常见矿物的阴极发光

2010年4月A pr il 2010岩 矿 测 试ROCK AND M I N ERA L ANALY SIS V o.l 29,N o .2153~160收稿日期:2009 07 05;修订日期:2009 08 27基金项目:国家科技支撑项目资助(2006BAB01A 01);中金集团公司项目、青藏专项资助;西藏自治区矿产资源潜力评价项目资助(1212010813025);成都理工大学矿物学岩石学矿床学国家重点(培育)学科建设项目资助作者简介:彭惠娟(1985-),女,甘肃兰州人,在读研究生,从事岩矿测试及矿床学方面的研究工作。

E m ai:l 346665401@qq .co m 。

通讯作者:汪雄武(1964-),男,湖北天门人,教授,从事花岗岩与相关矿产方面的研究工作。

E m ai:l 724731780@qq .co m 。

文章编号:02545357(2010)02015308石英阴极发光在火成岩研究中的应用彭惠娟1,汪雄武1*,唐菊兴2,王登红2,秦志鹏1,侯 林1,周 云1(1.成都理工大学,四川成都 610059;2.中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037)摘要:阴极发光是一种研究火成岩石英显微生长结构的有效技术方法。

文章以甲玛斑岩铜矿床中岩体样品分析为例,简要介绍了光学显微镜阴极发光(OM -CL)和扫描电镜阴极发光(SE M -CL)两种图片的特点,并综述了石英阴极发光在火成岩研究中的应用。

阴极发光所显示出的火成岩石英中的生长形式和蚀变结构反映了岩浆的结晶历史。

相对稳定的以蓝色阴极发光为主的斑晶区域主要与石英中T i 含量的变化有关,它反映了结晶作用的温度。

由于在岩浆演化过程中,与铝、锂、钾、锗、硼、铁、磷相比,钛更加相容,因此随着岩浆分异程度的加深,火成岩中铝/钛逐渐升高。

石英阴极发光不仅能显示岩浆早期及岩浆晚期的各种结构,如生长环带、重熔表面、溶蚀湾等,还反映了许多次生结构,如显微裂隙等。

从阴极发光图像和微量元素特征看锆石成因摘要：锆石是一种重要的矿物，分布广泛，稳定性极强，可以指示源区的信息，本文主要从锆石的阴极发光图像进行讨论研究，不同地质环境中形成的锆石具有不同的结构类型，具有复杂演化历史的变质岩中的锆石保留了多期生长结构和区域，往往给出多组年龄，结合锆石的微量元素特征可以对这些年龄做出合理的解释。

锆石的微量元素特征还能够反映岩浆的成分演化、共生分离结晶相、熔融源区性质以及流体组成等诸多信息。

锆石作为矿物包裹体储存器、地球化学示踪剂、时间舱，已成为研究地球的地质历史必不可少的一个工具。

关键词：锆石成因阴极发光微量元素特征引言：锆石成因分辨对于锆石年龄地质意义的正确解释至关重要。

不同成因锆石大多具有其自身的特点，为锆石成因分辨提供了可能。

锆石成因分辨是一个综合的方法，不仅是锆石本身的问题，基本思路是确定各种作用过程形成的岩石中的锆石的特征，比较它们的异同，确定可能的变化规律。

因此，在进行锆石地质年代学研究之前应先对锆石进行阴极发光电子（CL）图像和（或）背散射电子（BSE）图像等成因矿物学和锆石内部结构的深入研究，这样才有可能使测得的年龄数据得到合理的地质解释，才有可能对岩石成因、成矿年代学和地质体的构造演化历史有更深入的了解。

1.研究现状1.1岩浆锆石经过对岩浆成因锆石的晶体形态及其环带观察研究，岩浆锆石一般较为自形，为四方柱，四方锥，复四方双锥形，而且一般具有典型的振荡环带，查阅文献获知振荡环带的宽度可能与锆石结晶时岩浆的温度有关，在基性岩中由于成岩温度较高，微量元素扩散较快，环带较宽；在偏酸性岩石中由于成岩温度较低，微量元素扩散较慢，环带较窄且CL为亮色。

