一、图像观察法
图像观察法是珠宝玉石材料无损检测中使用最广泛的方法。常用的仪器是各类放大镜,宝石显微镜(倍率为45~75,带暗场、明场等照明功能),偏光显微镜以及其他低倍率、功能单一的显微镜,超景深显微镜等。
(一)宝石显微镜
宝石显微镜是用来观测宝石表面及内部特征最常用的仪器,对彩色宝石产地特征的观察和信息采集具有最重要意义。
宝石显微镜主要由以下几个部件组成:
(1)光学系统(透镜系统),包括目镜、物镜等。
(2)照明系统,包括底光源、顶光源、光量强度调节按钮等。
(3)机械系统,包括支架、宝石夹、焦距调节旋钮等。
图2-1为直立式宝石显微镜的原理及结构图。
图2-1 直立式宝石显微镜的工作原理及结构图
宝石显微镜的照明方式通常有以下几种:
(1)暗域照明:即光源不直接照射到宝石上,是最常用的一种照明方式,可观察和拍摄宝石内部的各种矿物包体和生长特征。
(2)亮域照明:即光源直接照射到宝石上,有利于流体包体、色带、生长纹和低突起包体的观察和拍摄。
(3)斜向照明:外界光源调节的范围可从水平方向0°到垂直方向90°,如图2-1中弧线范围内为斜向照明。薄膜、裂隙及超薄的流体包体在斜向照明条件下可出现明亮的干涉色。当外界光源位于水平方向(即0°)时,细窄的光束直接由宝石侧面照入,即为水平照明,由上往下观察宝石时,宝石内的针点状晶体、助溶剂及气泡会变得明亮且突出。
图2-2 不同照明条件下卢旺达蓝宝石内部特征对比
(4)偏光照明:在亮域照明的条件下,加上偏光片,产生偏光或正交偏光,有利于观察宝石内部的应力分布、双折射现象、晶格缺陷(如双晶)、生长特征、多色性等。
(5)点光照明:将点光源照射到宝石的局部区域,有利于观察宝石表面及近表面的包体特征、针点状包体(如金红石针),并可进一步观察流体包体中的气态、液态甚至固态包体的显微特征,有助于更清楚地观察弧形线条或其他结构。
(6)阴影照明:光源由宝石下方直接照入,光源与宝石之间用一片不透光的薄板部分遮挡,可提高内含物的立体效果,适合观察生长结构,如弧形线条和双晶等。
(7)漫射照明:打开遮光板,将一张漫射板、白色面纸或其他半透明物置于光源上方,由下往上射入宝石,使光线减弱并扩散,可协助观察色域或色带。
(8)反射照明:光源由上方照入产生反射光使表面特征更明显。
综上所述,不同的照明方式适合于观察不同的内、外部特征,因此,合适的照明方式对信息的采集至关重要。同一包体特征,在不同的照明方式下,其清晰度、美观程度及立体感等都有所不同。如图2-2所示,同一蓝宝石样品在亮域照明下可见生长环带,暗域照明下见大量的微细包体和聚片双晶,偏光照明下能见清晰的双晶纹。
利用宝石显微镜可观察宝石内部的缺陷特征、生长特征、溶解特征等显微特征,从而大致确定彩色宝石中具有产地意义的特征。如祖母绿中的三相包体,它仅在哥伦比亚、尼日利亚等少数几个地方出产的祖母绿中可以见到(图2-3);马达加斯加蓝宝石中常见大量橙红色透明浑圆—拉长状的金红石包体,它是该产地蓝宝石的典型包体特征之一,如图2-4所示。
图2-3 尼日利亚祖母绿晶体中常见三相包体(50×)
图2-4 马达加斯加蓝宝石晶体中常见大量的橙红色拉长状金红石包体(05×)
(二)高倍率光学显微镜
由于宝石显微镜放大倍数及分辨率不是很高,为找出晶体内、外部一些微细特征差异,需要使用高倍率光学显微镜。
1.超景深三维显微系统
超景深三维显微系统是用于高倍率观察晶体内部及表面三维结构的数码显微镜。该显微系统的照明是嵌入式的,主机中的光源发光,光线通过光纤电缆从镜头内部照明物体。嵌入式照明能根据样品检测距离和镜头视野提供最佳的光照,无需复杂的调节就能轻松获得最佳照明效果(图2-5)。
图2-5 超景深三维显微镜
因为有超景深或共聚焦功能,这些高倍率高分辨率显微镜可用于观察表面粗糙高低不平的珠宝材料,且可以半定量测量样品三维尺寸,可以加深科研人员对材料表面微形貌特征、颜色分布特征等的理解。超景深三维显微系统在宝石学中的应用主要是观察和拍摄宝玉石表面生长和溶解特征、晶体内部包体的三维形态及其分布等,其视频拍摄功能可以观察和记录气液包体的变化特征。
2.微分干涉显微镜
微分干涉显微镜(diferential interference contrast microscope)是一种特殊形式的干涉显微镜,通常被用于观察物体内由于各点的折射率不同,光通过时造成光程差不同的现象。只分开1μm或者更小距离的两束相干光通过标本产生干涉后,标本内邻近两点的光程差经显微镜中特殊的光学系统转变为振幅(光强度)的变化,从而可观察到标本内细微的结构,所以称为微分干涉显微镜。用微分干涉法观察样品,会看到宝石显微镜下所看不到的许多细节,明场下难以区分的一些结构细节或缺陷,如凹凸面、裂隙、孔洞等可通过微分干涉使得反差增强而容易观察,微分干涉法对于具光滑表面的珠宝材料微细结构的观察很有效。如图2-6所示,金刚石晶体表面倒三角蚀像的微细结构能清晰地通过干涉色的差异呈现出来。
