4 測試與分析技術

第四講測試與分析技術鄧軍楊立強

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礦田構造學Outline1、顯微構造2、巖石組構和磁組構3、三維有限應變測量4、構造－巖石物理分析5、構造形變過程中質量平衡6、標型礦物學及溫壓地球化學7、同位素地質學顯微構造及其在礦田

構造研究中的應用一、引言在礦田構造研究中顯微構造主要的任務是研究在構造動力作用下巖石礦物變形相變與元素聚散的規(guī)律研究工作的程序通過對構造巖相成礦帶內變形巖石或礦石結構構造演化特征及其組構的運動學動力學機制的分析，甚至進行原子尺度下變形與成礦跡象的觀測進而確定控礦的構造帶及構造型式恢復其構造應力場演化及元素遷移聚集成礦的過程劃分變形－成礦階段找出礦產富集和分布的規(guī)律因此，顯微構造研究可以提供構造應力活動導致元素遷移聚散的實驗證據(jù)，是將構造應力場演化與物質運移研究相結合的橋梁，也是動態(tài)成巖成礦理論和構造地球化學新領域研究的根底在研究中盡力引入各種先進的測試技術方法，使之步入定量化，為礦產預測提出量化的實施方案二、巖石變形及斷層巖分類1、塑性變形〔1〕變形形態(tài)變形形態(tài)特征可以定性地恢復應力作用的方式與方向，大致有壓扁或拉長構造，柱狀礦物彎曲，片狀礦物柔曲和旋轉構造等石榴石內包體呈“S〞或反‘S〞形，角閃石呈雪球狀等等(2)光性特征①波狀消光、變形紋及變形帶②扭折③亞顆粒構造④變形雙晶⑤應力沙鐘構造2、脆性變形表現(xiàn)為在礦物顆粒內或粒間出現(xiàn)不同力學性質的顯微破裂紋〔張、壓、扭性〕3．脆一韌性變形巖石的脆韌性變形，既可包括脆性的顯微破裂機制，又可有品質塑性變形機制同一礦物相中脆、韌性變形共存不同礦物相及不同尺度內脆、韌性變形共存礦物粒內或粒間的顯微破裂紋和顯微破碎帶都很細小，甚至在透射電鏡下觀測才能發(fā)現(xiàn)4．斷層巖分類按照斷層的變形特征可分為韌性和脆性兩種，同時將斷層巖相應分為兩大系列〔1〕糜棱巖系列糜棱巖是巖石韌性變形的產物，其特征是粒度相對圍巖減小在相對狹窄帶內產出〔有時也寬達數(shù)千米〕發(fā)育強烈的葉理或線理構造在韌性剪切帶中，由邊緣向中心，隨應變量加大，定向構造越發(fā)育，殘斑含量減少，粒度減小，長石解離而絹云母、石英含量增加〔2〕碎裂巖系列三、應變量的測定Ramsay和Huber(1983〕對應變量測量方法曾做系統(tǒng)闡述。在對韌性剪切帶的位移量及擠壓帶的縮短量估算時，首先選定適當?shù)淖冃螛嬙斓臉酥倔w，如螗粒、近等軸的晶粒集合體、等軸晶系礦物等測定它們變形后的軸比，以及S-C組構面理的交角，按照各種適宜的公式來估算總的位移量和縮短量。四、運動方向及應力作用方向確實定1．巖石變形的結構構造分析主要指示運動方向及應力作用方向的顯微構造有：S-C面理構造、云母魚、碎斑系、斜式構造、壓力影〔單斜對稱和斜方對稱〕、不對稱褶皺、眼球構造和扭折等。2．巖石組構和變形亞組構的動力學分析目前常用某些礦物的變形頁理亞組構的型式來確定主壓應力的方位，有以下幾種．〔1〕雙晶頁理的動力學分析將實驗得出的某些礦物的雙晶頁理與主壓應力〔σ1〕間的夾角為某一定值的結果外推自然界，以確定巖石變形期最大主應力方位〔σ1〕。常用礦物有方解石、白云母、透輝及斜長石等．〔2〕變形頁理的動力學分析以石英為例，有銳角法、小圓環(huán)帶法、C1-C2法及箭號法等，用以確定主壓應力〔σ1〕的方位。銳角法：斜方對稱的變形紋極點圖解中，兩個極密部之間所夾鈍角平分線看成是σ1方向。小圓環(huán)帶法：沒有重結晶作用發(fā)生塑性流動石英光軸〔C軸〕圖解，C軸接近σ1方向。