"卷!第!!期!#$$"年!!月!第!
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场发射环境扫描电子显微镜上阴极荧光谱仪特点
及其在锆石研究中的应用"
陈!莉!!徐!军!!苏!犁"
北京%地学实验中心!北京!!#北京大学物理学院电子显微镜实验室!北京!%%’O!""#中国地质大学$%%%’*
摘要!!锆石等测年矿物的阴极荧光!图像分析是矿物微区成分分析和D!"FT"U6)QH年龄测定及其
地质意义讨论的必要性前期工作#文中介绍了一套由场发射环境扫描电子显微镜和高性能阴极荧光谱仪联合构成的FT分析系统#它在FT成像质量%图像分辨率及FT谱分析等方面具有明显优势#利用这一系统获得的锆石高清晰FT图像及FT谱图分析结果显示其在锆石等发光矿物的微区结构特征研究和成因类型鉴别中有广泛的应用前景#
关键词!!阴极荧光谱仪!场发射环境扫描电子显微镜!锆石!阴极荧光图像!阴极荧光谱!!锆石作为物理化学性质非常稳定的一种矿物!在岩石成因(成岩时代(高压超高压矿物包裹体(变质历史以及造山带的发展演化过程等方面的研究
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中具有十分重要的作用&!特别是近!%余年来高
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的优势&T联合分析系统所获的高质#利用这套F
量锆石阴极荧光图像和光谱图明显提高了对不同成因锆石的系统研究#
灵敏度(高分辨率离子探针$!激光剥蚀PN9LRQ%等微区分析技术在锆石等离子体质谱$T;)LFQRP%D)QH年代学研究中的应用!极大地推动了地球科学
研究进程#在这类精细分析过程中!测点的准确选取和分析结果的合理解释需要基于对揭示矿物内部$结构特征的阴极荧光8图像-@6548>28>FT%的详细判读#由于以往构建在高倍光学显微镜(扫描电子显微镜(电子探针上的FT图像分析系统在分辩率(分析样品处理方法等方面存在的不足!如何获得高清晰度FT图像成为近年来我国地质实验研究中急需解决的问题之一#本文介绍北京大学物理学院电子显微镜实验室新组建的一套高性能FT联合分析系统!它由目前世界上先进的场发射环境扫描电子显微镜和高性能阴极荧光谱仪联合构成!在FT成像质量(图像分辨率以及可揭示待测样品阴极荧光发光原因的FT谱图分析等方面具有强大
%%()%")%$收稿!"%%()%()!"收修改稿!"
批准号#&%%*O"%*!!"国家自然科学基金资助项目$
#),-./86>2/.M7#>
$!高性能阴极荧光分析系统的组成及特点
本文介绍的高性能阴极荧光分析系统由一台先进的场发射环境扫描电子显微镜$W+L公司的b7-2)和可进行纳米级全谱(单谱分析的阴极荧@-"%%W%
光谱仪$组成#由于场发E-@-2公司的R525FT*d%射环境扫描电子显微镜$采用的场发射技术+P+R%使其成像的分辨率较普通扫描电子显微镜有明显的提高!且样品室真空度除高真空条件外!还可选择低真空和环境真空条件!使得锆石等非导电性矿物
’(
!避免了对待和岩石样品可以直接进行观察分析&
分析样品$靶%的污染和损伤#同时!所选用的高性能FT谱仪具有进行"%%*A%%2,波长的全色谱和单色谱分析能力#因而!本套系统极大地提高了阴极荧光成像质量和光谱分析能力#
$#$!场发射环境扫描电子显微镜的特点P+R$>2Z.?52)!!场发射环境扫描电子显微镜+
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%是目前世界上,>2@-/48-22.2/>8@?52,.8?54853>I^
最为先进的扫描电子显微镜!与普通扫描电子显微镜相比其主要优势表现在#有高的图像空间分辨率!并且无需对样品进行处理$包括绝缘样品!甚至含水样品%即可直接进行电子显微镜观察!因而极大地提高了其显微分析能力!这些进步主要得益于两种关键技术***场发射电子枪技术和压差光阑技术的采用#
场发射电子枪技术#b7-2@-"%%W环境扫描电方便对不同类型研究样品进行最有效观察#
高真空模式是传统扫描电子显微镜都具备的工作模式!待分析样品需置于高真空的样品室内!因而要求样品是干燥的!样品表面应具有导电性#因此!对于通常不具导电性的地质类样品!需要在样品表面蒸镀导电膜$金(碳等%!对含水样品的研究必须首先进行样品的干燥处理#
低真空模式对待观察试样只需进行干燥处理!子显微镜使用了P865@@M^场发射源!采用这种场发射源设计的电子枪!有很高的电子束束流密度$通常比普通钨丝热发射源扫描电子显微镜提高"**个数量级%!而且电子束的能量分散很小#因此!电子束通过电子光学系统后能获得很高质量的电子探针!它具有束斑直径小$约!2,%!束流密度高$约!2;%的特点!用这种高性能电子探针扫描样品可以极大地提高扫描电子显微镜成像的信噪比和分辨率$分辨率优于"2,%#
压差光阑技术#在b7-2@-"%%W场发射环境扫描电子显微镜的电子光学系统和样品室的交接部位采用了两级压差光阑技术!通过两级压差光阑之间的抽气夹层!把样品室和镜筒+隔开,!使得镜筒可以始终保
持高真空状态$!%cO5
%!
