典型岩石的宏、微观鉴定实验的开发

摘 要：基于北京科技大学以金属材料为主的材料科学基础实验课开设现状，在研究型教学示范课程建设中，为提高学生认识矿物材料及应用材料科学基础知识的能力，开发了对火成岩、变质岩和沉积岩的宏、微观鉴定选修实验，完成了选修实验课样品的制备，撰写了实验指导书，进行了典型岩石宏观鉴定、微观组织的偏光分析和扫描电镜下能谱成分的验证。通过新实验的开发锻炼了综合应用课程知识的能力。

关键词：岩石鉴定 岩相分析 综合能力训练

Development of experiment on the macroscopic and microscopic identification of typical rocks

Huang Jianhua， Zhou Jia， Yang Ping， Yu Kun， Feng Yingxiang

University of science and technology Beijing， Beijing， 100083， China

Abstract： The experimental class in our school concerns mainly metallic materials. In order to change this status， we established a selective experiment course named by the macro and micro identification on igneous， metamorphic and sedimentary rocks during the construction of research-oriented teaching course. We prepared rock samples for optic microscopy observation and observed the macro-features under the polarized light microscope and verified different constitutes by energy dispersive spectrum analysis under scanning electron microscope. In addition， we wrote the instruction guideline for experiments for the use of other students. Through this practice， we can improve the cognitive ability on mineral materials and apply the basic knowledge of materials science to such materials.

Key words： rock identification； structure observation； comprehensive quality training

目前我校材料专业教材的特点及培养目标已从单一的金属材料向以金属为主，兼顾无机非金属、高分子、液晶等的方向发展；将金相学、岩相学、陶相学、高分子相组织分析融合成材料相学，探索不同材料、不同过程的共性问题。

材料科学基础课程是材料科学与工程专业基础课中最重要，也是学时数最多的一门课程。我校材料科学基础课程作为部级精品课程，经多年建设，形成了具有自己特色的学生培养模式，在实践中取得了良好效果，这种培养学生综合能力的理念及实践获得了北京市教学成果二等奖。长期以来，该课程的实验课是清一色的金属材料实验，这与材科基础课的多种材料内容有一定差异。我们希望通过学生的亲自参与，对该课程按照精品课程的目标进行建设，具体讲就是将现有的单一类金属材料实验（48学时）向聚合物、液晶、矿物与岩石（含宝石）拓展，不仅使理论课与实验课紧密衔接，而且强化培养适应社会多层次需要，适应学科发展的材料专业综合型人才。

根据以上要求，我们探索开发关于岩石鉴定的宏、微观方法选修实验，并按下列步骤进行开发：（1）在文献调研的基础上，先寻找典型岩石标本，然后通过肉眼观察进行宏观鉴定。（2）制作透射光岩石薄片，学习偏光技术并对岩相进行微观鉴定。（3）通过扫描电镜下的能谱仪进行成分验证。写出实验指导书，为选修课准备系列样品。

1 实验材料、方法及过程

（1）获取典型岩石：参考地质学教科书可知，岩石分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。通过与中国地质大学地质矿物专业的人员联系，获取三种岩石标本，其中火成岩标本取自北京云蒙山；沉积岩标本取自北京房山；变质岩取自云南高黎贡。

（2）宏观鉴定：通过查阅各种岩石类教材或科普文献，选取文献[1]的岩石简易鉴别方法，通过肉眼观察与图谱对比，确定不同岩石的类别。第一步，判断岩石是火成岩、变质岩还是沉积岩（大类）；第二步，确定岩石类别之后，根据组成岩石颗粒的大小进行划分。

（3）制作透射光薄片：岩石薄片磨制分六步：①切；②磨；③粘；④磨；⑤粘；⑥盖。首先，将透明矿物或岩石切下一小块，用金刚砂将小块的一面磨平，将平面用树胶与载玻片粘接；然后，磨另一面，一直磨到厚0.03 mm为止；最后，将此平面与盖玻片粘接[2]。虽然学生具有金相制样的基本经验，且岩相样品与金相样品制备有一定的相似性，但受制样条件限制，我们将岩石标本送至我校资源与环境学院的岩相实验室请实验员代做。同样条件下制作一批5个样品，作为选修实验用。

