利用有机重液分选磷灰石和锆石的实验室方法.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 咂T A L L U R G I C A LE N G ；I N E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 利用有机重液分选磷灰石和锆石的实验室方法① 郑有伟1 ’2 ，王亚东1 ，郑建京1 ，刘兴旺1 ，关宝文1 ”，赵 L o - 1 ’2 1 ．甘肃省油气资源研究重点实验室 中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心 ，中国科学院油气资源研究重点实验室，甘肃兰州 7 3 0 0 0 0 ；2 ．中国科学院大学，北京1 0 0 0 4 9 摘要随着科技的进步、新型高精度仪器的使用和微量测试技术的发展，单矿物在地学领域的分析和应用越来越广。因此，如何 最大限度获取高纯度、满足测试要求的矿物，完整地保留其所记录的一切地质信息，显得尤为重要。然而，长期以来，单矿物获取工 作并未能被广大地学工作者所重视。本文以热年代学测年中常用的磷灰石和锆石分离提纯为例，详细介绍其分离提纯的实验室流 程及注意事项，为得到客观真实的实验数据打下良好的基础。 关键词四溴乙烷；二碘甲烷；磷灰石；锆石；实验步骤 中图分类号0 6 3 3 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 5 4 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 - 0 2 0 6 - 0 3 单矿物分选是为地质学研究提供纯净的单矿物测 试样品j ，它是连接野外地质与室内理化测试分析研 究的桥梁，是把野外地质样品转变为科学研究数据的 基本手段旧J ，提纯后的单矿物测试结果为解释和论证 野外地质现象提供数据支撑。随着科技的进步，新型 高精度仪器的使用和微量测试技术的发展，矿物测试 精度相应的提高，如何从野外样品中尽可能多的获取 高纯度的矿物颗粒，是一个值得关注的问题。国内有 关阐述单矿物分选分析这方面的文献鲜有报道，且关 于实验流程描述方面的文献更是少之又少，大部分文 献关于单矿物分选工作的介绍均一带而过。近年来， 由于地质定年研究成为地学研究的热点之一，其分析 所需要的很多样品都需要分选锆石、磷灰石等单矿物， 特别是U ．T W H e 实验和u P b 年代学实验对矿物的晶 型、是否有包裹体之类的要求非常高，为满足这种需 求，出现了专业分选单矿物的科研单位 如河北廊坊 等 或企业。巨大的工作量通常使分选矿物的工作人 员不会对样品做仔细的分类，完全按照同样的流程和 标准来操作，难免会丢失或破坏很多矿物颗粒。大部 分科研人员在不完全把握分选过程的情况下，如果最 终的测年数据异常现象，将无法给予准确的解释。因 此，单矿物分离过程具体是什么样的，在分选过程中样 品是否有损失，哪个步骤会造成损失，样品那一部分会 损失，有没有混样，一些特殊的异常数据如何解释，等 等，都是科研人员所面临的问题。 介于以上原因，本文以四溴乙烷和二碘甲烷重液 分选和提纯磷灰石和锆石为例，详细介绍分离提纯的 实验方法和过程，该套方法不需专用设备，方便可行， 操作简便。 1 地质样品的物质组成成分及分离原理 1 ．1 样品的物质组成成分 地质样品经过粒度分析和矿物分离后，一个粒级 的样品被相对地分成轻矿物、重矿物两个部分，重矿物 部分根据其电磁性可分为有磁性矿物、电磁性矿物、重 无磁性矿物∞J 。