锆石中许多微量元素都具有相关性，利用微量元素相关图解，可以判别岩浆锆石的生长环境。

P-（∑REE+Y）正相关，反映了置换关系（Y，REE）3++P5+=Zr4＋+Si4+。

U和Th可以置换锆石中的Zr，Th、U分别和Y、REE正相关，反映了主岩微量元素组成的变化趋势，即演化程度高的岩浆中不相容元素的含量趋于更高。

阴极发光地质学基础（资料参考）《阴极发光地质学基础》中国地质大学出版社宋志敏早在1859年，Crookes发明了阴极射线管，为矿物的阴极发光研究提供了基本装置。

一、阴极发光基本原理：这里涉及到两个定义：发光和阴极发光发光：当某些物质受到某种能量激发时，会从物体表面发射出光的辐射，光辐射频率大多在可见光范围，波长400-760nm，也有可能有紫外或近红外光辐射的发射，这种现象叫做发光。

阴极发光：指用带能量的电子束轰击某些物质表面时造成的发光现象。

由于带能量的电子束一般是由阴极发射出来，经过阳极电压加速而得到的，因而电子束轰击造成的发光，习惯上成为阴极发光。

为什么会产生阴极发光现象？当入射电子进入固体表面时，与固体原子的价电子相互作用，使价电子从基态跃迁到激发态，由于价电子在激发态不稳定，经过极短时间（一般小于10-8秒）即跃迁回基态，同时发射出一个光子，产生光的辐射，也称跃迁辐射。

光子能量等于激发态能量E2与基态能量E1之差，即hv=E2—E1式中h—普朗克常数，6.62x10-34J·sv—光子频率。

二、矿物受辐射发光的条件：首先要明确的是，并非所有种类的矿物受电子激发后都会辐射发光，有时甚至同一种矿物在不同条件下的发光也会不同。

矿物是否产生发光取决于下面的的一些因素：激活剂与猝灭剂、电子在激发态停留时间---能级寿命的长短。

激活剂与猝灭剂对于大多数矿物来说，只在其中存在某些微量的杂质原子或结构缺陷时，才有显著地发光现象，这些矿物的发光，实际上是由于杂质原子或结构缺陷造成的，而这些杂质原子和结构缺陷，为方便认识，在这里可理解为第一节中述及的“原子的价电子”。

激活剂原子中价电子从激发态跃迁回基态的过程中伴随着光的辐射，这些杂质原子或结构缺陷则称为激活剂，如方解石中的Mn2+使方解石发橙红或橙黄色光；长石中Fe2+使长石发绿色光，Ti4+使长石发天蓝色光，这些离子就是方解石和长石的激活剂。

