4 測(cè)試與分析技術(shù)

第四講測(cè)試與分析技術(shù)鄧軍楊立強(qiáng)

82322301djun@82322175

礦田構(gòu)造學(xué)Outline1、顯微構(gòu)造2、巖石組構(gòu)和磁組構(gòu)3、三維有限應(yīng)變測(cè)量4、構(gòu)造－巖石物理分析5、構(gòu)造形變過(guò)程中質(zhì)量平衡6、標(biāo)型礦物學(xué)及溫壓地球化學(xué)7、同位素地質(zhì)學(xué)顯微構(gòu)造及其在礦田

構(gòu)造研究中的應(yīng)用一、引言在礦田構(gòu)造研究中顯微構(gòu)造主要的任務(wù)是研究在構(gòu)造動(dòng)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(guò)對(duì)構(gòu)造巖相成礦帶內(nèi)變形巖石或礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造演化特征及其組構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的分析，甚至進(jìn)行原子尺度下變形與成礦跡象的觀測(cè)進(jìn)而確定控礦的構(gòu)造帶及構(gòu)造型式恢復(fù)其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化及元素遷移聚集成礦的過(guò)程劃分變形－成礦階段找出礦產(chǎn)富集和分布的規(guī)律因此，顯微構(gòu)造研究可以提供構(gòu)造應(yīng)力活動(dòng)導(dǎo)致元素遷移聚散的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是將構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化與物質(zhì)運(yùn)移研究相結(jié)合的橋梁，也是動(dòng)態(tài)成巖成礦理論和構(gòu)造地球化學(xué)新領(lǐng)域研究的根底在研究中盡力引入各種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)方法，使之步入定量化，為礦產(chǎn)預(yù)測(cè)提出量化的實(shí)施方案二、巖石變形及斷層巖分類(lèi)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(fù)應(yīng)力作用的方式與方向，大致有壓扁或拉長(zhǎng)構(gòu)造，柱狀礦物彎曲，片狀礦物柔曲和旋轉(zhuǎn)構(gòu)造等石榴石內(nèi)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(gòu)造④變形雙晶⑤應(yīng)力沙鐘構(gòu)造2、脆性變形表現(xiàn)為在礦物顆粒內(nèi)或粒間出現(xiàn)不同力學(xué)性質(zhì)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(jī)制，又可有品質(zhì)塑性變形機(jī)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(nèi)脆、韌性變形共存礦物粒內(nèi)或粒間的顯微破裂紋和顯微破碎帶都很細(xì)小，甚至在透射電鏡下觀測(cè)才能發(fā)現(xiàn)4．?dāng)鄬訋r分類(lèi)按照斷層的變形特征可分為韌性和脆性兩種，同時(shí)將斷層巖相應(yīng)分為兩大系列〔1〕糜棱巖系列糜棱巖是巖石韌性變形的產(chǎn)物，其特征是粒度相對(duì)圍巖減小在相對(duì)狹窄帶內(nèi)產(chǎn)出〔有時(shí)也寬達(dá)數(shù)千米〕發(fā)育強(qiáng)烈的葉理或線理構(gòu)造在韌性剪切帶中，由邊緣向中心，隨應(yīng)變量加大，定向構(gòu)造越發(fā)育，殘斑含量減少，粒度減小，長(zhǎng)石解離而絹云母、石英含量增加〔2〕碎裂巖系列三、應(yīng)變量的測(cè)定Ramsay和Huber(1983〕對(duì)應(yīng)變量測(cè)量方法曾做系統(tǒng)闡述。在對(duì)韌性剪切帶的位移量及擠壓帶的縮短量估算時(shí)，首先選定適當(dāng)?shù)淖冃螛?gòu)造的標(biāo)志體，如螗粒、近等軸的晶粒集合體、等軸晶系礦物等測(cè)定它們變形后的軸比，以及S-C組構(gòu)面理的交角，按照各種適宜的公式來(lái)估算總的位移量和縮短量。四、運(yùn)動(dòng)方向及應(yīng)力作用方向確實(shí)定1．