图2-6 钻石八面体表面溶蚀坑(50×)
(三)电子显微镜
光学显微镜由于受到光的波长的限制,绝大多数情况下无法看清尺寸小于波长的微细结构。电子线的波长远小于可见光和紫外光,电子显微镜的分辨率可达纳米级甚至原子尺寸级。采集彩色宝石产地鉴别信息时,现阶段有时会使用扫描电子显微镜(sem)和透射电子显微镜(tem)以获取样品表面及晶体内部超微细结构特征。
与光学显微镜相比,扫描电子显微镜具有图像放大倍率变化范围大、分辨率高、景深大,以及获取观察物质的化学元素组成等优点。扫描电子显微镜附带的能谱仪可帮助我们得到所观察区域的化学成分信息,有助于鉴别宝石的产地。另外,其电子阴极发光功能可帮助我们观察晶体的生长特征等。
透射电子显微镜具有分辨率高,可观察晶体内部晶格缺陷,如位错、双晶,以及获得观察区域的电子衍射图像等优点和功能,是采集珠宝内部微米级以下超细微结构信息的主要手段和仪器。虽然透射电子显微镜在宝石学上的应用受到超薄样品制作困难及破坏性特点的限制,目前仅限于学术研究,但作为矿物学、材料学研究的重要手段,在彩色宝石产地特征采集中可能会得到应用。
(四)发光特征观察
彩色宝石的主要品种,如红宝石、蓝宝石、祖母绿,发光特征明显,其中有些具发光性质的品种在工业上常常作为重要的激光晶体而得到应用。矿物受到外界能量(如紫外线、x射线和放射性射线照射等)激发时,能够发出可见光,利用宝石在某种特定光源照射下产生的发光现象,可推测珠宝玉石的成分、结构及某些宝石的成因。发光图像分析方法作为珠宝玉石检测常用的技术之一,具有非常明显的优点:仪器操作简单,分析速度快,图像结果直观等。在彩色宝石产地鉴别应用上,目前还处于数据和资料积累阶段,今后有可能会得到应用。
关于宝石矿物发光原理的探讨目前比较统一的观点是:发光体中赋存有激活剂原子(异价类质同象)和由此产生的晶体缺陷导致矿物发光。晶体缺陷的存在是矿物发光的基础。具有发光性的宝石矿物都含有不等量的阴、阳离子类质同象组分,这些类质同象组分与主要阴阳离子的电价不同,这就必然产生晶格中的电价不平衡,或者产生各类空穴或电子心以及施主和受主能级。当电子受激发吸收能量时由低能级向高能级跃迁,反之电子由高能级向低能级跃迁则会释放光量子,也就是发光,施主和受主能级间的跃迁距离不同导致发出不同颜色的光。
在珠宝玉石检测和研究领域,用于观察宝石发光特征的仪器主要有紫外荧光灯、阴极发光仪和钻石观察仪。
1.阴极发光仪cl
阴极发光是物质在电子束轰击下产生的一种发光现象。从阴极射线管发出具有较高能量的电子束激发宝石矿物的表面,使电能转化为光辐射而产生的发光现象,称为阴极发光。
阴极发光仪主要用来观察真空中的样品受电子束激发产生可见光的现象。阴极发光仪主要由样品室、电子枪、真空系统、高压控制电源盒、低压控制电源所组成。它的优点在于不需要制样,可以用于观察几乎所有常见的宝石材料。20世纪70年代,商业用途的阴极发光仪开始在市场上出现,该技术才开始逐渐被应用于宝石学研究领域。
阴极发光仪包括发射光颜色的观察(或观察颜色分布)、发射光谱的解释、发射光谱的定量测量等几项功能。阴极发光仪可以对样品的颜色或亮度的空间变化成像,也可以收集紫外—可见光—近红外区的发光光谱。阴极发光光谱测试时,样品需置于真空环境下,这样可使样品信息收集时间延长。
阴极发光仪在矿物研究中应用广泛,在宝石检测中主要用于区分天然钻石与合成钻石,分析翡翠的结构特征等。利用阴极发光的颜色、强度及其显微分布特征和激发条件,还可以综合研究宝石材料中的缺陷、杂质状态及其生长条件,从而在彩色宝石的产地鉴别研究中得到应用,如不同产地的祖母绿,其阴极发光图像所显示的荧光颜色、强度及图案存在一些细微的差异。
2.钻石观察仪(diamondviewtm)
钻石观察仪(diamondviewtm)即钻石生长结构特征荧光成像鉴定仪(图2-7),是戴比尔斯集团钻石贸易公司研制开发的,基本原理是利用宝石在波长小于230nm紫外光下表面的发光性。最初利用生长结构特征来鉴别钻石及合成钻石。事实上,diamondviewtm也可以应用于其他珠宝玉石的检测(图2-8)。
图2-7 钻石观察仪(diamondviewtm)
图2-8 diamondviewtm下可见红宝石内的生长条带和裂隙(10×)
diamondviewtm在使用时可将具光滑表面的样品置于紫外光下,拍摄并记录其紫外荧光图样。不同品种的宝石具有不同的发光特征,不同产地的同一品种宝石其荧光特性(如荧光强度)也存在差异。对于钻石而言,可将其荧光图像直接与diamondviewtm软件中存有的各种天然和合成钻石的紫外荧光图样进行对比,从而得出结论。
二、多种检测维度，让电池基础研发走得更远、更深
不少电池企业都为新品起了性感的名字，如“4680”、“顶流”、”m3p”、“短刀”、“凝聚态”，打造富有个体特色且易传播的记忆点，力求让从主机厂到c端用户均耳熟能详。
