基于显微拉曼光谱仪的人工合成流体包裹体分析

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

流体包裹体是封存在矿物晶格缺陷及穴窝中的原始地质流体，常用于揭示不同时期成岩成矿物化条件、流体成分和物质来源。人工包裹体作为天然包裹体的类比物，是解决与流体包裹体有关的许多问题有效途径，作为校验应用与自然界包裹体分析研究的各种仪器和测试方法的标准，人工合成流体包裹体也越来越获得广泛的认可。目前较为成熟的制作人工包裹体技术是在水溶液环境下愈合矿物裂缝形成包裹体，体系就是最常见的流体包裹体系之一。

拉曼散射效应是一种由分子和晶格振动导致的非弹性散射，具有信息丰富、分析效率高和样品用量少、非侵入性等显著优点。激光显微拉曼光谱仪是集光谱学、化学计量学、探测技术以及计算机技术为一体的高新技术。激光显微共聚焦拉曼光谱技术，在流体包裹体领域具有以下优势：1)无损伤检测，无接触，最大程度保证样品性能;2)灵敏度高，谱峰信息丰富;3)拉曼光谱技术可以原位检测包裹体高温性能，探究内部物质的相平衡、矿物的溶解、沉淀和迁移以及深部岩石的部分熔融作用等。

本文采用拉曼光谱分析方法检验人工合成流体包裹体，并与自然包裹体进行比对，验证拉曼在该领域的可行性。

包裹体拉曼光谱研究现状

流体包裹体中包含微量的原始成矿流体，自其形成后没有外来物质的加入和自身物质的流出，是一个相对封闭的体系，因此，流体包裹体可作为原始的成矿流体来研究，具有可靠的原生性。流体包裹体的形成压力对于研究油气运移、聚集史及构造运动史等具有重要意义，而如何准确获得包裹体捕获时的压力值，一直是许多学者关注并且不断探索的课题。目前，常用测定流体包裹体压力的方法有等容线图解法、盐度-温度法、氯化钠-水溶液包裹体密度式和等容式法及PVT模拟法等。

Rosasco等(1975年)最早发表了有关天然流体包裹体的拉曼光谱分析结果，随后，Beny等(1982年)和Tourary等(1985年)分别发表全面的流体系统和拉曼光谱分析方法的研究成果，这些报道不仅为首肯了拉曼在包裹体领域应用的可能性，也为有效截面积进行流体包裹体定量分析指明了道路。Pasteris等(1988年)系统的讨论了拉曼仪器的局限性和最优化分析条件，为拉曼的广阔应用提供了可能。

在国内，黄伟林等(1990年)，徐培苍等(1996年)利用拉曼光谱仪进行流体包裹体分析，并对定量分析方法进行了详细讨论。

激光拉曼检测原理

拉曼散射效应是一种由分子和晶格振动导致的非弹性散射，已有近九十年的研究和应用历史。1923年，史梅耳(A.Smekal)便从理论上预言拉曼光谱的存在。1928年，印度物理学家拉曼发现散射光频率改变现象，并用分子振动能级与虚能级进行解释，因而称为拉曼散射。同时，Landberg 、 Manderstam以及Cabannes、 Rocard均观察到了拉曼散射结果。拉曼光谱具有信息丰富、分析效率高和样品用量少、非侵入性等显著优点，已被广泛应用到不同的领域，例如，生物技术、矿物学、环境监测、食品和饮料、法医学、医学等。

拉曼光谱是由于晶格振动、电荷密度起伏、自旋密度起伏、电子跃迁以及它们的耦合等因素引起的。当以一定频率的光源激发样品时，会产生弹性和非弹性散射现象。大部分分子发生弹性碰撞，光子的频率没有改变，或者说波长与能量没有任何改变，不进行能量转移;小部分分子发生非弹性碰撞，由于励磁或失活的分子振动使光子可能会失去或增加一些能量，频率发生改变。当入射光波在分子中传播扩散时，以下三种类型的现象可能发生，如图1所示：

图1 拉曼及瑞利散射能级示意图

首先，当一束光线照射分子时，它可以与其进行能量交换，但分子的净能量交换△E为零，所以散射光频率与入射光相同，即E=E0，这个过程被称为瑞利散射。

第二，入射光能够与分子进行能量交换而且净交换能量是一个分子的振动能量。如果这种相互作用使光子获得振动能量，则散射光频率与入射光相比变高，即，称为反-斯托克斯散射。