费氏旋转台法、X光岩组法和电子背散射衍射技术组构分析的比较

吕智超　蒋职权　曾涛

摘要：岩石组构分析是构造地质学研究的一项基础工作，对理解许多地质过程非常关键。随着科学技术的发展，岩石组构学的测试技术手段也有很大发展。目前，构造地质学家经常应用的技术主要有费氏旋转台测量、X光岩组法和电子背散射衍射技术（EBSD）三种。三种方法各有优劣，只有三种方法的优劣，才能针对实际情况，扬长避短地使用各方法进行岩石组构学的测试和研究。

关键词：测试方法；费氏旋转台法；X光岩组法；电子背散射衍射技术

引言

组构（fabric）译自德文，是指一种集合体内部的几何形态和物理性质的数据在三维空间的分布规律。对于天然的岩石，组构包含结构、构造和优选方位等方面的内容，涉及矿物的结晶程度、形状、大小、相互关系和排布情况。岩石组构学（简称岩组学）就是研究岩石组构的学科，起始于变质岩形变的研究，其基本概念是Becker G F在1893年提出来的。1930年Sander B在奥地利学派实践工作基础上发表专著《岩石的组构学》，标志着岩组学以一门独立分支学科出现。

岩组学的主要任务是借助光学显微镜、费氏旋转台、X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜等工具和相应的技术手段，揭示构造岩的显微组构特征，借以探讨与岩石形成和变形相关的一些宏观构造应变规律、应力状态、运动方式和形成机制等构造信息。厘米到埃尺度的岩相学观测是岩组学研究的主要内容之一，涉及岩石中矿物相的组成及其内部成分变化，矿物相的大小、形态和空间分布，矿物颗粒的结晶学方位及其内部变化，颗粒或者亚颗粒边界的几何形态及其结构，三联点的几何形态及其结构等。这些微观尺度的测量数据也是地球科学研究的基础和支撑。岩组学研究的另一个重要方面是描述岩石中矿物的优选方位特征，并阐述其形成机制和构造环境。

学问世以来，其研究技术不断更新和完善，研究领域也不断被拓宽和深化。人们不仅将岩组学方法广泛应用于沉积岩、岩浆岩和变质岩等天然岩石的研究，而且积极开展岩石与矿物实验变形和形成机制的研究，加强了实验成果与野外资料的对比分析。与此同时，科研人员还广泛开展实验变形与模拟研究，并引入物理冶金学和材料科学中的位错和流变学理论。随着计算机的广泛应用，新的技术不断涌现和完善，已由早期单一的光学显微镜结合费氏旋转台分析，发展到X射线衍射、透射电镜和扫描电镜等多种技术手段。构造地质学家现今比较常用的主要为费氏旋转台测量、X光衍射岩组法（简称为X光岩组法）和电子背散射衍射技术（EBSD）这三种方法。这三种方法各有不同，也都有各自的优点和缺点，下文就是这些方法的优缺点分析、对比。

三种方法的优劣

岩组学的分析测试方法，用的比较多的有费氏旋转台法、X光岩组法和电子背散射衍射技术（EBSD）。

这三种方法各有优劣，如费氏旋转台是传统上最为常用的设备，目前中国的大部分地质院校、研究所都拥有该设备。费氏旋转台是利用偏光显微镜对岩石薄片中某些矿物及其集合体的线、面状要素进行空间方位测量为基础的显微组构分析。它最大的优点是能相当直观地看到被观测对象，能够进行选择性分析，也可以根据矿物颗粒大小、形状、波状消光等特征进行分选测量，并且还具有价廉、方便的优点。但费氏旋转台却难以测量不透明矿物或颗粒细小的矿物（小于30μm）以及均值矿物，并且利用它对矿物颗粒逐个进行人工测定，相当费时耗力，人工误差也较大（Turner eta1.，1963；池际尚，1977）。如朱光（朱光等，2006）对采自大别山东端和张八岭隆起的韧性剪切带内共34个糜棱岩的定向标本在费氏旋转台上进行石英C轴组构分析。单个样品测试的颗粒数就需要150个左右，34个样品需要测试的石英颗粒则达到5100个。一个人测量单颗石英C轴向组构大致需要2分钟，全部测试完34个样品则需要21天左右（按照每天8个小时计算），而且是在保证没有出错的情况下。所以费氏旋转台虽然具有价廉、方便的优点，但很费时耗力，人工误差也较大。