如果抛开这些名字，让电池返璞归真，我们又可以挖掘出新材料的发现、性能的提升以及产品的创新下那令人轻易无法想象的深度和广度，也就见到真正的冰山底部世界。
在这个底部世界中，各种复杂的物理、化学、电化学过程交织在一起，如同神秘的冰洞。只有通过深入的基础研究，运用合理的检测手段，我们才能逐渐揭开这些奥秘，了解电池内部的微观机制，发现潜力和可能性。
优秀的电池，离不开更高效的工具
动力电池产品的高安全性、高能量密度、高倍率性能、经久耐用和更低成本，是决定其是否能取得市场成功的关键因素。竞争打法的全面升级，意味着在“性能”、“安全性”、“成本”这三 个方面的全面升级。
电池企业都想在这些关键因素上表现优异，这就需要超过同行的质量控制手段。首先就要在研发环节，充分了解和控制电池相关材料的特性，选择良好的材料。
材料从根本上决定着电池性能。通过改进材料提高电池性能、优化电池老化机制、应用新型材料、改变电芯结构是电芯研发的主要方向。 例如，材料体系方面，采用新型材料体系（高镍正极、硅基负极、锂金属负极、固态电解质等），提高单体能量密度；或者研制出磷酸锰铁锂，探索钠离子电池的商业化应用，降低成本；或者加快固态电池的研发进程，使电池性能更高，更耐久。电芯形状方面，方形电池，尤其是lfp短刀兼顾性能、集成与制造，成为主流企业的优选方案之一；大圆柱电池也是热门方向，特斯拉和宝马均已提出具体的实施规划。快充技术方面，多家主机厂开始导入800v高电压平台，并联合电池企业推出2c~4c快充方案。
动力电池的技术趋势 来源：《纤毫毕现，追根溯源–探索电池高效生产 打造高品质电池的奥秘》白皮书
材料的改性、新型材料的研制、电芯结构的设计，往往多策并举，促成电池的升级和创新。
诸如，从2020年到现在，由特斯拉开局，国内电池企业共同推进的 大圆柱电池拥有极其独特的杀手锏 ：
由于采用钢壳的圆柱外壳以及定向泄压技术，电芯本身的束缚力比较均匀，有效抑制膨胀，为电池包的整体安全提供第一层的有力保障。这也使大圆柱电池在材料上的探索更加大胆，当下高比能路线下的主流用材，高镍三元正极材料、硅基负极材料在大圆柱电池上的使用变得更为广泛。全极耳设计，电池直接从正极/负极上的集流体引出电流，成倍增大电流传导面积，缩短电流传导距离，从而大幅降低电池内阻，提高充放电峰值功率。
来源：《4680：全极耳助力圆柱电池再起航》
对于更低成本的锰铁锂电池体系 ，宁德时代的m3p电池将在第三季度搭载于特斯拉国产model 3改款车型。网络不断有消息指出m3p电池就是lfmp磷酸锰铁锂电池。宁德时代则在调研中表示，准确说来，m3p不是磷酸锰铁锂，还包含其他金属元素——该公司将其称为“磷酸盐体系的三元”。
容百科技在8月10日的全球化战略发布会上指出，其lfmp率先实现了73产品（锰铁比）大批量供货，并以此为基推进lfmp与三元的复合产品m6p以及下一代工艺产品。他们认为，到2030年，广义的三元材料和磷酸盐仍旧占据主体，三元里面的高镍材料、磷酸盐里面锰铁锂以及钠电都会迎来非常高速的增长。
另一方面， 行业也需要支持更高倍率的动力电池。这就需要电池企业在加强电池热管理的同时，还要从电池材料（尤其是负极材料的选择和微观结构的设计）、电极设计、电池形状等出发，降低内阻、加强散热，提高电池的倍率性能。
硅负极温室电化学无定形反应机制 来源：《锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展》
目前已有多个企业推出快充电池方案。欣旺达在今年上海车展着重推出其闪充电池，在核心材料上部署了专有技术，自主设计闪充硅材料技术、高安全中镍正极和新型硅基体系电解液技术等关键技术，支持电动汽车10分钟可从20%充至80%soc，让充电像加油一样快。
正所谓“工欲善其事，必先利其器”，更优秀的动力电池产品离不开更高效有力的检测工具。
材料的微观结构表征是电芯研发的关键，目前多种材料表征方法被推出并得到广泛应用。
在研发环节，工程师利用光学显微镜、x 射线显微镜、3d 检测来观察电极材料，检测电极缺陷并分析电池失效原理。还可观察材料的粒径尺寸、各种成分的配比及分布情况等，加深研发人员的认识和理解。这些都可以在提高研发效率的同时更好的改善电池性能，进而为材料、工艺的改进提供依据。
电池材料的二维显微成像和表征
光学显微镜利用光学原理对物体进行放大，最早成型于 17 世纪。光学显微镜的分辨率与可见光的波长（390~780nm）有关，其最大放大倍数可达 1000 多倍，实现微米级别分辨率，在生命科学、材料科学等领域被广泛应用。
在动力电池研发中，光学显微镜可用来观察电极结构，检测电极缺陷并分析电池失效原理、观察锂枝晶的生长行为等，进而为材料、工艺的改进提供依据。
光学显微镜电极截面失效分析 来源：《纤毫毕现，追根溯源 – 探索电池高效生产 打造高品质电池的奥秘》白皮书
