CN105784633A - 一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法。该方法包括以下步骤：制备、选择待测矿物晶体样品；利用太赫兹时域光谱装置对待测矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，以获得待测矿物晶体样品及干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形；对待测矿物晶体样品及干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理，构建待测矿物晶体样品的演化模型；根据该演化模型分析待测矿物晶体样品的演化过程。该方法安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高，并且测量方法简单实用、快速、准确，有利于研究矿物晶体的微形貌特征，便于直接追踪成岩、成矿、矿物晶体生长信息，以分析在不同温度下生长的矿物晶体的演化过程。另外，测量后的矿物晶体还可以重复利用。

Description

一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法

技术领域

本发明涉及一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法，属于矿物演化辨别领域。

背景技术

流体包裹体是成岩成矿流体在矿物结晶生长过程中，被包裹在矿物晶格缺陷或穴窝中的，至今尚在主矿物中封存并与主矿物有着相的界限的那一部分物质。包裹体中的流体成分可用来追溯当时的流体系统的演化，能够为我们提供关于成矿流体特征的最可靠信息，为油气勘探评价提供基础资料，在矿物成岩成矿的演化过程中起了非常重要的作用。

水是一种非常重要的自然流体(一些实验也表明在无H₂O条件下形成包裹体会变得极为困难)，在很多地质过程中发挥着必不可少的作用，但自然界很少存在纯水流体体系，而含盐的H₂O流体广泛存在于岩浆岩、热液矿产、沉积岩、以及变质岩等各种地质环境，对大量流体包裹体研究表明，盐类流体包裹体与一般矿物中的流体包裹体的理论基础是相同的，NaCl是大多数热液及交代流体的主要组分。因此，H₂O、NaCl-H₂O及CO₂-H₂O-NaCl体系可以作为许多地质流体的近似，这些流体在许多地质演化活动中发挥着重要的作用，通过这些流体可以推断成矿流体的捕获温度和压力。温度对流体包裹体的形成及种类有较大影响，温度不同，流体包裹体的类型往往不同。随着气温高低的变化会形成不同的盐类矿物组合。人工合成流体包裹体是在实验室条件下形成天然流体包裹体的类比物，用于检验和验证与流体包裹体研究相关的假设和技术方法的可行性和有效性。

目前，比较常用的检测流体包裹体的技术手段都存在一些不足之处，例如现有技术中有关热液系统的P-T-V-X数据十分丰富，但这些数据中的绝大部分很难用来解释流体包裹体的特征；而通过压碎或爆裂-萃取(全样)法获得的流体包裹体的信息，数据代表性差，无法区分不同世代的流体包裹体，甚至有时会得出错误的结论，并且工序繁杂；在比较常用的红外光显微技术中，红外光对矿物有一定的热作用，提高光强又可能影响流体包裹体相变时的温度测定。再加上有些检测技术对人体及样品都有潜在的危害，且不易操作，测量时间相对较长等缺点使人们尝试着寻求一种新的检测手段进行矿物演化的分析。

太赫兹波与其它波段的电磁波相比，具有安全性好，穿透力强，光谱灵敏度高等诸多特点。太赫兹波段包含了丰富的光谱信息，大量的分子的转动和振动(包括集体振动)的跃迁都发生在太赫兹波段，根据分子在太赫兹波段的特有光谱信息可以识别出不同的分子。并且太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级(1ps＝10^-12s)，可以实现亚皮秒、飞秒时间分辨率的研究，而且通过相关测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。但目前还没有见将太赫兹时域光谱技术应用于矿物演化上的报道。

发明内容

为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法。

为达到上述目的，本发明提供一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法，其包括以下步骤：

a、制备、选择待测矿物晶体样品；

b、利用太赫兹时域光谱装置对待测矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，以获得待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形；

c、对待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理，构建待测矿物晶体样品的演化模型；

d、根据待测矿物晶体样品的演化模型分析待测矿物晶体样品的演化过程。

根据本发明所述的方法，上述步骤a为：室温下配制待测矿物晶体的饱和溶液，将所述待测矿物晶体的饱和溶液蒸干，至矿物晶体完全析出，得到矿物晶体样品；从所述矿物晶体样品中选择生长规则、表面平整的矿物晶体样品，并对其进行切割、磨平处理，得到待测矿物晶体样品；

为保证测量得到的数据更加准确，优选所述待测矿物晶体样品的厚度小于3mm，更优选为1.5mm。

根据本发明所述的方法，其中，在25-100℃下将所述待测矿物晶体的饱和溶液蒸干，至矿物晶体完全析出，得到矿物晶体样品。在该步骤中，在25-100℃内选择适当的温度，分别将待测矿物晶体的饱和溶液蒸干至矿物晶体完全析出，从而得到不同的矿样晶体样品；在本发明的优选实施例中，分别在25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃下将所述待测矿物晶体的饱和溶液蒸干，至矿物晶体完全析出，得到矿物晶体样品。