所有重矿物的物质组成成分并不都 相同，不同的岩石含有不同的物质成分。对于野外采 回的岩石，要明确其物质组成成分，必须进行岩矿鉴定 和相关的分析测试才能确定物质成分。 轻矿物部分的物质成分常见的有以下几种①陆 源碎屑物质包括石英、长石、白云母、黑云母、蛋白石、 堇青石和岩屑等。②生物碎屑各种浮游及底栖生物 的遗体残骸。③自生矿物方解石、白云石和海绿石 等。④火山碎屑玻屑及晶屑。 组成重矿物部分的物质成分通常有①有磁性组 矿物磁铁矿、磁黄铁矿等。②电磁性矿物赤褐铁 矿、钛铁矿、绿帘石、铬铁矿、电气石、榍石、海绿石和石 榴子石等。③重无磁矿物锆石、磷灰石、金红石、锐 钛矿、白钛矿以及重晶石等。 1 ．2 重矿物的分离原理和重液的选择 重矿物的分离原理就是根据不同矿物的磁性、电 磁性、相对密度、可浮性、溶解性等物理化学性质的差 异进行分离。在重砂样品中，一般含十多种至数十种 矿物，绝大多数为轻矿物，有用重矿物只占很小部分， ①收稿日期2 0 1 4 - 0 4 - 1 6 基金项目中国科学院西部行动计划项目 K Z C X 2 - X B 3 - 1 2 作者简介郑有伟 1 9 8 8 一 ，男，甘肃武威人，博士研究生，主要从事含油气盆地构造研究。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 郑有伟等利用有机重液分选磷灰石和锆石的实验室方法 单纯依靠镜下观察难以鉴定，因此，在重砂样品进行镜 下鉴定前，按不同矿物物理化学性质的差异，采用各种 分离手段和选择性溶矿的方法，尽可能将有用矿物单 独提取出来，以便对有用重砂矿物作定性、定量分析。 对于磷灰石和锆石矿物的分选主要是利用重液分 离法。重液分离就是利用一系列比重不同的重液将不 同比重的矿物分开的一种分离方法。在重液分离中， 比重大于重液的矿物下沉、比重小于重液的矿物就浮 在重液的表面。选择重液时应考虑其比重较大，能与 某种液体完全混合或稀释，并可重新浓缩；透明度高， 粘度低，性质稳定，不易分解，不与矿物起化学变化；毒 性尽量小，价格低廉、不易对环境造成污染等。 的优劣，会对实验数据造成影响。 2 ．3 实验设备及试剂 1 铁架台三个，1 5e m 滤纸两盒，直径3 ～4n i l ／1 、 长度2 0e m 的玻璃搅拌棒6 根，9 0m m 漏斗1 2 个，2 5 0 m L 锥形瓶6 个，橡胶管2m ，9 0r a i n 蒸发皿1 2 个，止 血钳6 把，夹子6 个。 2 2 5 0m L 洗瓶1 个，用于冲洗玻璃搅棒、实验器 皿以及过滤在滤纸中的重矿物；木质的移液管架一个， 用于存放玻璃搅拌棒，可用木质的试管架代替。有盖 废液桶一个，用于存放实验废液。 3 1 0 0g 二碘甲烷分析纯6 瓶，1 0 0m L 四溴乙烷 分析纯3 瓶，5 0 0m L 丙酮8 瓶。 2 样品采集和前处理过程 3 磷灰石和锆石的粗选富集 2 ．1 采样要求 在样品采集之前首先要对采样地区的岩石出露情 况，风化、蚀变程度，出露的岩石类型，各类型岩石的 相互关系、相对生成顺序，岩浆活动的期次，岩浆成 分，变质作用的程度、期次以及各类型岩石的成因机制 等进行比较全面的了解，明确要解决的问题，这对所测 同位素年龄的解释大有裨益MJ 。野外工作时，工作者 虽然明确岩石的主要造岩矿物，但并不确定其中的百 分比，通常地质样品采样以宁多勿少为原则，沉积岩样 品不得少于2k g ，火成岩中偏酸性者，锆石、磷灰石含 量相对较高，1 ．