不过，由于受制于可见光的波长，光学显微镜的放大倍数有限，无法实现对更微观结构的观测，而电子显微镜则很好的解决了这个问题。
电子显微镜最早由英国物理学家卢卡斯于 1931 年发明，利用电子束代替光束，最大放大倍数可达 300 万倍，实现纳米级别分辨率。
由于电子显微镜具备更高的分辨率，在电池研发中，搭配不同的探头，可以得到多维度的信息（成分、表征信息，粒度尺寸，配料占比等），实现对正负极材料、导电剂、粘结剂及隔膜等更微观结构的检测（观察材料的形貌、分布状态、粒径大小、存在的缺陷等）。
常用的观察样品表面形貌的电子显微镜是扫描电子显微镜(sem)。由于具备高分辨率，sem 能清楚地反映和记录材料的表面形貌特征，因此成为表征材料形貌最为便捷的手段之一。
电池正负极材料、导电剂、粘结剂、隔膜sem图 来源：蔡司（使用蔡司电子显微镜测试）
配合氩离子抛光技术（又称 cp 截面抛光技术），sem可以完成对样品内部结构微观特征的观察和分析。这也是目前最有效的制备锂电池材料极片解剖截面的制样方式。
sem还可以用来观测电池颗粒循环老化的情况。目前，经分析发现，颗粒碎裂表征成为学者改善正极材料性能的切入点。
电池检测：从 2d 走向3d
传统的检测手段通常局限在 2d 平面，但 2d 图像会有局部偏差（比如，制备样品时刚好切到没有问题的部位），3d 图像可以更好的表征材料结构，使检测结果更为直观，有助于加深研发人员的认识和理解，提高研发效率的同时更好的改善电池性能。
在不对电池进行拆解的情况下，通过 x 射线显微镜可以对电池内部特定区域进行高分辨率成像，实现样品的 3d 无损成像，分辨电极颗粒与孔隙、隔膜与空气等，可以大大简化流程，节省时间。
高分辨率显微 ct 可以实现电池内部结构的三维可视化，解决因拆卸等原因造成的内部结构二次损伤等难题，清晰地展示出电池内部的真实情况。在此，x 射线显微镜技术得到应用。
电池内部高分辨率成像（扫描完整样品 - 选择感兴趣区域 - 放大并进行高分辨率成像）来源：蔡司（使用蔡司 xradia versa 系列 x 射线显微镜测试）
当前，ct 成像的精度进入亚微米阶段，可以对电池材料及孔隙进行分析检测。
在 x 射线显微镜的基础上，蔡司推出了可以实现随时间（4d）变化的微观结构演化表征方法。 利用空间分辨率可达 50nm、体素尺寸低至 16nm 的真正的纳米级三维 x 射线成像，可以获得更多信息，识别更微小的细节特征。
目前，x 射线显微镜可达到最高50nm 级别的分辨率，当需要研究更高分辨率的细节时，则需要用到新一代聚焦离子束（fib）技术。fib 利用高强度聚焦离子束（通常为镓离子）对材料进行纳米加工，配合扫描电镜（sem），可同时实现对样品的加工和观察。
目前，蔡司和赛默飞都推出了聚焦离子束显微镜。
fib-sem示意图，与聚焦离子束的三种工作模式 a.成像；b.加工；c.沉积 来源：蔡司，ne时代整理
蔡司双束电镜 crossbeam 系列结合了高分辨率场发射扫描电镜 (fesem) 的出色成像和分析性能和 fib 的优异加工能力，无论是用于多用户实验平台还是科研或工业实验室，利用 crossbeam 系列模块化的平台设计理念，都可基于自身需求随时升级仪器系统（例如使用laser+fib 进行大规模材料加工）。在加工、成像或是实现三维重构分析时，crossbeam系列将大大提升 fib 的应用效率。
当需要分析各种成分的分布，需要模拟仿真，需要看到内部结构时，fib 可以依托低电压成像，能扫描更多 3d 细节，可以做多种测试，令研发工作成效更高。
电池的原位测试和多技术关联应用
无论是光学显微镜，电子显微镜，还是 x 射线显微镜和工业 ct，不同的测试手段各具优势，适用于不同的场景。但一种检测手段常常无法完全表征材料属性。所以，行业将不同的测试设备协同应用，实现多手段的关联，则可以在测试中得到多维度的信息，使结果更为直观。
早期，多手段关联的出发点，是以不同分辨率来观察被测对象的需求。例如，ct和x 射线显微镜可以无损探测，但分辨率相对较低，因此，初看材料时，就可以利用二者先观看形貌特征。扫描电镜具有更高分辨率，例如蔡司以扫描电镜为基础，推出 fib-sem 产品，可以实现高分辨率（3nm）的 3d 成像。如此，利用 ct→x 射线显微镜→ fib-sem，选定区域并逐级放大，就可以得到更为全面和精确的信息，同时可以实现快速定位，使检测更为高效。
正极材料的多尺度关联分析 来源：蔡司（使用蔡司 xradia versa、ultra、fib-sem 系列产品多尺度关联测试）
电子显微镜上设有多个拓展口，来添加不同的探头。但在电池研发中，配备的 se、bse 和 edx 探测器，不足以完全表征材料的属性。尤其在样品尺寸大的情况下，不容易聚焦到同一特定颗粒。拉曼探头则可以帮助分析分子结构与组成，界面结构等。但一般情况下，拉曼电子显微镜是独立分开的。因此，如果能对同一被测对象使用bse、eds 和拉曼，拍摄三重图像的重叠信息，就能实现原位多角度分析。
