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    技術文章

    顯微拉曼在地質和礦物研究的應用

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    地質和礦物學研究對于理解地球內部結構、地質過程和礦產資源的形成具有重要意義。傳統的地質礦物學研究方法主要依賴于巖石和礦物的顯微觀察和化學測試,但這些方法往往受限于樣品制備和鑒別的復雜性。顯微拉曼技術具有非破壞性、高靈敏度和高分辨率的特點,可以提供詳細的化學信息和結構特征,為地質和礦物學研究提供新的視角和方法。

    巖石鑒定

    顯微拉曼技術通過分析巖石樣品中的拉曼散射光譜,可以獲得巖石中不同礦物的指紋信息。每種礦物在拉曼光譜上表現出不同的特征峰,通過與已知礦物的光譜數據庫進行比對,可以準確鑒定樣品中的礦物組成。這種非破壞性的鑒定方法避免了對樣品的損傷,提供了更可靠和準確的鑒定結果。

    在沖擊變質作用的Coconino砂巖中二氧化硅的同質多象的研究中,利用顯微拉曼技術檢測原始砂巖制成的拋光薄片樣品。樣品中主要含有石英和硅玻璃,而且還含有高達25%的柯石英和0.5%的斯石英(氧化硅的二種高壓同質多象變體)。石英可根據在465cm-1的強拉曼線將其立即鑒定出來??率⒌募毩>w,根據它在521,425,355和271cm-1初的特征拉曼線易于在原位置初鑒定出來。

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    圖1 石英的拉曼光譜

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    圖2 柯石英的拉曼光譜

    礦物分析

    顯微拉曼技術還可用于礦物的化學組成和結構特征分析。各種不同礦物在拉曼光譜上呈現出不同的振動模式和拉曼峰,這些峰譜可以用于礦物的定性和定量分析。通過建立拉曼峰與成分含量的關系,可以實現對主量元素和微量元素的準確分析,為礦物學研究和礦產資源評估提供重要信息。

    祖母綠是一種含鈹鋁的硅酸鹽,為一種綠柱石亞種,化學成分為Be3Al2 [Si6O18],具有濃艷的綠色,屬高檔寶石,圖3是祖母綠的一個典型的拉曼光譜,四個強的特征峰分別是1068cm-1,684cm-1,395cm-1,320cm-1。圖4是自稱清代朝珠祖母綠的一個樣品檢測結果。結果顯示該樣品主要成分是SiO2。

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    圖3 祖母綠的拉曼光譜

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    圖4 送檢樣品的拉曼光譜

    地質過程研究

    顯微拉曼技術還可以用于地質過程的研究。巖石和礦物中的微觀結構和組分分布反映了地質過程的演化和沉積環境的變化。顯微拉曼技術能夠提供高空間分辨率的成像功能,可以觀察巖石中不同礦物的分布、包裹體的形態和礦物之間的相互作用。通過對拉曼成像圖像的分析,可以了解巖石的物理性質、變質程度和巖石變形的特征。

    2022年,以劉建軍研究員為首的中國科學院國家天文臺研究團隊開展了嫦娥五號在地球磁層屏蔽和相對較高溫度下對月球水的原位光譜觀測,并對嫦娥五號帶回的月球土壤樣本進行光譜檢測。在該項工作中,研究人員測試了月球土壤樣品中磷灰石的拋光切片中的不同磷灰石晶粒的拉曼光譜。從下圖中可以看出,大多數磷灰石晶粒在959.3-961.7cm-1附近出現拉曼峰,這是由P-O鍵的基本振動引起的;受OH、F和Cl相對比例的影響,氟磷灰石、氯磷灰石和羥基磷灰石的拉曼振動模式分別出現在965cm-1、959cm-1和962cm-1處,推斷隨著磷灰石晶粒中OH比例的增加,拉曼峰向962cm-1移動。月球樣品中磷灰石晶粒的拉曼峰位置范圍表明,Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)是其可能的化學組成。

    圖5 嫦娥五號月球土壤樣品中磷灰石的拋光切片中不同磷灰石晶粒的拉曼光譜

    結論

    顯微拉曼技術作為一種非破壞性、高靈敏度的分析手段,在地質和礦物學研究中具有廣泛的應用前景。巖石鑒定、礦物分析和地質過程研究都可以受益于這一技術的發展。未來,隨著顯微拉曼技術的不斷進步,我們有望更深入地了解地球的內部結構和地質演化過程,為地質和礦物學領域的研究帶來更多的突破和發展。



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