对岩石矿物的荧光特性与测定方法探讨

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【摘　要】随着现代岩石矿物测定技术的飞速发展，其荧光特性得到了广泛关注。尤其是通过近年的研究发展，某些岩石矿物的荧光特性与石油等相关物体的荧光颜色相同，为得到研究证实。本文针对岩石矿物的荧光特性与测定方法进行探讨。以期通过本文的阐述提升我们对岩石矿物荧光特性的认识，促进岩石测定技术发展。

【关键词】岩石矿物质；荧光特性；鉴定方法

1.岩石矿物质的荧光特性

矿物是在地壳中由各种地质作用形成的，以自然化合物为主的自然物体，是组成岩石的基本单位。岩石矿物的荧光性是指紫外光照射下的发光性。

不同的矿物具有不同的化学成分，不同的矿物晶体在紫外线照射下具有不同的荧光颜色，如方解石呈浅黄色等。下面仅以金刚石原子晶体为例说明如下：

金刚石是由碳原子组成的无色透明的矿物晶体，按固体能带理论，当碳原子结合成金刚石晶体时，原子呈四面体排列，2S轨道上的一个电子激发到2P轨道上，以2S和2P组成能带，n个碳原子有4n个能级，一半成键，一半反键，中间隔着禁带，4n个电子正好填满下面2n个能级成满带，上面2n个能级空着，形成空带。成键轨道能量低，而反键轨道能量高，因而中间禁带宽(理论计算约5.2eV)。当用白光照射时，由于其能量低，不能使电子从满带跃迁到空带上去，也就是它不吸收可见光，所以呈现无色而且透明度好，而当用波长短、能量高的紫外线照射时，电子受到激发，由满带上的能级轨道跃迁到空带的能级轨道上，到达空带能级轨道上的电子极不稳定，且保留时间极短，并由空带能级轨道返回满带能级轨道，在返回时以光的形式释放能量，而这种光的颜色就是其所具有的荧光颜色。

2.岩石矿物质荧光的色度参数

色度分析的基础是渡谱测量。根据实测波谱中波长与相对强度的对应关系，采用色度学的原理和计算方法得出有关色度参数。色度参数包括三原色刺激值(X、Y、Z)、色度座标(x、y、z)、均匀颜色空间(L、u、b)、亮度(R)、主波长(λd)以及饱和度(pe)。其中，主波长和饱和度合称色度或色品，三色系数中的x和y、亮度、主波长及饱和度统称颜色指数。

色度座标(x、y)：由此定义出显微组分在平面色度图中的位置和计算出主波长、饱和度等色度参数。

主波长(λd)：定量地反映出显微组分荧光颜色的色调或色彩。

饱和度(pe)：也称纯度或浓度，系指同一色调的浓淡程度，可用纯波谱色(主波长色调)与等能白光的比例表示。其最大值为1，最小值为0(白光)，随显微组分荧光颜色变淡其数值变小。

彩色光明度(L)：荧光强度与落射光黑体、等能白光或日光的比例，反映显微组分荧光强度的相对强弱，在一定程度上可起到表示亮度的作用。

3.岩石矿物质荧光特性的测定方法

基于以上色度参数，结合传统荧光方法，以下针对我国北部地区侏罗系的煤及共生的油页岩和泥岩为例，分别采用以下方法对荧光色度进行分析：

3.1岩石矿物质中的PL成分鉴定

由于矿物中的PL主要是由掺杂在晶体内的微量元素引起的，所以大多数矿物具有多于一个的辉光中心， 而且来自不同矿体，甚至来自同一矿体不同部位的矿物，可能呈现不同的PL。因为大多数矿石或岩石都是各种不同矿物的复台物，通常有着甚至能互相影响的许多辉光中心。

矿物的PL发射光谱具有150～300mm的半谱带(half band)宽度，在峰值与元素有关且极狭窄之处，它比X射线荧光只能提供很不重要的信息。

因为来自所有辉光中心的所有PL已经叠加，还因为这些辉光中心的光谱很宽，一块岩石付石的发射光谱是难以测定的，尤其是当追求的只是一种矿物甚至只是一种元素的定量分析数据时。当然，衰退曲线也是来自单个辉光中心的所有单个曲线的叠加物。

