石英阴极发光在火成岩研究中的应用_彭惠娟.pdf

2010 年 4 月 April 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 29，No． 2 153 ～160 收稿日期 2009- 07- 05; 修订日期 2009- 08- 27 基金项目 国家科技支撑项目资助 2006BAB01A01 ; 中金集团公司项目、 青藏专项资助; 西藏自治区矿产资源潜力评 价项目资助 1212010813025 ; 成都理工大学矿物学岩石学矿床学国家重点 培育 学科建设项目资助 作者简介 彭惠娟 1985 － ，女，甘肃兰州人，在读研究生，从事岩矿测试及矿床学方面的研究工作。 E- mail 346665401 qq． com。 通讯作者 汪雄武 1964 － ，男，湖北天门人，教授，从事花岗岩与相关矿产方面的研究工作。 E- mail 724731780 qq． com。 文章编号 02545357 2010 02015308 石英阴极发光在火成岩研究中的应用 彭惠娟1，汪雄武1*，唐菊兴2，王登红2，秦志鹏1，侯林1，周云1 1． 成都理工大学，四川 成都610059; 2． 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037 摘要 阴极发光是一种研究火成岩石英显微生长结构的有效技术方法。文章以甲玛斑岩铜矿床中岩体样 品分析为例， 简要介绍了光学显微镜阴极发光 OM － CL 和扫描电镜阴极发光 SEM － CL 两种图片的特 点， 并综述了石英阴极发光在火成岩研究中的应用。阴极发光所显示出的火成岩石英中的生长形式和蚀 变结构反映了岩浆的结晶历史。相对稳定的以蓝色阴极发光为主的斑晶区域主要与石英中 Ti 含量的变 化有关， 它反映了结晶作用的温度。由于在岩浆演化过程中， 与铝、 锂、 钾、 锗、 硼、 铁、 磷相比， 钛更加相容， 因此随着岩浆分异程度的加深， 火成岩中铝/钛逐渐升高。石英阴极发光不仅能显示岩浆早期及岩浆晚期 的各种结构， 如生长环带、 重熔表面、 溶蚀湾等， 还反映了许多次生结构， 如显微裂隙等。这些现象在光学 显微镜下难以观察区分。晶体的显微结构提供了熔体来源和演化的重要信息。将石英结构和熔融包裹体 与微量元素研究相结合反映了岩浆演化详细的 PTt 轨迹， 它是富硅酸盐岩浆演化过程中物理 － 化学条件 改变的敏感指示剂。 关键词 阴极发光; 石英; 火成岩; 岩浆演化 中图分类号 P575． 9; P588． 1文献标识码 A The Application of Quartz Cathodoluminescence in Study of Igneous Rock PENG Hui- juan1，WANG Xiong- wu1*，TANG Ju- xing2，WANG Deng- hong2， QIN Zhi- peng1， HOU Lin1，ZHOU Yun1 1． Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China; 2． Institute of Mineral Resources， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing100037， China Abstract Cathodoluminescence is an effective technical for studying microstructure of igneous quartz． By taking granite porphyry from the Jiama Porphyry Copper Deposit in Tibet for example，this paper briefly introduces the image characteristics of scanning electron microscope cathodoluminescence SEM- CL and optical microscope cathodoluminescence OM- CL ，and summarized the application of quartz cathodoluminescence