碳酸鹽巖類巖石薄片的最佳定厚標(biāo)準(zhǔn)探討

鄭楊，牛煥友，張樹淮，武育寧，明星

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205）

在巖石礦物學(xué)分類中，碳酸鹽巖與其它類別巖石截然不同。因其屬于內(nèi)源沉積，往往含有豐富的生物碎屑、包粒等結(jié)構(gòu)物（本文中出現(xiàn)的生物碎屑、包粒等結(jié)構(gòu)物均是指最大直徑2 mm以下的結(jié)構(gòu)物）。它們的存在、種類及含量直接影響著巖礦鑒定的準(zhǔn)確性，如巖石成因和命名等。不僅如此，生物碎屑及包粒自身的存在就有著細(xì)微性、隨機(jī)性和復(fù)雜性，在巖礦切片工作中憑肉眼難看見、難分辨或不可見，造成大部分可見機(jī)會都是在薄片制作后期干涉色定厚中的觀察。

傳統(tǒng)的薄片磨制方法，多數(shù)是以正交偏光鏡下石英干涉色顯現(xiàn)一級灰白，方解石呈現(xiàn)高級白干涉色，即為薄片厚度達(dá)到0.030 mm左右（本文石英干涉色的判定均是以45°位置的最高干涉色為標(biāo)準(zhǔn)）的定厚衡量標(biāo)準(zhǔn)[1]。然而，在實際工作中發(fā)現(xiàn)，如果將碳酸鹽巖類巖性標(biāo)本按照傳統(tǒng)方法磨制，特別是在磨制定厚方法不當(dāng)時，將對碳酸鹽巖粒屑結(jié)構(gòu)中包含的生物碎屑和包粒等造成判斷及鑒定的不良影響。例如直接受到影響的就有碳酸鹽巖的分類和命名，薄片異化顆粒中的內(nèi)碎屑、鮞粒、生物碎屑、完整生物化石的不同體積含量就有著不同分類命名。比如鮞粒占10%～25%，稱含鮞?！痢翈r，鮞粒占25%～50%，則叫鮞粒××巖，鮞粒＞50%，叫××鮞粒巖[2]。并且含有鮞粒、生物碎屑、完整生物化石的碳酸鹽巖還會因具體種類的不同，相互之間按照不同的體積含量比例，細(xì)分下去。如果我們要讓每塊巖石標(biāo)本能夠提供出真實可靠的鑒定信息，就不能打破原始的體積比例關(guān)系。然而以傳統(tǒng)的厚度磨制卻打破了真實的比例關(guān)系，因為厚度過薄，鮞粒、生物化石、生物碎屑都會磨損，使體積比例不斷下降。同時也造成了不同種類的鮞粒、生物化石、生物碎屑自身區(qū)分、命名的準(zhǔn)確性及具體種類之間的體積比例關(guān)系的失真。最終薄片的鑒定結(jié)果，其分類命名的準(zhǔn)確性不高，命名順序混亂不可靠，充分可見傳統(tǒng)方法無法滿足碳酸鹽巖鑒定所需要求。而且定厚工作處于薄片磨制工作的后期，造成不良影響便無法糾正。此類問題的解決途徑，不能生搬硬套傳統(tǒng)薄片定厚標(biāo)準(zhǔn)。筆者在長期薄片磨制過程中，提出了新的碳酸鹽巖巖石的定厚標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合礦物干涉色對厚度的要求等因素，綜合出較實用的碳酸鹽巖薄片厚度控制體系。

1 實驗原理及其正確性判定

0.030 mm是透明礦物晶體光學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)磨片厚度，所有透明礦物鑒定的標(biāo)準(zhǔn)干涉色，都是以此厚度所顯示干涉色為標(biāo)準(zhǔn)歸納總結(jié)的，即是晶體光學(xué)創(chuàng)建基礎(chǔ)[3-4]。本文理論是否成立，核心在于石英干涉色是否能準(zhǔn)確反應(yīng)薄片厚度及具體厚度的數(shù)值區(qū)間。實驗所采用的石英脈是石英砂巖提取完整石英顆粒并注膠后，重新組合而成。要避免采用變質(zhì)巖和壓碎石英脈，因其屬于二軸晶系，涉及光軸角的計算，會增大誤差值。高溫型六方晶系α-石英和低溫型三方晶系β-石英不同的最大雙折射率均考慮在計算范圍之內(nèi)，如圖1。