有重結晶作用發(fā)生塑性流動的石英光軸圖解中，C軸優(yōu)選方位平行于σ1的點極密部始分散，形成小圓環(huán)帶，開角＜45°。C1-C2法：在有變形紋的石英粒內，將變形紋未變形局部的光軸〔C1〕和變形局部軸〔C2〕分別測定，在吳氏網上投影為一系列大圓小段〔將C1，C2聯(lián)結而成〕，變形部光軸C2接近于σ1方位．箭號法：在發(fā)育有變形紋的石英粒內，將變形紋極點為箭頭，光軸為箭尾的箭號，箭頭指向σ3方向。(3)扭帶的動力學分析如以云母扭帶界面極點的分布型式來確定σ1的方位。(4〕顯微破裂紋極點于σ3方向趨向分散。(5)組構的不對稱性確定剪切運動方向。如方解石和石英的光軸圖解及云母解理極點圖解沿ab面的不對稱性，可以確定剪切運動方向．五、變形顯微構造古應力計金屬物理學家較早地發(fā)現(xiàn)〔Bird等1969,Luton和Sellars1969,Glove：和Sellars1973,Bromley和Sellars1973)，由熱加工而變形的金屬顯微構造說明，重結晶顆粒大小，亞顆粒大小以及位錯密度隨穩(wěn)態(tài)流動應力具有系統(tǒng)變化的函數(shù)關系。Goctzc,Kohlstedt和Durham等(1973,1974,1976,1977〕從高溫變形橄欖石單晶實驗研究結果，指出流動應力與位錯密度之間存在的恒定關系；Post(1973,1977),Mcicie：等(1977)通過實驗證明了橄欖石亞顆粒大小和重結晶顆粒大小都隨流動應力大小而變化；Twiss(1977)從理論上推導出橄欖石和石英亞顆粒大小、重結晶顆粒大小與流動應力之間的函數(shù)關系；Goetze(1978〕以試驗證實了上述理論；Goctzc和Kohlstedt(1977)建立實驗變形尤其大理巖中方解石位錯密度的實驗數(shù)據(jù)。這些實驗研究說明，一定差應力下位錯導致了巖石變形，變形所引起的位錯密度、亞顆粒及顆粒大小是由差應力的量級決定的。將這一定量關系外推到自然界變形巖石的研究中，建立了地質古應力計。五、構造古應力大小估算〔1〕變形巖石顯微構造發(fā)育特征在應力下巖石的變形過程，可以經歷變形、回復及重結晶三個階段。變形：在應力作用卜巖石發(fā)生塑性變形，礦物粒內有大量位錯增殖和堆置．透射電鏡下觀察到大量自由位錯分布，光學顯微鏡下可見波狀消光、變形紋和變形帶等亞構造發(fā)育回復：是指變形晶體回到未變形狀態(tài)的過程。在這過程中，由于位錯攀移作用，位錯密度和變形儲存能降低，形成了低角度邊界組成的亞顆粒構造．光學顯微鏡下見到，在一個顆粒內可以劃分出無數(shù)消光稍有不同的區(qū)域，即許多亞顆粒，它們互相迭置分布，也稱之為多邊形化構造。在透射電鏡下觀察，亞顆粒邊界是由位錯壁所組成，它是回復作用的重要標志。鑒定動態(tài)恢復成因的亞顆粒的標志是：〔1〕常見滑動多邊形化產生的不均勻發(fā)育的亞顆粒，位錯不一定具有均勻的間距；〔2〕光學顯微鏡下常見光性應變現(xiàn)象，如波狀消光、變形帶及其他變形頁理1．變形顯微構造古應力計的根本原理動態(tài)重結晶：是指回復以后剩余的儲存應變能消除的過程，為動態(tài)下發(fā)生的重結晶．初始重結晶以應變晶體內無應變晶粒緊密接觸的形成和生長為特征。動態(tài)重結晶形成的機制有兩種：一是在低溫低應力下，新顆粒邊界由亞顆粒邊界的旋轉所形成，稱亞顆粒旋轉重結晶。這是由于：連續(xù)變形加大，橫切亞顆粒邊界的方位偏離也隨之增大，當方位偏離角接近15°時，邊界能到達最大值，而形成顆粒邊界。亞顆粒常呈迭波狀分布。