碳酸盐岩常用分析技术和方法综述

吴章志，胡 静，何 塞

(成都理工大学 能源学院,四川 成都 610059)

碳酸盐岩常用分析技术和方法综述

吴章志，胡 静，何 塞

(成都理工大学 能源学院,四川 成都 610059)

随着科技的发展，对于碳酸盐岩的研究技术和方法也多种多样。本文介绍了几种目前常用的分析技术和方法，包括：x射线衍射分析、阴极发光分析、电子探针分析、稀土元素分析、稳定同位素分析等。其中重点介绍了x射线衍射分析、阴极发光分析、电子探针分析这三种技术的原理，应用及其各自的优缺点。针对其缺点提出了一些解决办法，即将多种技术结合起来综合对碳酸盐岩进行分析。这样可以确保分析结果的准确性和可靠性。对于稀土元素分析和稳定同位素分析，本文简要阐述了其原理及应用。

碳酸盐岩；阴极发光；x射线衍射分析；电子探针

碳酸盐岩常用分析技术和方法包括碳酸盐岩分析测试技术和碳酸盐岩实验研究方法。碳酸盐岩分析测试技术包括：x射线衍射分析、阴极发光分析、电子显微镜、电子探针分析、热分析、电感耦合等离子体原子发射光谱等。这里重点介绍常用的几种方法。而碳酸盐岩实验研究方法包括：稀土元素分析、同位素分析、微量元素分析等。

1 碳酸盐岩分析测试技术

1.1 X射线衍射分析

1.1.1 原理

x射线是一种波长非常短的电磁波，它具有非常强的穿透能力，它是由于高能量离子流轰击物质或者物质受到高能电磁辐射作业产生的。当x射线照射到物质上的时候，会产生各种现象，如：荧光散射、相干散射、非相干散射等。在x射线衍射分析中利用了相干散射，散射的x射线与入射的x射线波长相等但是方向却不同。这样一来，当由于相干散射使得晶体中某个方向上各个原子散射的x射线相互叠加并且加强从而产生了衍射现象。而x射线衍射分析正是利用了这一点，即x射线射入矿物晶格中时会产生衍射现象，但是不同的矿物，其晶格构造各不相同，因此会产生不同的衍射图谱[1]。x射线衍射分析就是根据这个原理并且由衍射峰值计算出晶面间距，从而对矿物的种类以及粗略的估算出某样品中的各种矿物的百分比含量。

1.1.2 应用

X射线衍射分析是目前鉴定矿物的最重要的方法之一。其在沉积学中应用广泛，概括起来包括以下几点：①对粘土矿物进行定量以及定性分析；②可计算混层比(可用于划分成岩阶段，估算地温，判断生油门限等)。③对全岩进行x射线定性定量分析(测定各种非粘土矿物)。

1.1.3 优缺点

x衍射分析具有以下优点：①x衍射分析不会对样品产生破坏，也不会产生任何化学变化导致样品种类属性改变，如使用薄片鉴定的话，磨制薄片过程中需要水，或者需要染色剂染色，这样可能会有样品与水或者染色剂反应导致薄片鉴定出现问题，而x衍射分析就不会出现类似情况；②可以快速的对样品中的矿物进行准确可靠的鉴定；③此技术对于同质多象以及类质同象矿物能够进行有效的区分判断。比如化学成分都为CaCO3的文石和方解石就可以利用x衍射分析作出正确的判断。

当然x衍射分析也有其缺陷：①由于x射线衍射分析属于宏观分析，对于低含量的矿物不敏感，从而无法作出准确的鉴定。②无法对一些非晶态物质作出分析。前面原理已说到是利用x射线入射到晶体产生不同图谱。③对于矿物产状无法准确分析。

1.2 阴极发光分析

1.2.1 原理

阴极发光是由阴极射线管发出的电子束对样品进行轰击产生二次电子、x射线等，即矿物在吸收外加能量后会因为能量增加而处于不稳定状态，然后释放出能量，能量可以是光的形式表现，即产生发光现象。而阴极发光显微镜就是在普通显微镜基础上增加了这种装置。一般情况下晶格规则的纯理想晶体是不会发光的，当有某种杂质混入时就有可能发光。

