阴极发光技术在地质学中的应用

阴极发光技术在宝石鉴定中的应用摘要：阴极发光（CL）技术属于无损鉴定的方式，被大量的应用于宝石矿物鉴定和研究领域。

从宝石学的角度来说，阴极发光技术的贡献巨大，它是宝石鉴定的重要方式之一，利用阴极发光技术可以准确的判断天然宝石或者合成宝石，同时还可以判断出优化处理宝石，在区分外观相似的宝石材料方面也非常便捷快速。

本文主要分析阴极发光技术在单晶宝石材料中的应用。

关键词：阴极发光；单晶宝石；鉴定；应用从目前国内外的发展形势分析，研究者通过阴极发光技术，在矿物研究方面取得了很大的进步，随着科技的进步，阴极发光技术大量的使用到多个领域内。

阴极发光技术已经成为目前宝石鉴别的重要方法之一，利用这项技术可以准确的掌握研究者所需要的信息，进一步揭示出宝石内部蕴藏的奥秘。

在宝石学中，阴极发光技术应用是非常广泛的，可以有效的区别天然单晶宝石与合成单晶宝石，还可以优化处理单晶宝石，所使用范围比较广，是一种重要的单晶宝石无损鉴定方式。

1阴极发光技术原理利用阴极射线管发出的电子束轰击到矿物的表面，因为电子束的能量较高，可以直接转化成为光辐射能，这就是阴极发光。

在阴极射线管发射的电子束轰击矿物晶体时，矿物晶体的晶格会出现畸变的情况，晶体内部形成电子空穴，局部也会发生变化，同时也会以激发态的形式存在。

这些能量处于亚稳定状态的激发中心，能捕获电子从而形成发光中心。

2钻石的阴极发光特征及其应用天然钻石与合成钻石其生长环境有着很大的不同，内部生长结构也会有明显差异，这就使得天然钻石与合成钻石的阴极发光特点很不相同，这就是我们区分天然钻石和合成钻石的主要方式。

从实际情况分析，两者的区别是如下两点：（1）发光性。

在阴极发光的作用之下，天然钻石以蓝色荧光的状态存在，颜色分布较为均匀，有少数会出现黄色或者蓝白荧光，由于没有生长区的影响，这些荧光形态会有明显的不同，并且以不规则的形式存在。

在阴极发光的影响之下，合成钻石会以不同颜色的光出现，因为生长区的影响，形态会是多种结合图形，并且分布以规律性存在。

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。

第32卷第4期2010年8月 石　油　实　验　地　质PETR OLEUM GE OLOG Y &EXPERIMENT Vol.32,No.4Aug.,2010文章编号:1001-6112(2010)04-0393-04电子探针与阴极荧光技术在碳酸盐矿物研究中的应用刘金连1,刘伟新2,张庆珍2,张文涛2,俞凌杰2,周科子3(1.中国石油化工股份有限公司油田勘探开发事业部,北京　100728;2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡　214151;3.日本技术株式会社,北京　100027)摘要:电子探针与阴极荧光谱仪相结合是目前应用于地质研究中的新方法。

碳酸盐矿物的阴极荧光强度与微量元素分布及含量有关:方解石及白云石的阴极荧光与元素分布有相关性,方解石荧光强度与Mn 含量相关,在较低的束流条件下Mn 的存在可产生较强的荧光,较高的束流条件下Fe 的存在使阴极荧光强度降低;低束流条件下清晰地显示不同类型的白云石的存在,自形白云石具有较强的阴极荧光,且具环带构造;而高束流条件下白云石阴极荧光的内部结构趋于消失。

阴极荧光的强度与电子探针的Mn 、Fe 元素含量的控制、并与电子探针的元素分布相对应。

电子探针与阴极荧光谱仪相结合是碳酸盐岩储层沉积环境、结构分析、胶结物序列、微量元素分析及孔隙演化分析的有效手段。

关键词:阴极荧光;电子探针;荧光强度;元素分布;白云石;方解石中图分类号:TE19 文献标识码:ATHE PR OGRE SS AN D APP LICA TION IN CARB ON A TE MINER A L RE SEAR CH WITH EPMA AN D CA TH ODO LU MINE SCEN CE TE CHNIQUELiu Jinlian 1,Liu Weixin 2,Zhang Qingzhen 2,Zhang Wentao 2,Yu Lingjie 2,Zhou Kezi 3(1.Ex ploration and Production De partment ,S I N O P EC,B ei j ing 100728,Chi na;2.W ux i Research I nstitute of Pet roleum Geology ,S I N O P EC,W ux i ,J iangsu 214151,China;3.N i p pon Tekno Co.,L T D.,B ei j ing 100027,China )Abstract :Detailed research with CL and EPMA on carbonate minerals shows that CL intensity on carbonate mineral is related with trace element contents and EPMA beam current ,the CL image is correspondent with EPMA element distributing mapping :Calcite CL intensity is related with Mn contents and in less beam current Mn rich areas will emit stronger CL but in larger beam current with cloudy CL image because the exists of Fe that will decrease the CL intensity.The dolomite has a distinctively inner CL image wit h sometimes show 2ing dolomite rings in less beam current ,but with larger beam current the inner CL difference of dolomites disappeared ,the CL intensity of dolomites are apparently related with Mn ,Fe trace element mapping of EPMA and CL can gives more detail of the carbonate minerals.The CL and EPMA technique can be useful in carbonate reservoir texture ,cement sequence and pore evolution analysis.K ey w ords :cat hodoluminescence ;EPMA ;CL intensity ;element distribution ;dolomite ;calcite 扫描电镜与阴极荧光技术相结合是近几年发展起来的光谱分析技术[1-14],阴极荧光(CL )可称为阴极射线致发光,是高能电子束轰击样品产生发光的一种物理现象,其强度、颜色(波长)与物质内部的微量掺杂元素和晶格缺陷及束流密度等因素有关。

