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拉曼光谱是流体包裹体领域非破坏性研究重要手段——访南京大学地球科学与工程学院副院长倪培教授

仪器信息网 2017/10/19 11:47:13 点击 3630 次
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[导读] 流体包裹体领域的研究目的是什么?工作具体内容有哪些?都用到哪些仪器?对分析手段有哪些具体的要求?有哪些新兴的、适合的分析手段?为深入了解流体包裹体研究的具体工作内容和科学意义,仪器信息网编辑带着以上问题采访了南京大学地球科学与工程学院副院长/内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室副主任倪培教授。

  矿物在生长过程中所圈闭的流体,即流体包裹体。流体包裹体分析是矿床学和地质流体研究不可或缺的环节。包裹体中的物质成分是解读相关地质信息的密码,保存了当时地质环境的各种地质地球化学信息(如P、T、pH、X等)。研究流体包裹体的主要目的之一,就是通过对包裹体中的古流体的定性或定量分析,获得各种数据、信息来解释所研究的地壳及地幔中的各种地质作用过程,甚至是获得古环境(如古海水、古气候)信息。流体包裹体分析已广泛应用于矿床学、岩石学、构造地质学、石油地质学等地质研究领域,同时也被应用于古环境研究和宝玉石鉴定。

  那么,流体包裹体领域的研究目的是什么?工作具体内容有哪些?都用到哪些仪器?对分析手段有哪些具体的要求?有哪些新兴的、适合的分析手段?为深入了解流体包裹体研究的具体工作内容和科学意义,仪器信息网编辑带着以上问题采访了南京大学地球科学与工程学院副院长/内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室副主任倪培教授。

南京大学地球科学与工程学院副院长/内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室副主任 倪培

流体包裹体研究可提供准确而详尽的古流体物理化学信息

  内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室是首批建立的,全国第一家矿床地球化学学科的国家重点实验室,93年开始建设,95年通过评估。“我们课题组主要从事矿床学和地质流体研究工作,课题方向以金属矿产的研究为主,比如金矿、铜矿的研究。”倪培说,“我们主要通过研究成矿模式和成因类型来指导找矿勘察。这方面的工作我们做得很多,比如东北、华南的金矿,江西、福建的铜、金矿。现在开展的研究工作主要集中在闽浙赣这一带。”

  对于目前正在开展的研究工作,倪培介绍,“我们现在做的工作主要是关于热液流体矿床的研究,这类矿产一般温度比较高,最高能达到四五百度。研究热液流体矿的成矿机制和成矿模型,是我们研究工作的核心内容。而研究成矿流体最重要的手段之一就是流体包裹体的研究,因为金属矿物都是在某种流体中沉淀出来的,所以一定要把流体包裹体的情况搞明白。对流体包裹体的研究主要包括温度、压力、密度等物理化学条件和成分的研究。除此以外,我们还开展了人工合成包裹体及地质流体相关模拟实验等研究工作。”

  流体包裹体成分在许多情况下代表了包裹体形成时流体的原始组成,可以反映当时地质过程流体的物理化学条件。到目前为止,已有多种方法和仪器设备用于流体包裹体的成分分析,但无论采用哪种分析技术,都可以归结为群体包裹体分析或者单个包裹体测定。由于同一样品中的流体包裹体通常是由不止一个世代的包裹体所组成,而不同世代的包裹体性质有很大差别,因此群体包裹体分析不仅复杂而且分析结果的代表性相对较差。单个包裹体测试可以准确的分析感兴趣的特定包裹体,其所代表的地质信息是确定的或是唯一的。

显微激光拉曼光谱是流体包裹体非破坏性分析的重要手段

  “检测不同相态的包裹体里面的成分是一个重要的手段。”倪培说,“如果能对单个包裹体来做成分分析将会解决很多问题。用到的方法主要有两种,一种是拉曼光谱法,一种是激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法。”

  激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)是一种破坏性的分析技术。近年来在国际上,激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法虽然已经被成功的应用于单个包裹体元素组成的定量分析,但是单个流体包裹体成分的LA-ICP-MS分析技术,仅西方少数单位掌握,我国目前尚没有成功建立单个流体包裹体成分LA-ICP-MS分析实验室。而显微镜(包括可见光、荧光和红外显微系统)、冷热台、高温台、激光拉曼光谱仪等是目前国内外单个流体包裹体非破坏性测试的重要且被广泛采用的测试手段。