%!保证电子束在镜筒中的运动不受阻碍"而样品室的真空度则可以通过流入气体压力进行控制!使其在%#!**%5范围内变化$图!%#采用压差光阑技术的b7-2@-"%%W场发射环境扫描电子
显微镜的样品室可选择高真空$!%c(
5
%(低真空$%#!*!#(5%和环境真空$!**%5
%三种工作模式!
以图!$!]
[B:8B(;;O型场发射环境扫描电子显微镜压差光阑技术示意图
!%!5
k%#!**""MQ-但不要求样品表面具有导电性#所以!进行岩石(矿物等地质样品的分析时可以避免在其表面蒸镀导电层#其原因是#低真空模式下样品室中存在大量的气体$通常充入水蒸气%!在信号电子的作用下样品室内气体会产生电离!电离形成的正离子在电子束轰击而积累于表面的负电荷作用下向绝缘样品表面运动!最终与样品表面的负电荷中和!从而消除绝缘样品表面因电子束轰击而产生的电荷充(放电现象!直接获得样品表面的最真实信息#图"是一组不同真空状态条件下锆石成像结果的对照#样品是一颗表面没有蒸镀导电层的锆石#
环境扫描模式是样品室的真空度可以达到*%5!即基本饱和水的工作状态#因此不仅可以观察完
全
图(!不同真空度条件下表面未蒸镀导
电层的锆石T
$-%高真空状态下的FT图像"$H%高真空状态下的二次电子像"$8%低真空状态下的FT图像"$
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绝缘的样品!而且还可以直接观察含水的样品!包括生物等活体样品#但是由于样品室气压过高!电子束进入样品室时可以发生强烈散射!导致分辨率有所下降#
所以!拥有三种样品室真空模式的场发射环境扫描电子显微镜$!可以不进行样品b7-2@-"%%W%表面导电性处理!直接观察几乎所有类型的固体样品!并获得高质量的样品原始形貌图像#
$&(!高性能阴极荧光谱仪的特点
英国E-@-2公司生产出品的R525FT*d型高性能阴极荧光谱仪由荧光接收探头(单色仪(光电倍增管及分析软件等组成#阴极荧光$接收探头FT%是具有"%%*A%%2,波长全色和单色接收功能的高清晰FT探头!长O(,,!厚!%,,#该探头是一个镀铝的抛物面反光镜!中央有一个小孔!电子束通
过这个小孔打到被放在抛物面探头焦点处的样品上!激发样品表面产生荧光信号#光信号经抛物面镜反射成一组平行光进入分光系统!分光系统入口处有两个旋转钮可以切换两种不同的成像模式#全色模式和单色模式#在全色模式下$!光不通过单色仪而直接到达光"%%*A%%2,波长%
电倍增管接收器转换成像!我们就可以得到样品的全色阴极荧光图像#在单色模式下!光信号通过狭缝可调宽度%#*%8,的单色分光系统$%!*(,,!
光谱分辨率为%#!经过光栅分光再送到光电(2,%倍增管形成荧光光谱!并可获得单色阴极荧光图像图*$%#通过这套系统!我们可以在亚微米乃至纳米尺度上获得发光物质的全色和单色阴极荧光图像!以及进行阴极荧光光谱分析!其分析功能齐全(图像分辨率高
#
图)!SL:L2N)>的分光器光路示意图
$%单色模式的光路图"$%全色模式的光路图-H
(!不同成因锆石的2N图像和光谱图分析及
讨论
!!锆石是广泛存在于各种成因岩石中的副矿物!由于在岩浆结晶和变质作用过程中锆石结晶机理不同造成它们在晶体形态和内部结构上存在明显差
’$
异&#岩浆锆石形成于基本可自由生长的熔浆悬浮
结晶锆石的结晶振荡环带通常窄而密#变质锆石是!变质作用过程中矿物分解产生的V?P.重新结晶或
在变质流体作用下形成的锆石!它们多是具有复杂内部结构的锆石!除一些变质新生锆石外!多为包含原岩中锆石核的变质增生锆石!或是改造原岩中锆石的变质重结晶锆石#由于变质生长锆石以亚固相(多晶面生长为主!通常具有浑圆形(它形(半自形(自形等多种晶体形态!且其内部多表现为无分带(弱分带(云雾状分带(扇形分带(冷杉叶状分带(面状分带(斑杂状分带(海绵状分带和流动
’O
状分带结构&#鉴于锆石通常具有荧光效应!其阴
环境!通常结晶为自形半自形的柱状(双锥状!)FT图像揭示其内部通常具有与晶体生长边界基本一致的岩浆结晶振荡环带结构!振荡环带的宽度与锆石
!’
