碳酸鹽巖常用分析技術(shù)和方法綜述

吳章志，胡 靜，何 塞

(成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,四川 成都 610059)

碳酸鹽巖常用分析技術(shù)和方法綜述

吳章志，胡 靜，何 塞

(成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,四川 成都 610059)

隨著科技的發(fā)展，對于碳酸鹽巖的研究技術(shù)和方法也多種多樣。本文介紹了幾種目前常用的分析技術(shù)和方法，包括：x射線衍射分析、陰極發(fā)光分析、電子探針分析、稀土元素分析、穩(wěn)定同位素分析等。其中重點(diǎn)介紹了x射線衍射分析、陰極發(fā)光分析、電子探針分析這三種技術(shù)的原理，應(yīng)用及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對其缺點(diǎn)提出了一些解決辦法，即將多種技術(shù)結(jié)合起來綜合對碳酸鹽巖進(jìn)行分析。這樣可以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。對于稀土元素分析和穩(wěn)定同位素分析，本文簡要闡述了其原理及應(yīng)用。

碳酸鹽巖；陰極發(fā)光；x射線衍射分析；電子探針

碳酸鹽巖常用分析技術(shù)和方法包括碳酸鹽巖分析測試技術(shù)和碳酸鹽巖實(shí)驗(yàn)研究方法。碳酸鹽巖分析測試技術(shù)包括：x射線衍射分析、陰極發(fā)光分析、電子顯微鏡、電子探針分析、熱分析、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜等。這里重點(diǎn)介紹常用的幾種方法。而碳酸鹽巖實(shí)驗(yàn)研究方法包括：稀土元素分析、同位素分析、微量元素分析等。

1 碳酸鹽巖分析測試技術(shù)

1.1 X射線衍射分析

1.1.1 原理

x射線是一種波長非常短的電磁波，它具有非常強(qiáng)的穿透能力，它是由于高能量離子流轟擊物質(zhì)或者物質(zhì)受到高能電磁輻射作業(yè)產(chǎn)生的。當(dāng)x射線照射到物質(zhì)上的時(shí)候，會產(chǎn)生各種現(xiàn)象，如：熒光散射、相干散射、非相干散射等。在x射線衍射分析中利用了相干散射，散射的x射線與入射的x射線波長相等但是方向卻不同。這樣一來，當(dāng)由于相干散射使得晶體中某個(gè)方向上各個(gè)原子散射的x射線相互疊加并且加強(qiáng)從而產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象。而x射線衍射分析正是利用了這一點(diǎn)，即x射線射入礦物晶格中時(shí)會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，但是不同的礦物，其晶格構(gòu)造各不相同，因此會產(chǎn)生不同的衍射圖譜[1]。x射線衍射分析就是根據(jù)這個(gè)原理并且由衍射峰值計(jì)算出晶面間距，從而對礦物的種類以及粗略的估算出某樣品中的各種礦物的百分比含量。

1.1.2 應(yīng)用

X射線衍射分析是目前鑒定礦物的最重要的方法之一。其在沉積學(xué)中應(yīng)用廣泛，概括起來包括以下幾點(diǎn)：①對粘土礦物進(jìn)行定量以及定性分析；②可計(jì)算混層比(可用于劃分成巖階段，估算地溫，判斷生油門限等)。③對全巖進(jìn)行x射線定性定量分析(測定各種非粘土礦物)。

1.1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

x衍射分析具有以下優(yōu)點(diǎn)：①x衍射分析不會對樣品產(chǎn)生破壞，也不會產(chǎn)生任何化學(xué)變化導(dǎo)致樣品種類屬性改變，如使用薄片鑒定的話，磨制薄片過程中需要水，或者需要染色劑染色，這樣可能會有樣品與水或者染色劑反應(yīng)導(dǎo)致薄片鑒定出現(xiàn)問題，而x衍射分析就不會出現(xiàn)類似情況；②可以快速的對樣品中的礦物進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的鑒定；③此技術(shù)對于同質(zhì)多象以及類質(zhì)同象礦物能夠進(jìn)行有效的區(qū)分判斷。比如化學(xué)成分都為CaCO3的文石和方解石就可以利用x衍射分析作出正確的判斷。

當(dāng)然x衍射分析也有其缺陷：①由于x射線衍射分析屬于宏觀分析，對于低含量的礦物不敏感，從而無法作出準(zhǔn)確的鑒定。②無法對一些非晶態(tài)物質(zhì)作出分析。前面原理已說到是利用x射線入射到晶體產(chǎn)生不同圖譜。③對于礦物產(chǎn)狀無法準(zhǔn)確分析。

1.2 陰極發(fā)光分析

1.2.1 原理

陰極發(fā)光是由陰極射線管發(fā)出的電子束對樣品進(jìn)行轟擊產(chǎn)生二次電子、x射線等，即礦物在吸收外加能量后會因?yàn)槟芰吭黾佣幱诓环€(wěn)定狀態(tài)，然后釋放出能量，能量可以是光的形式表現(xiàn)，即產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。而陰極發(fā)光顯微鏡就是在普通顯微鏡基礎(chǔ)上增加了這種裝置。一般情況下晶格規(guī)則的純理想晶體是不會發(fā)光的，當(dāng)有某種雜質(zhì)混入時(shí)就有可能發(fā)光。

