硅化木矿物学特征对透明度的影响分析

雷芳芳

(福建船政交通职业学院土木工程学院 福建福州 350007)

硅化木作为木化石保留了丰富的古地理、古气候、古生态信息，有助于反演、推测古环境、古地层，地质变化、植物种群，一直以来都是国内外地质学家和古生物学家关注的热点[1，2]。此外，硅化木属于硅质岩，因其质地细腻、色彩缤纷、姿态万千而深受人们喜爱，市场前景十分广阔，进而推动了硅化木的相关研究。

透明度在硅化木的品质评价中尤为重要，透明度的优劣直接影响其品质高低，尤其是较高透明度会将颜色“映衬”得更加鲜亮，进而大幅度提高其品质等级。目前，关于硅化木透明度的研究较为匮乏，李月彤[3]认为硅化木中二氧化硅颗粒的种类、矿物颗粒的特征、有机质的含量是影响其透明度的主要因素；田云辉[4]认为硅化木透明度与组成矿物的颗粒结合方式、颜色、杂质、裂隙有关。本文选取三种不同透明度的硅化木样品为研究对象，采用X射线粉晶衍射、激光拉曼光谱、偏光显微镜分析其矿物组成和谱学特征，初步探究矿物结晶度、有序度、显微结构对透明度的影响，有利于进一步研究硅化木的结构体系，具有一定的价值。

一、样品和实验测试

（一）样品选择。本次实验分析的硅化木样品共3件（见图1），样品透明度差异较为明显，具有典型性和代表性。其中样品GH-01保留有白色风化皮层，为保证样品实验分析的准确性，将风化层去除，只保留内部硅化层；样品GH-02具明显的木质纹理外观；样品GH-03整体颗粒感强、内部孔洞较清晰。硅化木样品手标本特征如表1所示。

表1 硅化木样品手标本特征

图1 硅化木样品手标本图片

（二）测试设备与测试条件。

1.物相鉴定和结晶度分析。使用Smart Lab型X射线粉晶衍射仪，测试前需将样品破碎成小块，选取其中无杂质部分研磨成约200目的细小颗粒，测试条件：X射线源为Cu靶的Kα射线，电压45kV，电流200mA，连续扫描。当鉴定物相时，扫描范围为3°～70°，扫描速度为4°/min；当分析α-石英的结晶度时，扫描范围为67°～69°，扫描速度为0.25°/min。

2.矿物有序度分析。使用RenishawinVia型激光共聚焦显微拉曼光谱仪，测试条件：Ar＋激发线，激发光源波长为532nm，激光功率为10mW，光谱扫描范围为100～1000cm-1，扫描3次。

3.矿物显微结构特征分析。使用莱卡DM4P型偏光显微镜，观察前需将样品磨制成光薄片（厚度约为0.03mm）。

二、结果与讨论

（一）矿物结晶度与透明度的关系。通过XRD分析矿物组成和测算结晶度，在一定程度上能够揭示样品结晶度与透明度的关系。本次研究测得的衍射图谱如图2所示，采用Jade软件分析衍射峰d值，再参照PDF标准卡片进行物相鉴定。从图2a可以看出，三样品的主要衍射峰位相同，且与α-石英的特征衍射峰位基本一致，其中d=3.34处的衍射峰强度最强，是由α-石英的（011）面网衍射所致[5]，以上特征表明三件样品的主要矿物组成均为α-石英。前人研究发现[6]，d=4.43、3.11、2.88为斜硅石（一种含吸收水的石英）的特征衍射d值，本次研究样品GH-01和GH-02均出现了斜硅石特征衍射峰（见图2b），证明斜硅石的存在，而样品GH-03并未发现斜硅石，推测可能是硅化木形成后受到强烈的脱水和重结晶作用影响，导致斜硅石转化形成α-石英[7]。此外，三样品的衍射图均未见到其它矿物的衍射峰，其原因可能有两点：一是矿物的衍射峰与α-石英相重叠而难以辨认；二是对于含量小于5%的次要矿物，因其含量微小低于检出限，造成X射线粉晶衍射仪很难检测到其信号，据此可推测本次测试样品中其它矿物的含量均很低。

图2 样品的XRD图谱

XRD是定量分析α-石英结晶度的有效手段，本次研究采用67º～69º五指峰图计算α-石英的结晶度指数（CI），计算公式为：CI＝10·F·a/b，其中a、b分别为（2132）的敏锐峰高和总峰高，可以通过测量67.74º附近的衍射峰得出；F为比例因子，其值大小因衍射仪不同而有所差别，需用标样进行测算。本次研究采用无色透明且内部无包裹体的水晶为标样，设其CI值为10，测算出a/b为0.852，将数据代入CI公式计算，得到本次测算结晶度指数所采用的F值为1.174。