in study of igneous rock． The relatively stable and blue- dominant CL of zoned phenocrysts is principally related to variation of Ti content in quartz，which is a function of the crystallization temperature． The Al/Ti ratio of igneous quartz increases with progressive magma differentiation，as Ti is more compatible，compared to Al，Li，K，Ge， B，Fe，P during magma evolution． CL does not only show the various structures of early- magmatic quartz and late- magmatic quartz，such as growth zone boundaries，resorption surfaces and growth embayment，it also reveals secondary CL structures of quartz e． g． micro- fracturing ． It is difficult to observe these phenomena by general 351 ChaoXing optical microscopes． The microstructures of crystals provide important ination of melt source and evolution． Combining the study of trace elements along with the analysis of quartz textures and melt inclusion inventories may reveal detailed PTt paths of magma evolution． This study shows that quartz is a sensitive indicator for physic- chemical condition changes during the evolution of silica- rich magma． Key words cathodoluminescence; quartz; igneous rock; magma evolution 阴极发光 Cathodoluminescence 全称阴极射线 致发光， 也叫电子激发光， 简称 CL。目前， 阴极发光 仪有光学显微镜阴极发光 OM － CL 和扫描电镜阴 极发光 SEM －CL 两类。OM －CL 显示了矿物在阴 极射线下发出的颜色; 虽然 SEM －CL 得到的图像为 灰度图， 但由于其较高的分辨率， 因此能清楚地显示 石英内部的各种显微结构。阴极发光 CL 可以灵 敏地反映晶体种类、 晶格缺陷、 有序度、 杂质元素、 晶 体生长的物化条件， 以及各种相关的外界影响因素 等多方面信息， 没有其他测试分析方法可以替代， 具 有很大的利用价值。在过去的 30 多年中， 石英 CL 在地质研究中的应用， 无论是其研究范围还是研究 深度都有了很大的进步。石英CL 作为岩石学工具， 广泛应用于矿床研究 ［ 1 －8 ］。近年来， 在对火成岩石 英的研究中发现， 石英CL 对于岩浆演化研究也具有 很好的效果 ［ 9 －14 ］。 我国主要将 CL 技术运用于石油研究领域， 判 断沉积岩中石英的来源 ［15 －16 ］。另外， 随着近几年 对 SHRIMP 锆石测年以及锆石激光烧蚀 － 等离子 体质谱 LA － ICP － MS 测年方法的广泛应用， 锆 石 CL 特征研究也逐渐深入 ［17 －19 ］。而将石英 CL 应用于矿床学研究以及岩浆演化等方面， 国内仍不 普遍。作者对西藏甲玛斑岩 － 矽卡岩型铜矿成矿 岩体石英进行了 CL 研究， 并且得到了很好的效果 相关文章待刊 。