X射線粉晶衍射法在變粒巖鑒定與分類中的應(yīng)用

伍月， 遲廣成， 劉欣

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110032)

變粒巖是指主要由長(zhǎng)石和石英組成的細(xì)粒粒狀變質(zhì)巖石。具等粒狀變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，礦物變晶粒度一般0.1～0.5mm(有時(shí)可達(dá)1mm)，長(zhǎng)石和石英礦物含量大于70%，長(zhǎng)石含量大于25%，片狀、柱狀礦物含量一般小于30%，暗色礦物主要是黑云母、角閃石、透輝石、紫蘇輝石，可含有矽線石、石榴石等特征變質(zhì)礦物。長(zhǎng)石和石英顆粒間常見(jiàn)有層狀硅酸鹽礦物，如綠泥石、蒙脫石及云母等層狀硅酸鹽礦物，大部分雖是結(jié)晶質(zhì)，但顆粒通常很細(xì)，在一般偏光顯微鏡下難以區(qū)分。

X射線衍射分析方法簡(jiǎn)單、分析速度快、分析范圍廣，已發(fā)展成為一項(xiàng)普遍開(kāi)展的常規(guī)分析項(xiàng)目。X射線衍射分析被用于礦物學(xué)和巖石學(xué)的研究，廣泛應(yīng)用于結(jié)晶樣品的物相定性、半定量分析、結(jié)晶度及晶體結(jié)構(gòu)等測(cè)定。根據(jù)礦物的X射線衍射分析結(jié)果，可以推測(cè)礦物晶體的形成溫度、壓力等條件，對(duì)于礦物和成礦、成巖作用過(guò)程的研究都具有重要意義。定性分析是應(yīng)用X射線粉晶衍射數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)巖石樣品內(nèi)組成的礦物進(jìn)行檢測(cè)[1]，特別是對(duì)含量較少的礦物[2]，得出該樣品中所含礦物組分，因此定性分析是X射線粉晶衍射技術(shù)在礦物學(xué)巖石學(xué)研究上主要的應(yīng)用方向，而且對(duì)于礦物同質(zhì)多象及類質(zhì)同象能夠進(jìn)行有效的分析。X射線粉晶衍射定量分析能夠測(cè)試出樣品所含礦物成分的相對(duì)含量[3]，尤其對(duì)于含有相同元素組合、成分不同的樣品，該方法是更有效的測(cè)試手段。隨著X射線粉晶衍射分析技術(shù)的發(fā)展，已有很多地質(zhì)工作者將X射線粉晶衍射半定量分析技術(shù)應(yīng)用在造巖礦物[4]、黏土礦物、隱晶質(zhì)[5-6]及微量礦物[7]鑒定中，不僅能準(zhǔn)確檢測(cè)出巖石中結(jié)晶礦物組分，通過(guò)全譜擬合軟件還能半定量分析出巖石中不同礦物組分的相對(duì)含量，為原巖恢復(fù)和原巖沉積相的判斷提供更多信息。

到目前為止，變粒巖巖石定名以野外觀察和巖石薄片鑒定為主要技術(shù)手段，鑒定結(jié)果主要依賴分析人員長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累，具有一定的局限性[8-10]。由于顯微鏡巖石薄片鑒定技術(shù)主要用來(lái)確定巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造[11]，確定常見(jiàn)的礦物組分，很難區(qū)分顆粒細(xì)小的綠泥石、蒙脫石及云母等層狀硅酸鹽礦物，本研究擬用X射線粉晶衍射半定量分析技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于變粒巖的詳細(xì)定名和分類，需要借助X射線粉晶衍射法對(duì)樣品進(jìn)行半定量分析，以能全面檢測(cè)所含礦物類型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

在大石橋周家、松樹(shù)里爾峪組，大石橋虎皮峪里爾峪組和高家峪組，海城八里水庫(kù)浪子山組，變粒巖大面積出露地區(qū)，選取新鮮的巖石，采集巖石標(biāo)本。一般在垂直巖石層理方向，依據(jù)層狀巖石出露寬度，按全寬5等份均勻采集5件變粒巖，用于巖石薄片磨制、X射線粉晶衍射分析。5件樣品一是用來(lái)保證盡可能采集到未風(fēng)化的巖石標(biāo)本，二是對(duì)比所采變粒巖樣品在垂直巖層方向的變化程度。本次變粒巖巖石礦物鑒定技術(shù)方法研究共采集23件變粒巖樣品，分別來(lái)自兩個(gè)剖面b和p，樣品編號(hào)b67～p124。本研究的巖石薄片鑒定及X射線粉晶衍射分析工作均在沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。

1.2 巖石薄片鑒定

偏光顯微鏡鑒定結(jié)果顯示，23件變粒巖巖石樣品具有塊狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造、片麻狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造。具粒狀變晶結(jié)構(gòu)、鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)[12]。