（4）在偏光显微镜下鉴定透明矿物的光学性质主要通过单偏光、正交偏光、锥光三个系统进行。根据矿物的解理，突起、晶形、颜色、多色性等特征，可参照文献[3]中各类矿物的特征作出初步判断。例如：云母类矿物具极完全解理，表现为解理缝细，彼此间距离均匀，往往呈连续的直线贯穿整个晶体；角闪石、辉石和长石具完全（或中等）解理，表现为解理缝清晰但较稀，不完全贯穿晶体而有中断。从颜色和形状来说，石英一般为无色、白色或乳白色，一端有尖角的柱状；长石则颜色多种多样，有无色、白色、黄色、红色、绿色、灰色等，多呈柱状或块状，细粒状；云母有黑、棕红、白、浅灰几种颜色，呈假六方或菱形的板状、片状、柱状晶形[3]。

（5）微观鉴定及能谱验证：自学偏光显微镜岩相分析技术[4]，查找典型矿物在偏光下的形貌及光学特征。使用国产偏光显微镜进行微观相鉴定。然后在Zeiss Ultra55扫描电镜下利用牛津仪器公司的能谱仪进行成分测定，以验证偏光分析的结果，对样品不同位置分别进行成分的点分析和面分析，并保存实验数据和照片。

（6）写实验指导书：在制备了3个系列各5个薄片样品后，参照《材料科学基础实验指导书》，编写了《岩石鉴定的宏微观方法》实验指导书，分别由实验目的、实验原理简介、实验仪器、实验过程、实验要求等项组成。

以下分析三种岩石类型的主要鉴定过程。

2 结果分析及讨论

图1给出了3种岩石的宏观实物照片。利用文献[1]的方法可知，a为火成岩，因为它具有晶质结构，晶体呈大颗粒的无规律聚集状态，没有沉积岩的层理构造，也没有变质岩的片理构造（如图1a所示）。并根据其颜色知其为酸性岩石，为花岗岩。b为变质岩中的片麻岩，因为它具有独特的片理构造，常呈波浪状，不像沉积岩层理面那样平坦（如图1b所示）；c为沉积岩，因为它具有明显的层理，颗粒联结松散，用手指可蹭下颗粒（如图1c所示）。相比之下，前两种都是粗晶，容易鉴别，而属于细晶的沉积岩很难与同为细晶的另两类岩石区分，需要进一步微观鉴定。

a 火成岩 b 变质岩 c 沉积岩

图1 3种岩石的宏观实物照片

图2为三种岩石薄片在偏光下的组织。火成岩为酸性花岗岩，主要由架状结构的长石，层状结构的云母和架状结构的石英组成，是由岩浆直接冷凝形成的，因此，具有反映岩浆冷凝环境和形成过程所留下的特征和痕迹，与沉积岩和变质岩由力的作用有明显的区别[5]。根据文献[6]的指导，初步分析，图2a中大块组成相为长石，小块圆形的为石英，条形为云母。图2b中的片麻岩是动力变质过程形成的，具有形变流动的特点。图2b和c分别为沿水平方向和垂直方向的组织。其中最易鉴别的是层状的云母，它们与小颗粒物在一起，显示出动态再结晶的组织特点，其中小晶粒为新的再结晶区，大晶粒区位为未再结晶区或再结晶但已明显长大的区域，含有明显的形变痕迹。在偏光下，颜色相同的为取向相近的相。虽然根据实物的颜色初步判断变质岩主要含石英，但难以看到细晶的颜色，且其组成物复杂，可能出现不同于火成岩的新生产的矿物，在我们缺少足够的根据晶体光学各向异性的偏光鉴定技术下，只能用能谱法鉴定。图2d中沉积岩的组织显示了典型的碎化砂岩特点及形变的流动痕迹，但因尺寸过于细小，也难以确定石英以外的组成物。初步观察该样品，由较圆滑的相和碎化严重的另一相组成。根据偏光下的颜色分布，推测从照片的右下角到左上角的颜色逐渐变化对应因形变造成的取向逐渐变化。