1.2.2 應(yīng)用

陰極發(fā)光分析這一技術(shù)已被廣泛運(yùn)用到許多行業(yè)，在對碳酸鹽巖的研究中更是很早就利用陰極發(fā)光顯微鏡進(jìn)行分析。陰極發(fā)光顯微鏡結(jié)合常規(guī)薄片分析、能譜分析、x衍射分析、電子探針分析等技術(shù)可以非常方便、準(zhǔn)確的對巖石進(jìn)行分析。

陰極發(fā)光顯微鏡可用于鑒別碳酸鹽巖中常見的幾種礦物如：白云石、鐵白云石、方解石、鐵方解石等。這幾種礦物雖然可以用染色的方法來進(jìn)行區(qū)分但是，染色過程中可能會有人為因素的干擾。如果和陰極發(fā)光顯微鏡結(jié)合的話可以更準(zhǔn)確的得出結(jié)論。

碳酸鹽巖中發(fā)光物質(zhì)主要是錳、鍶等微量元素，而二價(jià)鐵是不發(fā)光的元素，即鐵含量越多發(fā)光越暗。所以可以根據(jù)其發(fā)光強(qiáng)度來大致估計(jì)其鐵含量多少。但是一般情況陰極發(fā)光顯微鏡是無法對各種礦物成分含量作出精確的統(tǒng)計(jì)，只能作出定性的判斷。常見碳酸鹽巖發(fā)光顏色見表1。

表1 常見碳酸鹽礦物發(fā)光顏色表(據(jù)陳麗華等，1991年)

陰極發(fā)光分析還可以用于對膠結(jié)物世代及生長環(huán)帶的研究。由于在晶體生長過程中溫度、壓力、成巖環(huán)境等不同，會有不同數(shù)量的不同成分的離子加入到正在生長的礦物晶格中。從而使得這些礦物在陰極發(fā)光下表現(xiàn)出環(huán)帶結(jié)構(gòu)。因此可以通過對環(huán)帶結(jié)構(gòu)的研究來了解巖石成巖過程中的成巖作用，以及成巖環(huán)境等[2]。

陰極發(fā)光分析還可以用于恢復(fù)原巖結(jié)構(gòu)，如：通過陰極發(fā)光分析可以一定程度上對巖石的白云石化和去白云石化進(jìn)行研究，此外，通過陰極發(fā)光顯微鏡還可以觀察到顆粒被交代后殘留的鮞粒結(jié)構(gòu)、生物結(jié)構(gòu)等。

陰極發(fā)光分析還可以區(qū)分出次生孔隙是溶蝕形成的還是次生加大形成的。溶蝕形成的孔隙周圍可能還有殘留的未溶蝕完的膠結(jié)物，它們在陰極發(fā)光下都是可以很明顯的觀察到的。

1.3 電子探針分析

電子探針分析是一種應(yīng)用較早的技術(shù)，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子探針分析已經(jīng)運(yùn)用在許多領(lǐng)域，在碳酸鹽巖研究中也是一種比較常用的方法之一。

1.3.1 原理

將電子探針分析與陰極發(fā)光分析結(jié)合起來可以有效的對礦物種類及其含量進(jìn)行檢測，礦物發(fā)光的原因是其含有激活劑，而其發(fā)光的強(qiáng)度則取決于其激活劑含量的多少及種類[3]。因此可以利用這兩種技術(shù)的結(jié)合來對其機(jī)理進(jìn)行研究。

1.3.2 應(yīng)用

電子探針分析可以用來測定地質(zhì)體的年齡，目前應(yīng)用比較成熟的是用鈾、釷、鉛對鋯石 、獨(dú)居石的測年。并且還可以對礦物的來源以及演化進(jìn)行分析。

將電子探針分析與x射線衍射分析結(jié)合起來可以對各種粘土礦物進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒定。之前介紹的x射線衍射分析對于粘土礦物的鑒定是非常有效的方法。不過其缺點(diǎn)也顯而易見就是敏感性差，對于低含量的礦物無法作出有效的精確的判斷。而且對于礦物的產(chǎn)狀心態(tài)無法作出分析。所以可以利用電子探針分析與x衍射分析相互結(jié)合的方法來更有效的對粘土礦物進(jìn)行檢測。

電子探針分析也可以用來檢測成分含量來鑒定礦物，通過對不同礦物中不同化學(xué)元素的類型和含量進(jìn)行分析來確定礦物的種類。

2 碳酸鹽巖實(shí)驗(yàn)研究方法

2.1 稀土元素分析

稀土元素是指化學(xué)元素周期表中鑭系元素(從La到Lu):La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，以及與其相關(guān)的元素-Y和Sc。稀土元素(REE)具有十分相似的物理和化學(xué)性質(zhì)，但是其離子半徑和化學(xué)行為有些細(xì)微的差別，這就是造成許多成巖過程中REE發(fā)生分餾的內(nèi)在因素。在地球化學(xué)中，正是利用稀土元素的分餾特征來討論一套巖石的成因，研究其成巖過程。稀土元素在在沉積巖中的含量非常低，因此需要使用一些特殊的手段分析。