结合此次研究， 本文简要介绍 了两种 CL 图片的特点， 并综述了石英 CL 在火成 岩研究中的应用， 为我国矿物学研究、 矿床成因、 成 矿预测等方面提供新的思路和线索。 1石英阴极发光分析方法 石英阴极发光技术作为岩石学研究、 矿床成因 研究以及岩浆作用研究的有利工具， 主要应用了石 英 CL 的以下 3 种特性 ① 石英在 CL 中所显示的 特殊生长结构; ② 不同成因的石英， 其 CL 的颜色 不同; ③ 不同颜色、 不同生长环带的石英， 其微量元 素含量存在差异。目前， 对于石英CL 特征的观察主 要有两种 CL 设备 光学显微镜阴极发光 OM － CL 和扫描电镜阴极发光 SEM － CL ; 对于微量元素含 量的研究主要运用电子探针和 LA －ICP －MS。 1． 1光学显微镜阴极发光 阴极发光彩色图像一般是用热 － 阴极放光显 微镜 如 HC3 － LM 获得。这种 CL 仪得到的 CL 图片较为直观， 可以直接根据矿物所显示的不同颜 色， 来区分不同的矿物或者判断同种矿物的不同来 源或成因。由于矿物所显示的 CL 颜色与其微量 元素含量关系密切， 所以也可以根据矿物在阴极射 线下显示的颜色来大致判断其微量元素含量特点。 在 Jim Clark 教授帮助下， 作者在美国波特兰应 用岩石学实验室进行了西藏甲玛斑岩铜矿区石英 CL 研究。所用仪器为 Nuclide ELM －2b CL， 电子枪工作 电压为12．5 kV。影像记录是由 NIKON 微处理 UFX －II 系统设备和 NIKON FX －35A 反射式照相机完 成。图1 显示了 4 种主要矿物以及两种石英斑晶。 图1a 中亮柠檬黄色 CL 的为磷灰石; 淡黄褐色 CL 的 为斜长石; 石英为深褐红色 CL， 具有不明显的淡蓝色 CL 晕。图1b 中橘红色 CL 的为方解石或具有碳酸盐 化的矿物; 黄绿色 CL 为蚀变较强烈的斜长石; 石英 CL 几乎为黑色， 但具有明显的亮蓝色 CL 环边， 这种 亮蓝色环边为石英的钾长石外壳， 并含有较高含量的 Ti; 此外基质石英也有一定程度的钾化。 图 1西藏甲玛斑岩铜矿区花岗斑岩 OM － CL 照片 Fig． 1The OM- CL pictures of granite porphyry from the Jiama Porphyry Copper Deposit in Tibet 451 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 虽然 OM － CL 能够直接显示矿物的 CL 颜色; 但由于此发光仪器是与光学显微镜相配合使用， 因 此受到分辨率的限制， 阻碍了显微生长结构的显示。 1． 2扫描电镜阴极发光 扫描电镜阴极发光仪 SEM － CL 只能得到灰 度图， 但 SEM － CL 具有较高的空间分辨率 低于 2 μm 2 以及与 CL 和背散射电子 BSE 图像、 电子探 针 EPMA 联合使用的能力， 因此能够很好地观察 到矿物的显微结构。一般使用两种扫描电镜仪器配 合不同的 CL 探测器， 剑桥仪器 250 － MK3 配合 S20 －Extended 光电倍增管以及 JEOL JXA 8900 配合 CLD40 R712 光电倍增管。两种光电倍增管的可见 波长范围为380 ～850 nm 3． 26 ～1． 46 eV 。在目 前的两种 SEM －CL 仪器中， 微弱的石英 CL 一般相 当于 OM － CL 中红色到淡棕色 CL， SEM － CL 中明 亮的石英 CL 对应 OM －CL 的蓝色到紫色石英 ［ 20 ］。 本次对西藏甲玛斑岩 － 矽卡岩型铜矿床中的 部分样品也使用了 SEM － CL， 并且得到了良好的 效果。图 2 中的样品也是采自西藏甲玛斑岩铜矿 区， 照片是由挪威地质调查局 Axel Mller 教授帮 助完成。图像由 JEOL 系统收集， 使用电压为 30 keV， 灯丝电流为 200 nA。图 2a 为石英二长斑岩 岩石样品的 BSE 照片， 图 2b 为同一视域的 SEM － CL 照片。SEM － CL 照片显示了石英斑晶的显微 生长结构， 不仅清楚地显示了石英的内核， 生长环 带， 以及与不平衡反应有关的外壳， 还显示了石英 颗粒内部大量网脉状的愈合裂隙。 图 2西藏甲玛斑岩铜矿区石英斑岩 SEM － CL 照片 Fig． 