1.2.2 应用

阴极发光分析这一技术已被广泛运用到许多行业，在对碳酸盐岩的研究中更是很早就利用阴极发光显微镜进行分析。阴极发光显微镜结合常规薄片分析、能谱分析、x衍射分析、电子探针分析等技术可以非常方便、准确的对岩石进行分析。

阴极发光显微镜可用于鉴别碳酸盐岩中常见的几种矿物如：白云石、铁白云石、方解石、铁方解石等。这几种矿物虽然可以用染色的方法来进行区分但是，染色过程中可能会有人为因素的干扰。如果和阴极发光显微镜结合的话可以更准确的得出结论。

碳酸盐岩中发光物质主要是锰、锶等微量元素，而二价铁是不发光的元素，即铁含量越多发光越暗。所以可以根据其发光强度来大致估计其铁含量多少。但是一般情况阴极发光显微镜是无法对各种矿物成分含量作出精确的统计，只能作出定性的判断。常见碳酸盐岩发光颜色见表1。

表1 常见碳酸盐矿物发光颜色表(据陈丽华等，1991年)

阴极发光分析还可以用于对胶结物世代及生长环带的研究。由于在晶体生长过程中温度、压力、成岩环境等不同，会有不同数量的不同成分的离子加入到正在生长的矿物晶格中。从而使得这些矿物在阴极发光下表现出环带结构。因此可以通过对环带结构的研究来了解岩石成岩过程中的成岩作用，以及成岩环境等[2]。

阴极发光分析还可以用于恢复原岩结构，如：通过阴极发光分析可以一定程度上对岩石的白云石化和去白云石化进行研究，此外，通过阴极发光显微镜还可以观察到颗粒被交代后残留的鲕粒结构、生物结构等。

阴极发光分析还可以区分出次生孔隙是溶蚀形成的还是次生加大形成的。溶蚀形成的孔隙周围可能还有残留的未溶蚀完的胶结物，它们在阴极发光下都是可以很明显的观察到的。

1.3 电子探针分析

电子探针分析是一种应用较早的技术，并且随着科学技术的发展，电子探针分析已经运用在许多领域，在碳酸盐岩研究中也是一种比较常用的方法之一。

1.3.1 原理

将电子探针分析与阴极发光分析结合起来可以有效的对矿物种类及其含量进行检测，矿物发光的原因是其含有激活剂，而其发光的强度则取决于其激活剂含量的多少及种类[3]。因此可以利用这两种技术的结合来对其机理进行研究。

1.3.2 应用

电子探针分析可以用来测定地质体的年龄，目前应用比较成熟的是用铀、钍、铅对锆石 、独居石的测年。并且还可以对矿物的来源以及演化进行分析。

将电子探针分析与x射线衍射分析结合起来可以对各种粘土矿物进行准确的鉴定。之前介绍的x射线衍射分析对于粘土矿物的鉴定是非常有效的方法。不过其缺点也显而易见就是敏感性差，对于低含量的矿物无法作出有效的精确的判断。而且对于矿物的产状心态无法作出分析。所以可以利用电子探针分析与x衍射分析相互结合的方法来更有效的对粘土矿物进行检测。

电子探针分析也可以用来检测成分含量来鉴定矿物，通过对不同矿物中不同化学元素的类型和含量进行分析来确定矿物的种类。

2 碳酸盐岩实验研究方法

2.1 稀土元素分析

稀土元素是指化学元素周期表中镧系元素(从La到Lu):La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，以及与其相关的元素-Y和Sc。稀土元素(REE)具有十分相似的物理和化学性质，但是其离子半径和化学行为有些细微的差别，这就是造成许多成岩过程中REE发生分馏的内在因素。在地球化学中，正是利用稀土元素的分馏特征来讨论一套岩石的成因，研究其成岩过程。稀土元素在在沉积岩中的含量非常低，因此需要使用一些特殊的手段分析。