第23卷 第10期2008年10月地球科学进展ADVANCES I N EARTH SC I E NCEVo.l23 N o.10O ct.,2008文章编号:1001 8166(2008)10 1013 07阴极发光分析在恢复砂岩碎屑长石含量中的应用* 鄂尔多斯盆地上古生界和川西凹陷三叠系须家河组的研究黄思静,佟宏鹏,黄可可,刘丽红,张雪花(成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,沉积地质研究院,四川 成都 610059)摘 要:鄂尔多斯盆地山西组、太原组和四川盆地须家河组的砂岩都是中国重要的天然气储集层,其特征是具有极低的长石含量和广泛的方解石胶结作用。

对这些地层的样品进行了阴极发光分析并很好地揭示了方解石胶结作用发生前的砂岩组构。

研究表明:在这些含煤地层的砂岩中,至少有10%~20%的长石在埋藏成岩过程中被煤系地层的酸性流体所溶解,因而砂岩的高成分成熟度和较大的粒间孔隙体积!都不是原生的。

另外,残余长石的阴极发光性还表明:埋藏成岩过程中被溶解的长石主要是钾长石,说明在风化、搬运和埋藏成岩作用的早期阶段,钾长石是相对稳定的,更多的斜长石是在埋藏前或埋藏成岩作用的早期阶段被溶解的,因而钾长石应是碎屑岩埋藏成岩过程中对次生孔隙贡献最大的长石类型。

关 键 词:砂岩储层;阴极发光;长石溶解;埋藏成岩作用;煤系地层中图分类号:P534.4;P588.21 文献标志码:A阴极发光分析是沉积学的重要研究手段之一,已在碳酸盐沉积学(包括砂岩的碳酸盐胶结物研究)中得到了广泛的应用,这是因为在低的束电流、低的束电压条件下,碳酸盐矿物比(铝)硅酸盐矿物具有更好的阴极发光性;同时对碳酸盐矿物来说,有关M n作为激活剂、Fe作为猝灭剂的阴极发光原理[1~3]也为人们所普遍接受。

近年来有关碳酸盐成岩作用(包括白云岩化作用)的研究都把不同结构或不同成分碳酸盐的阴极发光性的差别作为恢复成岩历史、判断成岩机制、推测成岩流体性质、鉴别与评估碳酸盐成岩蚀变性的主要依据之一。

、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、钻、鎳均为猝灭剂，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，如猛、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+勺长石发红光，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：碳酸盐碳酸盐矿物发光颜色从黄色一暗红色。

通常，文石为黄色，方解石为黄一橙红色，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呗卩发红色光。

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+O2. 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.Z in kernage I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。

英国DETECTOR公司CL40-Ⅲ型阴极发光仪1、CL40-Ⅲ型阴极发光仪阴极射线自19世纪中叶诞生以来，该技术一直备受关注。

在19世纪80年代开始用于观察宝石；20世纪开始进入考古学和矿物学等研究；1965年利用阴极发光原理制成的仪器和偏光镜结合，从此较广泛的应用于地球各个学科的科学研究；随着近些年的不断发展，阴极发光仪又广泛应用于材料的研究与检测、珠宝的鉴别、考古学、法医学等方面。

CL40-Ⅲ型阴极发光仪主要用于系统研究方解石、白云石、石英、长石、硅灰石等矿物的发光性；矿物的环带构造及形成机理；矿物的种类及成因鉴别；晶体生长环境研究；矿物生长过程中的热事件研究；矿物先后形成的世代研究。

阴极发光是固体物质的一种表面物理荧光现象，固体样品的表面在阴极射线（高速电子束）轰击下，由电能转化成光辐射后，产生的一种发光现象，由于能量的电子束是从阴极发射出来的，故称阴极发光。

2、CL40-Ⅲ型阴极发光仪工作原理（如右图）阴极发光是固体物质的一种表明物理荧光现象，固体样品的表面在阴极射线（高速电子束）的轰击下，由电能转换成光辐射后，产生的一种发光现象。

由于带能量的电子束从阴极发射出来的，故称阴极发光。

导致阴极发光的过程和原因比较复杂，至今还有不少现象仍在探索中。

目前已知影响发光的主要因素：激活和激活剂导致或激活矿物的阴极发光现象，有很多原因，其中最常见的事由某些元素（价态元素）作为激活剂导致发光，如过渡金属元素Mn2+、Fe3+和Ti4+等，还有镧系元素Eu2+、Eu3+、Sm3+、Dy3+和Tb3+等，但是阴极发光的颜色和强度还取决于激活剂含量、激活剂种类、激活剂化合价以及激活剂附存的固体材料差异等因素。

结构缺陷主要指晶体结构缺陷，如集团空间群的对称性破坏、阴阳离子的空位、原子和分子填隙的空位，原子的无序分布、空位和杂质的聚集体等都有可能导致阴极发光。

能级寿命指电子在激发状态下停留的时间，电子受激发，其激发能可转换为光辐射能，它直接影响阴极发光的强度。