2The SEM- CL pictures of quartz porphyry from the Jiama Porphyry Copper Deposit in Tibet SEM － CL 常与电子探针联合使用， 可以有效 地分析出石英斑晶不同生长环带中微量元素存在 的差异， 从而推测石英生长所经历的各个阶段中物 化条件等影响因素的改变。 2火成岩石英的内部结构及阴极发光的应用 石英斑晶在火成岩中存在较为广泛， CL 是观 察石英颗粒内部生长结构和结构改变有效的技术 方法。石英颗粒中存在着一些特殊的显微结构， 如 环带结构、 溶蚀结构、 镶嵌结构、 胶结结构等， 以及 一些次生结构， 如矿物颗粒边界的变质晕、 由脆性 变形所形成的显微裂隙、 愈合结构等。石英“原生 的 CL 结构” 研究已经在晶体生长过程以及火山岩 石英环带形式方面得到了较好的应用 ［21 －22 ］ 。“次 生 CL 结构” 被广泛地用于变质、 愈合、 退变质过程 的研究 ［8 ］。 2． 1原生生长结构 这里 “原生生长结构” 是指火成岩石英在岩浆 中结晶生长形成的结构。Laemmlein 在 1930 年首 次通过光学显微镜观察了 Transbaikalia 流纹岩中 石英斑晶的主要生长结构 ［23 －25 ］。直到 20 世纪 80 年代， 火成岩石英中的生长环带才通过 CL 显微仪 得到较为详细的研究 ［26 －27 ］。在过去的 10 年中， CL 显微仪成为研究火成岩石英生长形式的常规方 法 ［28 －32 ］。CL 反映了石英结晶过程中所经历的每 个阶段， 包括结晶核在岩浆上升、 存储、 补给、 混合 过程中的不断生长和溶解。 原生生长结构可能形成于岩浆早期石英斑晶 或高度分异的钠长石花岗岩中的雪球状石英 ［20 ］。 2． 1． 1岩浆早期石英斑晶 岩浆早期石英斑晶大致可以分为两类 一类是 从原始岩浆中直接结晶而来， 这种石英斑晶与微粒 至粗粒的基质石英相比， 可以通过颗粒的大小加以 区分; 另一类石英斑晶没有遵循一般的结晶过程。 它们的结晶核形成于一种岩浆中， 但在另一种熔体 里生长， 即现在的寄主。这种寄主代表了岩浆系统 中， 一种包含了其他来源晶体的熔体 ［33 ］。这种成 因的火成岩， 其基质矿物粒度可能会超过斑晶。而 这类石英斑晶并不是严格的捕获晶， 因为它们生长 并重熔于与其有亲缘关系的原始岩浆。这种所谓 的 “外来晶体” 产生于岩浆系统中的一个阶段， 而 不是真正的斑晶 ［30 ］。Davidson 等［33 ］提出岩浆岩 可以用熔体混合、 外来晶体重熔以及真正的岩浆岩 斑晶来描述。 551 第 2 期彭惠娟等 石英阴极发光在火成岩研究中的应用第 29 卷 ChaoXing 运用 CL 识别火成岩中的石英斑晶是非常有效 的。大多数 SiO2含量≥65的花岗岩都含有石英斑 晶 ［ 9 －12 ］。大量研究［ 8 －9， 25， 30 ］证明， 英安岩或者其他 铁镁质火成岩中石英斑晶常为浑圆状， 且具有明显 的生长环带， 有时具有角闪石、 辉石或富钾的斜长石 外壳， 指示了熔体的不平衡现象 ［ 34 ］。晚海西期花岗 岩包含特有的无环带的他形基质石英， 如 Oberpfalz 的 Flossenbrg 和 Leuchtenberg 中的花岗岩。基质石 英可能显示了具有亮CL 的自形晶体核， 如Oberpfalz Rozvadov 花岗岩。混合岩化花岗岩、 化学演化程度 较高的钠长石花岗岩、 富流体细晶岩以及晶洞花岗 岩一般都没有早期岩浆石英斑晶 ［ 20 ］。 斑晶中的生长环带指示了石英在不断演化的岩 浆储集层中的生长过程。显微生长环带边界代表了 晶体 －熔体分界面。结晶作用中由于温压条件和熔 体/流体成分的波动所引起的晶体与熔体 －流体之间 的不平衡作用， 造成了这种界面的生长波动， 控制着 生长环带的形成。因此晶体的内部结构提供了形成 晶体的熔体/流体来源和演化的重要信息。在 SiO2含 量较高 ＞70 的花岗岩和流纹岩中， 斑晶的环带形 式更为复杂。这是由于在岩浆爆发或喷出前， 早期的 SiO2饱和导致了较长时间的石英沉淀。花岗岩和流 纹岩中的斑晶显示了相似的生长形式 ［ 12 ］。然而， 花岗 岩斑晶的环带一般不是很发育。环带可能在岩浆缓 慢冷却中被破坏或者覆盖， 或者被晚期流体蚀变。运 用 CL 能够区分较小尺度 2 ～20 μm 的振荡环带以 及大尺度的阶梯状环带 成分环带 、 骸晶状生长、 波 状和重熔表面以及港湾状生长等 ［ 10 －12 ］。 