掃描電鏡下地質礦物的物相分析

孫 浩

（西北大學，陜西 西安 710069）

碳質球粒地質礦物小于降落球粒礦物的5%，屬于稀少的礦物類型，但對其研究中占有相當重要的地位。一般說來，碳質球粒礦物屬于高度非平衡類型，是太陽系中最原始的物質，未受礦物主體作用過程的影響，記錄了形成部位的星云條件、物理過程及形成事件的相對時標等[1]。A科學家對Allende中的各種組分球粒、基質、富鈣鋁包體（CAIs）和蠕蟲狀橄欖石集合體（球粒s）等均進行了廣泛的研究。Allende中富鈣鋁難熔包體（CAIs）的發現已成為高溫凝聚順序的范例[2]，但它們在太陽星云和礦石母體內經歷了復雜的熱歷史和化學歷史。

橄欖石是球粒礦石中含量最高的礦物，它們可能是星云直接冷凝的產物，保存了早期星云環境的信息，富橄欖石的集合體是我們研究早期太陽星云形成和演化最好的樣品[3]。CO與CM及CV類型碳質球粒礦石中包含的球粒都有共同的特征，其大部分球粒直徑多在0.1mm～0.3mm左右。

有人認為CO與CV型一些化學特征上也有著某相似之處，但兩者在一些巖相結構與礦物組分上也存在著明顯的差異性，CO碳質球粒礦石物相中的球粒排列比較緊密，但CV中的球粒排列相對的比較稀疏CO和CV型從礦物成因與化學性質上進行分析，它們的母體可能都是形成于太陽系早期的同一區域，但各自的形成條件卻不相同，但它們之間又存在著一些族群與血緣關系。CO碳質球粒礦石中的球粒及CAIs常含有一些次生蝕變礦物，類似于CV碳質球粒礦石中含的蝕變礦物（如：方鈉石、石霞石、含鐵橄欖石，鈣鐵輝石、鈣鐵榴石及鈦鐵礦等）。

研究表明，從CM→Cv→CO水化作用由強至弱，礦石中Fe0/（Fe0+Mg0）比值依次減少，其形成時的氧逸度由高至低，其形成區在太陽星云中的位置距離太陽由遠及近，星云的壓力和溫度由低至高。含水層狀硅酸鹽的形成利于富集重氧同位素。從CO-CV-CM，含水層狀硅酸鹽礦物的數量增加[4]。

1 地質礦物樣品分析方法

本次研究的樣品取自Allende礦石，在制樣時通過切割機將樣品切成一個薄片，通過環氧樹脂將切好的樣品固定于玻璃片之上，待樹脂膠完全冷卻固結后，用不同粒徑的剛玉研磨粉從粗到細依次對樣品分析面進行打磨處理，然后利用金剛石拋光劑（0.5μm～1μm）進行拋光處理，直至樣品表面平整光亮，符合后續實驗要求。制好的樣品放入盛有無水乙醇的燒杯中進行超聲波清洗，以清除樣品表面的拋光劑殘留，并隨后放入干燥箱保存。

由于礦石大多都屬于不導電樣品，在進行掃描電子顯微鏡和電子探針分析之前，通過Cressington 108Auto+108C全自動鍍碳儀對樣品進行導電處理，防止樣品表面由于電荷積累而影響成像效果，鍍碳膜約5nm。前處理后的礦物樣品放置于SEM/FIB雙束掃描電鏡中進行 觀 察 分 析（SEM,Scanning Electron Microscope；FIB,Focus Ion Beam），分析時采用加速電壓為15kV，電子槍束流為0.8nA～3.2nA，工作距離7mm。掃描電鏡配置有能譜探頭（EDS，Energy Dispersive Spectrometer），在觀察樣品時，在背散射探頭（BSE，Back Scatter Detector）下對樣品中的礦物相進行初步分析與判斷，襯度差異較小的礦物，通過能譜進行半定量成分分析，加以輔助確定礦物相。

2 實驗結果

2.1 總體物相學特征

本次研究的CV碳質球粒礦石，薄片的粒徑為16mm～18mm（圖1），球粒的平均豐度高45vol%，球粒平均半徑為1mm，主要為橄欖石顆粒集合體和單斜輝石構成球粒，球粒中通常也夾雜著一些棕色的非晶態物質。球粒主要為3種球粒，POP斑狀橄欖石輝石球粒（69%）PP斑狀輝石球粒（18%）PO斑狀橄欖石球粒（8%），有些球粒邊緣破碎，有蝕變現象。

在薄片中共出現富鈣鋁包體很少。基質豐度為40vol%，基質顏色比較黑暗，基質中夾雜的橄欖石和輝石是高溫熔變組合物，極少量的鐵鎳金屬與硫化物多呈斑點顆粒狀存在。

Allende碳質球粒礦石基質主要礦物為：不定形硅酸鹽物質，橄欖石，低鈣輝石，普通輝石，磁鐵礦，磁黃鐵礦，鐵尖晶石，鐵鎳礦，鈉長石，三氧化鐵。

富鈣鋁包體（CAI），包含尖晶石、黃長石、鈉長石、黑鋁鈣石等礦物，基質主要為橄欖石顆粒，輝石及斜長石，金屬和硫化物約占該球粒礦石的5%，其中一些在球粒內部，一些分布在基質。

圖1 地質礦物BSE圖像

2.2 Allende礦石中的一個大球粒

在掃描電鏡下我們觀察到樣品中有一個粒徑為3mm的球粒，根據能譜數據顯示此球粒為POP斑狀橄欖石輝石球粒（圖2）。

分析出此球粒主要礦物為鐵橄欖石質橄欖石，Ca-Fe輝石。并且球粒中含有Na，可能為球粒經受后期改造被蝕變產生霞石。

圖2 球粒掃描電鏡下地質礦物的拼圖

3 討論

地質礦物樣品經歷過不同程度的水化蝕變，球粒中的鐵橄欖石、霞石和層狀硅酸鹽等均是常見的水化蝕變產物。對于蝕變反應發生在星云還是母體中，一直存在爭議。最近的研究，如Daive等（2004）根據GRV 020025（CM2）中球粒、基質、CAI都普遍含有層狀硅酸鹽，認為其蝕變反應可能發生在母體中，但根據其礦物化學特征的研究，認為此次研究球粒的蝕變可能發生在星云中。此次研究的球粒與以前同樣屬于Allende中的球粒對比研究后發現，此次研究的球粒具有獨特的巖石學和礦物化學特征（大量霞石、鐵橄欖石的出現和較均一的化學組成等）。如果蝕變反應發生在母體中，由于球粒具有相似的物理化學性質和相似的外部條件，那么所有的球粒都應遭受到相似的蝕變作用，就會形成相似的蝕變產物和具有相似的礦物化學組成等，不會造成如此大的差異。所以，認為這球粒的蝕變可能發生在星云中。蝕變過程包括水化蝕變和熱蝕變。球粒凝聚形成后，由于周圍星云條件的改變，星云中的水與球粒中原生的鈣長石、黃長石等作用，形成典型的水化蝕變產物——霞石，還造成橄欖石中Fe含量的增加。球粒可能還經歷了熱蝕變作用的過程，使得球粒中的礦物化學成分具有較均一的特征。同樣，如果熱蝕變發生在母體中，不會只造成部分球粒具有較均一的礦物化學特征。而以前研究的球粒與此次研究的球粒在礦物學和礦物化學成分上的差異，可能是由于它們所處的星云環境不同，從而遭受到不同強度的蝕變作用所造成。