一、影响阴极发光的因素：（1）发不发光与激活剂和猝灭剂的含量有关。

猝灭剂为是阻止矿物发光的元素，如铁、钴、镍均为猝灭剂，含一定量猝灭剂矿物就不发光，如有的白云石。

激活剂是指能引起矿物发光的元素，如锰、钛及其他稀土元素。

（2）发什么颜色的光与含有何种激活剂或与同一激活剂的不同化合价有关。

如Ti4+长石发兰光，Fe3+的长石发红光，因微量元素不同而有不同的发光颜色。

又如Mn4+发红色光，而Mn2+发黄绿色或橙色光。

（3）发光强度与激活剂及猝灭剂的相对含量有关，激活剂所占比例愈大，发光强度愈大。

常见矿物的阴极发光特征：1.碳酸盐碳酸盐矿物发光颜色从黄色—暗红色。

通常，文石为黄色，方解石为黄—橙红色，白云石呈暗红色，铁白云石则不发光。

不同发光颜色与含不同原色有关，含Mn2+为橙红色，含Th2+为橙黄色，含有一定量Fe3+则发红色光。

根据电子探针分析，碳酸盐的主要激活剂为Mn2+，而猝灭剂为Fe2+。

2.长石长石的阴极发光颜色很多，其中最常见的为蓝色、红色及绿色。

通过阴极发光显微镜与电子探针的联合分析，看看出长石发光颜色与所含不同的激活剂有关。

长石最普遍的阴极发光颜色为蓝色，经测定，这类长石均含有少量Ti4+，而其他发光颜色的长石均无Ti4+显示，可见发蓝色光的长石与长石中含Ti4+有关。

发红色光的长石较少，从结果来看，他与e3+、Cr3+及Mn4+有关。

发绿色光长石少见。

含Mn2+的长石常发绿光。

在拉长石中，由于Ca2+被Mn2+取代，而发绿光。

3.石英石英的阴极发光现象有U.Zinkernagel作了系统的研究，他对不同岩石的石英都进行了阴极发光特性的研究，包括火成岩，接触变质岩、区域变质岩、沉积自生石英等，同时也对热液条件下人工培养的石英进行了定性的发光研究。

根据他的研究石英的阴极发光的主要特征为，所有石英的发光光谱表现出两个发射极大值：①波长为350—450nm，在蓝色范围内。

②波长为600—650nm，在红色范围内。

阴极发光分析技术本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March阴极发光显微镜分析技术阴极发光显微镜技术是在普通显微镜技术基础上发展起来用于研究岩石矿物组分特征的一种快速简便的分析手段。

该方法在快速准确判别石英碎屑的成因和方解石胶结物的生长组构、鉴定自生长石和自生石英以及描述胶结过程等方面得到了广泛的应用。

通过对砂岩的阴极射线致发光的观察和研究，可以深人了解砂岩的原始孔隙度和渗透率，并且获得一系列有关蚀源区地质体的组成、产状、成因的信息。

(1) 原理: 电子束轰击到样品上，激发样品中发光物质产生荧光，又称阴极发光。

实验证明，阴极射线致发光现象多是由于矿物中含杂质元素或微量元素(激活剂)，或者是矿物晶格内有结构缺陷引起的，这是矿物阴极射线致发光的两种主要解释。

矿物内的激活剂包括金属元素(Eu2十、Srn +、时十、IV +、Ea3十)以及过渡金属元素(mw十、Fe3+, c a 干、V3十、Tia+)，与激活剂相对应能抑制矿物发光的物质叫碎灭剂，如Co干,Nl-2+,F e2+、Tie十等。

(2) 应用:自然界中已发现具有阴极射线致发光的矿物有200多种，其中常见矿物有锡石、蜡石、萤石、白钨矿、方解石、尖晶石、独居石、磷灰石、长石、石英、辉石、橄榄石、云母等。

目前，阴极发光显微镜技术已成为沉积学及石油地质学研究的一种常规手段，特别是对石英和方解石的发光特征已经进行了很多的研究，形成了一套系统的理论，在沉积成岩型矿床和石英脉型金矿床研究中得到了广泛地应用。

石英中的发光激发是由微量元素、结构中的缺陷，以及两者之间的相互作用造成的。

例如，蓝色发光被归因为A13+替代Si4+以及Tia+的含量有关。

石英的阴极致发光颜色与岩石的形成环境密切相关，如表1所示。

发蓝紫色光的石英，包括红紫、蓝紫和蓝色的石英与火山岩、深成岩以及快速冷却的接触变质岩的环境有关联。

《阴极发光地质学基础》中国地质大学出版社宋志敏早在1859年，Crookes发明了阴极射线管，为矿物的阴极发光研究提供了基本装置。

一、阴极发光基本原理：这里涉及到两个定义：发光和阴极发光发光：当某些物质受到某种能量激发时，会从物体表面发射出光的辐射，光辐射频率大多在可见光范围，波长400-760nm，也有可能有紫外或近红外光辐射的发射，这种现象叫做发光。