结晶时熔浆的温度(元素扩散速率相关&!高温条
件下常常形成较宽的结晶环带!如橄长岩(辉长岩中的锆石"花岗岩等结晶温度相对低的中酸性岩中
极荧光图像可以很好地揭示内部结构特征!成为鉴别锆石成因类型的重要研究手段#
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(&$!高性能阴极荧光谱仪进行锆石分析的优势
本文介绍的阴极荧光分析系统由场发射环境扫描电子显微镜和阴极荧光谱仪组成!因而与以往构建在高倍显微镜(电子探针和普遍扫描电子显微镜上的荧光谱仪相比!分析锆石等不具导电性的地质类样品时具有以下明显优势#
$%可选择在低真空模式进行阴极荧光图像分!
析#由于待分析样品表面无需喷镀金属膜!因此可直接进行地质研究用普通光片(薄片的观察!也可直接进行粘于抛光树脂靶$PN9LRQ靶(T;)
上的锆石全裸露分析!提高了对锆石细LFQRP靶%微特征的分析能力#
$%由于使用了场发射环境扫描电子显微镜!"
使系统的分辨率有了本质的提高#同时!因其可选择使用低加速电压电子束作为激发源!与其他FT系统相比对样品表面的损伤明显减小#如对制备PN9LRQ锆石D)QH年龄分析用样品靶的树脂基本不造成损伤!为后续PN9LRQ或T;)LFQRP等锆石微区分析工作的顺利进行提供了保证#
(&(!锆石的高清晰2N图像研究意义
地质作用发生时限的准确确定是地质学研究的基本内容之一!高分辨离子探针$(激光PN9LRQ%剥蚀等离子体质谱$等微区分析技术的T;)LFQRP%日趋完善!使得基于矿物D$U6%)QH同位素体系分析的单矿物微区定年正愈来愈成为地质学研究中不可或缺的研究内容#富含放射性元素D!U6和稀土元素的锆石$%(斜锆石$是单矿物V?&P.]V?]&’"%%D$U6)QH同位素年代学研究的最重要矿物#由于锆石的阴极荧光图象分析可以揭示具有复杂内部结构的锆石成因!反演其结晶的地质作用性质和过程!进而为微区年龄测定中分析位置的选择和D)QH年龄的合理解释!系统讨论锆石寄主岩石所经历的地质事件性质提供依据#因此!高清晰的锆石FT图像分析是锆石D)QH年代学研究所必须的研究内容之一#
利用本文介绍的高性能阴极荧光分析系统!我们对不同成因锆石的阴极荧光全色和单色图进行了深入的工作!显示该套FT图像分析系统基本可满足对复杂锆石内部结构特征研究的需要#如所获得
’’
中的斜锆石的龙首山地块金川富铜镍超镁铁岩体&
图&$%和捕获两颗早期锆石的岩浆锆石$图$-%
’A
%%!南天山榆树沟麻粒岩中锆石&图&%%!柴$$$&H8
!%’
达木盆地北缘石榴橄榄岩&中变质成因锆石$图
$%%的阴极荧光全色图!非常清晰地揭示了这些锆&
石复杂的内部结构特征和所捕获的早期锆石等矿物包裹体的情况!为合理解释其PN9LRQ锆石D)QH年龄数据及其地质意义奠定了基础
#
图*!利用高性能阴极荧光分析系统获得的
斜锆石’锆石2N图像
$%金川富铜镍超镁铁岩体中的斜锆石"$%金川富铜镍超镁铁岩-H%南天山榆树沟麻粒岩中锆石"$%柴达木盆体中的岩浆锆石"$8
地北缘石榴橄榄岩中锆石
(&)!不同成因锆石的阴极荧光谱分析
不同成因锆石在FT荧光图像所揭示的内部结
’’$!O!!!!"*!&
构差异&和微量元素组成&差异等方面的变
化已为研究者所普遍关注#最近!我们利用本文介绍的高性能阴极荧光系统!对成因类型明确的若干岩浆锆石和变质增生锆石的阴极荧光谱图进行了初步对比研究!显示锆石的主要发光位在*!*!*(&!!&%&$&%"%&’!!(&’!(OA!$"$!$$*!O(&$O((%2,$图(%!并发现岩浆结晶锆石的阴极荧光谱都在图($%!$%%!而柴北缘-H&’!!(OA2,形成尖锐峰$含柯石英片麻岩!%$图(%%(石榴橄榄岩(榴辉岩!$8
%#;8P52V6-2.7\T!>@-/#+Z5/[email protected]?5,]8>-2.847H2@-/85//.4.52-4>4@7:5?@6>?2U.H>@-2!3PE!3TW!:^5!Q/-@>-7.21>??>586>,.8-/-2586?525/5.8-/@?5/5"%%(!.2I?>443^3
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$南天山榆树沟麻粒岩&图($%%!秦岭造山带松树
沟地区石榴辉石岩&等深变质岩中锆石的阴极荧光
!形态!去激过程导带电子跃回价带释放能量$06%成带间激发#带间激发可以表征所测矿物的特性#另一种是缺陷激发$图$$%%!由于带间存在缺陷!H去激过程发生在缺陷能级中#第三种是杂质激发$$图$%%!由于材料中杂质的存在!在带间存在杂8质能级!因此!去激过程发生在杂质能级中#初步的研究认为!由于岩浆结晶锆石通常为晶面较完整的自形晶!&’!和(OA2,波长处的高计数强度尖
