1064激光拉曼光譜儀在地質學中的應用

 

1064激光拉曼光譜儀在地質學中的應用

 

顯微拉曼光譜儀是一種新型的微區分析儀器,其高精度、方便、快捷、無損的特點,為地質學中新技術、新方法的應用提供了最先進的手段。相比于532nm&785nm激光波長激發,美國BaySpec公司1064nm激發波長顯微拉曼光譜儀具有極致抑制熒光的效果,不斷擴大了拉曼光譜在地質學中的應用范圍。

1、拉曼光譜應用于流體包裹體分析

對流體包裹體的分析測試是拉曼光譜在地質學中應用最集中的領域。流體包裹體是礦物結晶生長過程中,被捕獲在礦物晶格內、至今仍與宿主礦物有著相的界限、并沒有與外界發生物質交換的那一部分古流體。流體包裹體作為一個獨立的地球化學體系,可以真實反映成巖成礦時的流體性質(包括溫度、壓力、PH值等)。激光顯微拉曼光譜可在微區原位對與成巖、成礦、成油、成氣相關的古流體包裹體進行快速、無損的分析。其具體應用主要是對流體包裹體的成分進行定性或定量分析,此外,還可獲得地層埋藏時的溫度、壓力等參數。

拉曼光譜分析避免了樣品污染,可用于分析礦物中的氣相、液相、水溶液相和固體包裹體成分,特別是為單個有機包裹體成分的研究提供了簡單可靠的測試手段,有助于不同期次、不同世代、不同成因包裹體的地球化學研究。在氣相組分方面可用于對群體包裹體氣相成分進行定性分析,也可對單個包裹體的CH4、CO2、H2S、N2等氣體成分進行定量分析。在室溫和低溫條件下可以對鹽水合物、氣水合物及具有拉曼活性的子礦物、石墨及含碳物質進行定性和半定量分析。

實驗樣品的包裹體中存在氣液兩相的CO2,通過高分辨率顯微拉曼光譜儀可以通過微小差異的拉曼位移對其進行有效的區分與識別。

2、拉曼光譜應用于礦物快速識別及結構分析

拉曼光譜是一種“指紋譜”,在完善的各種礦物拉曼“指紋譜”數據庫的基礎上,能夠快速有效確定各種巖石的礦物組成。拉曼光譜成像技術可以將巖石薄片中各種礦物成分完美呈現在研究者的眼前,為研究巖石中礦物組成與分布等特征提供可靠的依據。便攜式拉曼光譜的產生使拉曼光譜儀從實驗室到達了野外環境,為地質家在野外勘探中快速確定巖石礦物組成提供一種新的方法。

通過顯微拉曼成像技術對14mm×14mm的碳酸鹽礦物拋光區域進行大范圍拉曼成像,能夠有效識別出各種礦物。

遼寧博物館獲得的蛇紋石樣品,扣除背景干擾,使用1064nm激發波長拉曼光譜儀對其多個位置進行光譜采集。可以看到在1064nm激發波長下,可以較為快速的得到拉曼光譜信號,且能較好的抑制熒光干擾。

同時,激光拉曼顯微光譜可以對巖石中礦物的微區結構,如相變、分子的有序無序占位、位錯、蛻晶化及重結晶等過程進行研究分析。分析結果可以應用于高壓-超高壓變質帶中的標志礦物識別,以及礦物結構隨溫度變化的識別及規律研究。金紅石和銳鈦礦的成分都為TiO2,但是它們的晶型不同,通過拉曼光譜特征峰的不同能很好的識別金紅石與銳鈦礦。