另一種情況是在高溫高壓力下，新顆粒邊界由原來顆粒邊界遷移形成。顆粒邊界遷移的驅動力為邊界兩側位錯密度的差異。隨變形加大，鋸齒狀邊界的外凸局部被割斷成新顆粒。動態(tài)重結晶有以下幾個特點可與靜態(tài)重結晶相區(qū)別：1〕動態(tài)重結品顆粒首先在原顆粒內的高應變區(qū)出現(xiàn)，如變形帶、扭帶和變形雙晶的界面上，以及拉長顆粒的邊界上2〕晶粒內常殘留有應變現(xiàn)象，如波狀消光、變形帶及亞顆粒等3)顆粒的形態(tài)大多呈壓扁狀或拉長狀4)顆粒邊界形態(tài)復雜，從原始狀態(tài)向平衡態(tài)過渡可出現(xiàn)三種形態(tài)破壞了的原始邊界阻止邊界，可呈不規(guī)那么狀、鋸齒狀及縫合線狀平衡邊界，常具三結點結構5)巖石一般具有明顯的優(yōu)選方位6〕顆粒大小不取決于溫度變化而取決于應力大小〔2〕位錯密度、亞顆粒大小及重結晶顆粒大小與差應力之間的關系只有在巖石穩(wěn)態(tài)流動條件下產生的變形顯微構造才能做為古應力計．巖石的穩(wěn)態(tài)流動是指應變速率為常數(shù)，變形過程中應力保持不變的狀態(tài)．此時變形導致位錯產生的速率和由于回復導致位錯消失的速率到達平衡．常用的古應力計算經驗公式見表2.10.2,2．變形顯微構造的觀測技術對變形顯微構造的觀測，日前常用的方法有化學浸蝕法、綴飾法、透射電鏡法及蘭格照相法本文只介紹前三種方法?；瘜W浸蝕法和綴飾法操作簡單易行且省錢省時，在普通光學顯微鏡下即可觀察，便于將變形顯微構造的光性特征與位錯組態(tài)特征相比照。但在位錯密度較大的情況下，容易出現(xiàn)位錯的迭置，造成位錯密度統(tǒng)計的困難。透射電鏡法對深入研究變形巖石內位錯組態(tài)演化是非常必要的，但因放大倍數(shù)太大，位錯密度所代表的范圍較小。同時由于儀器及制樣設備條件所限，費用較大，故在許多地區(qū)目前開展該試驗困難較大。(1)化學浸蝕法將品體浸于適當?shù)幕瘜W試劑中，在位錯出露點處產生浸蝕坑。這是因為在位錯線附近比遠離位錯處晶休儲存的彈性能密度要高，晶體的化學儲存能也高，因此位錯顯現(xiàn)點的溶解速率也較快。在選擇浸蝕劑和浸蝕時間時需注意：〔1〕浸蝕劑決定了晶體外表的浸蝕和拋光的優(yōu)選面，對同一礦物的不同晶面浸蝕有時需選用不同的試劑；(2)礦物的浸蝕率取決于結晶學方位，故結晶學方位對于浸蝕坑的形態(tài)和深度有很大的影響；〔3〕同一礦物用同一浸蝕劑，隨浸蝕時間變化而所揭示的顯微構造類型也有所變化．表列出常見幾種礦物所用的浸蝕劑。樣品制備樣品經拋光制成光薄片或光片，要嚴格潔凈無刻痕然后用石蠟將玻璃部位封住再選用適當?shù)脑噭┑稳斯馄膾伖馔獗?，或將光片或光薄片浸人裝有浸蝕劑的容器中．浸蝕時間據(jù)觀測現(xiàn)象的要求而定，浸蝕要在室溫下進行．浸蝕后的拋光面用20%合成檸檬酸溶液煮沸5分鐘，或浸泡半小時然后再將該片放在流動的蒸餾水中沖洗5分鐘烘干，把拋光面鍍鋁膜或金膜，置人掃描電鏡下或反光鏡下觀察測定有關數(shù)據(jù)．常用的浸蝕劑見表〔2〕透射電鏡法透射電子顯微鏡是直接觀測變形晶體顯微構造十分有效的儀器，具有很高的分辨率。當前它在變形顯微構造領域內的應用已是相當普遍，用它來觀察晶格位錯通常要在100kv電壓電子加速運動條件下進行，聯(lián)合波長λ=0.037埃，布格角θ約在10-3，范圍內?？梢杂秒娮友苌湫褪絹泶_定人射電子束與薄品箔的結晶方位，同時可運用衍襯技術來獲得線缺陷〔位錯〕及面缺陷的圖像，將各種位錯組態(tài)類型清楚地顯示出來。這些圖象主要賴于運用晶體電子衍射理論根底上的缺陷反差理論來論述和解釋。