以低溫型三方晶系β-石英為例，石英的最大雙折射率Ne-No=0.009，進(jìn)行減薄工藝時，正交偏光鏡下，石英干涉色，會從高級序逐漸降到第一級序中的紫紅→橙→淺黃→白，當(dāng)淺黃剛剛降至亮白色時，光程差R/nm=300，導(dǎo)用光程差公式R=d（Ne-No），既得薄片厚度d=0.033 mm，這說明了石英干涉色的顏色及變化可以準(zhǔn)確判定薄片厚度和數(shù)值區(qū)間，也因其最大雙折射率的特殊性，使其是透明礦物晶體光學(xué)衡量厚度的標(biāo)桿。

圖1 石英干涉色色譜圖Fig.1 Interference color chromatogram of quartz

碳酸鹽巖是由雙折射率很大的方解石、白云石、菱鎂礦、菱鐵礦、菱錳礦等組成，其雙折射率為No-Ne=0.172～0.242。這使得即使很小的厚度變化，也會造成很大的干涉色變化。當(dāng)薄片厚度d=0.030 mm時，是泛出暈彩的高級白干涉色，d=0.033 mm時，呈高級白干涉色，雖不會出現(xiàn)明顯暈彩，但基本不影響礦物鑒定，卻提升了極小顆粒物，如粒徑0.10 mm以下藻團(tuán)粒、放射蟲等出現(xiàn)的機(jī)率。此厚度是石英干涉色由淺黃降至亮白的轉(zhuǎn)變區(qū)，也為厚度控制帶來了方便。不過該厚度對于較好的觀察較大粒徑的結(jié)構(gòu)物還是不夠的。故把此厚度設(shè)為碳酸鹽巖薄片厚度的下限。d=0.040 mm時，色彩會由高級白轉(zhuǎn)至灰色混濁，d=0.050 mm時，色彩非?；鞚?，有些礦物轉(zhuǎn)至半透明或不透明，造成鑒定的不良影響。然而d=0.045 mm時，大多數(shù)礦物的透明度還是良好的，在正交偏光鏡下，雖然顏色混濁，但不會出現(xiàn)完全不透明的情況。并且也是石英干涉色由橙色降至淺黃的轉(zhuǎn)變區(qū)，把此厚度設(shè)為碳酸鹽巖薄片厚度的上限，雖是礦物鑒定要求的底線，不過最大限度的照顧了結(jié)構(gòu)物外形、呈現(xiàn)數(shù)量等所有因素的完整性。

2 磨制定厚對比研究實驗

2.1 實驗方法

利用石英干涉色判定薄片厚度。因碳酸鹽巖與石英的硬度及比重不相同。為要求薄片能方便的進(jìn)行厚度控制，使薄片厚度較均勻，數(shù)據(jù)較可靠[5]，分別將三根石英脈插入到含有生物碎屑、包粒等結(jié)構(gòu)物的碳酸鹽巖標(biāo)本的兩側(cè)和中間位置（圖2）。

圖2 薄片平面示意圖Fig.2 Schematic plan of the thin section of Carbonate rocks

然后以傳統(tǒng)定厚標(biāo)準(zhǔn)，即石英干涉色為一級灰白，其厚度0.030 mm左右的薄片與石英干涉色均在一級淺黃及橙色，其厚度0.033～0.045 mm的薄片進(jìn)行各方面因素的對比觀察，得出結(jié)論。

2.2 樣品（試樣）的制備

樣品均為同一塊已經(jīng)確定含有生物碎屑及鮞粒的碳酸鹽巖標(biāo)本，以兩種定厚方法分別制作出編號為SY-1和SY-2的薄片。其SY-1為傳統(tǒng)厚度0.030 mm左右的薄片（圖3左），SY-2厚度為0.033～0.045 mm的薄片（圖3右）。

