作者简介: 张润楚, 2000年生, 河北地质大学宝石与材料学院硕士研究生 e-mail: 571161248@qq.com
油胆水晶在自然界产出稀少, 主要产于巴基斯坦、 马达加斯加和巴西等地, 它因内部含有特征的液态有机包裹体深受国际矿物晶体收藏市场以及相关研究者的青睐。 采用激光拉曼光谱、 气相色谱-质谱和光致发光光谱等分析方法, 对近期在我国云南昆明发现的油胆水晶开展谱学特征研究。 结果表明, 云南昆明油胆水晶中主要有褐黄色液相包裹体和黑色固相包裹体, 长波紫外光下黑色固相包裹体显示黄色荧光, 褐黄色液相包裹体显示蓝白色荧光。 拉曼光谱测试显示黑色固相包裹体的主要成分为沥青, 出现1 343、 1 606、 2 954和3 214 cm-1的典型拉曼位移峰; 气相色谱-质谱分析表明, 褐黄色液相包裹体中含有C9H20、 C10H22、 C12H26和C13H28四种烷烃; 光致发光光谱测试显示固相沥青主要出现512 nm的光致发光峰, 褐黄色液相包裹体主要显示418、 441、 471和505 nm的光致发光峰。 基于包裹体的分析研究推测该油胆水晶属于低温环境下形成的碳酸盐岩型热液水晶矿床。 获得的成分和谱学特征对于研究昆明油胆水晶的成矿地质环境以及该区域的油气资源勘探有重要指示意义。
Petroleum-bearing quartz crystals are rarely produced in nature.They are primarily produced in Pakistan, Madagascar, and Brazil. Due to liquid organic inclusions, it is highly sought after by the international mineral crystal collection market and researchers.In this study, we investigated the spectroscopic characteristics of petroleum-bearing quartz crystals recently discovered in Kunming Yunnan, which used laser Raman spectroscopy, gas chromatography-mass spectrometry, and photoluminescence spectroscopy. The findings indicated that the Kunming petroleum-bearing quartz crystals contain predominantly inclusions of brown-yellow liquid phase and black solid phase. The inclusions of the black solid phase exhibit yellow fluorescence under long-wave ultraviolet light, while the inclusions of the brown-yellow liquid phase exhibit blue-white fluorescence.TheRaman spectrum indicated that the primary component of the black solid inclusions is asphalt, with typical Raman peak shifts at 1 343, 1 606, 2 954, and 3 214 cm-1. The gas chromatography-mass spectrometry analysis revealed that the inclusions of brown-yellow liquid contain C9H20, C10H22, C12H26, and C13H28. The photoluminescence spectrum revealed that the asphalt of the solid phase exhibits photoluminescence peaks mainly at 512 nm, while the inclusions of the brown-yellow liquid phase exhibit photoluminescence peaks at 418, 441, 471 and, 505 nm. Based on the inclusions analysis, it is inferred that petroleum-bearing quartz crystals formed in hydrothermal crystal deposits of carbonate rock under low-temperature environments. The obtained composition and spectral characteristics are significant for studying the metallogenic geological environment of Kunming petroleum-bearing quartz crystals and exploring petroleum and gas resources in this area.