在相同的测试条件下，对三样品进行测试，得到其α-石英的五指衍射峰图（见图3）。前人研究发现[8]，α-石英的结晶度指数越高，其五指峰发育越完整，峰形越尖锐、清晰，反之则五指峰发育不全，峰形弥散。因此可以根据该峰形特征比较α-石英结晶度指数的高低。由图3可以看出，样品GH-03五指峰图发育最完整且峰形尖锐、清晰，而样品GH-01五指峰图发育最弱且弥散，据此判断样品GH-03中α-石英结晶度最高，GH-02次之，GH-01最低。接着，根据样品五指峰图测量出a、b的数值（见图3），并运用上述CI公式进行计算，得出硅化木样品GH-01、GH-02、GH-03中α-石英结晶度指数依次为4.320、6.322、8.535（见表2）。

图3 样品中α-石英的五指峰图

表2 样品的α-石英结晶度指数计算

从表2数据可以得出，样品GH-01的结晶度最低，GH-02较高，GH-03最高，这与观察样品五指峰图（见图3）得出的结论一致。样品结晶度存在较大差别可能与斜硅石的含量有关，前人研究发现，斜硅石含量越高，石英质玉石的结晶度越低[9]。在研究样品中也发现了此规律，通过XRD图谱可知（见图2b），样品GH-01在d=4.44、3.11、2.88处的峰强均比GH-02大，说明其斜硅石的含量相对较高，但其α-石英结晶度低于样品GH-02，表现出斜硅石含量越高α-石英结晶度越低的规律。该现象可能是由于斜硅石的存在使α-石英晶体结构的有序度降低，进而破坏其结晶的完整性，导致结晶度下降。此外，斜硅石含量越高，α-石英结晶度下降得越明显。

结合手标本观察（见图1），α-石英结晶度最低的样品GH-01呈现出了透明-半透明的外观，而透明度较低的样品GH-02（半透明-微透明）和GH-03（不透明）中α-石英结晶度均较高。以上分析结果表明，α-石英结晶度与硅化木样品透明度呈负相关，即结晶度越高，透明度越低。

（二）矿物有序度与透明度的关系。为了探究矿物有序度与硅化木透明度的关系，采用拉曼光谱仪对三样品进行测试，结果见图4、图5。

图4 硅化木样品中石英的拉曼光谱图

图5 样品中石英464cm-1特征谱峰的半高宽图

本次测试结果显示（见图4），样品GH-01的拉曼峰主要集中在 128cm-1、207cm-1、263cm-1、354cm-1、464cm-1、501cm-1、797cm-1处；样品GH-02具有七个明显的拉曼峰，分别为127cm-1、207cm-1、264cm-1、354cm-1、464cm-1、501cm-1、697cm-1；样品 GH-03的主要拉曼峰位于 128cm-1、207cm-1、263cm-1、354cm-1、464 cm-1、697cm-1、798cm-1处，由此可见三样品的拉曼峰与α-石英标准拉曼峰基本吻合，说明其主要矿物组成均为α-石英，这与X射线粉晶衍射仪的研究结果一致。其中697cm-1、797cm-1、798cm-1处的峰强均较弱，为Si-O-Si对称伸缩振动所产生；300-600cm-1范围内的拉曼峰是由Si-O-Si弯曲伸缩振动所致，其中464cm-1是α-石英的特征拉曼峰，且该峰强度最大；127cm-1、128cm-1处的峰强均较强，归属于Si-O低频峰带；207cm-1处可能是由[SiO4]的旋转或平移振动产生的拉曼峰[10]。

此外，样品GH-01和GH-02在501cm-1处均出现明显谱峰，而样品GH-03未出现。前人研究认为[11-13]，该谱峰是斜硅石的特征峰，由于斜硅石是石英的同质多像变体，因此其拉曼峰多与α-石英相重叠而难以辨别，但由于斜硅石晶胞出现了微小扭曲使其晶体结构对称性降低，导致其在501cm-1附近出现独有的Si-O-Si四元环对称伸缩振动峰，且该峰位强度较大容易识别，因此常用于判断斜硅石是否存在的依据。本次研究样品GH-01和GH-02均出现了501cm-1特征谱峰，说明两样品均含有斜硅石，并且该谱峰的强度存在差异，其中样品GH-01的峰强比GH-02大（见图4），说明其斜硅石含量相对较高，该含量差别可能与斜硅石的形成环境有关。

前人研究发现，α-石英464cm-1特征谱峰的半高宽值（FWHM）是指示其有序度高低的有效指标，该值越小，说明α-石英有序度越高[14-15]。本次研究将α-石英464cm-1处的特征谱峰进行高斯拟合得到了该峰的半高宽值（FWHM），见图5。结果显示，样品GH-01、GH-02、GH-03的FWHM值分别为10.93、9.48、8.05，对比可知样品GH-01的FWHM值最大，说明该样品的α-石英有序度最低。三样品的α-石英有序度从高到低依次为GH-03、GH-02、GH-01，说明其α-石英的结构存在差异，反映了三者结晶时温度、压力、PH值、SiO2含量等条件的不同。此外，样品GH-03中α-石英的半高宽值明显低于样品GH-01，分析其原因，可能是样品GH-03在形成后期受到强烈的重结晶作用，使其α-石英的有序度增高，半高宽值降低，并且有序度越高说明α-石英结晶过程中降温越缓慢。