2.3 兩種厚度薄片鏡下對比

在正交偏光鏡下對傳統(tǒng)磨制方法的SY-1薄片進(jìn)行鑒定觀察（圖3左）。根據(jù)石英和方解石干涉色分別出現(xiàn)一級灰白和高級白可判斷厚度在0.030 mm，為標(biāo)準(zhǔn)制片厚度[6]。觀察發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖的構(gòu)造及所含礦物成分清晰可見，特別是碳酸鹽巖中具有明顯珍珠彩暈的方解石質(zhì)膠結(jié)物。在薄片中可見巖石中含有生物碎屑、鮞粒等結(jié)構(gòu)物，然而這些結(jié)構(gòu)物中的外殼已磨損，紋飾不清。對判斷結(jié)構(gòu)物的粒徑大小，具體種類，造成嚴(yán)重影響。還可以觀察到有一些生物碎屑完全被磨損，只顯現(xiàn)存留過的印跡。大部分生物碎屑只剩下方解石結(jié)晶的碎屑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過干涉色的色彩很容易分辨。如果在試驗中繼續(xù)對薄片厚度進(jìn)行減薄，鮞粒、生物碎屑等結(jié)構(gòu)物的核心逐漸消失，只剩下因為薄片底部穿孔而造成的黑色空隙。

在正交偏光鏡下對改進(jìn)磨片方法的SY-2薄片進(jìn)行鑒定觀察（如圖3右）。SY-2的磨制針對SY-1巖片制作過程中存在的問題，進(jìn)行定厚標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)和調(diào)試。最終石英干涉色控制在一級淺黃內(nèi)。判斷其厚度在0.033～0.045 mm。對薄片粒屑結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，鮞粒、生物碎屑的外殼紋飾很清晰，并且在偏光鏡下的立體感很強(qiáng)，肉眼觀察感覺非常飽滿。對于鮞粒的粒徑，生物碎屑大小、長度、具體種類都可以得到準(zhǔn)確判斷[7]。此巖片顆粒成分主要為隱藻團(tuán)粒，無核心，粒徑為0.10～0.15 mm，少數(shù)達(dá)到了0.40 mm，磨圓極好，鮞粒呈圓形，為薄皮的放射鮞，粒徑為0.10～0.20 mm。生物碎屑都較完整的保留下來，其種類有瓣鰓類、腕足類、海百合莖、有孔蟲等碎片[8]。薄片膠結(jié)物的亮晶方解石的高級干涉色呈現(xiàn)情況比傳統(tǒng)厚度要單一，沒有明顯色彩的珍珠彩暈，但是其亮白色略帶色彩，可以滿足觀察和判斷是否為方解石質(zhì)或區(qū)分其它礦物，特別是薄片制作后期茜素紅染色劑的染色處理，使其更進(jìn)一步得到區(qū)分驗證，最后根據(jù)巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及膠結(jié)物成分可以推測巖石為淺海環(huán)境，為溫暖的潮汐淺灘環(huán)境，因而生物碎屑、藻團(tuán)粒、鮞粒等顆粒成分經(jīng)受到強(qiáng)烈的滾動磨圓作用。

2.4 對比結(jié)果分析

經(jīng)過實驗過程的對比研究發(fā)現(xiàn)生物碎屑、鮞粒等損耗及消失的具體情況均受到結(jié)構(gòu)粒度大小及距離薄片底部（粘貼面）位置等因素影響。當(dāng)薄片厚度減至一定數(shù)值時，先由粒徑較大的鮞粒開始損耗，并且損耗過程由外至內(nèi)，這也說明了SY-1巖片不良影響原因。不過SY-1巖片使透明礦物干涉色的呈現(xiàn)非常標(biāo)準(zhǔn)，對礦物成分的判定具有重要意義?？墒翘妓猁}巖具有特殊性，為了顧全薄片鑒定需要的所有因素，提出的經(jīng)改進(jìn)的SY-2巖片雖在干涉色色彩方面不如SY-1清晰易分辨，不過保全了碳酸鹽巖獨特的粒屑結(jié)構(gòu)，更能佐證世代關(guān)系、生成環(huán)境。

但巖片厚度過厚，因干涉色級序的急劇變化，使部分礦物干涉色由混濁至不透明，即不能對礦物成分進(jìn)行觀察判定。因此我們要控制其厚度的上限和下限，讓礦物成分可以判斷，并且粒屑結(jié)構(gòu)最大程度不受影響。這也正是SY-2改進(jìn)方法存在的意義。