锐
谱在各发光位均不形成强峰!而在一些发光位!如宽峰,形态!见图((OA及*!***(!2,常呈现+$%%!$8
!$’
!一种是电子激发产生阴极荧光有三种形式&
带间激发$图$%%!即受入射电子的激发!价带中$-的电子能够获得能量进入导带!使原子处于激发状
图+!不同成因类型锆石的阴极荧光谱图
!$’中岩浆结晶锆石"$$%北秦岭富水基性杂岩体&%青藏康西瓦蛇绿混杂岩带浅色辉长岩中岩浆结晶锆石"-H
’A
$%柴北缘超高压带片麻岩中含柯石英的锆石!%"$%南天山榆树沟麻粒岩中变质增生锆石&8
!$&
图,!在电子激发下三种不同的阴极荧光产生的示意图%
$%带间激发"$%缺陷激发"$%杂质激发-H8
!&%’
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峰揭示了其以带间激发荧光为主的特性"变质成因锆石普遍具有的+宽峰,形态则与变质增生和变质重结晶生长锆石通常为多晶面晶体!存在相当数量晶面缺陷有关#:-4
(!=-2./-@54E=!Q6.//.4R9!:-./52‘X#+/>8@?52H>-,87??>2@I
/544-@@6>6.6)Z-877,)6.6)?>447?>H572>2Z.?52)33I^.,>2@-/48-22.2/>8@?52,.8?5485>#R.8?54852II^-!"%#O$(4.4%%!!*AO*&%$^
$!X-Z?-E!E>H-7>?=!P86,.@-/#R7/@./>a.?8523?5J@6I
-28?4@-//[email protected]@>F-?H52.1>?574@5U?.)^3I^I-44.8,>@-,5?6.4,.23?-27/.@>451@6>LZ?>-V52>$P57@6>?2I%#;42.52,.8?5?5H>$PN9LRQ%4@7
!$%#&!AA$!!""**O**(’R.2>?-/52@?5/53^-3^
对锆石在可见光区阴极
荧光谱的研究认为!&’!!(OA!O(&2,波长的发光
*d由锆石中稀土元素=OA!$"$!^的存在引发!(*d
的存在而发光#我们认为目$$*2,波长由元素P,
前研究发现变质成因锆石在&’!和(OA2,波长计数
强度明显降低可能也与变质岩!特别是榴辉岩(麻粒岩等含石榴石的深变质岩中结晶锆石的重稀土
$N9++%
丰度显著降低&!"’有关这些初步的研究工作和发现表明阴极荧光谱的深入研究将有助于锆石成
因类型的识别!以及内部结构极复杂锆石的系统研究#
综上所述!由场发射环境扫描电子显微镜d高性能阴极荧光谱仪构成的阴极荧光分析系统!在锆石等矿物的显微特征分析(结晶生长条件研究和成因类型鉴别中有着重要的应用前景!其与矿物微区D$U6%)QH年龄测定(微量元素组成分析等研究工作的有机结合!将为准确讨论地质历史进程中构造)
热事件发生时间!沉积地层物源和沉积时限等重要地质问题提供可能#
参!考!文!献
!!N54M.2QS]!P86-/@>33
>?D#U6>85,[email protected].?852-2574-2@-,5?I6.8I>@?53>2>4.4#9>Z.>J4.2R.2>?-/53^-2586>,.4@?^
!"%%*!(*#"O*$""!T.7WT!Y7Vb![-@-^
-,-L!>@-/#R.2>?-/.28/74.524.2a.?)852451I-?-)-2.441?5,I?>)I./5@FFP=)QQ!!F6.2>4>[email protected]>2@-/P8.>[email protected]=?.//.23Q?50>8@#T.@654!"%%!!(A$&%#!AA*"!(
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’!李献华!苏!犁!宋!彪!等#金川超镁铁侵入岩PN9LRQ锆石
D)QH年龄及地质意义#科学通报!"%%&!&A$&%#&%!*&%"A!周鼎武!苏!犁!简!平!等#
"%%&#南天山榆树沟蛇绿岩地体中高压麻粒岩PN9LRQ锆石D)QH年龄及构造意义#科学通报!&A$!&%#!&!!*!&!(
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(!苏!犁!宋述光!宋!彪!等!松树沟地区石榴辉石岩和富水杂
岩PN9LRQ锆石D)QH年龄及其对秦岭造山带构造演化的制约#科学通报!"%%&!&A$!"%#!"%A*!"!!