X光岩组法是用衍射的方法，通过测定矿物面网的衍射强度来确定矿物在岩石中的不均一性，达到了解岩石组构的目的，它比费氏台岩组测定简便、快捷。X光岩组法其主要的优点在于：应用范围广，可以测量各种常见矿物的优选方位，包括一轴晶、二轴晶矿物、均质矿物和不透明矿物；自动化程度较高，仪器自动记录衍射强度，与费氏旋转台法用肉眼选测矿物颗粒相比，减少了人为因素的影响，而且从测量到最终成图可以完全自动进行，省时省力，得到的测试结果也更客观、更接近地质事实；X光岩组不仅可以测定通常粒度（如0.02mm～1.0mm）的矿物，而且也可以测定微晶粒度（0.02mm～0.001mm）的矿物，这在费氏台岩组测定中是办不到的（陈柏林等，1996）。但是，这种方法也有不足之处：X光岩组法是全面积衍射，不具备点衍射的测量功能，其结果是显示出矿物取向的面积百分数，因此，个别或少数大颗粒矿物晶体往往会影响测试结果，所以进行X光岩组测定，最好选择岩石中颗粒较细的矿物，一般以0.001mm～1.0mm粒度为最佳；X光岩组反映的是岩石中矿物组构的总体概率，不能进行特选分析，无法分辩不同变形期次的前后关系和归属，这需要配合显微镜下的观察鉴定、费氏台岩组测定来加以区分（姜光熹，1997）。

电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，简称EBSD）系统通常安装在扫描电子显微镜上。扫描电子显微镜系统利用的是入射电子束在撞击样品后衍射生成的背散射电子和二次电子。入射电子束撞击在样品上时，非弹性散射使得电子从样品表面下的一个原点向四周发散并以各个方向与晶体平面碰撞。当电子的轨道满足布拉格（Bragg）条件：nK=2dsinH（H-衍射角，n-衍射级的整数，K-电子束能量的波长，d-晶格间距），便发生弹性散射，产生布拉格衍射，出现线状花样（简称菊池花样或菊池线）。不同晶面产生菊池衍射线组成电子背散射衍射花样图（electronbackscatter diffraction pattern，简称EBSP）。EBSD通过对背散射衍射花样图谱分析，能快速地标定晶体的晶面符号，确定晶系、晶带和晶胞参数。配合背散射电子图像、波谱、能谱成份分析等，就可以进行精确的晶体定向与错向（微观结构分析、晶界特征分析、变形与重结晶研究）、晶粒尺寸测量、应变估算、物相鉴定等方面研究。测量数据的空间分辨率优于1μm，装配在场发射扫描电镜上的EBSD可为10 nm左右；角度分辨率可达到0.5°～1°（Humphreys F J，2001，2004）。理论上，EBSD可以对所有对称晶系的晶体进行显微构造分析。EBSD技术的开发和研制拓展了扫描电镜的应用范围，使其不仅能对材料进行形貌观察和成分分析，而且能够对材料进行晶体结构、晶粒取向等晶体学特征分析和未知矿物相的鉴定（徐海军等，2007）。EBSD的优点包括。（1）理论上可以对所有对称晶系的晶体进行测量，尤其是不透明矿物和均质矿物。（2）晶体结构分析的精度高，角度分辨率达到0.5°，空间分辨率达到0.1μm。（3）更完整的显微构造特征，研究人员可以方便地选择感兴趣的区域，把显微结构和颗粒取向信息联系起来，反映样品显微结构和边界特征及其能量的变化。（4）制样相对简单，可以研究样品的较大区域（数平方厘米），数据更能够代表研究样品的总体特征。（5）数据移植性强，可以用于物理性质（例如地震波速Vp、Vs）各向异性的数值模拟研究。（6）自动快速的数据获取和分析（徐海军等，2007；刘俊来等，2008）。但EBSD也有它自身的缺点，如EBSP误标定和不能标定，这与花样质量有关（有些矿物即使花样质量很好也很难标定），并随着晶体对称性减低而增强。只有少数矿物，例如方解石、石榴石、岩盐和一些立方体金属矿物的标定率可以到达99%；其他矿物如石英，则只能通过优化软件参数或者去掉不可信的分析数据来提高标定率；使用EBSD面临最大的挑战在于如何优化数据采集和如何使用测量数据，因为即使最好的数据采集方法也会有其存在的问题。

综上所述，费氏旋转台法的最大优点是能相当直观地看到被观测对象，能够进行选择性分析，也可以根据矿物颗粒大小、形状、波状消光、变形纹、双晶纹、重结晶及其他特征进行分选测量，还可以观测到各种显微构造现象，且价格很便宜，容易上手；其缺点在于难以测量不透明矿物或者颗粒细小（小于30μm）的矿物以及均质矿物，并且用光学方法对矿物颗粒进行逐个测定是一件相当费时耗力的工作。而X光岩组测定适用于成分比较单一、结构构造比较均匀的各种岩石和矿石中细-中粒的矿物优选方位的测定分析，主要优点在于可以测量各种常见矿物的优选方位，包括一轴晶、二轴晶矿物、均质矿物和不透明矿物；且自动化程度较高，从测量到最终成图可以完全自动进行，准确可靠、省时省力；但是这种方法不具备点衍射的测量功能，不能进行特选分析，无法将测量数据与显微形貌相对应，也不适宜于分析成分复杂、结构明显不均匀的样品，且制作样品比较麻烦。EBSD虽然也具备自动化程度高，准确可靠、省时省力并且能将测量数据与显微形貌相对应，但该方法只能分析少数矿物，而且它对于制样的要求非常高，样品抛光要非常精细。

结论

三种岩组分析测试方法，各有各的不足，只有依据测试样品的特征和分析的需要，互相结合才能弥补各自的不足，提高数据解释的准确性。