碳酸盐岩中的文石以及方解石等一般能够保存其形成时的沉积环境的信息，而其中包含的稀土元素可以被用来研究当时的氧化还原条件[4]。因此对于碳酸盐岩成因、成矿作用的研究有非常重要的意义。

2.2 稳定同位素分析

所谓同位素是指的原子核拥有相同的质子数，不同的中子数的原子。而稳定同位素是指的目前技术下无法观察到其自行衰变的同位素。稳定同位素研究已经被广泛的用于解决各类地质问题。其中最重要的一环就是碳氧同位素研究，碳酸盐岩碳氧同位素测定方法最先是1950年McMree提出的磷酸法，将样品和磷酸反应生成的CO2送入质谱仪进行分析[5]。碳酸盐岩碳氧同位素测定目前已成为碳酸盐岩研究中比较成熟的一项技术方法。在海洋中碳氧同位素含量比较稳定，并且很好能够保留在同期沉积物中，而稳定同位素随着时间的变化而呈现有规律的变化，因此可以利用这个原理来进行地层划分对比。

此外，常见的对碳酸盐岩稳定同位素研究还包括对锶同位素的研究，锶同位素也是海水中一种重要的元素，锶同位素的地球化学特征可以用于对碳酸盐岩的成因分析以及流体来源以及沉积环境的研究[6]。目前锶同位素的研究已经被广泛运用于沉积学、层序地层学、矿床学等诸多领域中。

3 讨论与思考

不同的方法都有不同的优缺点，如：x射线衍射分析对低含量矿物无法准确的鉴定，这是就可以将电子探针分析和x射线衍射分析结合起来综合对其进行准确的判断。所以利用多种技术微观宏观相互结合来对碳酸盐岩进行研究是最好的方案。不仅如此，在结合多种方法分析结果的基础上还可以将碳酸盐岩实验研究的结果结合进来(即把碳酸盐岩地球化学分析结合进来)，这样可以让我们更方便的更准确的对碳酸盐岩的成因、沉积环境、成岩作用、物源等进行研究。

[1] 蒲海波.用X射线衍射分析鉴定粘土矿物的方法[J].勘察科学技术,2011(5):12-14.

[2] 干炳松.阴极发光显微镜在碳酸盐岩研究中的应用及进展[J].地质科技情报,1992,11(4):92-96.

[3] 王 鑫,演 阳.电子探针的基本原理及应用[J].商情,2014(46):204-205.

[4] 陈琳莹,李崇瑛,陈多福.碳酸盐岩中碳酸盐矿物稀土元素分析方法进展[J].矿物岩石地球化学通报,2012,31(2):178-183.

[5] McCrea J M,On the isotopic chemistry of carbonates and apaleotemperature scale[J].The journal of chemical physics,1950,18(6):849-857.

[6] 刘容秀,林腾,覃娴瑟.试论碳酸盐岩锶同位素的应用与研究进展[J]南方金属,2011(2):2-11.

(本文文献格式：吴章志，胡 静，何 塞.碳酸盐岩常用分析技术和方法综述[J].山东化工，2016，45(12)：43-45.)

The Overview of the Techniques of Carbonatite Which Are Commonly Used

Wu Zhangzhi,Hu Jing,He Sai

(Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

with the development of science and technology. The technique of the study of the carbonatite is manifold. This article present some techniques which are commonly used,include: x-ray diffraction analysis, cathodoluminescence microscope, electron probe microanalysis, rare earth elements analysis, stable isotopic analysis,etc.this article emphatically introduces x-ray diffraction analysis, cathodoluminescence microscope, electron probe microanalysis.not only their principles but also their apply and relative merits,and present some solutions that is combining various technique to analysis carbonatite.In this way the result are more reliable. this article also present the principles and apply of rare earth elements analysis and stable isotopic analysis.

carbonatite; cathodoluminescence microscope; x-ray diffraction analysis; electron probe microanalysis

2016-04-26

吴章志(1992—)，四川成都人，研究生。

O657

A

1008-021X(2016)12-0043-03