巖石變形的結(jié)構(gòu)構(gòu)造分析主要指示運(yùn)動(dòng)方向及應(yīng)力作用方向的顯微構(gòu)造有：S-C面理構(gòu)造、云母魚(yú)、碎斑系、斜式構(gòu)造、壓力影〔單斜對(duì)稱(chēng)和斜方對(duì)稱(chēng)〕、不對(duì)稱(chēng)褶皺、眼球構(gòu)造和扭折等。2．巖石組構(gòu)和變形亞組構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析目前常用某些礦物的變形頁(yè)理亞組構(gòu)的型式來(lái)確定主壓應(yīng)力的方位，有以下幾種．〔1〕雙晶頁(yè)理的動(dòng)力學(xué)分析將實(shí)驗(yàn)得出的某些礦物的雙晶頁(yè)理與主壓應(yīng)力〔σ1〕間的夾角為某一定值的結(jié)果外推自然界，以確定巖石變形期最大主應(yīng)力方位〔σ1〕。常用礦物有方解石、白云母、透輝及斜長(zhǎng)石等．〔2〕變形頁(yè)理的動(dòng)力學(xué)分析以石英為例，有銳角法、小圓環(huán)帶法、C1-C2法及箭號(hào)法等，用以確定主壓應(yīng)力〔σ1〕的方位。銳角法：斜方對(duì)稱(chēng)的變形紋極點(diǎn)圖解中，兩個(gè)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(méi)有重結(jié)晶作用發(fā)生塑性流動(dòng)石英光軸〔C軸〕圖解，C軸接近σ1方向。有重結(jié)晶作用發(fā)生塑性流動(dòng)的石英光軸圖解中，C軸優(yōu)選方位平行于σ1的點(diǎn)極密部始分散，形成小圓環(huán)帶，開(kāi)角＜45°。C1-C2法：在有變形紋的石英粒內(nèi)，將變形紋未變形局部的光軸〔C1〕和變形局部軸〔C2〕分別測(cè)定，在吳氏網(wǎng)上投影為一系列大圓小段〔將C1，C2聯(lián)結(jié)而成〕，變形部光軸C2接近于σ1方位．箭號(hào)法：在發(fā)育有變形紋的石英粒內(nèi)，將變形紋極點(diǎn)為箭頭，光軸為箭尾的箭號(hào)，箭頭指向σ3方向。(3)扭帶的動(dòng)力學(xué)分析如以云母扭帶界面極點(diǎn)的分布型式來(lái)確定σ1的方位。(4〕顯微破裂紋極點(diǎn)于σ3方向趨向分散。(5)組構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性確定剪切運(yùn)動(dòng)方向。如方解石和石英的光軸圖解及云母解理極點(diǎn)圖解沿ab面的不對(duì)稱(chēng)性，可以確定剪切運(yùn)動(dòng)方向．五、變形顯微構(gòu)造古應(yīng)力計(jì)金屬物理學(xué)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(gòu)造說(shuō)明，重結(jié)晶顆粒大小，亞顆粒大小以及位錯(cuò)密度隨穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力具有系統(tǒng)變化的函數(shù)關(guān)系。Goctzc,Kohlstedt和Durham等(1973,1974,1976,1977〕從高溫變形橄欖石單晶實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，指出流動(dòng)應(yīng)力與位錯(cuò)密度之間存在的恒定關(guān)系；Post(1973,1977),Mcicie：等(1977)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了橄欖石亞顆粒大小和重結(jié)晶顆粒大小都隨流動(dòng)應(yīng)力大小而變化；Twiss(1977)從理論上推導(dǎo)出橄欖石和石英亞顆粒大小、重結(jié)晶顆粒大小與流動(dòng)應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系；Goetze(1978〕以試驗(yàn)證實(shí)了上述理論；Goctzc和Kohlstedt(1977)建立實(shí)驗(yàn)變形尤其大理巖中方解石位錯(cuò)密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，一定差應(yīng)力下位錯(cuò)導(dǎo)致了巖石變形，變形所引起的位錯(cuò)密度、亞顆粒及顆粒大小是由差應(yīng)力的量級(jí)決定的。將這一定量關(guān)系外推到自然界變形巖石的研究中，建立了地質(zhì)古應(yīng)力計(jì)。