CN107561241B - 一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地质技术领域，具体公开一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度的方法，该方法包括以下步骤：步骤1、采集含晶质铀矿副矿物的花岗岩样品；步骤2、对步骤1中采集的花岗岩样品进行前处理和晶质铀矿单矿物分选，得到花岗岩样品晶质铀矿颗粒；步骤3、对上述步骤2中得到的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行扫描电镜观察；步骤4：对上述步骤3中优选出的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行铀元素价态光电子能谱测试，得到晶质铀矿中U6+/U4+比值；步骤5：将上述步骤4中晶质铀矿测试分析得到的U6+/U4+比值代入氧逸度估算公式，获得岩浆氧逸度估算值logfO2。本发明的方法可操作性强、可直接测试、测试误差小。

Description

一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度的方法
技术领域
本发明属于地质技术领域，具体涉及一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度的方法。
背景技术
目前，计算岩浆氧逸度的研究方法主要有：(1)通过钻探施工，利用氧探针等手段进行直接测定。(2)利用含变价元素的造岩矿物对岩浆结晶时的氧逸度条件进行间接的估算，如利用钛铁氧化物组合估算，利用全岩或矿物(如黑云母)的Fe2+和Fe3+比值估算。(3)通过锆石晶格应变模型(Lattice-strain Model)计算Ce3+/Ce4+相对值，结合锆石中Ti含量估算温度，进而估算岩浆氧逸度值。
以上常用氧逸度计估算方法中，氧探针需要通过钻孔施工，深入岩体内部进行直接测定，可操作性差；利用含变价元素以及借助锆石晶格应变模型获得氧逸度的方法，都需要对变价元素比值进行估算，无法实现直接测试，此计算过程会降低最终获得氧逸度值的准确度；矿物中Fe、Zr、Ti等元素为微量元素，测试误差极大，严重影响估算可靠性。因此亟需研究出一种可操作性强、可直接测试、测试误差小的计算岩浆氧逸度的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度的方法，该方法可操作性强、可直接测试、测试误差小。
实现本发明目的的技术方案：一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、采集含晶质铀矿副矿物的花岗岩样品；
步骤2、对步骤1中采集的花岗岩样品进行前处理和晶质铀矿单矿物分选，得到花岗岩样品晶质铀矿颗粒；
步骤3、对上述步骤2中得到的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行扫描电镜观察；
步骤4：对上述步骤3中优选出的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行铀元素价态光电子能谱测试，得到晶质铀矿中U6+/U4+比值；
步骤5：将上述步骤4中晶质铀矿测试分析得到的U6+/U4+比值代入氧逸度估算公式，获得岩浆氧逸度估算值logfO2。
所述的步骤1中采集的花岗岩样品要求新鲜，尺寸为3×6×9cm，样品至少为10块，采集重量5kg。
所述的步骤2中花岗岩样品前处理步骤包括：对采集的花岗岩样品进行重砂粉碎，粉碎至-80目。
所述的步骤2中花岗岩样品晶质铀矿单矿物分选步骤包括：
对粉碎后的花岗岩样品通过重选分离出重矿物，重液选择三溴甲烷，将重选获得的重矿物进行磁选，分选出电流大于3A、纯度高于30％、粒径大于10μm的晶质铀矿颗粒。
所述的三溴甲烷密度为ρ＝2.98g/cm3，将挑选出的晶质铀矿颗粒使用导电胶粘于不锈钢测试靶台上。
所述的步骤3中的具体步骤如下：通过扫描电镜观察粘于不锈钢测试靶台上的花岗岩样品晶质铀矿颗粒，描电镜观察时避开晶质铀矿颗粒表面裂隙和蚀变，优选价态分析花岗岩样品晶质铀矿颗粒，确定排布顺序。
所述的步骤3中扫描电镜采用Hitachi SU8010型扫描电镜仪，二次电子分辨率为1.0nm，放大倍数×100～×800k，加速电压0.1-30kV。