每个火山岩系统， 其石英环带形式都可以作为 它独特的指纹记录。显微结构所指示的石英核的 形式很重要。斑晶核部通常为复六方 β － 石英。 Flick 曾经描述 Odenwald 流纹岩中的菱面体 α － 石 英 ［35 ］。Odenwald 中的斑晶显示了晶体核部的骸晶 状生长。骸晶生长反映了熔体的动力活动、 不平衡 生长。来自于同一岩浆期次石英斑晶的相似环带 形式 指 示 了 具 有 同 世 代 核 部 的 晶 体 同 时 生 长 ［12， 31 ］。一些岩石包含两个或更多斑晶世代， 并 以某一个世代为主。每一个世代都代表了一次成 核事件。这样， 一个岩浆期次的结晶作用时间史就 能够被重建。由于多种岩浆的再补给作用， 具有不 同历史的石英世代可能被混淆 ［12 ］。这可以通过铁 镁质或中性岩体中的斜长石研究得知 ［36 ］。石英斑 晶的第一个生长阶段可能会由于晶体核部周围重 熔而遭到破坏。这一过程被具有红棕色 CL 的圆 形晶体核所记录， 这种现象在 Erzgebirge 东部的花 岗岩和流纹岩中非常常见。 早期岩浆石英的重熔表面还常具有典型的蓝色 CL 增生边。有时这个蓝色的 CL 增生边很窄 ＜10 μm ， 并且可能显示了树枝状或者波浪状结构。这 些增生边可能富集卵形的熔融包裹体 ［ 11 ］。如图 3 为西藏甲玛斑岩铜矿区花岗斑岩中石英斑晶的 SEM －CL 图像。此石英斑晶不同于图 2 中的石英斑晶。 图3a 中的石英斑晶 局部 具有明显的狭窄亮 CL 增生边 蓝色 CL ， 且显示了典型的波浪状结构; 图 3b 中的石英斑晶 局部 也具有亮 CL 增生边， 且显 示了骸晶状晶体核; 斑晶边缘区别于图 3a 中的波浪 状边缘， 此晶体边缘基本呈浑圆状。 2． 1． 2晚期岩浆阶段的雪球状 梳状石英 高度分异的含黄玉钠长石花岗岩含有典型梳状 石英 ［ 37 ］。这些复杂的高度分异的岩体一般位于次 火山花岗岩的顶部， 并且与稀有金属矿物有关。雪 球状石英 图 4 具有暗红棕色到亮红/橙色的 CL， 而早期岩浆石英斑晶具有蓝色到紫色的 CL。在不 改变CL 强度的情况下， 石英斑晶边缘逐渐过渡为树 枝状的基质石英。存在于钠长石花岗岩中较老的石 英世代， 属于雪球状石英。其基质矿物， 例如蚀变钾 长石、 锆石、 磷灰石， 特别是钠长石都富含生长环带。 雪球状石英显示了具有低CL 强度的生长环带， 且均 含有丰富的熔融包裹体和流体包裹体。环带边缘较 为平坦， 具有 α － 石英的晶体习性。重熔表面是早 期岩浆斑晶的特点， 因此不存在于雪球状石英中。 图 3西藏甲玛斑岩铜矿区花岗斑岩石英斑晶SEM－CL 照片 Fig． 3The SEM- CL pictures of granite porphyry from the Jiama Porphyry Copper Deposit in Tibet 651 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 图 4雪球状石英［15 ］ Fig． 4Snow quartz 2． 2阴极发光次生结构 在岩浆冷却晚期以及岩浆 － 流体过渡阶段到 岩浆期后流体过程中， 可能导致粒度较小的石英沿 颗粒边界和显微裂隙发生重熔和沉淀。花岗岩中 广泛发育密集的愈合裂隙 ［38 －39 ］。显微裂隙可以归 因于作用在颗粒上的内压力， 这个压力来源于花岗 岩冷凝过程中石英和长石的热收缩。此外， 在 α/β 石英转化过程中， 使石英垂直于 C － 轴方向体积收 缩了0． 86， 平行于 C － 轴方向体积收缩了1． 3， 这种收缩增加了石英颗粒的内压力 ［20 ］。然而 α/β 石英转化并不是造成网状裂隙的主导原因， 因为这 些裂隙贯穿于整个颗粒 图 2b ， 说明它独立于石 英晶体的晶体方位， 并且这些裂隙在喷出岩中缺 失。Mller 等 ［9， 21 ］以及 Van den Kerkhof 等［39 ］证明 与原生石英相比， 次生石英中的 Al、 Ti 和 K 含量都 有所降低。火山岩石英斑晶由于振荡冷却造成了 网脉状裂隙和同心状裂隙的普遍发育。 3火成岩石英 CL 显微结构与微量元素 近年来， 电子探针被证明是分析火成岩石英中 微量元素含量的一种有效微束技术。因为它具有 很高的空间分辨率 0． 