王 霞（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100176）

論石棉鑒定中角閃石石棉的消光類型和消光角

王 霞
（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100176）

【摘 要】消光類型和消光角是偏光顯微鏡下鑒定角閃石石棉的重要參數(shù)，受晶系類型、切面方位、石棉化程度、產(chǎn)出狀態(tài)等因素影響。本文結(jié)合理論依據(jù)和鏡下試驗(yàn)，對其間的相關(guān)性加以論證。

【關(guān)鍵詞】角閃石石棉；消光類型；消光角

消光類型和消光角是偏光法鑒定石棉的重要參數(shù)，對于準(zhǔn)確的鑒定至關(guān)重要。角閃石石棉包括鐵石棉、青石棉、透閃石石棉、陽起石石棉、直閃石石棉五種，這五種石棉中既有平行消光又有斜消光，并且會(huì)出現(xiàn)消光反常現(xiàn)象，因此需特別加以注意。

從晶體光學(xué)角度來說，不同晶系的礦物具有不同的消光類型；同一礦物的不同方向切面具有不同的消光類型和消光角。角閃石石棉是角閃石礦物的纖維狀變種，其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分均有異常，高分辨電子顯微鏡和電子衍射的研究表明角閃石石棉比柱狀角閃石含更多的結(jié)構(gòu)缺陷。在日常檢測中發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)狀的角閃石石棉具有不同的消光類型和消光角。本文結(jié)合理論依據(jù)和鏡下試驗(yàn)，從四個(gè)方面加以闡述。

1　消光類型、消光角與晶系類型

晶系類型是消光類型的決定性因素。鐵石棉、青石棉、透閃石石棉、陽起石石棉、直閃石石棉對應(yīng)的角閃石礦物依次是鐵閃石、鈉閃石、透閃石、陽起石、直閃石，這五種角閃石歸屬于兩個(gè)晶系。

直閃石屬于斜方晶系，三個(gè)結(jié)晶軸a、b、c互相垂直，軸角α=β=γ=90°。三個(gè)光率體軸Ng、Nm、Np分別與c、b、a平行。所以，在縱切面上，直閃石總表現(xiàn)出平行消光。直閃石光性方位如圖1所示[1]。

圖1　直閃石光性方位

透閃石、陽起石、鐵閃石、鈉閃石均為單斜晶系，b軸和a軸、c軸均正交，a軸、c軸斜交。三個(gè)光率體軸中僅Nm軸平行于b軸，其他兩個(gè)光率體軸與另兩個(gè)結(jié)晶軸斜交。所以，在縱切面上，這幾種角閃石表現(xiàn)出斜消光。這四種角閃石消光類型一致，所以以下均以透閃石為例來說明，透閃石光性方位如圖2所示。

圖2　透閃石光性方位

2　消光類型、消光角與切面方位

由圖2透閃石光性方位圖可知，光率體軸Ng軸與結(jié)晶軸c軸間斜交，透閃石縱切面具斜消光。在偏光顯微鏡下測透閃石消光角，是測定消光位時(shí)目鏡十字絲與解理紋之間的夾角，即Ng∧c。

同一種礦物的消光角是一個(gè)常數(shù)，也叫最大消光角。但是，在不同的切面上觀測，會(huì)得到一系列數(shù)值不等的消光角值，叫做視消光角。視消光角≤最大消光角。

對透閃石來說，在平行c軸的一系列縱切面上，只有在平行(010)切面上才能測定其最大消光角Ng∧c；平行(100)切面上為平行消光；在其他切面上為斜消光，消光角介于最大消光角和0°之間。假設(shè)某一透閃石的最大消光角值為17°，現(xiàn)要測定其縱切面中各個(gè)切面對應(yīng)的消光角值，以(010)面為起始切面，對應(yīng)方位角為0°；切面按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；(100)面為終止切面，對應(yīng)方位角為90°。將最大消光角、視消光角、方位角依次記為α、β、γ，則三者之間的幾何投影如圖3所示，切面方位(方位角)和視消光角之間的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示[2]。