所述的步骤4中光电子能谱测试时真空度应大于3×10-8Pa，铀元素价态分峰软件选用Advantage 4.0，以C1s＝284.6eV作为标准峰进行校准，通过面积法获得U4+与U6+之间比值。
所述的步骤4中光电子能谱测试分析使用Thermo Electron Corporation VGMultilab 2000型光电能谱仪，分辨率设置为0.47eV。
所述的步骤5中的氧逸度估算logfO2公式如下：
本发明的有益技术效果在于：(1)采集样品对象、分析测试要求明确，可操作性强；(2)本发明是基于光电子能谱(XPS)应用于天然铀矿物元素价态研究，微区原位获得铀元素价态和含量，结合变价铀元素形成时的氧化还原环境指示，合理估算岩浆氧逸度值，测试精度高，样品分选比较简单，可靠性强。另外，它改善了传统湿化学分析中铀与分解介质及干扰元素易产生氧化还原反应，从而可能改变样品中原有价态比的不足，使岩石学和地球化学在微米尺度上得到有机结合。
附图说明
图1为本发明所提供的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法的流程图；
图2为本发明所提供的五里亭花岗岩的温度(T)与氧逸度(logfO2)协变图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示，下面以江西赣州市五里亭岩体为例对本发明作进一步详细说明。
本发明所提供的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、采集含晶质铀矿副矿物的花岗岩样品
采集的花岗岩样品要求新鲜，尺寸为3×6×9cm，样品至少为10块，采集重量5kg。
例如，在江西省赣州市全南县大吉山岩体进行野外地质考察，采集新鲜花岗岩样品，样品重量5kg。
步骤2、对步骤1中采集的花岗岩样品进行前处理和晶质铀矿单矿物分选，得到花岗岩样品晶质铀矿颗粒
步骤2.1、花岗岩样品前处理步骤包括：对步骤1中采集的花岗岩样品进行重砂粉碎，粉碎至-80目；
步骤2.2、花岗岩样品晶质铀矿单矿物分选步骤包括：对步骤2.1中粉碎后的花岗岩样品通过重选分离出重矿物，重液选择三溴甲烷(三溴甲烷密度为ρ＝2.98g/cm3)，将重选获得的重矿物进行磁选，分选出电流大于3A、纯度高于30％的晶质铀矿，最后在双目镜下挑选出粒径大于10μm的晶质铀矿颗粒。将挑选出的晶质铀矿颗粒使用导电胶粘于不锈钢测试靶台上，不锈钢测试靶台高度不超过1cm，对不锈钢测试靶台长度和宽度一般无具体要求。
步骤3、对上述步骤2中得到的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行扫描电镜观察
扫描电镜采用Hitachi SU8010型扫描电镜仪，二次电子分辨率为1.0nm(加速电压15kV)，放大倍数×100～×800k，加速电压0.1-30kV(最小步进量0.1kV)。通过扫描电镜观察粘于不锈钢测试靶台上的花岗岩样品晶质铀矿颗粒，扫描电镜观察时避开颗粒表面具有较多裂隙和蚀变的晶质铀矿颗粒，优选表面平整、晶型完好的晶质铀矿颗粒，确定排布顺序。
步骤4：对上述步骤3中优选出的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行铀元素价态光电子能谱(XPS)测试，得到晶质铀矿中U6+/U4+比值。
光电子能谱(XPS)测试分析使用Thermo Electron Corporation VGMultilab2000型光电能谱仪，分辨率设置为0.47eV，以便准确分辨U4+和U6+峰值。测试使用双阳极铝靶1486.6eV。由于晶质铀矿粒径较小，微区扫描面积设置为50μm2，功率为300W。
光电子能谱测试时真空度应大于3×10-8Pa，防止测试过程中造成晶质铀矿氧化。铀元素价态分峰软件选用Advantage 4.0，以C1s＝284.6eV作为标准峰进行校准，通过面积法获得U4+与U6+之间比值，处理结果如表1所示。本次分峰拟合U4+峰值结合能介于379.94～380.19eV，半峰宽介于1.78～1.90eV；U6+峰值结合能介于381.64～381.77eV，半峰宽1.60～1.84eV。晶质铀矿中U6+/U4+比值介于0.30～0.46。
表1五里亭岩体晶质铀矿铀元素窄扫描谱系特征和U6+/U4+估算
步骤5：将上述步骤4中晶质铀矿测试分析得到的U6+/U4+比值代入氧逸度估算公式(1)，获得岩浆氧逸度估算值logfO2。