根据本发明所述的方法，上述步骤b为：利用太赫兹时域光谱装置对待测矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，获得待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形，以干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形为参考信号，以待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形为测试信号；优选地，每个所述待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和所述干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形均取三次测量的平均值；在步骤b中，氮气的纯度为99.999％。

根据本发明所述的方法，上述太赫兹时域光谱装置在室温氮气环境下进行检测，相对湿度小于0.5％。

根据本发明所述的方法，上述步骤c为：根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测矿物晶体样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)；然后分别在有效频率范围内建立待测矿物晶体样品的吸收谱；根据所述吸收谱得到所述待测矿物晶体样品的吸收系数，进一步生成所述待测矿物晶体样品的吸收系数曲线图。

根据本发明所述的方法，上述有效频率范围为0.2-1.6THz。

根据本发明所述的方法，上述待测矿物晶体样品的吸收系数曲线图即为所述的待测矿物晶体样品的演化模型。在不同太赫兹波段下，不同温度条件下制备得到的矿物晶体样品的吸收系数是不同的，因此可通过模型分析矿物演化过程，进而辨别出矿物在不同的演化阶段的特征信息。

根据本发明所述的方法，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测矿物晶体样品的吸收率和折射率，包括：基于菲涅尔公式的数据处理模型，得到所述待测矿物晶体样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{d}1n\frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，d为所述待测矿物晶体样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值，c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。

根据本发明所述的方法，上述待测矿物晶体样品为石盐矿物晶体样品；

优选所述石盐矿物晶体样品为立方体；

还优选所述石盐矿物晶体样品的厚度小于3mm，更优选为1.5mm。

在不同温度下生长的石盐矿物晶体，其包裹体的大小、形态、数量和成分可以在太赫兹波段表现出不同的波谱信号。太赫兹脉冲穿过在不同温度下生长的石盐矿物晶体样品时会产生不同的时间延迟和幅度衰减。

本发明的基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法可快速、无损地辨别矿物晶体的生长环境，进而分析在不同温度下生长的矿物晶体的演化过程。

与现有技术相比，本发明的基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法的有益效果是：太赫兹时域光谱作为一种新兴的检测手段，通过对样品间各自峰值的大小、峰位的数据进行处理，根据数据处理结果来辨别矿物晶体的不同生长环境，该方法不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高等特点，并且测量方法简单实用、快速、准确，有利于研究矿物晶体的微形貌特征，便于直接追踪成岩、成矿、矿物晶体生长信息，以分析在不同温度下生长的矿物晶体的演化过程。除此之外，测量后的矿物晶体还可以重复利用。

附图说明

图1为不同温度下生长的石盐矿物晶体样品的太赫兹时域谱图；

图2A-图2J分别为25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃下生长的石盐矿物晶体样品的太赫兹时域谱图；

图3为不同温度下生长的石盐矿物晶体的太赫兹吸收谱图；

图4为不同温度下生长的石盐矿物晶体在不同的太赫兹波段的吸收系数与温度关系图；

图5为不同温度下生长的石盐矿物晶体的显微镜图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本发明提供的基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法可以采用太赫兹时域光谱装置(THz-TDS)进行检测，其中，钛蓝宝石飞秒锁模脉冲激光器产生中心波长为800nm可调、重复频率为80MHz、脉冲宽度为100fs的激光光源；上述装置中使用的激光脉冲分为两束，一束作为泵浦光，用来激发GaAs光电导线产生THz脉冲；另一束作为探测光，利用晶体检波器测量THz信号，最后THz信号由斩波器控制的锁相放大器所采集。

为了防止空气中的水蒸气对THz信号的影响，从产生THz信号到探测信号的这一段光路被密封在充有氮气的箱体内，箱内的相对湿度小于0.5％，温度为297K，信噪比大于1000，谱分辨率为0.00267ps。

本实施例提供一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法，该方法包括以下步骤：

制备、选择待测石盐矿物晶体样品：室温下配制待测石盐矿物晶体的饱和溶液，将恒温干燥箱的温度分别设定为25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃，快速将上述待测石盐矿物晶体的饱和溶液放入上述恒温干燥箱中，分别在25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃将所述待测石盐矿物晶体的饱和溶液蒸干，至石盐矿物晶体完全析出，得到石盐矿物晶体样品；从所述石盐矿物晶体样品中选择生长规则、表面平整的石盐矿物晶体样品，并对其进行切割、磨平处理，分别得到在25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃下生长的待测石盐矿物晶体样品；

上述待测石盐矿物晶体样品为立方体，其厚度为1.5mm。

利用太赫兹时域光谱装置对待测石盐矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，以获得待测石盐矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形；利用太赫兹时域光谱装置对待测石盐矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，获得待测石盐矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形，以干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形为参考信号，以待测石盐矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形为测试信号；在本实施例中每个所述待测石盐矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和所述干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形均取三次测量的平均值。

对待测石盐矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理构建待测石盐矿物晶体样品的演化模型；

根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测石盐矿物晶体样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)；其中，吸收率α(ω)和折射率n(ω)是基于菲涅尔公式的数据处理模型得到的：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{d}1n\frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，d为所述待测石盐矿物晶体样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值，c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。