3、拉曼光譜應用于高演化有機質成熟度分析

在石油地質和煤巖學中,鏡質體反射率(Ro%)是反映烴源巖和煤演化程度比較通用的標尺性指標,但是,由于其在高-過成熟樣品中非均質性強且數據的變化范圍較大,往往會影響樣品熱演化程度的準確評價。拉曼光譜在測定天然固體有機質拉曼散射中出現的D峰和G峰信息,能夠反映出地質樣品中含碳固體有機質的熱演化程度。拉曼位移在1250~1450cm-1左右的D帶(通常稱無序帶),為雙共振拉曼散射模式,主要反映晶格結構缺陷和芳環片層的空位信息;拉曼位移在1500~1605cm-1左右的G帶(通常稱有序帶),主要反映C=C鍵的切向伸縮振動。拉曼位移2500~2700cm-1位二階倍頻峰G’帶。

通過光譜中D峰和G峰位移的峰間距(G-D)和峰高比(Dh/Gh)在樣品熱演化中的變化規律及其與鏡質體反射率(Ro%)的關系,可以根據大量分析對比研究資料建立與鏡質組反射率對應的拉曼參數計算反射率(Ro%)的公式,并推廣應用于其他天然碳化固體有機質樣品的拉曼分析結果的反射率計算,實際解決一些用傳統光學方法難以測定微粒、微量樣品或礦物包裹體中固體有機質鏡質組反射率的困難,以及高演化階段的煤和固體瀝青等光學非均質性強,難以準確地評價有機質的熱演化程度等有關問題。

4、天然與人工寶石鑒別

珠寶玉石由于其獨特的保值價值、信仰價值、感情價值、藝術價值及收藏價值,市場上各種以次充好,以假替代等各種造假手段都應運而生,這給此類寶石的傳統鑒定帶來了較大的困難。顯微共焦拉曼光譜儀在寶石鑒定領域內成了強有力,甚至是最終的鑒別手段。顯微拉曼光譜鑒定技術作為一種無損、準確、快速的寶石鑒定方法,與傳統的寶石礦物鑒定方法相比具有以下一些優勢:

  • 顯微拉曼光譜儀可以對寶石進行微區分析,不僅能夠鑒定出寶石礦物的主要礦物成分,而且還可以探測到礦物中微量、超微量雜質、包裹體和人工摻雜物的成分和結構,從而可以鑒定是否為天然寶石;

  • 對鑒定出寶石礦物中的氣體或熔體包裹體非常有效,可以明確寶石的質地、種屬和產地等信息;

  • 非接觸無損傷的特性使其對原料寶石和刻面寶石測試都有較好的適用;

  • 拉曼光譜技術可以與其他分析檢測手段配合,提供更加準確可靠的鑒定結果。

含蠟翡翠A貨是天然翡翠按照傳統工藝加工的最后階段有一過蠟工序,要將翡翠浸漬于熔融的川蠟之中,使得天然翡翠表面有一些殘留的川蠟。翡翠B貨是翡翠經過強酸漂白和注膠處理的一種產品,B貨翡翠必然或多或少地總會有環氧樹脂存在。川蠟和環氧樹脂都很容易產生熒光,采用1064mn激發光源能極致抑制熒光的產生,能夠準確、快速、有效的鑒定含蠟翡翠A貨和翡翠B貨。

紅寶石屬于剛玉族,O-Al-O對應的417cm-1為最強振動峰,具有重要的鑒定意義。合成紅寶石的拉曼波峰與天然紅寶石的拉曼特征波峰一樣為417cm-1,但是合成紅寶石的半高寬都要小于天然紅寶石的半高寬。這主要是由于自然界結晶生長的天然紅寶石經過了漫長的地質年代,要比人工合成紅寶石的結晶時間長得多。在結晶過程中,地質的溫度和壓強條件有一個緩變的過程,鍵長、鍵角一般比人工合成紅寶石的鍵長、鍵角的變化要大,反映在拉曼譜上它的峰值振動頻譜的范圍要大,即峰值的半高寬要大。同時對417cm-1譜峰進行洛倫茲線型曲線擬合收集其半高寬值,天然紅寶石的擬合半高寬均值為4.8101,而合成紅寶石的擬合半高寬均值為4.3710。




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