其中，公式(1)中热力学常数R＝8.314J/(molk)，岩浆形成温度T＝800℃，生成物UO3的焓变ΔrH(UO3)298K＝-1223.8kJ/mol，生成物UO3的熵变ΔrS(UO3)298K＝96.1kJ/mol，反应物UO2的焓变ΔrH(UO2)298K＝-1085.0kJ/mol，反应物UO2的熵变ΔrS(UO2)298K＝77.0kJ/mol，logfO2为岩浆氧逸度值，UO3/UO2代表U6+/U4+。
计算得五里亭岩体氧逸度值logfO2分布于-16.18～-16.55(表2)，平均为-16.38，并通过Excel软件绘制logfO2-T协变曲线图(图2)，确定晶质铀矿形成代表的氧逸度环境，处于磁铁矿与方铁矿温度区间的过渡部位，代表原始岩浆形成于相对还原的氧逸度条件。
表2五里亭岩体晶质铀矿U6+-U4+平衡氧逸度估算结果
上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。本发明的方法对测试分析其他含晶质铀矿岩体的氧逸度条件也具有重要的借鉴意义。

Claims (10)

1.一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、采集含晶质铀矿副矿物的花岗岩样品；
步骤2、对步骤1中采集的花岗岩样品进行前处理和晶质铀矿单矿物分选，得到花岗岩样品晶质铀矿颗粒；
步骤3、对上述步骤2中得到的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行扫描电镜观察；
步骤4：对上述步骤3中选出的花岗岩样品晶质铀矿颗粒进行铀元素价态光电子能谱测试，得到晶质铀矿中U6+/U4+比值；
步骤5：将上述步骤4中晶质铀矿测试分析得到的U6+/U4+比值代入氧逸度估算公式，获得岩浆氧逸度估算值log fO2。
2.根据权利要求1所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤1中采集的花岗岩样品要求新鲜，尺寸为3×6×9cm，样品至少为10块，采集重量5kg。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤2中花岗岩样品前处理步骤包括：对采集的花岗岩样品进行重砂粉碎，粉碎至80目。
4.根据权利要求3所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤2中花岗岩样品晶质铀矿单矿物分选步骤包括：
对粉碎后的花岗岩样品通过重选分离出重矿物，重液选择三溴甲烷，将重选获得的重矿物进行磁选，分选出电流大于3A、纯度高于30％、粒径大于10μm的晶质铀矿颗粒。
5.根据权利要求4所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的三溴甲烷密度为ρ＝2.98g/cm3，将挑选出的晶质铀矿颗粒使用导电胶粘于不锈钢测试靶台上。
6.根据权利要求5所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤3中的具体步骤如下：
通过扫描电镜观察粘于不锈钢测试靶台上的花岗岩样品晶质铀矿颗粒，扫描电镜观察时避开颗粒表面具有较多裂隙和蚀变的晶质铀矿颗粒，优选表面平整、晶型完好的晶质铀矿颗粒，确定排布顺序。
7.根据权利要求6所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤3中扫描电镜采用Hitachi SU8010型扫描电镜仪，二次电子分辨率为1.0nm，放大倍数×100～×800k，加速电压0.1-30kV。
8.根据权利要求7所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤4中光电子能谱测试时真空度应大于3×10-8Pa，铀元素价态分峰软件选用Advantage 4.0，以C1s＝284.6eV作为标准峰进行校准，通过面积法获得U4+与U6+之间比值。
9.根据权利要求8所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤4中光电子能谱测试分析使用Thermo Electron Corporation VG Multilab2000型光电能谱仪，分辨率设置为0.47eV。
10.根据权利要求9所述的一种利用花岗岩中晶质铀矿计算岩浆氧逸度方法，其特征在于：所述的步骤5中的氧逸度估算log fO2公式如下：
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