硅化木礦物學特征對透明度的影響分析

雷芳芳

(福建船政交通職業(yè)學院土木工程學院 福建福州 350007)

硅化木作為木化石保留了豐富的古地理、古氣候、古生態(tài)信息，有助于反演、推測古環(huán)境、古地層，地質變化、植物種群，一直以來都是國內外地質學家和古生物學家關注的熱點[1，2]。此外，硅化木屬于硅質巖，因其質地細膩、色彩繽紛、姿態(tài)萬千而深受人們喜愛，市場前景十分廣闊，進而推動了硅化木的相關研究。

透明度在硅化木的品質評價中尤為重要，透明度的優(yōu)劣直接影響其品質高低，尤其是較高透明度會將顏色“映襯”得更加鮮亮，進而大幅度提高其品質等級。目前，關于硅化木透明度的研究較為匱乏，李月彤[3]認為硅化木中二氧化硅顆粒的種類、礦物顆粒的特征、有機質的含量是影響其透明度的主要因素；田云輝[4]認為硅化木透明度與組成礦物的顆粒結合方式、顏色、雜質、裂隙有關。本文選取三種不同透明度的硅化木樣品為研究對象，采用X射線粉晶衍射、激光拉曼光譜、偏光顯微鏡分析其礦物組成和譜學特征，初步探究礦物結晶度、有序度、顯微結構對透明度的影響，有利于進一步研究硅化木的結構體系，具有一定的價值。

一、樣品和實驗測試

（一）樣品選擇。本次實驗分析的硅化木樣品共3件（見圖1），樣品透明度差異較為明顯，具有典型性和代表性。其中樣品GH-01保留有白色風化皮層，為保證樣品實驗分析的準確性，將風化層去除，只保留內部硅化層；樣品GH-02具明顯的木質紋理外觀；樣品GH-03整體顆粒感強、內部孔洞較清晰。硅化木樣品手標本特征如表1所示。

表1 硅化木樣品手標本特征

圖1 硅化木樣品手標本圖片

（二）測試設備與測試條件。

1.物相鑒定和結晶度分析。使用Smart Lab型X射線粉晶衍射儀，測試前需將樣品破碎成小塊，選取其中無雜質部分研磨成約200目的細小顆粒，測試條件：X射線源為Cu靶的Kα射線，電壓45kV，電流200mA，連續(xù)掃描。當鑒定物相時，掃描范圍為3°～70°，掃描速度為4°/min；當分析α-石英的結晶度時，掃描范圍為67°～69°，掃描速度為0.25°/min。

2.礦物有序度分析。使用RenishawinVia型激光共聚焦顯微拉曼光譜儀，測試條件：Ar＋激發(fā)線，激發(fā)光源波長為532nm，激光功率為10mW，光譜掃描范圍為100～1000cm-1，掃描3次。

3.礦物顯微結構特征分析。使用萊卡DM4P型偏光顯微鏡，觀察前需將樣品磨制成光薄片（厚度約為0.03mm）。

二、結果與討論

（一）礦物結晶度與透明度的關系。通過XRD分析礦物組成和測算結晶度，在一定程度上能夠揭示樣品結晶度與透明度的關系。本次研究測得的衍射圖譜如圖2所示，采用Jade軟件分析衍射峰d值，再參照PDF標準卡片進行物相鑒定。從圖2a可以看出，三樣品的主要衍射峰位相同，且與α-石英的特征衍射峰位基本一致，其中d=3.34處的衍射峰強度最強，是由α-石英的（011）面網(wǎng)衍射所致[5]，以上特征表明三件樣品的主要礦物組成均為α-石英。前人研究發(fā)現(xiàn)[6]，d=4.43、3.11、2.88為斜硅石（一種含吸收水的石英）的特征衍射d值，本次研究樣品GH-01和GH-02均出現(xiàn)了斜硅石特征衍射峰（見圖2b），證明斜硅石的存在，而樣品GH-03并未發(fā)現(xiàn)斜硅石，推測可能是硅化木形成后受到強烈的脫水和重結晶作用影響，導致斜硅石轉化形成α-石英[7]。此外，三樣品的衍射圖均未見到其它礦物的衍射峰，其原因可能有兩點：一是礦物的衍射峰與α-石英相重疊而難以辨認；二是對于含量小于5%的次要礦物，因其含量微小低于檢出限，造成X射線粉晶衍射儀很難檢測到其信號，據(jù)此可推測本次測試樣品中其它礦物的含量均很低。