5 ～ 5 μm ， 并且可以结合 CL 图像进行定点分析。 CL 颜色和强度是固有晶格缺陷 如 O 或 Si 的 空缺， 键的破坏 以及晶体结构中微量元素造成的， 然而石英发光的物理背景还没能得到完全解释 ［ 40 ］。 在 CL 特性及微量元素的基础上， 火成岩石英 可以细分成稳定的自形石英斑晶和基质中的他形 石英。石英斑晶以蓝色的 CL 为主， 且生长环带与 Ti 的分布有关; 基质石英具有不稳定的红棕色 CL， 微量元素分布较为均匀。这种红棕色 CL 与 OH 的聚集以及晶格中的 H2O 有关［27 ］。Al 进入石英 缺陷可能是受岩浆中 Al 饱和度的控制。早期岩体 英安岩 中的石英 Al 含量最低， Ti 含量最高。随 着岩浆分异作用的逐渐进行， 石英中 Ti 含量降低， Al 含量升高 ［41 ］。与 Ti4 相比， 其他微量元素依赖 于补偿电荷的活度和亲石元素含量的增加， 尤其是 Li 、 K 及 Na ， 这些元素主要作为 Al3 置换作用 的补偿离子进入石英晶格。除这些元素以外， OH － 和吸附水常作为［ 2AlO4/M ］－ 缺陷的补偿电 荷， 其中 M 为 Li 、 K 及 Na 的组合。因此， Al 进 入石英晶格一部分原因可能是熔体中 Li 、 K 、 Na 及 H2O 的存在。 近几年， 研究证明火成岩石英中微量元素的分 配可能遵循石英来源熔体的成岩作用过程， 即微量 元素分配趋势与岩浆演化有关 ［26， 32 －33 ］。目前微量 元素含量主要用来证明花岗岩早期演化过程， 亚固 相线以下石英的重结晶过程， 以及微量元素在石英 中的演化。一般， 在较为复杂的岩浆岩地区， 研究 岩浆来源、 演化以及与花岗岩有关的成岩作用， 传 统的选择是关注长石的组成。然而， 当母熔体进入 到结晶花岗岩源岩时， 长石中主要元素和微量元素 的组成就不足以区分不同时代的结晶花岗岩。例 如在长石 Rb/K 与 Sr/Rb 图解中， 对于不同母熔体 的结晶花岗岩， 其岩浆演化过程中具有重叠的轨 迹。而对比挪威北部两个地区不同起源的石英， 其 微量 元 素 分 布 具 有 不 同 的 轨 迹。尤 其 是 当 Geqz/Beqz与 Ga/Tiqz比率相反时， 这两个地区在岩 浆演化过程中具有不同的趋势 ［20 ］。因此石英中微 量元素的含量对于研究岩浆作用具有重要意义。 Wark 等 ［ 13 ］确定了石英 Ti 地质温度计， 此方法 可以计算石英不同生长阶段的岩浆温度。高 Ti 含 量的石英形成温度 ＞ 500 ℃， 且形成压力较高 ［ 38 ］。 在早期岩浆石英斑晶中， 具有亮蓝色CL 生长环带里 的 Ti 最高含量达130 μg/g， 而在花岗岩晚期岩浆基 质石英中的 Ti 含量最低， 为 20 ～50 μg/g［ 21， 27 ］。此 外， 石英中的微量元素受熔体中微量元素含量、 不同 阶段元素的分布和体系中热力学条件的控制 ［ 20， 38 ］。 石英中高的 Ti 含量说明石英在重熔后， 进入了更加 富 Ti 的熔体。因此， 晶体可能运动进入了岩浆房的 深部或者与更加基性的岩浆发生了混合 ［ 11 ］。花岗 岩斑晶中的高 Ti 环带和加大边可能是由于石英晶 体从相对贫 Ti 富 SiO2 的岩浆移动到相对富 Ti 贫 SiO2 的岩浆时， 岩浆温度升高， 使石英晶格中缺陷 中心进行了重新分配和愈合。 751 第 2 期彭惠娟等 石英阴极发光在火成岩研究中的应用第 29 卷 ChaoXing 近年来一些地质学家进行过将 CL 与微量元 素分析相结合的研究， 证明石英中 Al、 Ti、 K 和 Fe 含量的分布与 CL 结构有关 ［10 －12 ］。在其他一些研 究中证明， 火成石英 Al、 Ti、 Ge 和 Li 的总含量不但 可以用来区分岩浆石英和其他来源的石英， 并且有 助于更好的理解岩浆分异过程 ［20 ］。 火成岩石英有效地记录了花岗岩的起源和演 化。K、 Fe、 Be 和 Ti 相比而言为相容元素， 因此在 石英形成早期含量最高。P、 Ge、 Li 和 Al 为不相容 元素， 因此在形成于演化程度较高的花岗岩熔体中 的低温石英里含量最高。石英中 Ge/Ti、 Ge/Be、 P/Ge以及 P/Be 含量比值对花岗岩熔体的来源和 演化很敏感。石英中微量元素比率能很好地区别 相似或相异的花岗岩熔体起源及演化。 