圖3　透閃石縱切面最大消光角(α)與視消光角(β)之間的幾何投影

圖4　透閃石縱切面方位和消光角之間的對應(yīng)關(guān)系

由圖3看出，在(010)面上，消光角最大，此時(shí)礦物斜消光；在(100)面上，消光角為0°，此時(shí)礦物為平行消光；在其他方位上，消光角值在0°到最大消光角之間，礦物為斜消光。角閃石礦物普遍具(110)完全解理，受應(yīng)力作用時(shí)易沿解理面裂開。所以角閃石礦物碎屑(110)面發(fā)育，有較大的傾向按(110)面平躺。(110)面對應(yīng)的方位角約為62°，消光角約為8.2°。此外，60°方位角對應(yīng)的消光角值約為8.7°。綜合圖4及以上的分析可以得出：在自然狀態(tài)下，用透閃石碎屑制作浸油片觀測其消光時(shí)，縱切面主要表現(xiàn)出斜消光，且大部分消光角值＞8°，即約大于最大消光角值的一半，僅少數(shù)切面為平行消光或近平行消光(當(dāng)消光角很小，如＜3°時(shí)，為近平行消光)。

要精確測定礦物的消光角，可采用費(fèi)式旋轉(zhuǎn)臺(tái)法或旋轉(zhuǎn)針臺(tái)法[3]，用偏光顯微鏡配合費(fèi)式旋轉(zhuǎn)臺(tái)或旋轉(zhuǎn)針臺(tái)使用，旋轉(zhuǎn)軸可對礦物進(jìn)行定向，從而測得最大消光角，或采用傅德彬[4]提出的通過測(010)面傾角來測最大消光角。

在日常檢測中，僅使用偏光顯微鏡，很難準(zhǔn)確找到(010)切面，因?yàn)樵诶@c軸的眾多切面中，(010)面只有唯一一個(gè)；更多的情況是切面斜切結(jié)晶軸。所以，用偏光顯微鏡測定礦物的光性性質(zhì)時(shí)，采用的是近似值，不影響最終結(jié)果的判定。如數(shù)學(xué)上證明[3]，當(dāng)切面方向偏差10°時(shí)，光性性質(zhì)的變化肉眼察覺不出來。所以，當(dāng)定向切面方向偏差允許10°，則(010)切面出現(xiàn)的概率為1.5%。

用偏光顯微鏡測定礦物的消光角時(shí)，可以使用的方法如下：

(1) 最高干涉色法確定(010)切面。

對二軸晶礦物角閃石來說，Ng＞Nm＞Np，折射率差值最大的為Ng-Np，即為最大雙折射率。最大雙折射率對應(yīng)最高干涉色，在NgNp面，也就是(010)切面上體現(xiàn)。在鏡下，選定干涉色最高的顆粒(如果礦物具多色性，則該顆粒多色性最明顯)，測定其消光角值，則該消光角值最大。

該方法用于碎屑油浸片時(shí)具有局限性。干涉色取決于礦物切面的雙折射率和切面厚度，通常所說的最高干涉色是相對于標(biāo)準(zhǔn)薄片厚度0.03mm。碎屑油浸片中，礦物碎屑厚度大小不等，在選定干涉色最高的顆粒時(shí)需注意其厚度的相關(guān)性。

(2) 統(tǒng)計(jì)法。

統(tǒng)計(jì)法的作法是測定多個(gè)礦物顆粒，把其中消光角的最大值當(dāng)作是最大消光角值。如前文所述，平行(010)切面出現(xiàn)的概率為1.5%，則100個(gè)顆粒中至少有一個(gè)顆粒的消光角為最大消光角。在允許偏差稍大時(shí)，可以測50個(gè)礦物顆粒的消光角，取其最大值。

(3) 干涉圖法確定(010)切面。

二軸晶平行OAP切面，即平行(010)切面，在錐偏光鏡下的干涉圖為閃圖。所以可以用閃圖來確定(010)切面方向。

在檢測中，不局限于某一特定的方法，常是幾種方法混合搭配使用，以期能更快、更準(zhǔn)確的測定透閃石等礦物的消光角。

3　消光類型、消光角與石棉化程度

角閃石石棉是角閃石礦物的纖維狀變種，呈長柱狀、葉片狀、纖維狀、石棉狀等，其具有的顯著特性是劈分性較好，易沿長軸方向劈分成細(xì)小纖維絲。

角閃石石棉的形成機(jī)理，主要有兩種方式：①單根纖維是沿著雛晶顆粒邊界分離而成。雛晶的c軸沿纖維方向平行排列，彼此間繞纖維方向旋轉(zhuǎn)、方位隨機(jī)；②纖維的形成與其結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)，即纖維沿(010)“威斯勒缺陷(Wadsley defects)”和(100)雙晶疊置無序分裂形成[5]。