必须了解和承认，唯独在非常有利的条件下，PL分析才能给出一块岩石门旷石的特有性质的直接定量分析值。

然而在一个矿山的地质环境内，不同岩石类型的数量是比较小的，因此在矿石与废石之间，甚至在低品位矿石与高品位矿石之间，PL性质的差别可能是显著的。

PL的这些差别悬殊的特点不用于分析该岩石／矿石的特定成分，而是将标准化的方法应用于测定PL的特征，以便为赋存于给定的矿山环境中所有类型的岩石和矿石建立一种参考文件。特征种类的形成简化了该岩石 石的分类。

在生产中将这些同样的标准化方法应用于读出“未知的” 岩石/矿石的特征，并且将这些特征与该参考文件中的特征相对照，用以鉴定该岩石/矿石，将它划入相应的类别。这种方法通常叫做“按手印” 在此将引入岩石鉴定(rock-jd)一词。

3.2用LIF法鉴定岩石

7O年代后期加拿大的Scintrex公司研制了一种装在直升机上的荧光传感器，它能在大约70m距离的上空对大地进行辐照勘探(Seigel，1979)。1987年，普鲁萨格金属股份公司测试了一种车载荧光传感器，也用于勘探。1986年，澳大利亚公共卫生科学与工业研究组织(CRISO)获得了“确定煤的性质” 的一项专利，涉及LIF的各种用途(Haub et al，1986)。用LIF鉴定岩石的上述3个例子没有一个是成功的。这些勘探系统失效是因为数量众多的矿物呈现类似的PL，这在未知的地质环境中太大降低了这种系统的效率：那些日子里由于航测装置设有全球定位系统，核实大地情况成了又一重大难题。车载系统进入没有植被的露头和地区，如沙漠地带进行地质勘探受到限制。据认为CSIRO 靠LIF分析为煤的各种性质做定量测量，特别需要PL的有限的辨别性能。这里提到的LIF岩石鉴定法是仅用于已知的地质环境中的定量或半定量方法，在此环境中所有岩石或矿石可能类型的特征已载入文件中供参考用。

3.3定量测定方法

为了取得精确的分析数据，人们甚至采用那些基本上不胜任的装置或方法，这是完全可理解的。而为此用途而研制开发LIF分析和分析仪的前景又非常渺茫。不过，除了“按手印” 以外，在改进LIF的分析性能方面进行一些探索还是值得一提的。

首先，最基本、最简单的解决办法是将LIF分析限用于只有2种成分的混合物中，其中各单个成分呈现强烈发散的PL性质。这种方法的一些实际例子是废石中的白钨矿、铁矿石里的磷灰石或围岩里的油母页岩。

其次，必须用适宜的LIF分析仪尽量减少能促成累加信号的辉光中心的数目。在某些特定场合中，靠选择激发波长就能做到这一点。这种波长在某一混合物中能诱发荧光，最好是在我们感兴趣的那一种成分中诱发荧光，如果该成分具有较长的持续时间的话，就能按如下方式选择测量的时间，即令这些成分的衰退曲线趋近于零，而我们感兴趣的成分将继续发出荧光。

第三，不仅根据PL强度的直接读数进行估量，而且对取自不同谱带和(或)不同时间窗口的成对读数的比率进行计算和估量。如果这些读数以良好的分辨率覆盖整个放射光谱，则该曲线的二阶导数和三阶导数就能为评价人揭示信息。

4.结束语

综上所述，通过对岩石矿物荧光特性及测定方法的探讨，可以使我们更深刻地认识到岩石矿物发光的机理，可对不同矿物质进行有效地区分，同时根据不同的发光机理，可以指导我们在实际工作中应更加重视不发荧光的饱和烃类物质的存在，避免在地质勘探中常见问题的产生。

【参考文献】

［１］[美]E．P．伯廷著．X射线光谱分析的原理和应用[M]．北京：国防工业出版社，1983．301～314．397 453．

［２］王子光，贺舂福．分析化学(13卷，2册)[M]．长春：吉林人民出版社，1985．105～108．