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关键词!!阴极荧光谱仪!场发射环境扫描电子显微镜!锆石!阴极荧光图像!阴极荧光谱!!锆石作为物理化学性质非常稳定的一种矿物!在岩石成因(成岩时代(高压超高压矿物包裹体(变质历史以及造山带的发展演化过程等方面的研究
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量锆石阴极荧光图像和光谱图明显提高了对不同成因锆石的系统研究#
灵敏度(高分辨率离子探针$!激光剥蚀PN9LRQ%等微区分析技术在锆石等离子体质谱$T;)LFQRP%D)QH年代学研究中的应用!极大地推动了地球科学
研究进程#在这类精细分析过程中!测点的准确选取和分析结果的合理解释需要基于对揭示矿物内部$结构特征的阴极荧光8图像-@6548>28>FT%的详细判读#由于以往构建在高倍光学显微镜(扫描电子显微镜(电子探针上的FT图像分析系统在分辩率(分析样品处理方法等方面存在的不足!如何获得高清晰度FT图像成为近年来我国地质实验研究中急需解决的问题之一#本文介绍北京大学物理学院电子显微镜实验室新组建的一套高性能FT联合分析系统!它由目前世界上先进的场发射环境扫描电子显微镜和高性能阴极荧光谱仪联合构成!在FT成像质量(图像分辨率以及可揭示待测样品阴极荧光发光原因的FT谱图分析等方面具有强大
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本文介绍的高性能阴极荧光分析系统由一台先进的场发射环境扫描电子显微镜$W+L公司的b7-2)和可进行纳米级全谱(单谱分析的阴极荧@-"%%W%
光谱仪$组成#由于场发E-@-2公司的R525FT*d%射环境扫描电子显微镜$采用的场发射技术+P+R%使其成像的分辨率较普通扫描电子显微镜有明显的提高!且样品室真空度除高真空条件外!还可选择低真空和环境真空条件!使得锆石等非导电性矿物
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分析样品$靶%的污染和损伤#同时!所选用的高性能FT谱仪具有进行"%%*A%%2,波长的全色谱和单色谱分析能力#因而!本套系统极大地提高了阴极荧光成像质量和光谱分析能力#
$#$!场发射环境扫描电子显微镜的特点P+R$>2Z.?52)!!场发射环境扫描电子显微镜+
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"卷!第!!期!#$$"年!!月!第!
%是目前世界上,>2@-/48-22.2/>8@?52,.8?54853>I^
最为先进的扫描电子显微镜!与普通扫描电子显微镜相比其主要优势表现在#有高的图像空间分辨率!并且无需对样品进行处理$包括绝缘样品!甚至含水样品%即可直接进行电子显微镜观察!因而极大地提高了其显微分析能力!这些进步主要得益于两种关键技术***场发射电子枪技术和压差光阑技术的采用#
场发射电子枪技术#b7-2@-"%%W环境扫描电方便对不同类型研究样品进行最有效观察#
高真空模式是传统扫描电子显微镜都具备的工作模式!待分析样品需置于高真空的样品室内!因而要求样品是干燥的!样品表面应具有导电性#因此!对于通常不具导电性的地质类样品!需要在样品表面蒸镀导电膜$金(碳等%!对含水样品的研究必须首先进行样品的干燥处理#
低真空模式对待观察试样只需进行干燥处理!子显微镜使用了P865@@M^场发射源!采用这种场发射源设计的电子枪!有很高的电子束束流密度$通常比普通钨丝热发射源扫描电子显微镜提高"**个数量级%!而且电子束的能量分散很小#因此!电子束通过电子光学系统后能获得很高质量的电子探针!它具有束斑直径小$约!2,%!束流密度高$约!2;%的特点!用这种高性能电子探针扫描样品可以极大地提高扫描电子显微镜成像的信噪比和分辨率$分辨率优于"2,%#
压差光阑技术#在b7-2@-"%%W场发射环境扫描电子显微镜的电子光学系统和样品室的交接部位采用了两级压差光阑技术!通过两级压差光阑之间的抽气夹层!把样品室和镜筒+隔开,!使得镜筒可以始终保
持高真空状态$!%cO5
%!