4火成岩石英 CL 显微结构及岩浆作用 目前将火成岩石英 CL 显微结构运用于岩浆 作用的研究， 主要集中在以下 3 个方面。 1 岩浆混合作用。许多花岗岩岩浆都可能受 到幔源岩浆混入和混合的影响， 已经得到有很多深 部来源岩浆混入和混合的证据 ［ 42 ］。通常， 全岩化学 分析及同位素成分可以提供岩浆混合的很多证据， 但如果铁镁质熔体的混入百分含量很低， 要用化学 方法证明岩浆混合是很困难的， 并且全岩的地球化 学数据有时并不能完全显示所发生的化学变化， 它 只能反映混合晶体的成分特征。解释岩浆混合作用 的基本原则是岩石学特征的辨别， 这种特征形成于 岩浆混入和混合过程中。因此， 对于岩浆混合作用 更深刻的理解应该是建立在斑晶和基质矿物显微化 学和显微结构研究的基础上， 例如石英斑晶在CL 下 所显示的重熔结构， 钾长石外壳等。所以石英的 CL 技术为这种显微研究提供了新的手段和依据。 2 岩浆热液过渡。一般认为雪球状石英 是晚期岩浆作用的产物， 它是由于岩浆的自交代作 用形成。Mller 等 ［30 ］通过 CL 对雪球状石英和港 湾状石英进行了详细研究， 认为这种石英斑晶反应 了 开 放 环 境 下 的 外 部 振 荡 如 去 气 作 用 。 Mller［9 ］观察了雪球状石英和港湾状石英 CL 图像 下的环带形式， 认为这两种石英的形成是由于花岗 岩顶部岩浆冷凝过程中周期性的去气作用。在岩 浆后期， 高活动性的流体从熔体中分离造成了石英 斑晶的溶蚀， 即岩浆热液过渡阶段中， 岩浆分离 出的高挥发分流体将早期阶段形成的石英、 长石斑 晶溶蚀或完全溶解。熔蚀湾形成的时间在解释岩 浆热液过渡阶段的自交代作用是一个关键性因 素。CL 图像能够提供石英生长历史的重要信息， 例如 Zhao 等 ［43 ］在 Empire 矿床中运用 CL 观察到 石英晶体中第一世代的环带被溶蚀湾切断， 因此他 认为 Empire 矿床中的港湾状石英不是由于岩浆混 合所造成的， 而是形成于岩浆热液过渡阶段， 出 溶流体的自交代作用。 3 岩浆演化的 PTt 轨迹。在石英斑晶中， 存 在三种重熔边界 锯齿状， 波浪状， 浑圆状。锯齿状 边缘形成于晶体碎裂之后的溶蚀作用; 波浪状边缘 可能形成更高程度的溶蚀。而它们可能都是由于岩 浆的上升或喷发快速减压而形成。Mller［ 12 ］等在 Erzgebirge 东部火山 －深成杂岩体的 14 个岩浆阶段 找到了几种不同的石英斑晶， 其生长环带间的相互 关系说明同种类型的石英来自于同一岩浆源， 具有 相似的物理化学条件。另一方面， 不同类型石英的 生长形式也不同， 它们可能来自于岩浆源的不同层 位， 或者来自不同期次的岩浆， 或者代表了较老的石 英在新一期石英成核前完全熔解。将石英 CL 下所 显示的生长环带与微量元素以及包裹体研究相结 合， 就可以精确分析出每个生长环带中微量元素的 含量以及包裹体盐度、 成分等因素的改变。现代的 测试技术使测定单个包裹体成分成为可能， 如 LA － ICP －MS， 同步辐射等。由于不同的生长环带代表 了不同的岩浆阶段， 因此不同生长环带的微量元素 含量， 单个流体包裹体的温压、 成分， 熔融包裹体成 分， 代表了不同岩浆阶段熔体， 流体物化性质及其成 分的变化。这就对研究整个岩浆演化过程， 建立岩 浆演化的 PTt 轨迹提供了新的思路及方法。 5结语 阴极发光是研究火成岩石英中内部颗粒生长 结构和结构改变的有效技术方法。与阴极发光有 关的微量元素主要有 Al、 Ti、 Li 等。阴极发光作为 微观分析的补充方法能够反映晶体在生长、 变形、 变质过程中熔体和流体物理 － 化学条件的改变。 在火成岩中， 阴极发光对显示斑晶的生长环带， 重 熔表面， 熔蚀湾以及双晶结构、 颗粒形态、 次生加大 边等都是十分有效的， 而这些现象在透射显微镜和 偏光显微镜下难以观察区分。这些晶体的内部结 构是形成晶体的熔体来源和演化的重要信息。石 英提供了花岗岩熔体物理化学条件改变的详细历 史。石英斑晶一般生长于不同期次的岩浆中， 这些 岩浆进行反复的补给， 因此固化的火成岩包含并混 851 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 合了不同期次的斑晶。花岗岩和流纹岩中的长石 一般都会因为晚期岩浆与后期热液流体的相互作 用发生蚀变。相比之下， 石英更加稳定， 能够保存 生长环带形式， 这种形式可以通过阴极发光技术显 示。