显微拉曼在地质和矿物研究的应用

导言：

地质和矿物学研究对于理解地球内部结构、地质过程和矿产资源的形成具有重要意义。传统的地质矿物学研究方法主要依赖于岩石和矿物的显微观察和化学测试，但这些方法往往受限于样品制备和鉴别的复杂性。显微拉曼技术具有非破坏性、高灵敏度和高分辨率的特点，可以提供详细的化学信息和结构特征，为地质和矿物学研究提供新的视角和方法。

岩石鉴定：

显微拉曼技术通过分析岩石样品中的拉曼散射光谱，可以获得岩石中不同矿物的指纹信息。每种矿物在拉曼光谱上表现出独特的特征峰，通过与已知矿物的光谱数据库进行比对，可以准确鉴定样品中的矿物组成。这种非破坏性的鉴定方法避免了对样品的损伤，提供了更可靠和准确的鉴定结果。

在冲击变质作用的Coconino砂岩中二氧化硅的同质多象的研究中，利用显微拉曼技术检测原始砂岩制成的抛光薄片样品。样品中主要含有石英和硅玻璃，而且还含有高达25%的柯石英和0.5%的斯石英（氧化硅的二种高压同质多象变体）。石英可根据在465的强拉曼线将其立即鉴定出来。柯石英的细粒晶体，根据它在521，425，355和271初的特征拉曼线易于在原位置初鉴定出来。

图1 石英的拉曼光谱

图2 柯石英的拉曼光谱

矿物分析：

显微拉曼技术还可用于矿物的化学组成和结构特征分析。各种不同矿物在拉曼光谱上呈现出不同的振动模式和拉曼峰，这些峰谱可以用于矿物的定性和定量分析。通过建立拉曼峰与成分含量的关系，可以实现对主量元素和微量元素的准确分析，为矿物学研究和矿产资源评估提供重要信息。

祖母绿是一种含铍铝的硅酸盐,为一种绿柱石亚种,化学成分为,具有浓艳的绿色,属高档宝石，图3是祖母绿的一个典型的拉曼光谱，四个强的特征峰分别是1068，684，395，320。图4是自称清代朝珠，祖传祖母绿的一个样品检测结果。结果显示该样品主要成分是SiO2。

图3 祖母绿的拉曼光谱

图4 送检样品的拉曼光谱

地质过程研究：

显微拉曼技术还可以用于地质过程的研究。岩石和矿物中的微观结构和组分分布反映了地质过程的演化和沉积环境的变化。显微拉曼技术能够提供高空间分辨率的成像功能，可以观察岩石中不同矿物的分布、包裹体的形态和矿物之间的相互作用。通过对拉曼成像图像的分析，可以了解岩石的物理性质、变质程度和岩石变形的特征。

2022年，以刘建军研究员为首的中国科学院国家天文台研究团队开展了嫦娥五号在地球磁层屏蔽和相对较高温度下对月球水的原位光谱观测，并对嫦娥五号带回的月球土壤样本进行光谱检测。在该项工作中，研究人员测试了月球土壤样品中磷灰石的抛光切片中的不同磷灰石晶粒的拉曼光谱。从下图中可以看出，大多数磷灰石晶粒在959.3-961.7附近出现拉曼峰，这是由P-O键的基本振动引起的；受OH、F和Cl相对比例的影响，氟磷灰石、氯磷灰石和羟基磷灰石的拉曼振动模式分别出现在965、959和962处，推断随着磷灰石晶粒中OH比例的增加，拉曼峰向962cm-1移动。月球样品中磷灰石晶粒的拉曼峰位置范围表明，(F,Cl,OH)是其可能的化学组成。

图5 嫦娥五号月球土壤样品中磷灰石的抛光切片中不同磷灰石晶粒的拉曼光谱

结论：

显微拉曼技术作为一种非破坏性、高灵敏度的分析手段，在地质和矿物学研究中具有广泛的应用前景。岩石鉴定、矿物分析和地质过程研究都可以受益于这一技术的发展。未来，随着显微拉曼技术的不断进步，我们有望更深入地了解地球的内部结构和地质演化过程，为地质和矿物学领域的研究带来更多的突破和发展。

参考文献

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