%!保证电子束在镜筒中的运动不受阻碍"而样品室的真空度则可以通过流入气体压力进行控制!使其在%#!**%5范围内变化$图!%#采用压差光阑技术的b7-2@-"%%W场发射环境扫描电子
显微镜的样品室可选择高真空$!%c(
5
%(低真空$%#!*!#(5%和环境真空$!**%5
%三种工作模式!
以图!$!]
[B:8B(;;O型场发射环境扫描电子显微镜压差光阑技术示意图
!%!5
k%#!**""MQ-但不要求样品表面具有导电性#所以!进行岩石(矿物等地质样品的分析时可以避免在其表面蒸镀导电层#其原因是#低真空模式下样品室中存在大量的气体$通常充入水蒸气%!在信号电子的作用下样品室内气体会产生电离!电离形成的正离子在电子束轰击而积累于表面的负电荷作用下向绝缘样品表面运动!最终与样品表面的负电荷中和!从而消除绝缘样品表面因电子束轰击而产生的电荷充(放电现象!直接获得样品表面的最真实信息#图"是一组不同真空状态条件下锆石成像结果的对照#样品是一颗表面没有蒸镀导电层的锆石#
环境扫描模式是样品室的真空度可以达到*%5!即基本饱和水的工作状态#因此不仅可以观察完
全
图(!不同真空度条件下表面未蒸镀导
电层的锆石T
$-%高真空状态下的FT图像"$H%高真空状态下的二次电子像"$8%低真空状态下的FT图像"$
"卷!第!!期!#$$"年!!月!第!
!&%(
绝缘的样品!而且还可以直接观察含水的样品!包括生物等活体样品#但是由于样品室气压过高!电子束进入样品室时可以发生强烈散射!导致分辨率有所下降#
所以!拥有三种样品室真空模式的场发射环境扫描电子显微镜$!可以不进行样品b7-2@-"%%W%表面导电性处理!直接观察几乎所有类型的固体样品!并获得高质量的样品原始形貌图像#
$&(!高性能阴极荧光谱仪的特点
英国E-@-2公司生产出品的R525FT*d型高性能阴极荧光谱仪由荧光接收探头(单色仪(光电倍增管及分析软件等组成#阴极荧光$接收探头FT%是具有"%%*A%%2,波长全色和单色接收功能的高清晰FT探头!长O(,,!厚!%,,#该探头是一个镀铝的抛物面反光镜!中央有一个小孔!电子束通
过这个小孔打到被放在抛物面探头焦点处的样品上!激发样品表面产生荧光信号#光信号经抛物面镜反射成一组平行光进入分光系统!分光系统入口处有两个旋转钮可以切换两种不同的成像模式#全色模式和单色模式#在全色模式下$!光不通过单色仪而直接到达光"%%*A%%2,波长%
电倍增管接收器转换成像!我们就可以得到样品的全色阴极荧光图像#在单色模式下!光信号通过狭缝可调宽度%#*%8,的单色分光系统$%!*(,,!
光谱分辨率为%#!经过光栅分光再送到光电(2,%倍增管形成荧光光谱!并可获得单色阴极荧光图像图*$%#通过这套系统!我们可以在亚微米乃至纳米尺度上获得发光物质的全色和单色阴极荧光图像!以及进行阴极荧光光谱分析!其分析功能齐全(图像分辨率高
#
图)!SL:L2N)>的分光器光路示意图
$%单色模式的光路图"$%全色模式的光路图-H
(!不同成因锆石的2N图像和光谱图分析及
讨论
!!锆石是广泛存在于各种成因岩石中的副矿物!由于在岩浆结晶和变质作用过程中锆石结晶机理不同造成它们在晶体形态和内部结构上存在明显差
’$
异&#岩浆锆石形成于基本可自由生长的熔浆悬浮
结晶锆石的结晶振荡环带通常窄而密#变质锆石是!变质作用过程中矿物分解产生的V?P.重新结晶或
在变质流体作用下形成的锆石!它们多是具有复杂内部结构的锆石!除一些变质新生锆石外!多为包含原岩中锆石核的变质增生锆石!或是改造原岩中锆石的变质重结晶锆石#由于变质生长锆石以亚固相(多晶面生长为主!通常具有浑圆形(它形(半自形(自形等多种晶体形态!且其内部多表现为无分带(弱分带(云雾状分带(扇形分带(冷杉叶状分带(面状分带(斑杂状分带(海绵状分带和流动
’O
状分带结构&#鉴于锆石通常具有荧光效应!其阴
环境!通常结晶为自形半自形的柱状(双锥状!)FT图像揭示其内部通常具有与晶体生长边界基本一致的岩浆结晶振荡环带结构!振荡环带的宽度与锆石
!’
结晶时熔浆的温度(元素扩散速率相关&!高温条
件下常常形成较宽的结晶环带!如橄长岩(辉长岩中的锆石"花岗岩等结晶温度相对低的中酸性岩中
极荧光图像可以很好地揭示内部结构特征!成为鉴别锆石成因类型的重要研究手段#
!&%$
"卷!第!!期!#$$"年!!月!第!