  显微激光拉曼光谱作为一项新兴的微区分析技术在20世纪70年代渗入地学领域,其在微区分析上所显示的高精度、原位、无损和快速的特点,使之逐渐成为地球科学基础研究中的一项重要分析手段。目前,显微激光拉曼光谱技术已经被广泛应用于岩石学、矿物学、矿床学、构造地质学、石油地质学、宝玉石学等各个地球科学的分支学科。显微激光拉曼光谱技术可用于矿物鉴别(尤其是微细矿物和矿物包裹体)、矿物结构和应力分析、流体(熔体)包裹体的成分和温度测定、油气成藏信息获取、宝玉石鉴定等方面研究。此外,拉曼光谱与特定温度-压力仪器相结合,可以为地质领域矿物相转变、流体相变等原位分析研究提供有效的手段。

  “拉曼光谱在地质领域应用得还是比较多的,特别是在矿物领域和包裹体领域应用得最多。”倪培说,“拉曼光谱已经成为流体包裹体研究必不可少的仪器。”如今,显微激光拉曼光谱已经被广大地质工作者接纳并采用,而且越来越受到地质科研工作者的重视。“现在来讲,能稳定测定包裹体里挥发分的非破坏性方法,除拉曼光谱外,没有其他非破坏性的方法可以代替。”倪培如是说。

  随着科研的深入,国内地学工作者发现技术设备的更新是推进流体包裹体研究及其它地质研究的关键,且由于与国际研究接轨的迫切需求,内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室在经过多方数据收集、文献调研和实地勘查的基础上,于2001年引进了一台雷尼绍(Renishaw)RM2000显微激光拉曼光谱仪,用于开展流体包裹体及相关地质领域的研究,该台设备是国内地学领域最早引进的拉曼光谱仪之一。

  基于Renishaw RM2000显微激光拉曼光谱仪,倪培课题组在国内较早的开展了流体包裹体成分定性-定量分析,并将拉曼光谱与特定温度-压力仪器相结合,进行地质领域矿物相转变、流体相变等原位分析,以及将拉曼测试应用于矿床学、岩石学、构造地质学、石油地质学,甚至是古环境研究和宝玉石鉴定,都获得了可喜的成果,这些工作在国内很多都具有开创性的意义。

  “中国流体包裹体及相关地质领域最早的一台拉曼光谱是西安地化所在80年代引进的,我们不是最早的,但目前在地质学界,我们的拉曼光谱实验室是将拉曼光谱应用于流体包裹体及相关地质研究的最好的实验室之一。”倪培解释到,“第一,在国内我们是最先用拉曼光谱来开展包裹体的低温相平衡研究的团队。我们在国内率先发表了一些论文,把它介绍给国内的一些学者;第二,利用拉曼定量计算挥发分的组成,在国内我们是最早的之一。在95-96年,我在英国金士顿大学做博后,当时我的导师Andrew H. Rankin是英国矿学会主席, 是英国流体包裹体、矿产研究领域的权威,当时实验室就有一台Renishaw的拉曼光谱,这个方法就是从那儿学的。之后,我们自己在这个方法的基础上做了很多改进。”

科研工作者对拉曼光谱的自动化程度、灵敏度、稳定性、仪器精准度等要求越来越高

  对于仪器的选择,倪培介绍说“我看中了Renishaw的两点:首先,他们最早开发建立了一个矿物谱库,可以做谱图比对。像我们做地质研究的人,有的不是专门做谱学的,有这样一个谱库可以作比对非常方便,在这方面Renishaw做的很好。另外一个重要的原因是我在英国用的就是Renishaw,比较熟悉他们的产品,用起来方便。”

  这样一台使用了十几年的老仪器,还能满足如今的实验需求吗?倪培回答说,“目前还是完全能够满足实验需求的,自2002年投入使用以来,除了常规耗材更换外并没有大的维修,期间还承受了一次由老校区至新校区的搬运,至今一直运行良好。我认为,仪器的良好运行需要有专业人才来使用和维护。在国外很多大型的质谱仪,用了二十多年的有很多,关键在于仪器操作者的专业水平。另一方面,售后服务也很重要。在这十几年的使用过程中,我的感受是,Renishaw售后服务非常好,响应非常快,我认为这对我们做研究的人来说是非常重要的。”

内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室高级工程师丁俊英正在使用Renishaw RM2000显微激光拉曼光谱仪

  拉曼光谱有其局限性,这导致了应用限制,如:并非所有物质都具有拉曼效应,有些物质具有强荧光效应且无法规避导致干扰测试结果。此外对流体包裹体测试而言,针对不透明矿物中的流体包裹体因在可见光下观察不到故无法测试,以及对烃类包裹体而言存在的荧光干扰也是致命的。