3 實際操作中碳酸鹽巖的制片方法

3.1 碳酸鹽薄片制作要點

巖片制作和傳統(tǒng)方法相比需要注意以下兩點:

1、對于巖石標(biāo)本的底部（粘貼面）處理有特殊要求，即粘貼面最后要用1200#金剛砂在平整的玻璃板上推平。意義在于使粘貼面的巖石顆粒平整、光滑，最大程度減少底部不同位置分布的極小顆粒間隙對薄片厚度的影響。從而會使薄片制作后期正交偏光鏡下觀察干涉色時，方解石獨特的高級白干涉色呈現(xiàn)的比傳統(tǒng)磨底方法早，允許存在一定范圍內(nèi)較厚區(qū)間，為判定礦物成分帶來諸多方便。而且使薄片不同位置的礦物干涉色更一致，更均勻，減少了薄片中間厚四周薄的情況。薄片的透光性也得到了提高，使得碳酸鹽巖的粒屑結(jié)構(gòu)更清晰[9-10]。

2、在薄片最后的定厚工作中，應(yīng)該利用1200#金剛砂或者更細(xì)的磨料，使得磨料自身粗細(xì)對結(jié)構(gòu)物的損傷減少，同時也提高了厚度的可控性，降低了減薄失誤和磨片失敗的幾率。在減薄工作中應(yīng)該邊磨邊觀察，注意較大結(jié)構(gòu)物自身磨損和體積比例情況，并配合礦物鑒定對干涉色的要求等因素，達(dá)到最佳鑒定效果時就停下來，不要單純?yōu)榱撕穸葮?biāo)準(zhǔn)而強(qiáng)行減薄。

3.2 量化厚度

在薄片制作的實驗中發(fā)現(xiàn)，粒屑結(jié)構(gòu)、生物化石的大小與薄片厚度成正比關(guān)系，如果粒徑越大，薄片厚度則應(yīng)稍厚。因粒屑結(jié)構(gòu)物和生物化石的大小、外形、表面紋飾等特征，以偏光鏡下觀察的清晰程度為條件，并結(jié)合礦物干涉色對厚度的要求等因素，綜合出較實用的碳酸鹽巖厚度控制體系（如表1）。

表1 碳酸鹽巖厚度控制參考表Table 1 Reference thickness of the thin section of carbonate rocks

表1可以方便于全自動數(shù)控磨片設(shè)備對碳酸鹽巖厚度的數(shù)值設(shè)定。當(dāng)全手工磨片時，往往是靈活多變的，只要不破壞較大結(jié)構(gòu)物和較小結(jié)構(gòu)物自身形態(tài)和正常原始的體積比例關(guān)系，并結(jié)合好透明礦物干涉色的鑒定需求，就可以磨制出質(zhì)量較高的碳酸鹽巖薄片。

武漢地質(zhì)調(diào)查中心楊振強(qiáng)研究員對本文實驗薄片進(jìn)行了鑒定，謹(jǐn)致謝忱。

[1]李鐘模.化石片子磨制知識[M].貴州:貴州人民出版社,1981.

[2]劉寶珺.沉積巖石學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1980:192－199.

[3]周樂光.工藝礦物學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007:40－41.

[4]王德滋.光性礦物學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2008:53-56.

[5]牛煥友，常海亮，汪雄武.花崗巖中熔融包裹體恢復(fù)均勻化后探針片的磨制工藝[J].巖礦測試,2004,23（2）:157－158.

[6]楊遵儀.古生物學(xué)教程[M].北京:地質(zhì)出版社,1957.

[7]于長富.巖石制片工藝[M].北京:地質(zhì)出版社,1980:1－45.

[8]周鵬,李志宏,魏運許,等.峽東寒武紀(jì)三葉蟲化石新材料[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn),2010,26（4）:72－76.

[9]牛煥友,明星.巖礦制片中的干砂減薄新工藝[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn),2009,25（3）:69－71.

[10]崔云昊，袁煥章，孟慶江.礦物巖石制片技術(shù)及理論基礎(chǔ)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1992,116p.