结合观察样品手标本（见图1）可知，样品GH-01的透明度在所有样品中最高，其α-石英的有序度最低，而对于透明度最低的样品GH-03来说，其α-石英的有序度最高。可以得出结论，α-石英有序度与硅化木的透明度紧密相联，即有序度越低，透明度越高。

（三）显微结构与透明度的关系。本文将硅化木样品光薄片放在偏光显微镜下观察（见图6），研究其显微结构特征与透明度之间的关系。

图6 硅化木单偏光和正交偏光显微镜照片

样品GH-01中α-石英含量在90%左右，其特征是在单偏光下呈灰白色，正交偏光下具一级黄白、灰白、蓝白干涉色；大多数呈它形或不规则形态，无法分清其轮廓；颗粒细小，粒度小于5μm，且粒间接触紧密，无明显边界（见图6a）。此外，在正交偏光镜下还观察到放射状集合体（见图6b）及扇形消光现象，推测可能是玉髓。综合以上特征得出样品GH-01的微观结构为隐晶质放射状结构。

样品GH-02中α-石英的含量约为95%，颗粒以不规则形态充填在木质纤维素、导管及薄壁细胞结构中（见图6c），粒度在5-10μm之间，大小均匀，无解理，粒间接触紧密（见图6d），样品总体呈显晶质细粒结构。

样品GH-03主要矿物为α-石英，含量高达90%以上，单偏光下可见少量黄褐色物质分布其中（见图6e黑色箭头处），推测是树木残余的有机质。样品为显晶质中粒结构，其中α-石英自形程度较好，以半自形居多，主要呈不规则次棱角状，具正低突起；粒度大小不均，在50-100μm不等；颗粒间隙较大，边界弯曲明显；大部分颗粒表面光洁，少量可见碎裂纹（见图6f）,推测可能与硅化木形成期间受到的应力作用有关。

通过与手标本外观特征（见图1）对比发现，硅化木透明度受α-石英粒度大小、形态和颗粒接触紧密程度的共同影响，通常透明度沿显晶质中粒结构→显晶质细粒结构→隐晶质放射状结构的序列递增。其中显晶质中粒结构的透明度最差，这与其α-石英的粒度和粒间间隙均较大有关，当光线通过硅化木内部的粒间间隙时，界面将会发生复杂的反射、漫反射以及折射,使进入内部的光能受到较多损耗导致透明度变差。因此在多数情况下当α-石英粒度大于50μm时则不透明，但是有些硅化木虽然α-石英粒度大，由于颗粒接触紧密，微裂隙、包体和杂质少，也可以比较透明。此外，当α-石英颗粒大小均匀、结合紧密、粒间间隙极小时，其粒度越小（通常小于10μm），则硅化木的透明度越好；当α-石英颗粒大小悬殊、排列混乱、粒间边界清晰、粒间孔隙比较大时，硅化木通常不透明。研究发现，有些硅化木α-石英粒度大小、形态和颗粒接触紧密程度多样化，在偏光显微镜下同时呈现出不同的结构，即在同一块薄片中，可能是某些地方以显晶质粒状结构为主，某些地方则以隐晶质放射状结构为主，或者是两种结构呈镶嵌接触方式，其显微结构的多变直接导致了局部透明度的变化，使其透明度不一致。

三、结论

通过对硅化木样品的矿物学特征分析得出以下结论。

（一）硅化木的组成矿物比较单一，主要矿物成分均为α-石英，部分含有斜硅石，并且含量存在差异，这可能与其形成环境有关。

（二）α-石英结晶度与硅化木的透明度密切相关。通过XRD定量分析表明两者呈负相关，表现为结晶度越高，透明度越低。此外，斜硅石含量越高α-石英结晶度越低，可能是由于斜硅石的存在使α-石英晶体结构的有序度降低，进而破坏其结晶的完整性，导致结晶度下降。

（三）α-石英有序度与硅化木的透明度紧密相联。通过拉曼光谱分析可知有序度越低，透明度越高。此外，三样品α-石英464cm-1处特征谱峰的半高宽值差别较大，反映其结晶时温度、压力、PH值、SiO2含量等条件的不同。

（四）显微结构对透明度影响较大。通常透明度沿显晶质中粒结构→显晶质细粒结构→隐晶质放射状结构的序列递增。此外，有些硅化木同时呈现出不同的显微结构，导致了局部透明度的变化，使其透明度不一致。