  倪培提出,希望拉曼光谱技术今后在几个方面做出改进,“一是如果能用同一个光路,既能做拉曼也能做红外,可以统一调节的,这我觉得是重要的。第二,也是非常重要的,就是能否将拉曼和红外显微镜结合,比如现在很多不透明金属矿物没办法检测,那么在红外下面能不能做拉曼呢?这我觉得也很重要。第三,我们发现当矿物的粒度小到一定程度的时候,荧光干扰会非常强,这个缺点是很致命的,就是矿物小到一定粒度时,很多信号就测不出来了。此外,数据库可以进一步扩充,需要不断地完善。”

  后记:显微激光拉曼光谱仪在测试过程中具有微区、无损、快速、原位的优点,而且易与一些其它的小型设备结合使用,获得更丰富的测试结果。但是,正如我们所知道的,世界上没有任何一种方法或事物是绝对完美的,显微激光拉曼光谱除了自身固有的非拉曼效应物质、荧光干扰等问题外,随着科研工作的深入,科研工作者对设备的自动化程度、灵敏度、稳定性、仪器精准度等要求越来越高。

  针对流体包裹体研究而言,全国配备流体包裹体实验室的科研单位本就不多,配备拉曼光谱仪的实验室也在少数,以台式拉曼光谱仪为主,便携/手持拉曼光谱仪极少见。但是,综观整个地质行业,已经有众多科研单位意识到拉曼光谱仪的重要性,并加以引进。 随着拉曼光谱仪在地质领域的应用越来越广泛,甚至在某些方面已成为常规测试手段,相信拉曼光谱仪在地质领域具有很好的市场前景。

采访编辑:李博

  倪培简历

  倪培教授,男,1963年12月生,安徽淮南人,分别于1980、1984、1987年考入南京大学地质系攻读学士、硕士和博士学位,1990年留校工作,1995~1996年在英国金斯顿大学从事博士后研究,2004年被南京大学聘为教授和博士研究生导师;现任南京大学地球科学与工程学院副院长(主管科研)、内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室副主任、地质流体研究所所长;主要学术兼职包括国际矿物协会矿物包裹体工作组主席,国际成矿流体包裹体委员会秘书长,中国矿物岩石地球化学学会理事、副秘书长,中国矿物岩石地球化学学会矿物包裹体专业委员会主任,中国矿物岩石地球化学学会矿床地球化学专业委员会委员,中国矿业联合会矿产资源委员会副主任,中国地质学会矿床地质专业委员会和区域地质与成矿专业委员会委员,国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室学术委员会委员,《Journal of Geochemical Exploration》副主编,《矿床地质》、《矿物岩石》、《矿物岩石地球化学通报》、《高校地质学报》、《地球科学与环境学报》、《油气地质与采收率》等学术期刊编委。

  倪培教授长期从事矿床学和包裹体地球化学相关领域的教学和科研工作,主要研究方向为金属矿床成矿机理和成岩、成矿过程的流体作用,包括:①金、铜、钼、铅、锌、钨、稀土等矿床的成矿流体、成矿机理及成矿模式研究;②沉积盆地、油气盆地和现代盐湖的流体包裹体研究;③人工合成流体包裹体、流体包裹体的低温相平衡和原位拉曼光谱研究;④成岩成矿过程的流体包裹体面(FIP)研究。他主持过包括国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划项目、全国危机矿山接替资源找矿专项项目、老矿山接替资源找矿项目、整装勘查区关键基础地质研究项目、全国重要矿集区找矿预测项目等在内的多项科研项目。他已在《Journal of Geophysical Research:Solid Earth》、《Lithos》、《Precambrian Research》、《Ore Geology Reviews》、《Journal of Geochemical Exploration》、《Geofluids》、《Journal of Asian Earth Sciences》、《Palaeoworld》、《Carbonates and Evapotites》、《科学通报》、《地质学报》、《岩石学报》、《矿床地质》等国内外重要学术期刊上发表论文150余篇,参与编著出版《流体包裹体》专著和《环境地质学》教材。

  倪培教授曾获国家教育委员会科技进步二等奖、南京大学青年教师学术研究奖、南京大学优秀教学成果一等奖、江苏省一类优秀课程等。他曾先后为本科生和研究生主讲过《环境地质学》、《矿相学》、《包裹体地质学》等课程,已培养博士研究生和硕士研究生33人。他于2006年发起召开ACROFI(Asian Current Research on Fluid Inclusions)国际会议,该会议目前已经成为与PACROFI(Pan-American Current Research on Fluid Inclusions)和ECROFI(European Current Research on Fluid Inclusions)并列的三大国际流体包裹体会议之一。

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