(&$!高性能阴极荧光谱仪进行锆石分析的优势
本文介绍的阴极荧光分析系统由场发射环境扫描电子显微镜和阴极荧光谱仪组成!因而与以往构建在高倍显微镜(电子探针和普遍扫描电子显微镜上的荧光谱仪相比!分析锆石等不具导电性的地质类样品时具有以下明显优势#
$%可选择在低真空模式进行阴极荧光图像分!
析#由于待分析样品表面无需喷镀金属膜!因此可直接进行地质研究用普通光片(薄片的观察!也可直接进行粘于抛光树脂靶$PN9LRQ靶(T;)
上的锆石全裸露分析!提高了对锆石细LFQRP靶%微特征的分析能力#
$%由于使用了场发射环境扫描电子显微镜!"
使系统的分辨率有了本质的提高#同时!因其可选择使用低加速电压电子束作为激发源!与其他FT系统相比对样品表面的损伤明显减小#如对制备PN9LRQ锆石D)QH年龄分析用样品靶的树脂基本不造成损伤!为后续PN9LRQ或T;)LFQRP等锆石微区分析工作的顺利进行提供了保证#
(&(!锆石的高清晰2N图像研究意义
地质作用发生时限的准确确定是地质学研究的基本内容之一!高分辨离子探针$(激光PN9LRQ%剥蚀等离子体质谱$等微区分析技术的T;)LFQRP%日趋完善!使得基于矿物D$U6%)QH同位素体系分析的单矿物微区定年正愈来愈成为地质学研究中不可或缺的研究内容#富含放射性元素D!U6和稀土元素的锆石$%(斜锆石$是单矿物V?&P.]V?]&’"%%D$U6)QH同位素年代学研究的最重要矿物#由于锆石的阴极荧光图象分析可以揭示具有复杂内部结构的锆石成因!反演其结晶的地质作用性质和过程!进而为微区年龄测定中分析位置的选择和D)QH年龄的合理解释!系统讨论锆石寄主岩石所经历的地质事件性质提供依据#因此!高清晰的锆石FT图像分析是锆石D)QH年代学研究所必须的研究内容之一#
利用本文介绍的高性能阴极荧光分析系统!我们对不同成因锆石的阴极荧光全色和单色图进行了深入的工作!显示该套FT图像分析系统基本可满足对复杂锆石内部结构特征研究的需要#如所获得
’’
中的斜锆石的龙首山地块金川富铜镍超镁铁岩体&
图&$%和捕获两颗早期锆石的岩浆锆石$图$-%
’A
%%!南天山榆树沟麻粒岩中锆石&图&%%!柴$$$&H8
!%’
达木盆地北缘石榴橄榄岩&中变质成因锆石$图
$%%的阴极荧光全色图!非常清晰地揭示了这些锆&
石复杂的内部结构特征和所捕获的早期锆石等矿物包裹体的情况!为合理解释其PN9LRQ锆石D)QH年龄数据及其地质意义奠定了基础
#
图*!利用高性能阴极荧光分析系统获得的
斜锆石’锆石2N图像
$%金川富铜镍超镁铁岩体中的斜锆石"$%金川富铜镍超镁铁岩-H%南天山榆树沟麻粒岩中锆石"$%柴达木盆体中的岩浆锆石"$8
地北缘石榴橄榄岩中锆石
(&)!不同成因锆石的阴极荧光谱分析
不同成因锆石在FT荧光图像所揭示的内部结
’’$!O!!!!"*!&
构差异&和微量元素组成&差异等方面的变
化已为研究者所普遍关注#最近!我们利用本文介绍的高性能阴极荧光系统!对成因类型明确的若干岩浆锆石和变质增生锆石的阴极荧光谱图进行了初步对比研究!显示锆石的主要发光位在*!*!*(&!!&%&$&%"%&’!!(&’!(OA!$"$!$$*!O(&$O((%2,$图(%!并发现岩浆结晶锆石的阴极荧光谱都在图($%!$%%!而柴北缘-H&’!!(OA2,形成尖锐峰$含柯石英片麻岩!%$图(%%(石榴橄榄岩(榴辉岩!$8
%#;8P52V6-2.7\T!>@-/#+Z5/[email protected]?5,]8>-2.847H2@-/85//.4.52-4>4@7:5?@6>?2U.H>@-2!3PE!3TW!:^5!Q/-@>-7.21>??>586>,.8-/-2586?525/5.8-/@?5/5"%%(!.2I?>443^3
"卷!第!!期!#$$"年!!月!第!