按第一種方式，石棉纖維沿c軸旋轉(zhuǎn)、隨機(jī)分布。對于某一束石棉纖維(包含多根細(xì)小纖維絲)，其c軸和Ng軸的分布方位如圖5所示，在任一切面上，Ng軸的投影Ng'的方位如圖5右上所示。在這一切面上，任一纖維絲視消光角值在0°和最大消光角值之間隨機(jī)分布。由于石棉纖維絲的直徑為亞微米級(jí)，一束纖維包含足夠多的纖維絲，所以對于這束纖維來說，肉眼所見的光學(xué)性質(zhì)是所有纖維絲光學(xué)性質(zhì)的集成。為了擬合這種集成效果，選定某一透閃石，其最大消光角值為19°，在正交光下拍攝其不同方位干涉色圖，從豎直方位(對應(yīng)0°)到完全消光方位(對應(yīng)19°)共拍攝20張圖片，用Photoshop軟件對20個(gè)干涉色圖進(jìn)行合成，則得到的圖片即為集成圖，如圖6所示。集成圖為黑色，呈現(xiàn)出消光的效果。說明，當(dāng)足夠多的纖維絲繞c軸隨機(jī)分布，則其集成偏光在c軸方向上表現(xiàn)出全消光效果，纖維束呈平行消光。

圖5　透閃石消光集成圖

圖6　透閃石消光集成效果圖

按第二種方式，石棉纖維中存在(010)“威斯勒缺陷”和(100)雙晶[6]?！巴估杖毕荨敝鸽p鏈中插入三鏈、四鏈、五鏈、六鏈或其他鏈的小層，這些不規(guī)則缺陷在(010)面發(fā)育，沿a軸方向產(chǎn)生。角閃石(100)雙晶是指a軸反轉(zhuǎn)180°，以(100)為雙晶面和結(jié)合面。角閃石(100)聚片雙晶示意圖如圖7所示。受(010)“威斯勒缺陷”和(100)雙晶的影響，(100)面間的結(jié)合力較弱，纖維易沿該面劈開，以平行或近于(100)面平放，呈平行消光或近平行消光。

圖7　角閃石(100)聚片雙晶

按石棉的兩種形成機(jī)理，最終石棉呈平行消光。但這只是一種終極狀態(tài)，或理想狀態(tài)，實(shí)際上，隨石棉化程度發(fā)育不同，還存在一些中間狀態(tài)。將角閃石石棉發(fā)育為纖維的過程稱為石棉化，石棉化越徹底，纖維絲越細(xì)小，纖維長徑比越大。對第一種方式，纖維絲需要有足夠的細(xì)度，否則集合偏光效果將受影響；對第二種方式，結(jié)構(gòu)缺陷存在情況下，石棉的平面要素發(fā)育情況為(100)＞(010)＞(110)＞(hkl)，結(jié)構(gòu)缺陷越發(fā)育，(100)面出現(xiàn)的概率越大[7]。

現(xiàn)以透閃石為例，研究纖維石棉化程度和消光類型、消光角之間的關(guān)系。共采集三種透閃石石棉，分別標(biāo)記為T1，T2，T3，如圖8所示。

圖8　三種透閃石石棉偏光照片

T1為棉狀，纖維柔軟，劈分性十分好，易劈分成極細(xì)小纖維絲，纖維絲細(xì)度0.1μm左右，長徑比大。T2為纖維狀，質(zhì)較硬，劈分性較好，纖維絲細(xì)度0.6μm左右，長徑比中等。T3為針柱狀，硬質(zhì)，劈分性差。從石棉化程度來說，T1＞T2＞T3。

統(tǒng)計(jì)三種石棉的消光角，每種石棉均統(tǒng)計(jì)50個(gè)粒子，以消光角8°為界，得出其消光特征，如下表所示。T1中粒子消光角值全部＜8°，實(shí)際上是全部＜3°，為平行消光或近于平行消光。T2中多數(shù)粒子消光角值＜8°，只有部分＞8°。T3中消光角值＜8°的粒子略多。

三種石棉的消光特征

結(jié)合本試驗(yàn)和前文提到的理論依據(jù)，石棉化越好的纖維，表現(xiàn)出小角度消光的粒子越多，最終近于平行消光。

4　消光類型、消光角與石棉產(chǎn)狀

從理論來說，直閃石石棉總呈平行消光，鐵石棉、青石棉、透閃石石棉、陽起石石棉既有斜消光又有平行消光。但在產(chǎn)品石棉檢測中我們發(fā)現(xiàn)，鐵石棉、青石棉總呈平行消光，透閃石石棉、陽起石石棉表現(xiàn)出斜消光和平行消光。這和石棉的產(chǎn)出狀態(tài)及使用情況有關(guān)。