花岗岩岩浆演化过程中物理化学条件信息可 以通过以下三点获得 ① 石英斑晶中微量元素的 含量及分布; ② 阴极发光下石英的显微结构; ③ 石英中的熔融包裹体。火成岩石英， 尤其是石 英斑晶， 包含丰富的熔融包裹体。熔融包裹体包含 熔体独有的记录以及岩浆侵位前挥发分的含量， 它 们记录了演化熔体的组成， 并且可以估算与石英生 长环带有关的岩浆压力。Peppard 等 ［44 ］研究了 Bishop tuff 石英斑晶不同生长环带中的熔融包裹 体。Wark 等 ［45 ］继续进行了这方面的研究， 并且应 用石英 Ti 温度计解释了熔融包裹体中挥发分含量 的变化。因此将火成岩石英阴极发光结构与石英 中微量元素以及包裹体研究相结合， 有助于了解岩 浆的来源与演化过程， 进而为岩石成因及矿床成因 的研究提供有利证据。 6参考文献 ［ 1］Smith J V，Stenstrom R C． Electron- excited luminescence as a petrologic tool［ J］ ． Geology， 1965， 73 627 －635． ［ 2］Zinkernagel U． Cathodoluminescence of quartz and its application to sandstone petrology［J］ ． Contributions to Sedimentology， 1978， 8 1 －69． ［ 3］Hagni R D． Cathodoluminescence microscopy applied to mineral exploration and beneficiation［J］ ． Applied mineralogy， 1984， 2 41 －66． ［ 4］Hagni R D． Industrial applications of cathodolumin- escence microscopy ［J］ ． Process Mineralogy，1987 Ⅳ 37 －52． ［ 5］Walker．Mineralogical applications of luminescence technique［J］ ． Chemical Bonding and Spectroscopy in Mineral Chemistry， 1985， 5 3 103 －140． ［ 6］Remond G，Cesbron F，Chapoulie R． Cathodolumin- escence applied to the micro characterization of mineral materialsA presentstatusinexperimentationand interpretation［ J］ ． Scanning Micros， 1992， 6 1 23 －69． ［ 7］Pagel M，Barbin V，Blanc P，Ohnenstetter D． Cath- odoluminescence in Geosciences ［M］ ． New York Springer， 2000 514． ［ 8］Boggs S J R，Krinsley D． Application of cathodolu- minescence imaging to study of sedimentary rocks［ M］ ． London Cambridge University， 2006165． ［ 9］Mller A． Cathodoluminescence and characterization of defect structures in quartz with applications to the study of granitic rocks［ OL］ ． 2000229． ［ 10］Mller A，Kronz A，Briefer K． Trace elements and growth patterns in quartz A fingerprint of the evolution of the sub volcanic Poodles granite system［J］ ． Bull Czech Geological Survey， 2002， 77 2 135 －