阴极发光地质学基础

《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。常见的激活剂元素与阴极发光颜色如下表1-1所示。表1-1常见激活剂与阴极发光颜色激活剂名称元素化合价阴极发光颜色含激活剂矿物备注锰铁钛铬钴饵铅铈铥钬钍Mn2+Mn4+Fe2+Fe3+Ti4+Cr3+CoEr3+Pb2+Ce3+Tm3+Ho3+Th橙红色，橙黄色绿，黄绿色绿黄色红色绿色红色天蓝色蓝色红色蓝色蓝色绿色黄色橙黄色蓝紫色蓝色绿色橙黄磷酸盐矿物斜长石石榴石刚玉长石钾长石，斜长石长石石英石榴石萤石萤石萤石方解石方解石磷灰石萤石萤石低浓度0.1%含Th的独居石不发光此外，尚有汞（Hg）、银（Ag）、铟（In）、锗（Ge）等元素或离子可做激活剂。通过上表可以看出，矿物的种类不同，激活剂的种类不同，激活剂种类相同但化合价不同，都会导致最终矿物发光的情况各有差异。即使是同种矿物、激活剂、化合价，但激活剂含量不同，其阴极发光也不相同，如：方解石中Mn2+含量逐渐加大时，方解石发光土黄色—亮黄色。猝灭剂猝灭是使矿物发光减弱以致消失的物理作用。猝灭按物理因素分为自猝灭（激活剂含量升高，矿物阴极发光强度增大，但若含量超过某一固定值一般为1%，发光衰退或消失）敏化剂猝灭（敏化剂受激发后所获能量并不直接辐射发光，而是将能量再传递给激活剂，使激活剂发光，如果其能量不足以激化激活剂时，发光猝灭）电荷迁移带猝灭“纯”晶体猝灭（不含杂质、晶格完整的晶体不发生受激辐射，如纯方解石、纯石英等）过激发猝灭(能量过高的电子束破坏样品，改变其物理化学状态，造成过激猝灭)。原子中的价电子从激发态跃迁到基态时不发射光子，而是将能量传递给晶格，从而使晶格发热而消耗掉能量，这种杂质原子称为猝灭剂，如方解石中的Fe2+。能级寿命能及寿命也就是电子在激发态停留的时间，若发生辐射跃迁的几率为A，发生无辐射跃迁的几率为B，则能及寿命t（s）可表示为：t=1/A+B。显然，B越小，无辐射跃迁所占比例减小，反之，无辐射跃迁比例增大，发光减弱。三、常见矿物的阴极发光特征目前人们已经对多种矿物的阴极发光特征进行了总结，尤其是对石英、方解石、白云石、磷灰石等研究较为深入。Nikel（1978）总结了80余种矿物的发光特征，现仅介绍几种主要的和常见矿物的阴极发光特征。1．石英石英的阴极发光有3中类型：1）紫色发光石英，色谱较宽，以蓝、蓝紫、紫、红紫、红为主。2）褐色发光石英3)不发光石英。一般来说，紫色发光石英多为产出于火山岩、深成岩和接触变质岩的高温β-石英；褐色发光石英多产出于高级区域的变质岩以及产出于低级变质岩中的α-石英；不发光石英即为自生石英。图1.23种类型石英阴极发光光谱2．长石长石的阴极发光颜色很多，有蓝、红、绿、褐、不发光。一般来说，碱性长石以天蓝色居多：斜长石则颜色较多，除呈天蓝色外，钙长石多呈红色发光，更长石具绿色发光，自生长石不发光。长石的阴极发光颜色与所含激活剂有关，常见激活剂有Ti4+、Fe3+、Fe2+、Mn2+及一些稀土元素，如Eu2+、Dy3+、Sm3+、Ce3+等，使长石发蓝、红、绿和黄色光，Eu2+发深蓝色，Ce3+发蓝—绿光，Sm3+发深红色。3.碳酸盐矿物在此仅介绍具有造岩意义的4种矿物：方解石、白云石、菱镁矿、菱铁矿。