1064激光拉曼光谱仪在地质学中的应用

 

1064激光拉曼光谱仪在地质学中的应用

 

显微拉曼光谱仪是一种新型的微区分析仪器，其高精度、方便、快捷、无损的特点，为地质学中新技术、新方法的应用提供了最先进的手段。相比于532nm&785nm激光波长激发，美国BaySpec公司1064nm激发波长显微拉曼光谱仪具有极致抑制荧光的效果，不断扩大了拉曼光谱在地质学中的应用范围。

1、拉曼光谱应用于流体包裹体分析

对流体包裹体的分析测试是拉曼光谱在地质学中应用最集中的领域。流体包裹体是矿物结晶生长过程中，被捕获在矿物晶格内、至今仍与宿主矿物有着相的界限、并没有与外界发生物质交换的那一部分古流体。流体包裹体作为一个独立的地球化学体系，可以真实反映成岩成矿时的流体性质（包括温度、压力、PH值等）。激光显微拉曼光谱可在微区原位对与成岩、成矿、成油、成气相关的古流体包裹体进行快速、无损的分析。其具体应用主要是对流体包裹体的成分进行定性或定量分析，此外，还可获得地层埋藏时的温度、压力等参数。

拉曼光谱分析避免了样品污染，可用于分析矿物中的气相、液相、水溶液相和固体包裹体成分，特别是为单个有机包裹体成分的研究提供了简单可靠的测试手段，有助于不同期次、不同世代、不同成因包裹体的地球化学研究。在气相组分方面可用于对群体包裹体气相成分进行定性分析，也可对单个包裹体的CH4、CO2、H2S、N2等气体成分进行定量分析。在室温和低温条件下可以对盐水合物、气水合物及具有拉曼活性的子矿物、石墨及含碳物质进行定性和半定量分析。

实验样品的包裹体中存在气液两相的CO2，通过高分辨率显微拉曼光谱仪可以通过微小差异的拉曼位移对其进行有效的区分与识别。

2、拉曼光谱应用于矿物快速识别及结构分析

拉曼光谱是一种“指纹谱”，在完善的各种矿物拉曼“指纹谱”数据库的基础上，能够快速有效确定各种岩石的矿物组成。拉曼光谱成像技术可以将岩石薄片中各种矿物成分完美呈现在研究者的眼前，为研究岩石中矿物组成与分布等特征提供可靠的依据。便携式拉曼光谱的产生使拉曼光谱仪从实验室到达了野外环境，为地质家在野外勘探中快速确定岩石矿物组成提供一种新的方法。

通过显微拉曼成像技术对14mm×14mm的碳酸盐矿物抛光区域进行大范围拉曼成像，能够有效识别出各种矿物。

辽宁博物馆获得的蛇纹石样品，扣除背景干扰，使用1064nm激发波长拉曼光谱仪对其多个位置进行光谱采集。可以看到在1064nm激发波长下，可以较为快速的得到拉曼光谱信号，且能较好的抑制荧光干扰。

同时，激光拉曼显微光谱可以对岩石中矿物的微区结构，如相变、分子的有序无序占位、位错、蜕晶化及重结晶等过程进行研究分析。分析结果可以应用于高压－超高压变质带中的标志矿物识别，以及矿物结构随温度变化的识别及规律研究。金红石和锐钛矿的成分都为TiO2，但是它们的晶型不同，通过拉曼光谱特征峰的不同能很好的识别金红石与锐钛矿。

3、拉曼光谱应用于高演化有机质成熟度分析

在石油地质和煤岩学中，镜质体反射率（Ro%）是反映烃源岩和煤演化程度比较通用的标尺性指标，但是，由于其在高－过成熟样品中非均质性强且数据的变化范围较大，往往会影响样品热演化程度的准确评价。拉曼光谱在测定天然固体有机质拉曼散射中出现的D峰和G峰信息，能够反映出地质样品中含碳固体有机质的热演化程度。拉曼位移在1250~1450cm-1左右的D带（通常称无序带），为双共振拉曼散射模式，主要反映晶格结构缺陷和芳环片层的空位信息；拉曼位移在1500~1605cm-1左右的G带（通常称有序带），主要反映C=C键的切向伸缩振动。拉曼位移2500~2700cm-1位二阶倍频峰G’带。

通过光谱中D峰和G峰位移的峰间距（G-D）和峰高比（Dh/Gh）在样品热演化中的变化规律及其与镜质体反射率（Ro%）的关系，可以根据大量分析对比研究资料建立与镜质组反射率对应的拉曼参数计算反射率（Ro％）的公式，并推广应用于其他天然碳化固体有机质样品的拉曼分析结果的反射率计算，实际解决一些用传统光学方法难以测定微粒、微量样品或矿物包裹体中固体有机质镜质组反射率的困难，以及高演化阶段的煤和固体沥青等光学非均质性强，难以准确地评价有机质的热演化程度等有关问题。

4、天然与人工宝石鉴别

珠宝玉石由于其独特的保值价值、信仰价值、感情价值、艺术价值及收藏价值，市场上各种以次充好，以假替代等各种造假手段都应运而生，这给此类宝石的传统鉴定带来了较大的困难。显微共焦拉曼光谱仪在宝石鉴定领域内成了强有力，甚至是最终的鉴别手段。显微拉曼光谱鉴定技术作为一种无损、准确、快速的宝石鉴定方法，与传统的宝石矿物鉴定方法相比具有以下一些优势：

• 显微拉曼光谱仪可以对宝石进行微区分析，不仅能够鉴定出宝石矿物的主要矿物成分，而且还可以探测到矿物中微量、超微量杂质、包裹体和人工掺杂物的成分和结构，从而可以鉴定是否为天然宝石；

• 对鉴定出宝石矿物中的气体或熔体包裹体非常有效，可以明确宝石的质地、种属和产地等信息；

• 非接触无损伤的特性使其对原料宝石和刻面宝石测试都有较好的适用；

• 拉曼光谱技术可以与其他分析检测手段配合，提供更加准确可靠的鉴定结果。

含蜡翡翠A货是天然翡翠按照传统工艺加工的最后阶段有一过蜡工序，要将翡翠浸渍于熔融的川蜡之中，使得天然翡翠表面有一些残留的川蜡。翡翠B货是翡翠经过强酸漂白和注胶处理的一种产品，B货翡翠必然或多或少地总会有环氧树脂存在。川蜡和环氧树脂都很容易产生荧光，采用1064mn激发光源能极致抑制荧光的产生，能够准确、快速、有效的鉴定含蜡翡翠A货和翡翠B货。

红宝石属于刚玉族，O-Al-O对应的417cm-1为最强振动峰，具有重要的鉴定意义。合成红宝石的拉曼波峰与天然红宝石的拉曼特征波峰一样为417cm-1，但是合成红宝石的半高宽都要小于天然红宝石的半高宽。这主要是由于自然界结晶生长的天然红宝石经过了漫长的地质年代，要比人工合成红宝石的结晶时间长得多。在结晶过程中，地质的温度和压强条件有一个缓变的过程，键长、键角一般比人工合成红宝石的键长、键角的变化要大，反映在拉曼谱上它的峰值振动频谱的范围要大，即峰值的半高宽要大。同时对417cm-1谱峰进行洛伦兹线型曲线拟合收集其半高宽值，天然红宝石的拟合半高宽均值为4.8101，而合成红宝石的拟合半高宽均值为4.3710。