地质地球所发现赤铁矿漫反射光谱的影响因素及环境意义

2011-4-26 15:03 来源: 中国科学院
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  赤铁矿是自然界中常见的反铁磁性矿物,是古地磁和古气候信息的良好载体。目前,有多种方法可以对赤铁矿进行定量化研究,如利用岩石磁学参数HIRM(hard isothermal remanent magnetization)及S-ratio(IRM-300mT/SIRM)可以确定赤铁矿的绝对含量和相对含量。该方法的不足之处在于:赤铁矿的矫顽力不仅受含量控制,还受多种因素(如颗粒大小及形态等)影响;传统的XRD(X-ray diffraction)和Mössbauer spectroscopy方法也可以检测赤铁矿的存在并能进行定量分析,但这类方法费时、且需要对矿物进行预先提纯处理,无法进行大批量样品的研究。漫反射光谱法(the visible diffuse reflectance,DRS)可以对赤铁矿及针铁矿进行快速有效的定量分析。但是,土壤或沉积物中的赤铁矿一般都存在Al替代现象,这会对赤铁矿的物理化学性质造成重大影响。

  为了确定Al替代对DRS方法造成的不确定性,中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室刘青松研究员及其合作者对实验室合成的多组含有不同Al替代程度的赤铁矿进行了研究。赤铁矿DRS的一阶和二阶导数在~550-580 nm和~530-560 nm处出现极小值(图1)。为了方便起见,这两个极小值所对应的谱位置为P580和P560,而相应的幅度定义为I580和I560。

  结果表明:对于同系列的赤铁矿样品(合成条件类似),P580和P560随Al替代含量的增加而向低波段移动(图2a,b),同时I580和I560降低(图2c,d)。可见,对于同系列样品,Al替代程度及其DRS参数(P580 、P560等)具有明显的负相关关系。另外,对于不同系列的样品,其DRS参数与Al含量之间的相关关系差别明显,这意味着难以简单地利用DRS谱对赤铁矿进行定量化分析。同时,如果天然样品中赤铁矿形成环境稳定,DRS谱峰值的相对值可以反映赤铁矿的含量变化特征,洛川黄土-古土壤剖面验证了这一结论(图3)。其次,赤铁矿DRS谱参数的显著变化可能指示着赤铁矿的不同来源,这为研究沉积物的物源提供了一种新手段。

  该成果近期发表在国际知名的矿物学期刊Clay Minerals(Liu et al. Quantification of hematite from the visible diffuse reflectance spectrum: effects of aluminium substitution and grain morphology. Clay Minerals, 2011, 46: 137-149)。