显微镜厂商在做如上努力。如德国 witec、捷克 tescan、蔡司等推出了 rise 系统，可以实现拉曼成像与 sem 等技术的联合应用，通过电池表面形貌（sem）、元素分布（eds）与电极材料分子组成信息（raman 图谱）结合，实现材料的原位多角度分析，了解电池状态以及不同位置材料的形貌、元素和分子组成，进而评价电池性能。
材料测试通常伴随制样过程，由于 fib-sem 需要对同一个样品进行多次制样测试来构建 3d 图像，采用常规制样方法需要消耗很长时间。为解决这个问题，蔡司提出了一组非常巧妙的联合方案。
首先，可以用 versa 大视野范围、无损情况下得到 3d 成像，发现可疑位置。
然后，为了对可疑位置进行更深入的分析，需要剖切到指定位置。使用 fs-laser 飞秒激光可以实现样品高速率切割（107μm3/sec），进行快速粗制样，迅速完成样品深处的分析，同时不影响fib-sem的高性能和高分辨率。
最后，再用 fib 精细抛光，并拍照分析。
通过 versa、fib-sem 和fs-laser 的联合应用，实现对检测对象的快速定位和制样，使检测更为简单快捷，帮助研发人员提高工作效率。
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三、矿物标本资源整理技术规程
前言
为提高矿物标本的可用性,特制定《矿物标本资源整理技术规程》,用以规范化国家科技基础条件平台标本资源的整理工作,使标本整理同标本的科学研究紧密结合起来。
本规程对矿物标本的整理提出了从去包装、清理、观察、研究、鉴定、定名到资料整理过程的共14项内容,对各项内容的工作方法作了简要说明,内容较全面并具有较强的实用性。
本规程附录a—附录c为规范性附录,附录d为资料性附录。
本规程由国家自然科技资源共享平台提出。
本规程起草单位:中国地质大学(北京)。
本规程起草人:何明跃。
本规程由国家岩矿化石标本资源共享平台负责解释。
1 范围
本规程规定了矿物标本整理的内容、步骤和方法。
本规程适用于自然科技资源平台建设矿物标本资源的整理。
2 规范性引用文件
下列文件中的条款,通过本规程的引用而成为本规程的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版不适用于本规程,然而,鼓励根据本规程达成协议的各方研究是否使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本规程。
gb/t9649.9—2009 地质矿产术语分类代码 第9部分:结晶学及矿物学
gb/t17366—1998 矿物岩石的电子探针分析试样的制备方法
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3 术语和定义
下列术语和定义适用于本规程:
a.矿物(mineral):主要是由地壳及其邻层中化学元素通过地质作用形成的(也包括宇宙中形成的)天然单质或化合物。它们具有一定的化学组成和内部结构,在一定的物理化学条件范围内稳定,是组成岩石和矿石的基本单元。
b.矿物标本的整理(mineral specimen neaten):是矿物标本收集(主要是采集)后,为了进一步对标本进行科学研究的准备工作。根据矿物标本资源描述标准将矿物标本分为标本、薄片、光片、模型(模具)及其他。
c.新矿物的矿物标本(type mineral specimen):用以确定矿物种的考证样品。新矿物的标本称为标准标本。可根据所提供测试数据的情况分为以下三种:
——全型标本(holotype):由作者提出的单一标本,该标本能取得所有原始描述中的数据。
——附型标本(cotype):由作者确定的,可以取得原始描述中的定量级数据的那些标本。附型标本只是用以提供定量数据,而不是所有必须的数据。
——补型标本(neotype):当全型及附型标本遗失后,虽经一切办法找原标本仍无结果时,修订者或重新研究者所选定的标本,用以代表失落的标本,即使该标本经过实验研究与原有全型与附型标本化学式及晶胞常数有微细差别,但只要确定属于同种,也可作为补型标本。所有补型标本须经国际矿物学协会新矿物及矿物命名委员会(cnmmn)、国际矿物学会(ima)批准。
4 矿物标本的整理
4.1 概念
对获得的矿物标本进行整理的工作包括标本的清理、修复、编号、登记、建档以及与该标本有关的图像、资料的收集归档工作。
4.2 整理工具
手套、刷子、小錾子、尖针、小铁锤、小号水枪、放大镜、摩氏硬度计、未上釉的瓷板、磁针、小刀、黏结剂、记录本、记录笔、编目卡片。
4.3 标本编号的工具
油漆、油漆刷、胶布、编号笔。
4.4 标本盛放的材料