圖2 樣品的XRD圖譜

XRD是定量分析α-石英結晶度的有效手段，本次研究采用67o～69o五指峰圖計算α-石英的結晶度指數(shù)（CI），計算公式為：CI＝10·F·a/b，其中a、b分別為（2132）的敏銳峰高和總峰高，可以通過測量67.74o附近的衍射峰得出；F為比例因子，其值大小因衍射儀不同而有所差別，需用標樣進行測算。本次研究采用無色透明且內部無包裹體的水晶為標樣，設其CI值為10，測算出a/b為0.852，將數(shù)據(jù)代入CI公式計算，得到本次測算結晶度指數(shù)所采用的F值為1.174。

在相同的測試條件下，對三樣品進行測試，得到其α-石英的五指衍射峰圖（見圖3）。前人研究發(fā)現(xiàn)[8]，α-石英的結晶度指數(shù)越高，其五指峰發(fā)育越完整，峰形越尖銳、清晰，反之則五指峰發(fā)育不全，峰形彌散。因此可以根據(jù)該峰形特征比較α-石英結晶度指數(shù)的高低。由圖3可以看出，樣品GH-03五指峰圖發(fā)育最完整且峰形尖銳、清晰，而樣品GH-01五指峰圖發(fā)育最弱且彌散，據(jù)此判斷樣品GH-03中α-石英結晶度最高，GH-02次之，GH-01最低。接著，根據(jù)樣品五指峰圖測量出a、b的數(shù)值（見圖3），并運用上述CI公式進行計算，得出硅化木樣品GH-01、GH-02、GH-03中α-石英結晶度指數(shù)依次為4.320、6.322、8.535（見表2）。

圖3 樣品中α-石英的五指峰圖

表2 樣品的α-石英結晶度指數(shù)計算

從表2數(shù)據(jù)可以得出，樣品GH-01的結晶度最低，GH-02較高，GH-03最高，這與觀察樣品五指峰圖（見圖3）得出的結論一致。樣品結晶度存在較大差別可能與斜硅石的含量有關，前人研究發(fā)現(xiàn)，斜硅石含量越高，石英質玉石的結晶度越低[9]。在研究樣品中也發(fā)現(xiàn)了此規(guī)律，通過XRD圖譜可知（見圖2b），樣品GH-01在d=4.44、3.11、2.88處的峰強均比GH-02大，說明其斜硅石的含量相對較高，但其α-石英結晶度低于樣品GH-02，表現(xiàn)出斜硅石含量越高α-石英結晶度越低的規(guī)律。該現(xiàn)象可能是由于斜硅石的存在使α-石英晶體結構的有序度降低，進而破壞其結晶的完整性，導致結晶度下降。此外，斜硅石含量越高，α-石英結晶度下降得越明顯。

結合手標本觀察（見圖1），α-石英結晶度最低的樣品GH-01呈現(xiàn)出了透明-半透明的外觀，而透明度較低的樣品GH-02（半透明-微透明）和GH-03（不透明）中α-石英結晶度均較高。以上分析結果表明，α-石英結晶度與硅化木樣品透明度呈負相關，即結晶度越高，透明度越低。