五、構(gòu)造古應(yīng)力大小估算〔1〕變形巖石顯微構(gòu)造發(fā)育特征在應(yīng)力下巖石的變形過(guò)程，可以經(jīng)歷變形、回復(fù)及重結(jié)晶三個(gè)階段。變形：在應(yīng)力作用卜巖石發(fā)生塑性變形，礦物粒內(nèi)有大量位錯(cuò)增殖和堆置．透射電鏡下觀察到大量自由位錯(cuò)分布，光學(xué)顯微鏡下可見(jiàn)波狀消光、變形紋和變形帶等亞構(gòu)造發(fā)育回復(fù)：是指變形晶體回到未變形狀態(tài)的過(guò)程。在這過(guò)程中，由于位錯(cuò)攀移作用，位錯(cuò)密度和變形儲(chǔ)存能降低，形成了低角度邊界組成的亞顆粒構(gòu)造．光學(xué)顯微鏡下見(jiàn)到，在一個(gè)顆粒內(nèi)可以劃分出無(wú)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(chēng)之為多邊形化構(gòu)造。在透射電鏡下觀察，亞顆粒邊界是由位錯(cuò)壁所組成，它是回復(fù)作用的重要標(biāo)志。鑒定動(dòng)態(tài)恢復(fù)成因的亞顆粒的標(biāo)志是：〔1〕常見(jiàn)滑動(dòng)多邊形化產(chǎn)生的不均勻發(fā)育的亞顆粒，位錯(cuò)不一定具有均勻的間距；〔2〕光學(xué)顯微鏡下常見(jiàn)光性應(yīng)變現(xiàn)象，如波狀消光、變形帶及其他變形頁(yè)理1．變形顯微構(gòu)造古應(yīng)力計(jì)的根本原理動(dòng)態(tài)重結(jié)晶：是指回復(fù)以后剩余的儲(chǔ)存應(yīng)變能消除的過(guò)程，為動(dòng)態(tài)下發(fā)生的重結(jié)晶．初始重結(jié)晶以應(yīng)變晶體內(nèi)無(wú)應(yīng)變晶粒緊密接觸的形成和生長(zhǎng)為特征。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶形成的機(jī)制有兩種：一是在低溫低應(yīng)力下，新顆粒邊界由亞顆粒邊界的旋轉(zhuǎn)所形成，稱(chēng)亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)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(dāng)方位偏離角接近15°時(shí)，邊界能到達(dá)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(lái)顆粒邊界遷移形成。顆粒邊界遷移的驅(qū)動(dòng)力為邊界兩側(cè)位錯(cuò)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(dòng)態(tài)重結(jié)晶有以下幾個(gè)特點(diǎn)可與靜態(tài)重結(jié)晶相區(qū)別：1〕動(dòng)態(tài)重結(jié)品顆粒首先在原顆粒內(nèi)的高應(yīng)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(zhǎng)顆粒的邊界上2〕晶粒內(nèi)常殘留有應(yīng)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(zhǎng)狀4)顆粒邊界形態(tài)復(fù)雜，從原始狀態(tài)向平衡態(tài)過(guò)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(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(yīng)力大小〔2〕位錯(cuò)密度、亞顆粒大小及重結(jié)晶顆粒大小與差應(yīng)力之間的關(guān)系只有在巖石穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下產(chǎn)生的變形顯微構(gòu)造才能做為古應(yīng)力計(jì)．巖石的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)是指應(yīng)變速率為常數(shù)，變形過(guò)程中應(yīng)力保持不變的狀態(tài)．此時(shí)變形導(dǎo)致位錯(cuò)產(chǎn)生的速率和由于回復(fù)導(dǎo)致位錯(cuò)消失的速率到達(dá)平衡．常用的古應(yīng)力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)表2.10.2,2．