油胆水晶是指内部包裹肉眼可见有色液相有机物的水晶[1], 因其具有特殊的液相包裹体而备受国际矿物晶体研究者和收藏者关注。 油胆水晶中除常见的液相包裹体外, 也可见固相和气相包裹体, Levine等对加拿大魁北克市的油胆水晶进行研究, 认为油胆水晶的包裹体主要分为三类, 分别为由液体和气体组成的两相包裹体、 单相固态包裹体以及由各种液体和固体不同组合组成的混合多相包裹体[2]。
不同产地的油胆水晶具有差异性的成分和荧光特征。 Ogihara对产于阿富汗和巴基斯坦的油胆水晶开展研究, 认为液相有机包裹体的主要成分为C11和C13的正构烷烃以及少量发荧光的烷基苯[3]。 叶旭等对市场采购的油胆水晶开展研究, 认为该类油胆水晶产于巴基斯坦俾路支省, 包裹体气相成分为甲烷及微量乙烷, 黑色固相成分为沥青, 基于红外光谱的测试认为黄色液相成分为烷烃类和芳香烃类物质, 但具体成分未知[4]。 Suchy和Bodnar对油胆水晶中液相有机包裹体的研究认为API比重较低的重油发橙黄色、 红色荧光, API比重较高的轻油发蓝白色荧光[5, 6]。 Yuki Sugiura等对日本高知县的油胆水晶开展研究, 认为油胆水晶中的荧光来源于番茄红素[7]。 肖煌政等对产于巴基斯坦的油胆水晶开展三维荧光光谱测试, 认为含无色、 黄色和黑色包裹体的油胆水晶光谱特征图有较大差异, 对鉴定产地有一定的指示作用[1]。
油胆水晶被认为对油气资源勘探具有指示意义。 对产于西澳大利亚水晶中的液相有机包裹体开展研究, 认为其中的甲烷包裹体是由非生物来源的
共选取10粒油胆水晶原石样品开展研究, 样品由研究团队野外采集自云南省昆明市官渡区。 均来源于上泥盆统宰格组白云质灰岩, 样品均透明且呈玻璃光泽, 晶形较完整, 多为较规则的短柱状、 柱状, 主要为六方柱与菱面体的聚形, 晶面横纹发育, 样品编号为YD-1至YD-10, 如图1所示。
![]() | 图1 昆明油胆水晶样品的外观特征Fig.1 Appearance characteristics of Kunming petroleum-bearing quartz crystal samples |
结合肉眼及宝石显微镜对昆明油胆水晶中的包裹体进行观察, 根据特征形态, 包裹体主要分为三类, 分别是气液两相包裹体、 气液固三相包裹体和单相固态包裹体, 代表性结果如图2。 图2(a)和(b)分别为气液两相包裹体的镜下特征, 其中图2(a)显示褐黄色液相包裹体和不规则气相包裹体, 图2b显示透明液相包裹体和浑圆状气泡, 部分气液两相包裹体中的气泡可在液相中移动。 图2c为负晶形气液固三相包裹体的镜下特征, 镜下显示聚集的黑色固相球粒状包裹体、 透明液相包裹体和浑圆状气泡, 气泡可在液相中移动。 图2(d、 e和f)为单相固态包裹体的镜下特征, 其中图2(d)显示黑色固相扁平板状包裹体, 这种固相包裹体在该类油胆水晶中较为常见, 图2(e)和(f)分别显示透明片状和粒状包裹体, 这两种包裹体在本研究中多分布近晶面区域。
代表性样品YD-1和YD-4中的包裹体在日光灯、 长波紫外光和短波紫外光下的显微特征如图3。 结果显示YD-1样品中黑色固相包裹体在长波和短波紫外光下均显示黄色荧光, 气相包裹体在长波和短波紫外光下显示乳白色荧光, 黑色固相包裹体和气相包裹体在长波下的荧光均强于短波; YD-4中褐黄色液相包裹体在长波和短波紫外光下显示强蓝白色荧光, 且长波荧光强于短波。
紫外荧光测试光源的波长分别为长波310 nm和短波255 nm; 拉曼光谱测试采用雷尼绍Invia型显微共聚焦激光拉曼光谱仪, 激光波长采用532 nm, 测试范围为100~4 000 cm-1, 采集时间10 s, 累计次数3次, 测试物镜为50倍, 光栅为1 800 l· mm-1, 功率衰减100%, 共焦针孔100 nm。 紫外荧光和拉曼光谱测试在河北地质大学珠宝检测中心完成。