（二）礦物有序度與透明度的關系。為了探究礦物有序度與硅化木透明度的關系，采用拉曼光譜儀對三樣品進行測試，結果見圖4、圖5。

圖4 硅化木樣品中石英的拉曼光譜圖

圖5 樣品中石英464cm-1特征譜峰的半高寬圖

本次測試結果顯示（見圖4），樣品GH-01的拉曼峰主要集中在 128cm-1、207cm-1、263cm-1、354cm-1、464cm-1、501cm-1、797cm-1處；樣品GH-02具有七個明顯的拉曼峰，分別為127cm-1、207cm-1、264cm-1、354cm-1、464cm-1、501cm-1、697cm-1；樣品 GH-03的主要拉曼峰位于 128cm-1、207cm-1、263cm-1、354cm-1、464 cm-1、697cm-1、798cm-1處，由此可見三樣品的拉曼峰與α-石英標準拉曼峰基本吻合，說明其主要礦物組成均為α-石英，這與X射線粉晶衍射儀的研究結果一致。其中697cm-1、797cm-1、798cm-1處的峰強均較弱，為Si-O-Si對稱伸縮振動所產生；300-600cm-1范圍內的拉曼峰是由Si-O-Si彎曲伸縮振動所致，其中464cm-1是α-石英的特征拉曼峰，且該峰強度最大；127cm-1、128cm-1處的峰強均較強，歸屬于Si-O低頻峰帶；207cm-1處可能是由[SiO4]的旋轉或平移振動產生的拉曼峰[10]。

此外，樣品GH-01和GH-02在501cm-1處均出現(xiàn)明顯譜峰，而樣品GH-03未出現(xiàn)。前人研究認為[11-13]，該譜峰是斜硅石的特征峰，由于斜硅石是石英的同質多像變體，因此其拉曼峰多與α-石英相重疊而難以辨別，但由于斜硅石晶胞出現(xiàn)了微小扭曲使其晶體結構對稱性降低，導致其在501cm-1附近出現(xiàn)獨有的Si-O-Si四元環(huán)對稱伸縮振動峰，且該峰位強度較大容易識別，因此常用于判斷斜硅石是否存在的依據(jù)。本次研究樣品GH-01和GH-02均出現(xiàn)了501cm-1特征譜峰，說明兩樣品均含有斜硅石，并且該譜峰的強度存在差異，其中樣品GH-01的峰強比GH-02大（見圖4），說明其斜硅石含量相對較高，該含量差別可能與斜硅石的形成環(huán)境有關。

前人研究發(fā)現(xiàn)，α-石英464cm-1特征譜峰的半高寬值（FWHM）是指示其有序度高低的有效指標，該值越小，說明α-石英有序度越高[14-15]。本次研究將α-石英464cm-1處的特征譜峰進行高斯擬合得到了該峰的半高寬值（FWHM），見圖5。結果顯示，樣品GH-01、GH-02、GH-03的FWHM值分別為10.93、9.48、8.05，對比可知樣品GH-01的FWHM值最大，說明該樣品的α-石英有序度最低。三樣品的α-石英有序度從高到低依次為GH-03、GH-02、GH-01，說明其α-石英的結構存在差異，反映了三者結晶時溫度、壓力、PH值、SiO2含量等條件的不同。此外，樣品GH-03中α-石英的半高寬值明顯低于樣品GH-01，分析其原因，可能是樣品GH-03在形成后期受到強烈的重結晶作用，使其α-石英的有序度增高，半高寬值降低，并且有序度越高說明α-石英結晶過程中降溫越緩慢。

結合觀察樣品手標本（見圖1）可知，樣品GH-01的透明度在所有樣品中最高，其α-石英的有序度最低，而對于透明度最低的樣品GH-03來說，其α-石英的有序度最高?？梢缘贸鼋Y論，α-石英有序度與硅化木的透明度緊密相聯(lián)，即有序度越低，透明度越高。

（三）顯微結構與透明度的關系。本文將硅化木樣品光薄片放在偏光顯微鏡下觀察（見圖6），研究其顯微結構特征與透明度之間的關系。

圖6 硅化木單偏光和正交偏光顯微鏡照片

樣品GH-01中α-石英含量在90%左右，其特征是在單偏光下呈灰白色，正交偏光下具一級黃白、灰白、藍白干涉色；大多數(shù)呈它形或不規(guī)則形態(tài)，無法分清其輪廓；顆粒細小，粒度小于5μm，且粒間接觸緊密，無明顯邊界（見圖6a）。此外，在正交偏光鏡下還觀察到放射狀集合體（見圖6b）及扇形消光現(xiàn)象，推測可能是玉髓。綜合以上特征得出樣品GH-01的微觀結構為隱晶質放射狀結構。