碳酸鹽巖中的文石以及方解石等一般能夠保存其形成時(shí)的沉積環(huán)境的信息，而其中包含的稀土元素可以被用來研究當(dāng)時(shí)的氧化還原條件[4]。因此對于碳酸鹽巖成因、成礦作用的研究有非常重要的意義。

2.2 穩(wěn)定同位素分析

所謂同位素是指的原子核擁有相同的質(zhì)子數(shù)，不同的中子數(shù)的原子。而穩(wěn)定同位素是指的目前技術(shù)下無法觀察到其自行衰變的同位素。穩(wěn)定同位素研究已經(jīng)被廣泛的用于解決各類地質(zhì)問題。其中最重要的一環(huán)就是碳氧同位素研究，碳酸鹽巖碳氧同位素測定方法最先是1950年McMree提出的磷酸法，將樣品和磷酸反應(yīng)生成的CO2送入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析[5]。碳酸鹽巖碳氧同位素測定目前已成為碳酸鹽巖研究中比較成熟的一項(xiàng)技術(shù)方法。在海洋中碳氧同位素含量比較穩(wěn)定，并且很好能夠保留在同期沉積物中，而穩(wěn)定同位素隨著時(shí)間的變化而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，因此可以利用這個(gè)原理來進(jìn)行地層劃分對比。

此外，常見的對碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素研究還包括對鍶同位素的研究，鍶同位素也是海水中一種重要的元素，鍶同位素的地球化學(xué)特征可以用于對碳酸鹽巖的成因分析以及流體來源以及沉積環(huán)境的研究[6]。目前鍶同位素的研究已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于沉積學(xué)、層序地層學(xué)、礦床學(xué)等諸多領(lǐng)域中。

3 討論與思考

不同的方法都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如：x射線衍射分析對低含量礦物無法準(zhǔn)確的鑒定，這是就可以將電子探針分析和x射線衍射分析結(jié)合起來綜合對其進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。所以利用多種技術(shù)微觀宏觀相互結(jié)合來對碳酸鹽巖進(jìn)行研究是最好的方案。不僅如此，在結(jié)合多種方法分析結(jié)果的基礎(chǔ)上還可以將碳酸鹽巖實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果結(jié)合進(jìn)來(即把碳酸鹽巖地球化學(xué)分析結(jié)合進(jìn)來)，這樣可以讓我們更方便的更準(zhǔn)確的對碳酸鹽巖的成因、沉積環(huán)境、成巖作用、物源等進(jìn)行研究。

[1] 蒲海波.用X射線衍射分析鑒定粘土礦物的方法[J].勘察科學(xué)技術(shù),2011(5):12-14.

[2] 干炳松.陰極發(fā)光顯微鏡在碳酸鹽巖研究中的應(yīng)用及進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報(bào),1992,11(4):92-96.

[3] 王 鑫,演 陽.電子探針的基本原理及應(yīng)用[J].商情,2014(46):204-205.

[4] 陳琳瑩,李崇瑛,陳多福.碳酸鹽巖中碳酸鹽礦物稀土元素分析方法進(jìn)展[J].礦物巖石地球化學(xué)通報(bào),2012,31(2):178-183.

[5] McCrea J M,On the isotopic chemistry of carbonates and apaleotemperature scale[J].The journal of chemical physics,1950,18(6):849-857.

[6] 劉容秀,林騰,覃嫻瑟.試論碳酸鹽巖鍶同位素的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]南方金屬,2011(2):2-11.

(本文文獻(xiàn)格式：吳章志，胡 靜，何 塞.碳酸鹽巖常用分析技術(shù)和方法綜述[J].山東化工，2016，45(12)：43-45.)

The Overview of the Techniques of Carbonatite Which Are Commonly Used

Wu Zhangzhi,Hu Jing,He Sai

(Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

with the development of science and technology. The technique of the study of the carbonatite is manifold. This article present some techniques which are commonly used,include: x-ray diffraction analysis, cathodoluminescence microscope, electron probe microanalysis, rare earth elements analysis, stable isotopic analysis,etc.this article emphatically introduces x-ray diffraction analysis, cathodoluminescence microscope, electron probe microanalysis.not only their principles but also their apply and relative merits,and present some solutions that is combining various technique to analysis carbonatite.In this way the result are more reliable. this article also present the principles and apply of rare earth elements analysis and stable isotopic analysis.

carbonatite; cathodoluminescence microscope; x-ray diffraction analysis; electron probe microanalysis

2016-04-26

吳章志(1992—)，四川成都人，研究生。

O657

A

1008-021X(2016)12-0043-03