气相色谱-质谱测试采用安捷伦88905977B型气相色谱-质谱联用仪, 在水晶表面钻孔达液相包裹体, 并将其溶解于正己烷中进行测试, 色谱测试采用DB-5MSUI石英毛细管柱(30 m× 0.25 mm× 0.25 μ m), 进样口温度270 ℃, 载气为氮气, 不分流, 恒定流量1 mL· min-1, 升温程序设置为50 ℃, 保持3 min, 之后以8 ℃· min-1升至300 ℃, 保持3 min。 质谱测试采用GC-MS, 接口温度280 ℃, 质谱扫描范围35~600 amu, 电子轰击离子化能量70 eV, 离子源温度230 ℃, 溶剂延迟4 min。 气相色谱-质谱分析在河北省地质实验测试中心完成。
光致发光光谱测试采用HoribaLabRam HR Evolution共聚焦拉曼光谱仪, 激发光源波长采用325 nm, 测试时间2 s, 累计测试次数2次, 激光功率衰减1%, 测试范围325~1 000 nm。 光致发光测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。
对YD-1、 YD-2、 YD-4和YD-10中荧光特征不同的气、 液、 固相包裹体分别进行拉曼光谱测试, 测试结果如图4和图5所示。 结果显示, YD-1、 YD-2和YD-10中黑色固相包裹体的拉曼光谱主要显示206、 468、 1 343、 1 606、 2 954和3 214 cm-1的拉曼位移峰, 其中206和468 cm-1为水晶的典型拉曼位移峰, 而1 343、 1 606、 2 954和3 214 cm-1等拉曼位移峰与沥青的拉曼光谱一致[9, 10], 表明该区域产出油胆水晶中的黑色固相包裹体主要为沥青, 2 954和3 214 cm-1归属于沥青中CH2和CH3链基伸缩振动[9]。 沥青的拉曼光谱常显示两个特征位移峰, 分别是拉曼位移变化范围为1 334~1 346 cm-1的D峰, 其能量强度较低, 拉曼位移变化范围为1 606~1 610 cm-1的G峰, 其能量强度较高, D峰与G峰强度的比值R1和D峰与(D+G)峰积分面积之比R2常用于计算沥青经历的最高温度, 计算YD-1、 YD-2、 和YD-10的R1和R2值如图6所示, 根据Rahl提出的地质温度计算公式[11]: T(℃)=737.3+320.9R1-1067R2-80.638
![]() | 图4 昆明油胆水晶中黑色固相包裹体的拉曼光谱Fig.4 Raman spectra of black solid inclusions in Kunming petroleum-bearing quartz crystals |
YD-2中气相包裹体显示991、 1 281、 1 384、 2 326、 2 605、 2 911、 2 949和3 064 cm-1的拉曼位移峰, 其中991和3 064 cm-1为苯环的拉曼特征峰[9], 1 281和1 384 cm-1为CO2的拉曼位移峰, 2 326 cm-1为N2的拉曼位移峰, 2 605 cm-1为H2S的拉曼位移峰, 2 911 cm-1为CH4的拉曼位移峰, 2 949 cm-1为C2H6的拉曼位移峰[12], 表明该区域产出的油胆水晶中的气相包裹体含有甲烷、 乙烷、 氮气、 二氧化碳和硫化氢等气体。
YD-10中的无色液相包裹体显示2 800~3 800 cm-1范围内的宽峰, 指示该无色液相包裹体主要成分为分子水[12]; 褐黄色液相包裹体的拉曼光谱测试仅显示超强的荧光峰, 包裹体的拉曼位移峰被荧光湮灭。 另外, 样品YD-10中可见固相片状和粒状包裹体, 其中片状包裹体显示615、 629、 988和1 144 cm-1的拉曼位移峰, 指示其为重晶石, 615和629 cm-1属于硫氧四面体的反对称弯曲振动, 988 cm-1属于对称伸缩振动, 1 144 cm-1属于反对称伸缩振动, 粒状包裹体显示711和1 084 cm-1的拉曼位移峰, 指示其为方解石, 711 cm-1属于碳氧面内弯曲振动, 1 084 cm-1属于对称伸缩振动。 低温碳酸盐岩型热液水晶矿床在岩浆热液与地下热水共同作用下形成, 结晶温度常为134~226 ℃, 常见重晶石、 方解石等共生矿物[13]。 因此, 昆明油胆水晶中方解石和重晶石包裹体的存在指示其可能属于低温碳酸盐岩型热液水晶矿床。
