就是同一条曲线——除了数值上有细小的差别,直接用47的Fe+53的S,获得的曲线形态也非常相似,但显然这不可能是ECS的处理结果。在使用暴力的多元线性回归分析模型处理了数据以后,发现也可以建立一个多元线性方程来计算Pyrite,处理出来的曲线形态也是非常相似的,但是经常会计算出负值,显然,简单粗暴的lm函数,并不是万能的,我宁愿相信,这只是一个巧合。。。

Herron先生在文章中给出了部分数据预处理细节,第一步就是针对常见元素计算过量的元素含量,比如S元素,只有Pyrite中含有,那么当S/Fe超过1.15以后,Fe就过量了。。。因此不能直接用47×Fe,因为不知道Fe是出于‘饥饿’状态还是‘饱和’状态。同样,Fe在与S结合后,剩余的Fe含量(Fe-0.89S)将与其他元素结合,典型的元素包括Al、K、Ti等,全部结合完以后,若还有剩余,则归为XSFe,即Siderite的组成部分。

Herron建立的这个模型应该能解决部分问题,现在更多的问题是,怎么知道某个元素优先和哪些元素组合成矿物?

未完。。。

写点东西,免得很快就忘记了,算是这几天的读paper的记录吧。。。

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