礦物分選方法技術及在岩石學研究的重要性

前言

岩石是由一種或數種礦物所組成的聚合體。若能了解組成岩石的礦物年代、組成成份與形成環境，則能對岩石複雜演化過程，提供最佳的解釋證據。因此，將岩石中所含礦物顆粒精純的分選出來，即是一項極重要的工作。如 K-Ar 與 Ar-Ar 定年法是利用岩石中含鉀礦物當做研究材料，需將鉀長石、雲母、角閃石等分離出來並進行純化； Rb-Sr 、 Sm-Nd 定年法中，要求分離出足夠的數量的長石、黑雲母、白雲母、角閃石等礦物；U-Pb 定年法中，則需分離出一定數量之鋯石或獨居石。

隨著科學的發展，一些大型高精度的微區和微量測試技術發展很快，但是測試儀器的精度越高，相對應礦物分選純度要求就越高，礦物分選的技術也就相對更加重要。尤其近年，利用磷灰石在獨特的退火溫度約為 70 – 125 ˚C，與石油生油溫度是一致的，這在盆地演化及確認油氣形成是一大利器；另在造山帶地質研究中，使用最新的 SHRIMP （高靈敏、高分辨離子微區探針質譜儀）技術，可將單顆鋯石中晶核、晶域、增生邊等不同成因的部分，進行各區化學成分組成及年代學之研究，以確定物質的來源、熱事件發生的年代、期次、可能的成因、地體抬升速度等。因此礦物分選技術在岩石學研究上亦屬前期重要工作。

筆者曾前往中國大陸礦物分選重鎮 – 河北省廊坊市，進行礦物分離工作並全程記錄，以供地質研究同好們參考。

礦物分選的方法及步驟

礦物分選的方法主要是依據組成岩石的礦物之比重、磁性、電性等差異來運作。其分選步驟大致如下：

（一）、礦物的粗選

1. 取新鮮岩石標本至少 1 公斤以上，隨岩石標本種類不同而異，花崗岩類鋯石含量較多，故須岩石重量較輕；而基性岩如玄武岩或輝長岩等鋯石顆粒較小，且因矽元素含量較低故鋯石礦物含量亦少，則需較多岩石標本，約需五公斤以上。若研究材料為河砂或海灘沙時，則需 3 公斤以上的樣本。

2. 若為岩石樣本，先用地質錘將岩石標本敲碎至直徑 3 – 5 公分，再使用顎式碎石機（jaw crusher）將岩石碎至約 0.5 – 2 公分左右，後用滾輪研磨機將其研磨至小於 40 – 60 mesh細小顆粒（< 250 – 380 μm）。

3. 將樣本置於淘金盤或圓形淺盤，使用清水並加入少量肥皂或清潔劑，攪拌均勻進行樣本的初步清洗。利用手腕力量旋轉淘金盤，產生水流將輕礦物沖出，留下較重礦物於盤中。一般以角閃石為界，比重大於角閃石（比重 3.1 – 3.4）為重礦物，比重小於角閃石為輕礦物。 將樣本以清水沖洗乾淨，去除樣本中的泥或粉塵等極細顆粒物質，再利用烘箱以 80˚C 進行烘乾。

（二）、重礦物的細選

1. 先用永久磁鐵移除強磁性礦物，如磁鐵礦、磁黃鐵礦等，避免之後操作電磁分選儀時，太多強磁性礦物與電磁鐵緊密吸附，而夾帶其他非磁性礦物。

2. 再用電磁分選儀，電量開至中等，吸出弱磁性礦物，如角閃石、雲母、石榴子石及輝石等礦物，接著可先用抖動法，如同早期人工收稻時抖出稻梗、稻穗般的「抖動法」，抖出片狀雲母。移除雲母後，再用電磁分選儀分離出磁性較強的石榴子石及角閃石，而留下輝石；另石榴子石（比重 3.5 – 4.3）、角閃石（比重 3.1 – 3.4）因比重不同，可利用重液進行分選或用水淘洗。

3. 剩餘長石（比重 2.5 – 2.7） + 石英（比重 2.7）+ 鋯石（比重 4.6 – 4.7） + 磷灰石（比重 3.1 – 3.2）等非磁性礦物，利用酒精淘洗，因比重原理最先沉澱出比重較重的鋯石；而剩下磷灰石 + 長石 + 石英等礦物，則可繼續用酒精淘洗，再分選出磷灰石。

（三）、輕礦物的細選

輕礦物盆中包含石英 +（正斜）長石 + 雲母 + 角閃石等造岩礦物。

1. 利用 60 mesh 篩網，收集粒徑大於 250 μm 的礦物，再用抖動法，如同早期人工收稻時抖出稻梗、稻穗般的「抖動法」，抖出雲母（片狀）；再利用雲母具磁性，而長石、石英較不具磁性等特性，利用電磁分選儀分出雲母。

2. 雲母類礦物可再用電磁分選儀進行純化

白雲母 KAl₂（Si₃Al）O₁₀（OH,F）₂ – 磁性較弱，黑雲母 K（Mg,Fe⁺²）₃（Al, Fe⁺³）Si₃O₁₀（OH,F）₂ – 因含鐵、鎂元素，磁性較強。

3. 利用 100  mesh 篩網收集大於 150 μm 的輕礦物顆粒，將其放入兩片玻璃間輕微硏磨，將長石與附著其他礦物解體後，再用電磁分選儀的電流開至最強，移除雲母使樣本剩下長石及石英。

4. 石英和長石的分離，利用浮選機（用熱水為宜，水溫約為 40 – 50 ˚C，在浮選機中依次加入鹽酸、檸檬酸、月桂胺，攪拌後充氣浮選，可使長石浮起，石英沉底，而分得長石與石英。

5. 長石烘乾後，利用比重為 2.66 之比重液，分離正長石（比重 2.55 – 2.63 ）與斜長石（比重 2.69 – 2.72）。再使用丁香油在顯微鏡下檢查正長石與斜長石的純度。

結論

岩石是由一種或數種礦物組合的聚合體。一塊岩石經粉碎及水洗過程，可初步分為輕、重礦物。重礦物可依磁性差異，將強磁性礦物（如磁鐵礦、磁黃鐵礦）與弱磁性礦物（如角閃石、雲母、石榴子石及輝石等）進行分離，再利用比重特性將輝石、黑雲母、角閃石、石榴子石、鋯石、磷灰石等礦物進行分離；輕礦物可依雲母具磁性，而長石、石英不具磁性等特性，利用電磁分選儀將雲母與長石、石英分離；長石與石英可利用浮選機、比重液進行分離。

註：常用比重液為三溴甲烷（又稱溴仿， Bromoform ，化學式為 CHBr₃ ，比重 2.880 – 2.949），必須另加二甲基甲醯胺（Dimethylformamide ，比重 0.948 – 0.949），配成比重 2.66 之比重液，所得正長石及斜長石再分別以丙酮、酒精、去離子水，放置於超音波震盪機徹底清洗烘乾。但三溴甲烷具有毒性，長期使用有危害健康的疑慮，亦有實驗室改用聚鎢酸鈉（Sodium Polytungstate 或 Sodium metatungstate ，化學式為 Na₆[H₂W₁₂O₄₀]），加入去離子水配成 2.66 的比重液。聚鎢酸鈉無毒亦對環境無害，可烘乾或加去離子水將溶液調整成為所需要的比重，並可重複使用。