——软纸、海绵和棉花:包装材料,避免矿物原始晶体受到损坏,亦可作为细小完整晶体的包装用。
——标本盒:盛放矿物标本。
——玻璃瓶:主要用于存放易潮解、易氧化的矿物标本及较小的矿物标本。
4.5 工作环境的要求
整理标本的场地要有足够的空间、相应的工作台,可以将标本展开摆放,同时整理室还要有良好的通风和采光设备。
4.6 整理的内容与方法
4.6.1 去包装
拆除包装箱,顺序拿出每件标本,对照装箱登记单,核对每件标本包装上的编号及野外记录号,按序排放。
4.6.2 清理标本
用细软的刷子清除标本表面的灰尘、泥土等附着物(可利用小錾子、尖针等剔除)。再把标本清洗干净,将原始标签一同放入托盘内。
4.6.3 标本观察与研究
利用肉眼(可借用放大镜、双目镜)观察和研究矿物的形态、表面物性特征,共生及伴生矿物之间的时空分布特点。选定切光(薄)片的部位以及测试方法。若所选测试方法是对单矿物进行分析,则需要选单矿物,单矿物样品纯度越高越好,步骤包括破碎和分选,后者可分为手选、重选、浮选、磁选及电选等。
4.6.4 标本鉴定和研究
将一个矿物标本正确无误定名,鉴定工作需要运用各种矿物鉴定方法并结合野外定名或原始资料,与已知矿物查对,正确定名。对未知矿物提出进一步鉴定方案。鉴定报告需描述翔实且规范。
4.6.4.1 形态和物理方法
矿物的形态和物理性质取决于矿物本身的化学成分和内部结构,因此可以通过矿物的形态和物理性质(颜色、条痕、光泽、硬度、解理、断口、密度、磁性等)来鉴别矿物。
——形态:在自然界,矿物多数呈集合体出现,但是也出现具有规则几何多面体形态的晶体,对晶形完好的晶体可根据需要进行测量(测角)及晶体单形符号、晶体微形貌(包括晶面条纹、生长层、螺旋纹、生长丘和蚀像等)的研究。
——颜色:通常描述颜色的方法有两种:①标准色谱法,即按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫标准色或白、灰、黑等对矿物的颜色进行描述,若矿物为标准色中的某一种,则直接用其描述,如蓝铜矿为蓝色,辰砂为红色,若矿物不具有某一标准色,则以接近标准色中的某一种颜色为主体,用两种颜色进行描述,并把主体颜色放在后面,例如绿帘石为黄绿色,说明该矿物以绿色为主色调,黄色为次色调;②类比法,即把矿物的颜色与常见实物颜色相比进行描述,例如,块状石英呈乳白色,正长石为肉红色,黄铜矿为铜黄色等。颜色的浓度用“浓”、“淡”、“深”、“浅”、“暗”等字头描述,极淡的颜色可用“带××色调”加以描述。
——条痕:条痕通常是在白色无釉瓷板上通过磨划来获得的,描述方法与颜色相似。
——光泽:光泽从强到弱可分为金属光泽、半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽。矿物表面特征或集合体所引起的特殊光泽有蜡状光泽、珍珠光泽、丝绢光泽、油脂光泽、树脂光泽、沥青光泽和土状光泽。
——硬度:矿物硬度的测定一般有两种方法,一是根据待测矿物与标准硬度矿物(摩氏硬度计)间的相互刻划对比来测定,称为摩氏硬度,标准硬度矿物由十个标准矿物组成,分为十个等级(见表1);二是根据矿物磨光面或表面(晶面、解理面等)上所能承受的压力来测定,施加一定压力于金刚石角锥压入矿物磨光面,用压力与压痕面积之比来表示,称为显微硬度,一般采用显微硬度仪来测定,单位为kg/mm2。
表1 摩氏硬度等级划分表
——解理:按解理面的完整程度分成五个等级,即极完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理、极不完全解理。
——断口:主要断口类型有贝壳状断口、参差状断口、锯齿状断口、土状断口。
——密度:矿物的密度通常是用密度瓶、密度液、扭力天平、体积计和密度仪等测定。密度分为:密度小(＜2.5g/cm3),密度中等(2.5～4g/cm3),密度大(＞4g/cm3)。
——磁性:按磁性的强度分为强磁性、弱磁性、无磁性。
4.6.4.2 化学方法
——简易化学试验:是一种快速、灵敏的简便化学定性方法,一般是利用简单的化学试剂对矿物中的主要化学成分进行检测。简易化学试验方法很多,主要有吹管分析法、斑点法、磷酸溶矿法、粉末研磨法、染色法等。
——微量化学分析的结晶方法:一般是利用溶解矿物的溶液与适当的试剂相互作用所产生的化合物来鉴别矿物的化学成分。微量化学分析按照下述方法进行:把少量的矿物研成细粉末,用盐酸溶解成溶液。如果矿物在盐酸中不溶解,可预先把它放在铂丝的耳形环上与碳酸钠相熔合,然后将熔合体溶解于盐酸中。用玻璃棒把这个液滴移到玻璃上,再并排地放一滴可以起反应的溶液,用铂丝或玻璃棒沟通这两个液滴。顺着所形成的小窄道引导两种溶液相混合。沿着液滴界面或连接小沟的边缘,随着水分的蒸发从溶液中会沉淀出微小的晶体,在显微镜下观察它们的形状和颜色等光学性质,以确定其属于何种化合物,从而分析出矿物的化学成分。
4.6.4.3 镜下鉴定法
