扫描电镜下地质矿物的物相分析

孙 浩

（西北大学，陕西 西安 710069）

碳质球粒地质矿物小于降落球粒矿物的5%，属于稀少的矿物类型，但对其研究中占有相当重要的地位。一般说来，碳质球粒矿物属于高度非平衡类型，是太阳系中最原始的物质，未受矿物主体作用过程的影响，记录了形成部位的星云条件、物理过程及形成事件的相对时标等[1]。A科学家对Allende中的各种组分球粒、基质、富钙铝包体（CAIs）和蠕虫状橄榄石集合体（球粒s）等均进行了广泛的研究。Allende中富钙铝难熔包体（CAIs）的发现已成为高温凝聚顺序的范例[2]，但它们在太阳星云和矿石母体内经历了复杂的热历史和化学历史。

橄榄石是球粒矿石中含量最高的矿物，它们可能是星云直接冷凝的产物，保存了早期星云环境的信息，富橄榄石的集合体是我们研究早期太阳星云形成和演化最好的样品[3]。CO与CM及CV类型碳质球粒矿石中包含的球粒都有共同的特征，其大部分球粒直径多在0.1mm～0.3mm左右。

有人认为CO与CV型一些化学特征上也有着某相似之处，但两者在一些岩相结构与矿物组分上也存在着明显的差异性，CO碳质球粒矿石物相中的球粒排列比较紧密，但CV中的球粒排列相对的比较稀疏CO和CV型从矿物成因与化学性质上进行分析，它们的母体可能都是形成于太阳系早期的同一区域，但各自的形成条件却不相同，但它们之间又存在着一些族群与血缘关系。CO碳质球粒矿石中的球粒及CAIs常含有一些次生蚀变矿物，类似于CV碳质球粒矿石中含的蚀变矿物（如：方钠石、石霞石、含铁橄榄石，钙铁辉石、钙铁榴石及钛铁矿等）。

研究表明，从CM→Cv→CO水化作用由强至弱，矿石中Fe0/（Fe0+Mg0）比值依次减少，其形成时的氧逸度由高至低，其形成区在太阳星云中的位置距离太阳由远及近，星云的压力和温度由低至高。含水层状硅酸盐的形成利于富集重氧同位素。从CO-CV-CM，含水层状硅酸盐矿物的数量增加[4]。

1 地质矿物样品分析方法

本次研究的样品取自Allende矿石，在制样时通过切割机将样品切成一个薄片，通过环氧树脂将切好的样品固定于玻璃片之上，待树脂胶完全冷却固结后，用不同粒径的刚玉研磨粉从粗到细依次对样品分析面进行打磨处理，然后利用金刚石抛光剂（0.5μm～1μm）进行抛光处理，直至样品表面平整光亮，符合后续实验要求。制好的样品放入盛有无水乙醇的烧杯中进行超声波清洗，以清除样品表面的抛光剂残留，并随后放入干燥箱保存。

由于矿石大多都属于不导电样品，在进行扫描电子显微镜和电子探针分析之前，通过Cressington 108Auto+108C全自动镀碳仪对样品进行导电处理，防止样品表面由于电荷积累而影响成像效果，镀碳膜约5nm。前处理后的矿物样品放置于SEM/FIB双束扫描电镜中进行 观 察 分 析（SEM,Scanning Electron Microscope；FIB,Focus Ion Beam），分析时采用加速电压为15kV，电子枪束流为0.8nA～3.2nA，工作距离7mm。扫描电镜配置有能谱探头（EDS，Energy Dispersive Spectrometer），在观察样品时，在背散射探头（BSE，Back Scatter Detector）下对样品中的矿物相进行初步分析与判断，衬度差异较小的矿物，通过能谱进行半定量成分分析，加以辅助确定矿物相。

2 实验结果

2.1 总体物相学特征

本次研究的CV碳质球粒矿石，薄片的粒径为16mm～18mm（图1），球粒的平均丰度高45vol%，球粒平均半径为1mm，主要为橄榄石颗粒集合体和单斜辉石构成球粒，球粒中通常也夹杂着一些棕色的非晶态物质。球粒主要为3种球粒，POP斑状橄榄石辉石球粒（69%）PP斑状辉石球粒（18%）PO斑状橄榄石球粒（8%），有些球粒边缘破碎，有蚀变现象。

在薄片中共出现富钙铝包体很少。基质丰度为40vol%，基质颜色比较黑暗，基质中夹杂的橄榄石和辉石是高温熔变组合物，极少量的铁镍金属与硫化物多呈斑点颗粒状存在。

Allende碳质球粒矿石基质主要矿物为：不定形硅酸盐物质，橄榄石，低钙辉石，普通辉石，磁铁矿，磁黄铁矿，铁尖晶石，铁镍矿，钠长石，三氧化铁。

富钙铝包体（CAI），包含尖晶石、黄长石、钠长石、黑铝钙石等矿物，基质主要为橄榄石颗粒，辉石及斜长石，金属和硫化物约占该球粒矿石的5%，其中一些在球粒内部，一些分布在基质。

图1 地质矿物BSE图像

2.2 Allende矿石中的一个大球粒

在扫描电镜下我们观察到样品中有一个粒径为3mm的球粒，根据能谱数据显示此球粒为POP斑状橄榄石辉石球粒（图2）。

分析出此球粒主要矿物为铁橄榄石质橄榄石，Ca-Fe辉石。并且球粒中含有Na，可能为球粒经受后期改造被蚀变产生霞石。

图2 球粒扫描电镜下地质矿物的拼图

3 讨论

地质矿物样品经历过不同程度的水化蚀变，球粒中的铁橄榄石、霞石和层状硅酸盐等均是常见的水化蚀变产物。对于蚀变反应发生在星云还是母体中，一直存在争议。最近的研究，如Daive等（2004）根据GRV 020025（CM2）中球粒、基质、CAI都普遍含有层状硅酸盐，认为其蚀变反应可能发生在母体中，但根据其矿物化学特征的研究，认为此次研究球粒的蚀变可能发生在星云中。此次研究的球粒与以前同样属于Allende中的球粒对比研究后发现，此次研究的球粒具有独特的岩石学和矿物化学特征（大量霞石、铁橄榄石的出现和较均一的化学组成等）。如果蚀变反应发生在母体中，由于球粒具有相似的物理化学性质和相似的外部条件，那么所有的球粒都应遭受到相似的蚀变作用，就会形成相似的蚀变产物和具有相似的矿物化学组成等，不会造成如此大的差异。所以，认为这球粒的蚀变可能发生在星云中。蚀变过程包括水化蚀变和热蚀变。球粒凝聚形成后，由于周围星云条件的改变，星云中的水与球粒中原生的钙长石、黄长石等作用，形成典型的水化蚀变产物——霞石，还造成橄榄石中Fe含量的增加。球粒可能还经历了热蚀变作用的过程，使得球粒中的矿物化学成分具有较均一的特征。同样，如果热蚀变发生在母体中，不会只造成部分球粒具有较均一的矿物化学特征。而以前研究的球粒与此次研究的球粒在矿物学和矿物化学成分上的差异，可能是由于它们所处的星云环境不同，从而遭受到不同强度的蚀变作用所造成。