1）方解石常见阴极发光颜色为橙色、橙黄色、橙红色，少数方解石为褐色、蓝色和绿色以及不发光，往往低镁方解石呈鲜橙色，高镁方解石为暗红色，阴极发光波长为580-595nm。2）白云石白云石常见阴极发光颜色为紫色。玫红色、橘红色、红褐色等，也可见蓝色和绿色。不同成因的白云石发光明显不同，王英华等（1991）认为，埋藏白云岩发光多为亮红、玫瑰红、亮橙色，准同生白云岩多呈中等黄、红、橙红、蓝、绿登色，与混合水有关的白云石呈明亮蓝色，淡水白云石发光昏暗，大理岩中白云石为淡黄、淡红色，白云石的发光波长为597-675nm。3）菱镁矿红、玫瑰色发光，有时具蓝色和亮蓝色发光，波长665-677nm。4）菱铁矿阴极发光为橙色。四、阴极发光仪与薄片制备1．阴极发光仪阴极发光是一种发光形式，用来激发并产生这种光的仪器称为阴极发光仪，将阴极发光仪安装在显微镜上，称为阴极发光显微镜，其主要由显微镜、电子枪、样品室、高压控制装置及真空系统组成，我们通常就是采用这种显微镜进行矿物的阴极发光特征鉴定。样品室是组装在载物台上的真空室，高压控制系统与真空系统则分别为电子束与样品室提空供电电源与真空环境，阴极发光显微镜工作时，主要由电子枪向存放于样品室中的薄片发射电子束，使样品发光。阴极发光(Ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ)全称阴极射线致发光,也叫电子激发光,简称ＣＬ。目前,阴极发光仪有光学显微镜阴极发光(ＯＭ-ＣＬ)和扫描电镜阴极发光(ＳＥＭ-ＣＬ)两类。ＯＭ-ＣＬ显示了矿物在阴极射线下发出的颜色;虽然ＳＥＭ-ＣＬ得到的图像为灰度图,但由于其较高的分辨率,因此能清楚地显示石英内部的各种显微结构.2.样品制备阴极发光样品可以是薄片、光片或是粘结的松散颗粒。磨片是需注意以下几点：1）薄片不使用盖片2）两面抛光，减少漫射3）薄片使用环氧树脂类粘结，如502胶4）薄片大小最好为50x25mm，这样样品盘可同时容纳3个薄片，节约抽真空时间5）薄片厚度最好为0.03-0.05mm，薄片稍厚有利于导热，防止被破坏四、阴极发光在矿物学中的应用1.鉴定矿物由于每种矿物都具有特定的阴极发光颜色，因此可以根据阴极发光颜色鉴定矿物。2.研究矿物中的微量元素一些微量元素以类质同向进入晶格，导致矿物发光。如：磷灰石若含有Mn2+则发黄光，含有Eu3+和Eu2+则发紫色或蓝色光；长石含Ti4+时为天蓝色，Fe3+时红色，Fe2+是绿色。3.研究矿物成因同组矿物因形成时物化条件的差异，而具有不同的结构、构造特征以及微量元素组合，导致其发光性具一定的差异，利用发光性差异研究矿物成因常能取得较好的效果。如：在阴极发光下，成岩自生石英和长石不发光；产于区域变质岩的低温石英（300~573℃）具褐色发光，产于火山岩或深成接触变质岩的高温石英（＞573℃）具紫色或蓝色发光。4.研究矿物的蚀变程度利用阴极发光恢复矿物交代、重结晶和新生变形前的结构，判断蚀变程度。例：生物化石经强烈白云石交代作用，变为洁净白云石，原生物硬体结构一般无法辨认，但通过发光研究可将其形态和部分结构加以复原。5.沉积矿产资源评价发光研究可对储矿空间的形成、演化及矿产在空间的分布规律作出分析，对储矿空间的填集程度和填充序次等亦可提供评价依据。例：对与生物控矿作用相关的矿体而言，恢复生物结构、重建生物礁体可直接指导勘探或成矿预测；某些矿石矿物及伴生矿物如白钨矿和萤石的特殊发光性等则多可作为识别和圈定矿化范围的依据。