樣品GH-02中α-石英的含量約為95%，顆粒以不規(guī)則形態(tài)充填在木質纖維素、導管及薄壁細胞結構中（見圖6c），粒度在5-10μm之間，大小均勻，無解理，粒間接觸緊密（見圖6d），樣品總體呈顯晶質細粒結構。

樣品GH-03主要礦物為α-石英，含量高達90%以上，單偏光下可見少量黃褐色物質分布其中（見圖6e黑色箭頭處），推測是樹木殘余的有機質。樣品為顯晶質中粒結構，其中α-石英自形程度較好，以半自形居多，主要呈不規(guī)則次棱角狀，具正低突起；粒度大小不均，在50-100μm不等；顆粒間隙較大，邊界彎曲明顯；大部分顆粒表面光潔，少量可見碎裂紋（見圖6f）,推測可能與硅化木形成期間受到的應力作用有關。

通過與手標本外觀特征（見圖1）對比發(fā)現(xiàn)，硅化木透明度受α-石英粒度大小、形態(tài)和顆粒接觸緊密程度的共同影響，通常透明度沿顯晶質中粒結構→顯晶質細粒結構→隱晶質放射狀結構的序列遞增。其中顯晶質中粒結構的透明度最差，這與其α-石英的粒度和粒間間隙均較大有關，當光線通過硅化木內部的粒間間隙時，界面將會發(fā)生復雜的反射、漫反射以及折射,使進入內部的光能受到較多損耗導致透明度變差。因此在多數(shù)情況下當α-石英粒度大于50μm時則不透明，但是有些硅化木雖然α-石英粒度大，由于顆粒接觸緊密，微裂隙、包體和雜質少，也可以比較透明。此外，當α-石英顆粒大小均勻、結合緊密、粒間間隙極小時，其粒度越?。ㄍǔＰ∮?0μm），則硅化木的透明度越好；當α-石英顆粒大小懸殊、排列混亂、粒間邊界清晰、粒間孔隙比較大時，硅化木通常不透明。研究發(fā)現(xiàn)，有些硅化木α-石英粒度大小、形態(tài)和顆粒接觸緊密程度多樣化，在偏光顯微鏡下同時呈現(xiàn)出不同的結構，即在同一塊薄片中，可能是某些地方以顯晶質粒狀結構為主，某些地方則以隱晶質放射狀結構為主，或者是兩種結構呈鑲嵌接觸方式，其顯微結構的多變直接導致了局部透明度的變化，使其透明度不一致。

三、結論

通過對硅化木樣品的礦物學特征分析得出以下結論。

（一）硅化木的組成礦物比較單一，主要礦物成分均為α-石英，部分含有斜硅石，并且含量存在差異，這可能與其形成環(huán)境有關。

（二）α-石英結晶度與硅化木的透明度密切相關。通過XRD定量分析表明兩者呈負相關，表現(xiàn)為結晶度越高，透明度越低。此外，斜硅石含量越高α-石英結晶度越低，可能是由于斜硅石的存在使α-石英晶體結構的有序度降低，進而破壞其結晶的完整性，導致結晶度下降。

（三）α-石英有序度與硅化木的透明度緊密相聯(lián)。通過拉曼光譜分析可知有序度越低，透明度越高。此外，三樣品α-石英464cm-1處特征譜峰的半高寬值差別較大，反映其結晶時溫度、壓力、PH值、SiO2含量等條件的不同。

（四）顯微結構對透明度影響較大。通常透明度沿顯晶質中粒結構→顯晶質細粒結構→隱晶質放射狀結構的序列遞增。此外，有些硅化木同時呈現(xiàn)出不同的顯微結構，導致了局部透明度的變化，使其透明度不一致。