巖石中斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、石英均為他形粒狀，黑云母和白云母呈片狀，電氣石和金屬礦物呈半自形-自形粒狀，粒徑一般在0.05～1.0mm之間，黑云母呈褐色或綠色，白云母無(wú)色，柱狀礦物以透閃石為主，部分巖石含有黝簾石和綠簾石。具體成分見(jiàn)表1。

1.3 X射線粉晶衍射分析

1.3.1儀器和工作條件

Bruker-D8型X射線粉晶衍射儀(德國(guó)Bruker公司)。儀器工作條件為：X射線管選用銅靶，管壓40kV，管流40mA，掃描范圍2θ角為4°～65°(全譜)；檢測(cè)器為閃爍計(jì)數(shù)器，發(fā)散狹縫和防散射狹縫為0.1mm，接收狹縫為0.1mm，步長(zhǎng)為0.03°/步，掃描速度為0.1秒/步[13-14]。

1.3.2樣品制備與測(cè)試

將23件變粒巖樣品一部分研制成74μm以下粒級(jí)粉末，在瑪瑙缽中研磨至45μm左右，制成待測(cè)樣。23件變粒巖樣品在以上測(cè)定條件下，用X射線粉晶衍射儀進(jìn)行掃描，獲得對(duì)應(yīng)的衍射圖譜，利用全譜擬合軟件進(jìn)行礦物種類的解譯和半定量分析[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖石薄片鑒定結(jié)果

在23件變粒巖樣品中顯微鏡巖石薄片鑒定法檢出23件樣品含有石英，20件樣品含有鉀長(zhǎng)石，20件樣品含有斜長(zhǎng)石，22件樣品含有金屬礦物，8件樣品含有白云母，18件樣品含有黑云母，9件樣品含有電氣石，3件樣品含有角閃石，2件含有綠簾石，2件樣品含有黝簾石。

據(jù)顯微鏡下鑒定的巖石組構(gòu)特征，可把23件變粒巖劃分為9種類型(表1)：p3、p4、p5號(hào)巖石為電氣二長(zhǎng)變粒巖(圖1a)；b67、b114、p97、p98號(hào)巖石為黑云斜長(zhǎng)變粒巖(圖1b)；b93、b94、b95、b97號(hào)巖石為電氣黑云二長(zhǎng)變粒巖；p100、p102、P103號(hào)巖石為白云母二長(zhǎng)變粒巖(圖1c)；b103號(hào)巖石為黑云二長(zhǎng)變粒巖；b113號(hào)巖石為電氣微斜變粒巖；p99、p105、p106號(hào)巖石為二云二長(zhǎng)變粒巖(圖1d)；p2、p9號(hào)巖石為磁鐵微斜變粒巖；p123、p124號(hào)巖石為角閃/綠簾二長(zhǎng)變粒巖。變粒巖中石英、斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、白云母、黑云母、透閃石、黝簾石、綠簾石、電氣石和金屬礦物是根據(jù)礦物鏡下光學(xué)特征而定。

2.2 X射線粉晶衍射分析結(jié)果

X射線粉晶衍射法檢出：23件樣品含有石英，22件樣品含有鉀長(zhǎng)石，18件樣品含有斜長(zhǎng)石，15件樣品含有云母，3件含有綠簾石，3件含有綠泥石，7件樣品含有電氣石，4件樣品含有磁鐵礦，1件樣品含有鈦鐵礦，2件樣品含有赤鐵礦，3件樣品含有角閃石，1件樣品含有輝石，19件樣品含有蒙脫石。

表1 顯微鑒定變粒巖巖石礦物成分

a—電氣二長(zhǎng)變粒巖； b—黑云斜長(zhǎng)變粒巖； c—白云母二長(zhǎng)變粒巖； d—二云二長(zhǎng)變粒巖。圖1 四種變粒巖顯微鏡下特征Fig.1 Features of four kinds of leptite under the microscope

據(jù)X射線粉晶衍射分析結(jié)果，K值法的分析結(jié)果存在一定的偏差[16]，RIR法和絕熱法絕對(duì)誤差稍低一些，全譜擬合法的精確度最高[17-19]。因此，本次分析采用全譜擬合解譯[20-22]，得出的半定量礦物成分分析結(jié)果(表2)結(jié)合顯微鏡下巖石礦物結(jié)構(gòu)特征，可把23件變粒巖劃分為14種類型：b67、b114、p97號(hào)巖石定名為黑云斜長(zhǎng)變粒巖；b93、b94、b95、b97號(hào)巖石定名為電氣二長(zhǎng)變粒巖； p3、p4、p5號(hào)巖石定名為電氣微斜變粒巖(圖2)；p105、p106號(hào)巖石定名為二云斜長(zhǎng)變粒巖；p123、p124號(hào)巖石定名為角閃/綠簾微斜變粒巖；b103號(hào)巖石定名為黑云二長(zhǎng)變粒巖；p2號(hào)巖石定名為磁鐵微斜變粒巖；p9號(hào)巖石定名為磁鐵二長(zhǎng)變粒巖；p98號(hào)巖石定名為二長(zhǎng)變粒巖；p99號(hào)巖石定名為二云二長(zhǎng)變粒巖；p100號(hào)巖石定名為白云微斜變粒巖；p102號(hào)巖石定名為白云母斜長(zhǎng)變粒巖； p103號(hào)巖石定名為白云母二長(zhǎng)變粒巖;b113號(hào)巖石定名為輝石微斜變粒巖。