偏光显微镜是岩矿工作者最基本的测试仪器。矿物在显微镜下的鉴定内容包括:
——晶形;
——解理、裂理;
——颜色、多色性、吸收性;
——突起和糙面;
——干涉色和双折射率;
——消光类型、延性;
——双晶;
——轴性、光性符号、光轴角;
——光性方位。
4.6.4.4 其他测试方法
在矿物鉴定工作中,还需选择和使用分析测试方法。这些测试方法可以准确地确定矿物种并对矿物的成分、结构、形态、物理性质作深入的研究。
——x射线衍射分析:①粉晶x射线分析,多晶粉末衍射法能提供物相定性、定量分析,晶体点阵参数的精确测定,晶粒大小及其分布,晶格畸变,层错等非完整晶体结构的测定以及造岩矿物及黏土矿物的研究等,试样制备的基本要求是把矿物磨成粉末,粉末细度为200～300目,质量为500mg左右;②单晶x射线分析,用单晶x射线衍射法能测三维分子结构,可解释大到100个原子的复杂分子结构,此外,对于化学结构,一个晶体的测定可揭示固态中分子的构型和组成,结合矿物的单晶资料(即结晶学资料),包括晶系、空间群(一般情况下只能求得衍射群)、晶胞参数(a、b、c、α、β、γ)、轴率及晶体结构特征,便可鉴定矿物,试样制备的基本要求是,选择均匀、无裂隙、没有包裹体的晶体或晶体的碎块,其形状要近于圆柱体,圆柱的直径大约为2/μ(μ为晶体的线型衰减系数),一般在0.1～1.0mm之间。
——电子探针分析:电子探针是一种微区域成分分析的仪器,它利用初级电子和试样作用产生的特征x射线,测量它们的波长(或能量)和强度,即可确定组成试样的元素及其含量,既可定性又可定量分析组成元素。试样制备的基本要求:①试样表明必须进行精细抛光,在100倍反光显微镜下观察时能比较容易找到50μm×50μm无麻坑或擦痕的区域;②试样的大小应适于装入所用电子探针的样品座内,常用的光片尺寸小于20mm×20mm×10mm,常用的光薄片尺寸为26mm×50mm;③试样表面应清洁,无磨料、尘埃等外来污染物质;④试样的导电性良好,不致影响分析结果,即试样吸收电流能达到正常值。
——红外吸收光谱分析:不同物质具有不同的分子结构,就会吸收不同的红外辐射能量而产生相应的红外吸收光谱,因此用仪器测绘试样的红外吸收光谱,然后根据各种物质的红外特征吸收峰位置、数目、相对强度和形状等参数,就能推断试样含有的物质成分,并确定其分子结构。试样制备的基本要求:选取合适的样品制备方法,常用的固体样品制备方法主要有粉末法、糊状法、压片法和薄膜法。
——扫描电镜分析:通过扫描电镜可以进行各种形式的图像观察、元素分析和晶体结构分析。试样制备的基本要求:①试样可以是块状或粉末颗粒,在真空中能保持稳定,表面受到污染的试样,要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗,然后烘干,新断开的断口或断面,一般不需要进行处理,以免破坏断口或表面的结构状态;②试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸,不能过大,样品座尺寸各仪器不尽相同,一般小的样品座为Φ3～5mm,大的样品座为Φ30～50mm,以分别用来放置不同大小的试样,样品的高度也有一定的限制,一般在5～10mm左右;③对于块状导电试样,用导电胶把试样黏结在样品座上,即可放在扫描电镜中观察,对于块状的非导电或导电性较差的试样,要先在试样表面形成一层导电膜,镀膜的方法有两种,一是真空镀膜,另一种是离子溅射镀膜;④对于粉末试样,先将导电胶或双面胶纸黏结在样品座上,再均匀地把粉末样撒在上面,用洗耳球吹去未粘住的粉末,再镀上一层导电膜。
——差热曲线和热失重分析:根据矿物在不同温度下所发生的热效应来研究矿物的物理和化学性质,求得矿物的受热曲线,以确定该矿物在温度变化时所产生的吸热或放热效应,此方法常用于肉眼鉴定或其他方法难以鉴定的隐晶质或细分散的矿物。试样制备的基本要求:在实验前将单矿物样品碾成粉末,一般尽可能减少用量,最多大至毫克;样品的颗粒度在100～200目左右,颗粒小可以改善导热条件,但太细可能会破坏样品的结晶度;对易分解产生气体的样品,颗粒应大一些。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度应与试样一致,以减少基线的漂移。
——拉曼光谱分析:激光拉曼测试方法是一种非破坏性的微区分析方法,这种方法可以提供固体物质的结构信息,用来研究矿物化学键的本质、晶体化学特征、物理性质(包括晶体结构畸变、晶体缺陷等)及其与成因的关系。迄今为止,拉曼光谱仪不仅能测量粉末样品或大矿物的背散射光谱,而且可以进行单晶偏振动的测量和进行显微定点分析。试样制备的基本要求:试样可以是透明或半透明固体、粉末、压片。