雖然角閃石石棉共5種，但工業(yè)產(chǎn)品中主要使用的是青石棉和鐵石棉，其次為直閃石石棉，透閃石—陽起石石棉則較少使用。

青石棉和鐵石棉是角閃石石棉中使用最多的。產(chǎn)于變質(zhì)的硅鐵質(zhì)沉積巖層中，產(chǎn)出范圍狹窄，除人工采集用于添加到工業(yè)產(chǎn)品中外，一般很難見到[8]。通常纖維是比較長的，石棉化程度高，纖維質(zhì)地柔軟，纖維絲細(xì)小、長徑比大。所以，綜合青石棉、鐵石棉的產(chǎn)出狀態(tài)和工業(yè)使用要求，石棉產(chǎn)品中檢測出的這兩種石棉多呈平行消光。工業(yè)用青石棉、鐵石棉的樣本如圖9所示，均呈平行消光。

圖9　工業(yè)用青石棉和鐵石棉

透閃石石棉和陽起石石棉產(chǎn)出于碳酸鹽巖型變質(zhì)巖、變質(zhì)鐵鎂質(zhì)巖、超鎂鐵巖中，產(chǎn)出范圍較廣泛。這兩種石棉機(jī)械強(qiáng)度差，劈分性差，纖維短硬脆，很少有好棉產(chǎn)出，所以很少被工業(yè)所利用。然而，除了人工添加到工業(yè)產(chǎn)品中外，更常見的是作為伴生礦物出現(xiàn)于工業(yè)礦物產(chǎn)品中，或因天然出露、人工挖掘等方式暴露于地表，進(jìn)而進(jìn)入空氣、水體中。所以，盡管這兩種石棉作為石棉材料使用很少，但由于其較廣泛的分布狀態(tài)，是五種石棉中最常見到的。相對于青石棉、鐵石棉、直閃石石棉較單一的消光特征，不同產(chǎn)出狀態(tài)的透閃石石棉、陽起石石棉具有不同的消光特征，給石棉鑒定帶來一定的困難，也是在鑒定中需要加以注意的地方。

(1) 工業(yè)透閃石石棉、陽起石石棉。

工業(yè)透閃石石棉、陽起石石棉按外形特征可分為棉狀、纖維狀、針柱狀、柱狀等，有呈近平行消光的，也有呈斜消光的。石棉化越好，則消光角越小。

(2) 伴生透閃石石棉、陽起石石棉。

伴生石棉可分為兩種：①作為工業(yè)礦物的共生礦物出現(xiàn)，如廣泛使用于陶瓷、造紙、化妝品等產(chǎn)品中的滑石粉，其共生礦物就有透閃石，有可能含有長柱狀、纖維狀透閃石石棉。如某品牌的爽身粉以滑石粉作為原料，其中就檢測出透閃石石棉；②巖石中產(chǎn)出，如大理巖中廣泛含有透閃石，部分即為透閃石石棉，鐵鎂質(zhì)巖、超鎂鐵巖在變質(zhì)過程中，常產(chǎn)生一種雛晶狀透閃石—陽起石中間體，呈長柱狀或纖維狀。巖石中的石棉出露概率較小，但在作為石材、骨料等使用時(shí)，在切割、破碎等過程中會(huì)隨粉塵散出，需做好防護(hù)工作。伴生透閃石—陽起石石棉如圖10所示。伴生透閃石石棉、陽起石石棉的纖維狀形態(tài)不夠發(fā)育，石棉化程度低，結(jié)構(gòu)缺陷不常見，所以多表現(xiàn)出斜消光。

圖10　伴生透閃石—陽起石石棉

5　結(jié)論

(1) 角閃石石棉分屬兩個(gè)晶系，直閃石石棉為斜方晶系，呈平行消光；鐵石棉、青石棉、透閃石石棉、陽起石石棉為單斜晶系，縱切面呈斜消光。

(2) 消光類型、消光角和切面方位有光，單斜晶系角閃石石棉只有在平行(010)切面上才能測得最大消光角，在偏光顯微鏡下測消光角時(shí)常用近似值。

(3) 角閃石石棉石棉化程度越高，表現(xiàn)出小角度消光的粒子越多，最終近于平行消光。

(4) 單斜晶系角閃石石棉中鐵石棉、青石棉常呈平行消光；透閃石石棉、陽起石石棉表現(xiàn)出斜消光和平行消光，和產(chǎn)出狀態(tài)有關(guān)，工業(yè)石棉為斜消光或平行消光，伴生石棉多呈斜消光。

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【試驗(yàn)研究】

【收稿日期】2015-06-16

【文章編號(hào)】1007-9386(2015)04-0007-05

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類號(hào)】P619.271