2.3 X射線粉晶衍射分析與巖石薄片鑒定結(jié)果比對(duì)

X射線粉晶衍射法在23件樣品中未檢出黝簾石，對(duì)顯微鏡下未檢出的綠泥石、輝石和蒙脫石檢出效果較好，對(duì)白云母和黑云母不能有效區(qū)分，而能有效區(qū)分鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石、黑云母和綠泥石。與巖石薄片鑒定法比較，X射線粉晶衍射法對(duì)變粒巖中蒙脫石、綠泥石檢出率高83%和13%，黝簾石檢出率則比巖石薄片鑒定法低9%。

巖石薄片定名與X射線粉晶衍射半定量礦物成分巖石定名結(jié)果(表3)顯示： 10件樣品二者巖石定名相同；其余13件樣品詳細(xì)定名有均有差異。

表2 變粒巖礦物成分X射線粉晶衍射分析結(jié)果

a—電氣微斜變粒巖(p3)； b—黑云二長(zhǎng)淺粒巖(b117)。圖2 變粒巖X射線粉晶衍射圖譜Fig.2 X-ray powder diffraction patterns of leptite

表3 變粒巖顯微鑒定定名與X射線粉晶衍射分析定名對(duì)比

通過(guò)對(duì)巖石薄片鑒定與X射線粉晶衍射分析優(yōu)勢(shì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)(表4)，巖石薄片鑒定法優(yōu)勢(shì)在于能準(zhǔn)確定出巖石構(gòu)造(如片麻狀構(gòu)造)和結(jié)構(gòu)(如鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、等粒變晶結(jié)構(gòu))，能鑒定出更多的金屬礦物、黝簾石，有效區(qū)分白云母和黑云母。X射線粉晶衍射法優(yōu)勢(shì)在于不僅能準(zhǔn)確區(qū)分細(xì)小的蝕變礦物種類[23]及層狀硅酸鹽礦物綠泥石、蒙脫石[24]和云母[25]，又能檢定出長(zhǎng)石(鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石)和石英礦物種類與相對(duì)含量，由于晶體擇優(yōu)取向作用，X射線粉晶衍射法分析的礦物含量中層狀硅酸鹽明顯高于巖石薄片鑒定結(jié)果。

遲廣成等[26-27]將X射線粉晶衍射半定量分析技術(shù)應(yīng)用在大理巖、板巖、千枚巖等的鑒定中，不僅能準(zhǔn)確檢測(cè)出大理巖中白云石、方解石和菱鎂礦等碳酸鹽礦物種類及相對(duì)含量[28]，而且能有效鑒別粉砂級(jí)長(zhǎng)石與石英成分，區(qū)分蒙脫石、綠泥石和滑石等層狀硅酸鹽礦物?，F(xiàn)代大型儀器巖石礦物鑒定技術(shù)為巖石鑒定提供了可靠的手段[29]，因此變粒巖分類定名應(yīng)該把巖石薄片鑒定法與X射線粉晶衍射法結(jié)合起來(lái)，以期準(zhǔn)確鑒定變粒巖中長(zhǎng)石種類及石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石含量，達(dá)到準(zhǔn)確鑒定變粒巖名稱的目的。

表4 變粒巖顯微鑒定與X射線粉晶衍射分析優(yōu)勢(shì)對(duì)比

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)23件巖石薄片鑒定與X射線粉晶衍射半定量分析，對(duì)比結(jié)果顯示：巖石薄片顯微鑒定能夠確定巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及巖石種屬，但對(duì)于顆粒較細(xì)的長(zhǎng)石、石英、綠泥石、蒙脫石和云母等礦物很難區(qū)分。利用X射線粉晶衍射法能有效地區(qū)分層狀硅酸鹽礦物綠泥石、蒙脫石和云母，以及粉砂級(jí)長(zhǎng)石(鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石)和石英礦物的相對(duì)含量，特別是能鑒定含量較少、粒度較細(xì)的礦物成分。

變質(zhì)巖中主要礦物組分和特征礦物能夠?yàn)樵瓗r恢復(fù)和巖石形成條件提供判斷依據(jù)，因此，對(duì)變粒巖的巖石定名僅靠野外和薄片鑒定并不準(zhǔn)確，有必要利用X射線粉晶衍射法來(lái)驗(yàn)證。將變粒巖野外觀察、巖石薄片顯微鑒定和X射線粉晶衍射法相結(jié)合，才能準(zhǔn)確對(duì)變粒巖進(jìn)行定名，并能更全面地為地質(zhì)工作提供更準(zhǔn)確的礦物間共生、演化及成因等依據(jù)。