樣品制備：晶體薄箔的厚度取決于礦物的吸收系數(shù)和電子能．在100kv電壓下，晶體薄箔的厚度為1000-3000埃，假設用1Mev或3Mev電子束的HVEM，晶體薄箔的厚度約lμm。使樣品減薄的方法有劈開、化學減薄和離子轟擊減薄。目前在巖石礦物研究范圍內常用離子轟擊方法來減薄。樣品進行離子減薄之前，先把樣品制成很薄的巖片〔不加蓋、載玻片〕，其厚度要小于光學顯微鏡觀測所用的巖片。為防止在離子轟擊時巖片碎裂，應盡量選取成分單一的巖石做分析樣品．且先要在光學顯微鏡下選好有代表性的觀測減薄部位。為使晶體薄箔厚度較均勻，不宜使離子束與樣品外表夾角過大。在透射電鏡下觀察樣品時要迅速?！?〕通過人工加溫氧化方法注入某種帶顏色的質點，在溫度降低時這些質點進入穩(wěn)態(tài)發(fā)生優(yōu)選沉淀，即沿應變能較高的位錯線的位置沉淀下來，使位錯綴飾起來。Kohlstedt等〔1976〕首次在實驗室內利用人工氧化方法綴飾含鐵鎂橄欖石中的位錯構造，使橄欖石中Fe2+在加熱后氧化為Fe3+離子在位錯線上沉淀下來。這種方法可將位錯及亞顆粒綴飾起來。樣品制備選擇變形構造發(fā)育的樣品，拋光后放進高溫爐加熱到900℃，至1-2h〔小時〕．當樣品冷卻到室溫，再將拋光面粘到載玻片上制成光薄片。這種方法簡便易行，可以使三維空間的位錯構造較好地顯現(xiàn)出來．但不是任何礦物都可用此方法，此外由于高溫淬火，回復作用可能改變原巖的位錯構造。因光學顯微鏡放大倍數(shù)所限，只能對位錯密度較低的巖石使用這種方法．六、變形溫度計1．石英組構樣式指示韌性構造巖的變形溫度韌性構造巖中石英的組構具有四種根本形式，它們分別對應于石英晶格的四種重要的滑移方式：(0001)<a>、{1011}<a>,{10101}<a＞和于{10101}<c>，所有其他樣式的組構都是由這四種根本樣式組合而成的．主要滑移系隨溫度的變化而改變，見表和表．可以利用石英的組構樣式及傾轉亞晶界的類型粗略地估計構造巖的變形溫度。2.斜長石變形溫度計1962年Cristie提出斜長石晶休△131-131的間距可做為溫度計使用，并提出了相應的圖．由于△131-131和菱面角都由晶胞值決定，汪訓一將該溫度計移植到斜長石肖鈉雙晶菱切面角(σ)的上〔菱切面角是菱切面與(001)之間的夾角〕．張詡鈞1985年指出菱面角溫度代表斜長石的退變質溫度。1987年他又指出肖鈉雙晶通常是一種次生雙晶，它是應力作用于斜長石晶休而產生的，因此次生肖鈉雙晶菱切面角溫度計是一個變形溫度計。七、構造應力場演化和變形一成礦階段的劃分1．根據(jù)巖石結構構造的演化特征，確定巖石變形歷史．注意不同類型變形之間的迭加關系，成生順序。2．根據(jù)巖石組構迭加型式，確定不同時期構造應力場迭加關系。注意后期變形巖石組構表現(xiàn)較早期變形巖石組構明顯。特別對單斜對稱組構型式進行分解解釋。3．編制構造應力場演化圖。根據(jù)實際測量應力方向及大小，運用計算機編制不同時期的構造應力場圖。4.根據(jù)變形與礦化富集過程的關系，劃分變形一成礦階段．注意巖石變形過程和礦石結構構造演化之間關系，揭示變形與元素遷移聚散的關系．5.變形一成礦階段定年

1.測定變形一成礦不同階段生成的應力礦物的同位素年齡。2．研究礦石礦物在不同變形一成礦階段形貌演變特征，例如黃鐵礦在不同變形一成礦階段形貌不同，因此可以通過對不同形貌黃鐵礦生成的同位素年齡，來確定以上各階段的地質年齡。八、構造動力作用下元素遷移聚散的微觀形變相變機制

1.提出了巖石流動是導致元素活化遷移聚散的重要機制。在構造動力作用下，巖石可以發(fā)生流動〔包括期性流動和碎裂流動〕，并相伴產生相變和有用元素的活化、