5k g 左右即可满足实验测试要求。而 偏基性岩类锆石的含量则相对偏低，对偏基性的火成 岩类，一般所采样品的质量以4 ～5k g 为宜。 2 。2 样品前处理 由于各个矿物的蚀刻条件不同，提供做裂变径迹 年龄测定的样品最好是纯净的单矿物，野外采集的地 质样品只是做室内实验的原始材料，必须对样品进行 前处理过程，以得到较为纯净的锆石和磷灰石矿物颗 粒。在选矿前，通常先磨一块岩石薄片，在显微镜下观 察其矿物的种类及其含量，这样方便知道需要样品的 量。主要包括①试样制备样品需最大限度地去除 其受风化的部分，选取新鲜的区域经过粗碎、中碎、细 碎、过筛等环节；破碎的程度，要视所需矿物的颗粒大 小而定，尽可能将样品加工到单体解离，还要避免把目 标矿物的晶体破坏。一般情况下，岩浆岩样品要加工 到小于6 0 目 一0 ．2 5m l n ，沉积岩样品常常要加工到 一0 ．1m l n 【5 ] 。②粗选富集利用各种粗选设备，尽可能 除去目标矿物里的伴生矿物，把目标矿物最大限度的 富集起来，获得粗精矿。最后把样品相对地分离成轻 矿物部分、有磁性矿物、电磁性矿物、重无磁性矿物四 部分。前处理是实验中很重要的一个环节，处理过程 磷灰石和锆石都是重矿物中重无磁部分的矿物，直 接选取重无磁矿物，利用重液分离法对样品逐步分离。 3 ．1 重液的选择 由于磷灰石的相对密度范围为3 ．1 8 ～3 ．2 1 g ／e r a 3 【6 | ，在分离之前并不知道磷灰石相对密度是在 偏高还是偏低的范围，岩性不同相对密度会稍稍有所 差别。用比重接近于 小于 磷灰石的重液分离与磷 灰石和锆石共生的比重小于该重液的矿物。选用四溴 乙烷做重液，其密度为2 ．9 6g ／e m 3 ，不溶于水，溶于乙 醇、氯仿等多数有机溶剂。主要是考虑到四溴乙烷挥 发性低、易燃性低、低粘度和对矿物的低粘附性、高稳 定性、低毒性、易于回收、消耗定额低等优点。需要注 意四溴乙烷重液有一定的毒性，对中枢神经系统和呼 吸系统有抑制作用与有刺激作用，所有实验操作应该 在通风厨中进行。 3 ．2 粗选富集步骤 1 丙酮清洗实验所需要的器皿，组装实验设备， 实验装置如图1 所示。室温下取4 0m L 四溴乙烷重液 盛在锥形漏斗中，漏斗下方橡胶管用夹子夹住，夹与橡 胶管靠下方1 ／3 处。加重无磁部分矿样到四溴乙烷重 液中。需注意经过粗选后的重矿物矿样量很少，一般 只有几克到几十克，谨慎操作，以免洒落。 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 2 每隔1 5m i n ，用玻璃棒搅拌分别搅拌数十秒 后，然后静置，同样的操作重复7 ～8 次，最大限度地把 磷灰石、锆石等重矿物沉于重液下方。需注意搅拌用 的玻璃棒要编号，每一个采样点的样品用同一根玻璃 搅拌棒，避免不同样品出现混染。 3 止血钳夹于橡胶管靠上方1 ／3 处，松开夹子， 使橡胶管中的四溴乙烷重液和其中下沉的重矿物盛到 下方装有滤纸的锥形漏斗中。等过滤重矿物完毕，依 次取出滤纸，置于不同编号的蒸发皿中。重新装好滤 纸，打开止血钳，流出剩余重液。需注意松开夹子时， 握住橡胶管，控制重液在滤纸2 ／3 以下，以免重矿物丢 失。蒸发皿应编号，防止不同样品重矿物混淆。 4 丙酮冲洗置于蒸发皿中的滤纸，使粘附在其上 的重矿物全部冲洗在蒸发皿中。等丙酮挥发完毕，包 装好矿样并根据样品编号命名。比重低于四溴乙烷重 液的矿物，根据个人需要，决定是否保留。需注意这 个过程需特别谨慎，不要把矿样冲到蒸发皿外，以免重 矿物丢失。 