a 火成岩 b 变质岩（水平方向）

c 变质岩（垂直方向） d 沉积岩

图2 3种岩石薄片在偏光下的组织

虽然粗晶酸性的岩浆岩宏观、微观上都较容易确定，但另两种中等晶粒度和细晶中的各相变化范围很宽，需要用严格的低对称晶体偏光下的特殊光学特征确定，超出3年级本科生的知识范围，故采用能谱成分分析方法，较容易确定各组成相。

图3为火成岩扫描电镜下的高倍组织，该图为背散射电子相，显示了成分衬度，大致有3个主要相组成，分别白色相、浅灰色相和深灰色相；比偏光下的颜色有更好的相对应性。表1给出扫描电镜下该火成岩3个不同相1，2，3处的成分。确定相的方法一般是按该相中各氧化物的组成比例分析。可见，1位置浅灰色是钠长石NaAlSi3O10，2位置深灰色为石英SiO2，3位置为黑云母K（Mg，Fe）3AlSi3O10[7]。

图3 火成岩对应的组织

表1 图3火成岩中各点处能谱成分数据

图4为片麻变质岩扫描电镜下两个不同区域的组织形貌，可见各相的分布很不均匀。表2为两个区域内不同相的能谱成分数据。可见，1位置及1'位置的稍深灰色相仍是石英SiO2，2位置的白色相仍为黑云母K（Mg，Fe）3AlSi3O10，3位置的浅灰色相仍为钠长石NaAlSi3O10。能谱分析表明，本实验所用的火成岩与变质岩相组成相同，差别在于后者还受到力的作用，有形变碎化得特征。当然，两种岩石内部还有不相同的细小其他相，对金属材料专业的学生来说过于地质专业化，这里不再详细讨论。

图4 片麻变质岩对应的组织

表2 图4变质岩中各点的能谱成分数据

图5为沉积砂岩扫描电镜下的组织形貌，也是背散射电子相。从成分衬度看，只有2个主要相。表3为两个区域内不同相的能谱成分数据。可见，1位置主要是CaCO3，即大理石，它是典型的沉积岩组成相；2位置则是石英SiO2。石英比碳酸钙硬，所以受到力的作用时，碳酸钙碎化得更严重。由此推测，图2d中尺寸大而圆的是硬的石英，碎化严重的是碳酸钙。

图5 沉积砂岩对应的组织

表3 图5沉积岩中各位置的能谱成分数据

3 结束语

（1）通过自学及参考地质学专业岩石学教科书，对3种典型的岩石进行了宏观鉴定，偏光下微观组织的鉴定和最终能谱仪的成分鉴定，确定了3种岩石的主要组成相。

（2）为以金属材料为主的本科生开发出岩石鉴定的宏、微观方法选修实验，制备了系列样品，撰写了实验指导书。

（3）在全新的岩石、地质领域相关实验开发中，得到综合能力的训练，如薄片样品的制备，透射偏光观察技术，扫描电镜分析技术，能谱成分分析技术，文章的撰写能力，也尝试了将材料科学基础课程知识应用于地质领域的训练。

参考文献

[1] 佩特兰.岩石与矿物[M].北京：中国友谊出版公司，2005.

[2] 林培英.晶体光学与造岩矿物[M].北京：地质出版社，2005.

[3] 姜尧发，孙宝玲，钱汉东.矿物岩石学[M].北京：地质出版社，2009.

[4] 王岚，杨平，李长荣.金相实验技术[M].第二版.北京：冶金工业出版社，2010.

[5] 李昌年.简明岩石学[M].武汉：中国地质大学出版社，2010.

[6] 王对兴，王青春，王立峰.岩石学实验教程[M].北京：地质出版社，2010.

[7] 张素梅，王立峰，李红阳.晶体光学实验教程[M].北京：地质出版社，2010.