沥青在紫外荧光下的黄色荧光主要是由其中的稠环芳烃导致的, 同时其颜色会随成熟度的增加而发生红移[14], 本研究中黑色固相沥青包裹体在紫外光照射下发黄色荧光, 指示其成熟度较高。 浓缩的饱和烃常发乳白色荧光[15], 而拉曼光谱测试显示气相包裹体主要为甲烷、 乙烷、 氮气、 二氧化碳和硫化氢等, 荧光物质可能为气体中的浓缩甲烷、 乙烷。 拉曼光谱测试因荧光影响并未获得油胆水晶中液态有机物的组成成分特征, 研究认为液态石油中的蓝白色荧光可由芘、 蒽等芳香烃导致的[16], 芳香烃具有π 电子的未饱和结构, 紫外光照射芳香烃时, 能量较高的π 2Pz轨道上的2个电子吸收能量受到激发, 由基态π 2Pz跃迁到激发态π * 2Pz轨道, 处于π * 2Pz激发态轨道上的两个电子极不稳定, 会由激发态返回到基态, 紫外光持续照射, 电子在激发态与基态之间不停的往返运动, 以光的形式释放能量而发出荧光[17], 推测油胆水晶中发蓝白色荧光的有机物可能是芘、 蒽等芳香烃。
对油胆水晶内液相有机质包裹体进行气相色谱-质谱测试(图7), 结果表明液相包裹体中存在4-甲基辛烷(C9H20)、 正癸烷(C10H22)、 2, 4-二甲基癸烷(C12H26)和2, 4, 6-三甲基癸烷(C13H28)四种有机化合物, 其结构式如图8所示, 它们均属于石油组分中的饱和烃, 气相色谱-质谱难以对异构体进行分析, 因此本研究并未获得组成复杂、 结构相似的不饱和烃芳香烃的相关信息[18]。 油胆水晶生长过程中会捕获形成于矿脉裂隙中的石油类气液态有机物, 这类有机物的存在表明矿脉裂隙中有油气运移的痕迹, 其中发蓝色荧光的液态有机物最接近于矿脉脉壁[5]。 基于气相色谱-质谱和拉曼光谱的测试结果认为该类油胆水晶中含有发蓝白色荧光的石油类气液态有机包裹体, 由此可知其内部液态包裹体源自矿脉脉壁, 推断该区域有过油气运移的过程。
光致发光光谱可为荧光类有机物研究提供重要的谱学依据。 对YD-2、 YD-5和YD-8中的褐黄色液相包裹体和YD-1中黑色固相包裹体进行光致发光光谱测试, 测试结果如图9所示, 结果表明褐黄色液相包裹体主要呈现418、 441、 471和505 nm的光致发光峰, 与其呈现的蓝白色荧光的结果一致; 黑色固相包裹体出现在512 nm为主峰的光致发光峰。 光致发光光谱常用于研究石油类液态有机物的成熟度: (1)石油类包裹体的光致发光光谱中主峰的波长λ max可以反映石油类液态有机物的成熟度, λ max越小, 有机物的成熟度越高; (2)光致发光光谱的红绿熵Q值也可用于指示石油类液态有机物的成熟度, Q值是指光致发光光谱中650与500 nm位置发光强度的比值, Q值与其成熟度呈反比, 高成熟度的石油类液态有机物Q值小于0.4; (3)采用光致发光光谱中的QF535值, QF535值为波长535~720 nm与波长420~535 nm范围内发光峰峰面积的比值, QF535越大, 高分子量烃类组分含量越高, 有机物的成熟度越低, 高成熟度的石油类液态有机物QF535值小于1.0[19]。 通过计算得出褐黄色液相包裹体的Q为0.10~0.17, QF535为0.451~0.587, 黑色固相包裹体的Q为0.19, QF535为0.570, 这表明昆明油胆水晶包裹体中的石油类液态有机物有着较高的成熟度。
(1)云南昆明油胆水晶中存在固相、 液相和气相包裹体, 其中黑色固相包裹体为沥青, 褐黄色液相包裹体中存在2, 4, 6-三甲基癸烷、 正癸烷、 2, 4-二甲基癸烷和4甲基辛烷四种烷烃类有机物, 无色液相包裹体主要为分子水, 气相包裹体中存在甲烷、 乙烷、 二氧化碳、 氮气、 硫化氢等气体。
(2)固相沥青包裹体主要显示1 343、 1 606、 2 954和3 214 cm-1的特征拉曼位移峰, 紫外光下呈现黄色荧光, 光致发光光谱主要显示512 nm为主峰的发光峰。
(3)褐黄色液相烃类包裹体主要呈现蓝白色荧光, 并显示418、 441、 471和505 nm的光致发光峰。
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