然后，分别在有效频率范围0.2-1.6THz内建立待测石盐矿物晶体样品的吸收谱；根据所述吸收谱得到所述待测石盐矿物晶体样品的吸收系数，进一步生成所述待测石盐矿物晶体样品的吸收系数曲线图，即所述的待测石盐矿物晶体样品的演化模型；

根据待测石盐矿物晶体样品的演化模型分析石盐矿物晶体样品的演化过程。

25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃下生长的石盐矿物晶体样品的太赫兹时域谱图分别如图1、图2A-图2J所示。

根据上述石盐矿物晶体样品的太赫兹时域谱图，利用THz光学参数的物理模型计算出了25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃下生长的石盐矿物晶体样品的太赫兹吸收谱图，如图3所示。从图3中可以看出，随频率的增加，样品的吸收率呈增加趋势，并且每个样品在相对高频和低频的吸收量不同。

25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃下生长的石盐矿物晶体样品在不同的太赫兹波段(0.8THz、1.0THz、1.2THz、1.4THz)的吸收系数与温度关系图，如图4所示。从图4可以看出，在不同的THz波段，随着温度的增加，样品的吸收系数的变化趋势呈现三个不同的变化阶段：即先减少后增大再减少的趋势。

可以看出在40℃和70℃附近，出现了样品吸收系数的转折点。而吸收系数的变化，是与石盐矿物晶体中包裹体的类型及特征有关的，进而可以分析在不同温度下生长的石盐矿物晶体的演化过程；

在a阶段(25℃-40℃)，吸收系数随着温度的升高而减少，其显微镜图如图5所示，从图5中可以看出其包裹体个体较大但数量较少，排列比较疏松，为成岩阶段；

在b阶段(40℃-70℃)，吸收系数随着温度的升高而增大，其显微镜图如图5所示，从图5中可以看出相对a阶段，在b阶段，其包裹体个体数量较多，但个体较小，主要呈片状、条带状、线状和串珠状，排列很规则，基本上沿着或平行于结晶面生长，对光的散射也就越强，透过的光较少，因此得出的相对吸收强度就会越大，为后成岩阶段；

在c阶段(70℃-100℃)，吸收系数随着温度的升高而减少，其显微镜图如图5所示，从图5中可以看出其包裹体个体很小，排列比较密集但不规则，对光的吸收较小，结晶度较好，为近似变质阶段。

Claims (10)

1.一种基于太赫兹时域光谱的辨别矿物演化方法，其包括以下步骤：

a、制备、选择待测矿物晶体样品；

b、利用太赫兹时域光谱装置对待测矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，以获得待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形；

c、对待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理，构建待测矿物晶体样品的演化模型；

d、根据待测矿物晶体样品的演化模型分析待测矿物晶体样品的演化过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤a为：室温下配制待测矿物晶体的饱和溶液，将所述待测矿物晶体的饱和溶液蒸干，至矿物晶体完全析出，得到矿物晶体样品；从所述矿物晶体样品中选择生长规则、表面平整的矿物晶体样品，并对其进行切割、磨平处理，得到待测矿物晶体样品；

优选所述待测矿物晶体样品的厚度小于3mm，更优选为1.5mm。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在25-100℃下将所述待测矿物晶体的饱和溶液蒸干，至矿物晶体完全析出，得到矿物晶体样品。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤b为：利用太赫兹时域光谱装置对待测矿物晶体样品和干燥的氮气进行检测，获得待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形，以干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形为参考信号，以待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形为测试信号；优选地，每个所述待测矿物晶体样品的太赫兹脉冲时域波形和所述干燥的氮气的太赫兹脉冲时域波形均取三次测量的平均值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述太赫兹时域光谱装置在室温氮气环境下进行检测，相对湿度小于0.5％。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述步骤c为：根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测矿物晶体样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)；然后，分别在有效频率范围内建立待测矿物晶体样品的吸收谱；根据所述吸收谱得到所述待测矿物晶体样品的吸收系数，进一步生成所述待测矿物晶体样品的吸收系数曲线图。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述有效频率范围为0.2-1.6THz。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述待测矿物晶体样品的吸收系数曲线图即为所述的待测矿物晶体样品的演化模型。

9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其中，根据所述参考信号和测试信号的太赫兹频域信息，生成所述待测矿物晶体样品的吸收率和折射率，包括：基于菲涅尔公式的数据处理模型，得到所述待测矿物晶体样品的吸收率α(ω)和折射率n(ω)：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2}{d}\ln \frac{4n\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ω}\right){[n\left(\mathrm{\ω}\right)+1]}^2};$

其中，d为所述待测矿物晶体样品的厚度，为所述参考信号和测试信号的比值，c为真空光速，ω为频率，ρ(ω)为参考信号和测试信号的比值的模。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中，所述待测矿物晶体样品为石盐矿物晶体样品；

优选所述石盐矿物晶体样品为立方体；

还优选所述石盐矿物晶体样品的厚度小于3mm，更优选为1.5mm。