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$南天山榆树沟麻粒岩&图($%%!秦岭造山带松树
沟地区石榴辉石岩&等深变质岩中锆石的阴极荧光
!形态!去激过程导带电子跃回价带释放能量$06%成带间激发#带间激发可以表征所测矿物的特性#另一种是缺陷激发$图$$%%!由于带间存在缺陷!H去激过程发生在缺陷能级中#第三种是杂质激发$$图$%%!由于材料中杂质的存在!在带间存在杂8质能级!因此!去激过程发生在杂质能级中#初步的研究认为!由于岩浆结晶锆石通常为晶面较完整的自形晶!&’!和(OA2,波长处的高计数强度尖
锐
谱在各发光位均不形成强峰!而在一些发光位!如宽峰,形态!见图((OA及*!***(!2,常呈现+$%%!$8
!$’
!一种是电子激发产生阴极荧光有三种形式&
带间激发$图$%%!即受入射电子的激发!价带中$-的电子能够获得能量进入导带!使原子处于激发状
图+!不同成因类型锆石的阴极荧光谱图
!$’中岩浆结晶锆石"$$%北秦岭富水基性杂岩体&%青藏康西瓦蛇绿混杂岩带浅色辉长岩中岩浆结晶锆石"-H
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$%柴北缘超高压带片麻岩中含柯石英的锆石!%"$%南天山榆树沟麻粒岩中变质增生锆石&8
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图,!在电子激发下三种不同的阴极荧光产生的示意图%
$%带间激发"$%缺陷激发"$%杂质激发-H8
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"卷!第!!期!#$$"年!!月!第!
峰揭示了其以带间激发荧光为主的特性"变质成因锆石普遍具有的+宽峰,形态则与变质增生和变质重结晶生长锆石通常为多晶面晶体!存在相当数量晶面缺陷有关#:-4
(!=-2./-@54E=!Q6.//.4R9!:-./52‘X#+/>8@?52H>-,87??>2@I
/544-@@6>6.6)Z-877,)6.6)?>447?>H572>2Z.?52)33I^.,>2@-/48-22.2/>8@?52,.8?5485>#R.8?54852II^-!"%#O$(4.4%%!!*AO*&%$^
$!X-Z?-E!E>H-7>?=!P86,.@-/#R7/@./>a.?8523?5J@6I
-28?4@-//[email protected]@>F-?H52.1>?574@5U?.)^3I^I-44.8,>@-,5?6.4,.23?-27/.@>451@6>LZ?>-V52>$P57@6>?2I%#;42.52,.8?5?5H>$PN9LRQ%4@7
!$%#&!AA$!!""**O**(’R.2>?-/52@?5/53^-3^
对锆石在可见光区阴极
荧光谱的研究认为!&’!!(OA!O(&2,波长的发光
*d由锆石中稀土元素=OA!$"$!^的存在引发!(*d
的存在而发光#我们认为目$$*2,波长由元素P,
前研究发现变质成因锆石在&’!和(OA2,波长计数
强度明显降低可能也与变质岩!特别是榴辉岩(麻粒岩等含石榴石的深变质岩中结晶锆石的重稀土
$N9++%
丰度显著降低&!"’有关这些初步的研究工作和发现表明阴极荧光谱的深入研究将有助于锆石成
因类型的识别!以及内部结构极复杂锆石的系统研究#
综上所述!由场发射环境扫描电子显微镜d高性能阴极荧光谱仪构成的阴极荧光分析系统!在锆石等矿物的显微特征分析(结晶生长条件研究和成因类型鉴别中有着重要的应用前景!其与矿物微区D$U6%)QH年龄测定(微量元素组成分析等研究工作的有机结合!将为准确讨论地质历史进程中构造)
热事件发生时间!沉积地层物源和沉积时限等重要地质问题提供可能#
参!考!文!献
!!N54M.2QS]!P86-/@>33
>?D#U6>85,[email protected].?852-2574-2@-,5?I6.8I>@?53>2>4.4#9>Z.>J4.2R.2>?-/53^-2586>,.4@?^
!"%%*!(*#"O*$""!T.7WT!Y7Vb![-@-^
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’!李献华!苏!犁!宋!彪!等#金川超镁铁侵入岩PN9LRQ锆石
D)QH年龄及地质意义#科学通报!"%%&!&A$&%#&%!*&%"A!周鼎武!苏!犁!简!平!等#
"%%&#南天山榆树沟蛇绿岩地体中高压麻粒岩PN9LRQ锆石D)QH年龄及构造意义#科学通报!&A$!&%#!&!!*!&!(
%!P523PE!V6-23TW!:
.7\T!>@-/#E>586?525/53^51-?.23a.?85241?5,3-?2>@)I>?..2@6>:5?@6b-./@!:[email protected]>@-2Q/-@>-7#;?>85?K6.4@5)?.>4-4458.-@>2@-/85//.4.52#+-?@6-2
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岩PN9LRQ锆石D)QH年龄及其对秦岭造山带构造演化的制约#科学通报!"%%&!&A$!"%#!"%A*!"!!
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