5 清洗玻璃搅拌棒和漏斗，重复实验操作直至处 理完所有矿样。分离出磷灰石和锆石重矿物混合物。 收集所有锥形瓶中的四溴乙烷重液，装回试剂瓶。需 注意锥形瓶中的重液可以重复利用，但不得混入丙 酮，以免改变比重。装回试剂瓶中的四溴乙烷重液需 避光保存，以备下次实验。 4 磷灰石和锆石的精选分离 4 ．1 重液的选择 分离锆石选用二碘甲烷重液，其密度为3 ．3 2 g ／c m 3 ，不溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿等多数有机 溶剂，且性质稳定。需要注意二碘甲烷重液也有一定 的毒性，对中枢神经系统和呼吸系统有抑制作用与有 刺激作用，所有实验操作应该在通风厨中进行。 4 ．2 精选分离步骤 1 室温下取2 5m L 二碘甲烷重液盛在锥形漏斗 中，同样，漏斗下方橡胶管用夹子夹住，夹与橡胶管靠 下方1 ／3 处。加上述分离的磷灰石和锆石混合矿物到 二碘甲烷重液中。需注意经过初步精选后的重矿物 矿样量更少，一般只有几克到十几克，谨慎操作，以免 洒落。 2 每隔1 5m i n ，用玻璃棒搅拌分别搅拌数十秒 后，然后静置，同样的操作重复7 ～8 次，最大限度地把 磷灰石、锆石重矿物沉于重液上下两端。 3 止血钳夹于橡胶管靠上方1 ／3 处，松开夹子，使 橡胶管中的二碘甲烷重液和其中下沉的锆石矿物盛到 下方装有滤纸的锥形漏斗中。等其过滤重矿物完毕，依 次取出滤纸，置于不同编号的蒸发皿中。用丙酮冲洗置 于蒸发皿中的滤纸，使粘附在其上的锆石矿物全部冲洗 在蒸发皿中。等丙酮挥发完毕，包装、编号并命名。 4 重新装好滤纸，打开止血钳，流出剩余重液和 漂浮在上方的磷灰石矿物。等其过滤重矿物完毕，依 次取出滤纸，置于不同编号的蒸发皿中。用丙酮冲洗 置于蒸发皿中的滤纸，使粘附在其上的磷灰石矿物全 部冲洗在蒸发皿中。等丙酮挥发完毕，包装、编号并 命名。 5 清洗玻璃搅拌棒和漏斗，重复实验操作直至处 理完所有的锆石和磷灰石混合矿物。分离出磷灰石和 锆石单矿物。收集所有锥形瓶中的二碘甲烷重液，装 回试剂瓶。实验结束。 5 结论与展望 1 随着单矿物应用领域的拓广，相信以后选择高 纯度、新鲜、单一成因、结晶完好的单矿物的需求会日 益增长，测试数据精度的要求也会不断提高，以及对实 验过程中出现的误差原因的分析会越来越全面，广大 科研工作者应根据自己的实际需求来获取满意的单矿 物颗粒。 2 本文详细介绍了利用有机重液分离单矿物的 分离实验原理和流程，该方法简单易操作，可使数据获 得过程更完整，对最终数据解释大有裨益。 参考文献 [ 1 ] 梁学谦．单矿物分选学问题的研究[ J ] ．矿产地地质，1 9 9 0 ，4 1 8 2 - 8 5 ． [ 2 ] 李卫．单矿物的分选方法与重要意义[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 4 ，2 4 4 1 1 2 1 1 3 ． [ 3 ]香萍，石永红，李忠．鲁西隆起晚中新生代盆地重矿物组合分 析及其构造响应[ J ] ．地质科学，2 0 1 2 ，4 7 4 1 1 1 6 - 1 1 2 9 ． [ 4 ]修群业，殷艳杰，李慧民．单锆石定年样品的采集及矿物分选[ J ] ． 前寒武纪研究进展，2 0 0 1 ，2 4 2 1 0 7 11 0 ． [ 5 ] 周正．单矿物分选学[ M ] ．广州广东科技出版社，1 9 9 7 ． [ 6 ] 翁润生．矿物与岩石辞典『M ] ．北京化学工_ k 出版社．2 0 0 8 ． 万方数据