天然与人工辐射绿色钻石中晶格辐射损伤的差异性及其光谱学表征

基于绿色金刚石的人工辐射实验研究结果,针对近年来面市的天然与人工辐射绿色钻石在检测过程中面临的难点问题,采用激光拉曼光谱仪、紫外-可见光谱仪、光致发光谱仪、红外光谱仪等光谱学测试方法,拟就天然与人工辐射绿色金刚石样品的宝石学和光谱学特征进行测试与分析。结果表明,以吸附态形式附着在金刚石表面的次生铀矿物为天然辐射源,由其^(238) U同位素链上原子核自发衰变过程中释放出α射线是导致金刚石表面绿色辐射斑点或绿色薄壳形成的主要缘由。金刚石表面绿色辐射斑点由外向内随着晶格辐射损伤程度的增强,其蜕晶化程度依次递增直至趋于非晶态。与此相对应,由其表面绿色辐射斑点内晶格振动导致的1332 cm^(-1)附近拉曼峰强度自外向内依次递减,直至湮灭。反之,1625 cm^(-1)附近拉曼峰强度及其半高宽值自外向内依次递增。鉴于天然与人工辐射源产生的放射性强度与辐射剂量的差异性,故在金刚石中诱生的GR1心浓度及与之对应的光谱学特征亦有所不同。依据绿色钻石中GR1心(741nm)PL峰的分裂程度和半高宽,UV-Vis光谱中GR1心的ZPL、声子伴线(边带)和电子-声子耦合谱带的组合特征,并配合由H1a、H1b、H1c心振动导致的1450、4936、5165 cm^(-1)附近特征红外吸收峰等综合检测参数有助于区分天然与人工辐射处理绿色钻石。

锆石微破裂过程的离散元模拟

锆石中富含放射性元素U和Th,其U-Pb、U-Th-He与裂变径迹分析方法是最常用的地质热年代计,但这些年龄均与锆石的辐射损伤程度有关。锆石中放射性元素U和Th衰变所导致的晶体自辐射损伤,会改变晶体的物理和化学性质,在微观上表现为蜕晶化,宏观上则表现为密度降低和体积膨胀。不同生长环带间的差异膨胀产生相对膨胀力,导致锆石发生微破裂。为了探究微破裂的发育过程与机制,本文基于锆石自辐射损伤-体积膨胀经验关系,利用离散元模拟方法,模拟核-边双层锆石自辐射损伤过程中内部应力分布;结合锆石的弹性模量与抗拉强度,模拟自辐射损伤与围压对核部高U、Th(模型Ⅰ)与边部高U、Th(模型Ⅱ)两类锆石微破裂发育的影响。结果显示随着自辐射损伤及体积膨胀的增大,锆石微破裂过程具有显著的阶段性:模型Ⅰ边部破裂对称发育,从单条逐渐发育成空心“十”字与“米”字形破裂网络;模型Ⅱ核部发育的多个同心状破裂是由早期放射状破裂随自辐射损伤增强而拓展并逐渐相连而形成。围压的影响效果与自辐射损伤程度有关:低自辐射损伤下,围压增加会抑制模型Ⅰ边部与模型Ⅱ核部破裂的发育与拓展;高自辐射损伤下,随着围压的增大,模型Ⅰ放射状破裂密度增大,而模型Ⅱ同心状破裂数目减少。锆石中微破裂的发育将晶体分割成若干亚颗粒,改变原子扩散出颗粒的路径与距离,因此本文对锆石微破裂过程的研究,对于理解锆石中元素的扩散及相关的地质应用具有参考意义。

山西凤凰山榍石的激光拉曼光谱和能谱分析

为了研究天然矿物晶体中放射性元素对其辐射损伤的状况,选择山西凤凰山花岗岩所产出的副矿物榍石为研究对象。在偏反多功能显微镜下观察其形貌特征,并从破碎的原矿中挑选出单晶颗粒样品。采用扫描电镜、能量色散谱、激光拉曼谱对榍石样品进行了分析。研究结果表明:榍石在874 cm-1位置的拉曼谱峰值强度与半高宽之比(I/H)可以表征其蜕晶化的程度。经过约1758 Ma的地质演化之后,榍石晶体中不同位置的铀与钍元素总含量分布及损伤程度有所不同,从晶体中心至边缘逐渐增大。