阴极发光：指用带能量的电子束轰击某些物质表面时造成的发光现象。

由于带能量的电子束一般是由阴极发射出来，经过阳极电压加速而得到的，因而电子束轰击造成的发光，习惯上成为阴极发光。

为什么会产生阴极发光现象？当入射电子进入固体表面时，与固体原子的价电子相互作用，使价电子从基态跃迁到激发态，由于价电子在激发态不稳定，经过极短时间（一般小于10-8秒）即跃迁回基态，同时发射出一个光子，产生光的辐射，也称跃迁辐射。

光子能量等于激发态能量E2与基态能量E1之差，即hv=E2—E1式中h—普朗克常数，6.62x10-34J·sv—光子频率。

二、矿物受辐射发光的条件：首先要明确的是，并非所有种类的矿物受电子激发后都会辐射发光，有时甚至同一种矿物在不同条件下的发光也会不同。

矿物是否产生发光取决于下面的的一些因素：激活剂与猝灭剂、电子在激发态停留时间---能级寿命的长短。

激活剂与猝灭剂对于大多数矿物来说，只在其中存在某些微量的杂质原子或结构缺陷时，才有显著地发光现象，这些矿物的发光，实际上是由于杂质原子或结构缺陷造成的，而这些杂质原子和结构缺陷，为方便认识，在这里可理解为第一节中述及的“原子的价电子”。

激活剂原子中价电子从激发态跃迁回基态的过程中伴随着光的辐射，这些杂质原子或结构缺陷则称为激活剂，如方解石中的Mn2+使方解石发橙红或橙黄色光；长石中Fe2+使长石发绿色光，Ti4+使长石发天蓝色光，这些离子就是方解石和长石的激活剂。

常见的激活剂元素与阴极发光颜色如下表1-1所示。

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地质找矿中的阴极发光的应用（周剑雄供稿 zjx@）电子探针、扫描电镜和光学显微镜都可以进行矿物的阴极发光的研究。

最典型的阴极发光研究在锆石测年中已得到广泛的应用。

但是，许多研究也已证明，阴极发光在探测某些矿石矿物及其蚀变产物，或指示矿物，尤其在碳酸岩、碱性岩、碳酸盐基质的 Pb—Zn 矿的勘探以及宝石矿床的勘探中是一种十分有用的技术。

在矿石矿物中，如锡石、白钨矿、金刚石和祖母绿很容易通过它们具有强烈的阴极发光而被识别。

其它能显示阴极发光的矿石矿物有：萤石、磷灰石、锆石、氧化铀、红柱石、蓝晶石和透闪石。

许多从砂积矿床开采的矿物，如金刚石、锡石、锆石、红宝石，也具有发光性。

一个地区中从不同金伯利岩产出的金刚石可能会具有各不相同的激发发光，这就使得我们能对产金刚石的产地进行鉴别。

又如石英、锆石、磷灰石、长石和金刚石等矿物的阴极发光的变化可以被用来鉴定在砂岩和未固结沉积岩中的颗粒的出处。

一个众所周知的实例是石英阴极发光分类方法。

除了通过阴极发光，任何方法都不可能鉴定出单晶石英的出处。

阴极发光可能有助于选择出用于鉴定出处的同位素研究的各种石英,这一点是可行的。

在碳酸岩的勘探中，只要通过磷灰石的发光或阴极发光光谱就能快速且容易地把碳酸岩和伴生的碱性岩中的磷灰石的阴极发光同周围地带岩石的阴极发光区别开来。

碳酸岩中的磷灰石阴极发光是由Sm3+ 和(可能有)Eu2+（即LREE）支配的，来自Dy3+ 的作用较小，并呈现出蓝色或紫色。

相反，围岩（如花岗岩和片麻岩）中所含的磷灰石其激发由Dy3+（即MREE）Mn2+ 或支配的，产生橙色或黄色阴极发光。

这种差别使我们能勾勒出可能的碳酸岩为基质的矿床的轮廓。

此外，由于阴极发光对磷灰石REE化学性质的小变化的敏感性，不同年代流体的运移可以通过逐次年代的磷灰石的阴极发光光谱或颜色来分辨出来。