——穆斯堡尔谱分析:穆斯堡尔谱为一种核γ射线共振吸收谱,可产生这种效应的约有40多种元素、70多种同位素,目前得到广泛应用的是57fe和119sn。应用这种方法可以测定晶体结构中铁的价态、配位以及在不同位置上的分布等等。试样制备的基本要求:①对于单晶样品须先确定其晶体取向,然后再根据具体要求按一定方向切割薄片;②对于固体样品一般可先研磨成粉末(小于100目),然后再与适当黏结剂混合均匀、加压成小圆片。
4.6.4.5 新矿物的确定
若发现一个矿物其化学组成和(或)结晶学性质与任何已知矿物种明显不同,则存在着该矿物为新种的可能性。在一种新矿物及其名称被文献接受之前,必须事先获得cnmmn的批准。要获得这项批准,主要作者应直接地或者通过国家新矿物委员会向cnmmn主席提交建议书。新矿物的建议应在公开发表之前提交审批。这项建议应当包含尽可能多的信息(见附录d),以便cnmmn能充分地评价该建议的有效性。
4.6.5 标本编号
标本编号按照库房规定进行,并作相应的记录。在矿物标本上涂漆或贴胶布,然后用不易掉色的编号笔将标本的室内编号标注在油漆或胶布上。对于因粒度较小盛放在玻璃瓶中的标本,可将标注编号的胶布贴于玻璃瓶上。
4.6.6 标本的修补
利用黏结剂、修补材料以及填充物质,修复裂隙或者破损的地方,并作记录。标本修复时,不得任意改变其形状、色泽等。修复前后要做好照相、测绘记录,修复前应由有关专家和技术人员制定修复方案,修复中要做好配方、用料、工艺流程等记录。修复工作完成后,这些资料均应归入档案,并在存档卡片上注明。如果确定疏松的碎块属于某一标本,则应将碎块放入纸袋并同此标本一起放置,然后进行标本修复整理。
4.6.7 标本的分类分级
以矿物的成分、结构为依据分类分级,详见附录a。
4.6.8 标本的拍照
由标本拍摄专业人员在摄影棚内对标本进行不同角度拍摄,并附比例尺,力求真实反映实物原件。每张照片需按标本编号进行编号,以做到照片和实物的一致,方便查阅。
4.6.9 填写标签
标签内容及格式见附录b。标签一式两份,一份与标本一起入库,另一份随资料保存。
4.6.10 光片、(光)薄片以及测试样品和副样的整理
每个光片、(光)薄片按标本编号进行编号,与手标本编号相一致。
4.6.11 入库
将矿物标本连同标签放入标本盒,按矿物类型收入库房内标本柜。(光)薄片按编号放入薄片盒,放到指定收藏薄片的标本柜中。
4.6.12 填写存档卡片
填写标本存档卡片,装订成册,集中保存。卡片内容及格式见附录c。
4.6.13 标本信息的提交
登录“国家岩矿化石标本资源信息网”,按照“矿物标本资源描述标准”逐项进行填写。
4.7 资料整理
将标本野外采集记录、鉴定报告、照片、测试数据及研究成果等(包括书面材料和数据光盘)一并收入资料袋,在资料袋上贴矿物标本标签,集中保存。
附录a
(规范性附录)
矿物标本资源分级归类与编码
表a.1 国家自然科技资源平台资源分级归类与编码表（矿物标本资源部分）
表a.1（续）
附录b
(规范性附录)
标本标签记录
表b.1 标本标签记录表
附录c
(规范性附录)
矿物标本存档卡片数据构成
表c.1 矿物标本存档卡片数据构成表
附录d
(资料性附录)
新矿物建议书内容
新矿物建议应包含下列信息:
——建议的名称及选择该名称的理由。
——产状的描述(地理和地质产状,共生关系和伴生矿物,尤其是那些与该新矿物呈明显平衡的矿物)。
——化学组成和分析方法。
——化学分子式——经验式和简化式。
——结晶学——晶系、晶类、空间群、点群、单位晶胞参数、单胞体积、单胞分子数以及x射线粉晶衍射数据。
——晶体结构——一般描述、占位度、结构式、可靠性因子。
——外观特征和物理性质——颗粒度和集合体粒度、外形、集合体类型、颜色、条痕、光泽、透明度、硬度、韧性、解理、裂理、断口、密度(实测的和计算的)。
——光学性质:①透明矿物的光学特征(均质或非均质,一轴晶或二轴晶)、光学符号、折射率、2v、色散、定向、多色性和吸收性等,应用gladstone-dale关系式计算一致性指数;②不透明矿物在反射平面偏振光下的颜色、内反射、反射率、双反射、多色性和非均性等,反射率必须依据矿石显微镜委员会(com)批准的反射率标准进行测量,理论上从400nm至700nm以20nm为间隔测定,反射率数据的最低要求为波长470nm、546nm、589nm和650nm,在提供油浸测量数据时,所用的浸油应符合german标准din58.884,有关com的建议参见criddle ﹠ stanley(1983)资料。
——其他资料:热重分析、红外光谱分析、化学试验等。
——标准矿物:应按照dunn ﹠ mandarino(1987)公布的原则指定和划分,必须将该新矿物标本交国家级地质博物馆保管,并将收据复印件交国际矿物学协会新矿物及矿物命名委员会。
——与其他矿物种的关系。
——有关参考文献。
——有助于阐明矿物描述难点的任何资料。
应当认识到,并非总有可能获得上述所有的数据;出现这种情况时,作者应说明造成资料缺乏的原因。