變形顯微構(gòu)造的觀測(cè)技術(shù)對(duì)變形顯微構(gòu)造的觀測(cè)，日前常用的方法有化學(xué)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(xué)浸蝕法和綴飾法操作簡(jiǎn)單易行且省錢(qián)省時(shí)，在普通光學(xué)顯微鏡下即可觀察，便于將變形顯微構(gòu)造的光性特征與位錯(cuò)組態(tài)特征相比照。但在位錯(cuò)密度較大的情況下，容易出現(xiàn)位錯(cuò)的迭置，造成位錯(cuò)密度統(tǒng)計(jì)的困難。透射電鏡法對(duì)深入研究變形巖石內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)演化是非常必要的，但因放大倍數(shù)太大，位錯(cuò)密度所代表的范圍較小。同時(shí)由于儀器及制樣設(shè)備條件所限，費(fèi)用較大，故在許多地區(qū)目前開(kāi)展該試驗(yàn)困難較大。(1)化學(xué)浸蝕法將品體浸于適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑中，在位錯(cuò)出露點(diǎn)處產(chǎn)生浸蝕坑。這是因?yàn)樵谖诲e(cuò)線附近比遠(yuǎn)離位錯(cuò)處晶休儲(chǔ)存的彈性能密度要高，晶體的化學(xué)儲(chǔ)存能也高，因此位錯(cuò)顯現(xiàn)點(diǎn)的溶解速率也較快。在選擇浸蝕劑和浸蝕時(shí)間時(shí)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(duì)同一礦物的不同晶面浸蝕有時(shí)需選用不同的試劑；(2)礦物的浸蝕率取決于結(jié)晶學(xué)方位，故結(jié)晶學(xué)方位對(duì)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(shí)間變化而所揭示的顯微構(gòu)造類(lèi)型也有所變化．表列出常見(jiàn)幾種礦物所用的浸蝕劑。樣品制備樣品經(jīng)拋光制成光薄片或光片，要嚴(yán)格潔凈無(wú)刻痕然后用石蠟將玻璃部位封住再選用適當(dāng)?shù)脑噭┑稳斯馄膾伖馔獗?，或?qū)⒐馄蚬獗∑搜b有浸蝕劑的容器中．浸蝕時(shí)間據(jù)觀測(cè)現(xiàn)象的要求而定，浸蝕要在室溫下進(jìn)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(shí)然后再將該片放在流動(dòng)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(cè)定有關(guān)數(shù)據(jù)．常用的浸蝕劑見(jiàn)表〔2〕透射電鏡法透射電子顯微鏡是直接觀測(cè)變形晶體顯微構(gòu)造十分有效的儀器，具有很高的分辨率。當(dāng)前它在變形顯微構(gòu)造領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已是相當(dāng)普遍，用它來(lái)觀察晶格位錯(cuò)通常要在100kv電壓電子加速運(yùn)動(dòng)條件下進(jìn)行，聯(lián)合波長(zhǎng)λ=0.037埃，布格角θ約在10-3，范圍內(nèi)。可以用電子衍射型式來(lái)確定人射電子束與薄品箔的結(jié)晶方位，同時(shí)可運(yùn)用衍襯技術(shù)來(lái)獲得線缺陷〔位錯(cuò)〕及面缺陷的圖像，將各種位錯(cuò)組態(tài)類(lèi)型清楚地顯示出來(lái)。這些圖象主要賴(lài)于運(yùn)用晶體電子衍射理論根底上的缺陷反差理論來(lái)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(shè)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(kāi)、化學(xué)減薄和離子轟擊減薄。目前在巖石礦物研究范圍內(nèi)常用離子轟擊方法來(lái)減薄。樣品進(jìn)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(xué)顯微鏡觀測(cè)所用的巖片。為防止在離子轟擊時(shí)巖片碎裂，應(yīng)盡量選取成分單一的巖石做分析樣品．且先要在光學(xué)顯微鏡下選好有代表性的觀測(cè)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(guò)大。在透射電鏡下觀察樣品時(shí)要迅速?！?〕通過(guò)人工加溫氧化方法注入某種帶顏色的質(zhì)點(diǎn)，在溫度降低時(shí)這些質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)發(fā)生優(yōu)選沉淀，即沿應(yīng)變能較高的位錯(cuò)線的位置沉淀下來(lái)，使位錯(cuò)綴飾起來(lái)。Kohlstedt等〔1976〕首次在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用人工氧化方法綴飾含鐵鎂橄欖石中的位錯(cuò)構(gòu)造，使橄欖石中Fe2+在加熱后氧化為Fe3+離子在位錯(cuò)線上沉淀下來(lái)。這種方法可將位錯(cuò)及亞顆粒綴飾起來(lái)。樣品制備選擇變形構(gòu)造發(fā)育的樣品，拋光后放進(jìn)高溫爐加熱到900℃，至1-2h〔小時(shí)〕．當(dāng)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(jiǎn)便易行，可以使三維空間的位錯(cuò)構(gòu)造較好地顯現(xiàn)出來(lái)．但不是任何礦物都可用此方法，此外由于高溫淬火，回復(fù)作用可能改變?cè)瓗r的位錯(cuò)構(gòu)造。因光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)所限，只能對(duì)位錯(cuò)密度較低的巖石使用這種方法．六、變形溫度計(jì)1．石英組構(gòu)樣式指示韌性構(gòu)造巖的變形溫度韌性構(gòu)造巖中石英的組構(gòu)具有四種根本形式，它們分別對(duì)應(yīng)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(gòu)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(jiàn)表和表．可以利用石英的組構(gòu)樣式及傾轉(zhuǎn)亞晶界的類(lèi)型粗略地估計(jì)構(gòu)造巖的變形溫度。2.斜長(zhǎng)石變形溫度計(jì)1962年Cristie提出斜長(zhǎng)石晶休△131-131的間距可做為溫度計(jì)使用，并提出了相應(yīng)的圖．由于△131-131和菱面角都由晶胞值決定，汪訓(xùn)一將該溫度計(jì)移植到斜長(zhǎng)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?jiān)傗x1985年指出菱面角溫度代表斜長(zhǎng)石的退變質(zhì)溫度。1987年他又指出肖鈉雙晶通常是一種次生雙晶，它是應(yīng)力作用于斜長(zhǎng)石晶休而產(chǎn)生的，因此次生肖鈉雙晶菱切面角溫度計(jì)是一個(gè)變形溫度計(jì)。七、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化和變形一成礦階段的劃分1．根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造的演化特征，確定巖石變形歷史．注意不同類(lèi)型變形之間的迭加關(guān)系，成生順序。2．根據(jù)巖石組構(gòu)迭加型式，確定不同時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)迭加關(guān)系。注意后期變形巖石組構(gòu)表現(xiàn)較早期變形巖石組構(gòu)明顯。特別對(duì)單斜對(duì)稱(chēng)組構(gòu)型式進(jìn)行分解解釋。3．編制構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化圖。根據(jù)實(shí)際測(cè)量應(yīng)力方向及大小，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編制不同時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)圖。4.根據(jù)變形與礦化富集過(guò)程的關(guān)系，劃分變形一成礦階段．注意巖石變形過(guò)程和礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造演化之間關(guān)系，揭示變形與元素遷移聚散的關(guān)系．5.變形一成礦階段定年

1.測(cè)定變形一成礦不同階段生成的應(yīng)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(guò)對(duì)不同形貌黃鐵礦生成的同位素年齡，來(lái)確定以上各階段的地質(zhì)年齡。八、構(gòu)造動(dòng)力作用下元素遷移聚散的微觀形變相變機(jī)制

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