基于ZEM系列臺式掃描電鏡和EDS能譜儀的巖石元素成分分析研究
日期:2024-03-11
上一期里我們對幾種不同種類的巖石在特定作用下的破壞特征進(jìn)行了表征,感興趣的同學(xué)可以閱讀《從宏觀到微觀——澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡在巖石分析中的應(yīng)用》。巖石是地球表層和地殼的基本組成物質(zhì),其成因和成巖過程復(fù)雜多樣,巖石的元素組成特征也是揭示其成因的重要手段。本期我們選取了大理巖、花崗巖、砂巖和石灰?guī)r等典型巖石類型,并利用ZEM系列臺式掃描電鏡和EDS能譜儀對其元素組成進(jìn)行分析,旨在揭示不同巖石類型的元素組成特征,為巖石成因分類和地質(zhì)過程研究提供元素學(xué)依據(jù)。
實驗方法是先采用ZEM系列臺式掃描電鏡進(jìn)行巖石的微觀形貌觀察,獲取巖石的微觀結(jié)構(gòu)信息。然后利用EDS技術(shù)對巖石樣本的特定區(qū)域進(jìn)行了面掃分析,獲取該區(qū)域的元素分布情況。隨后在該區(qū)域內(nèi)隨機選取了5個不同的點位,并對每個點位進(jìn)行了點掃元素成分分析,以獲取這些點位的元素組成信息。通過這一過程,可以獲得該區(qū)域不同點位的元素分布和組成情況,有助于深入理解巖石的微觀結(jié)構(gòu)和成分特征。
圖1 大理巖表征圖與EDS分層圖
圖2 大理巖分布圖總數(shù)譜圖
以大理巖為例,圖2的EDS面掃分析不難發(fā)現(xiàn),結(jié)果顯示氧元素(O)的含量很高,占60%左右。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料對比,大理巖的主要成分是氧化鈣(CaO),這與大理巖主要由方解石、石灰石等成分組成的特征相符合。其中,方解石(CaCO3)是大理巖的主要成分之一,其含量約占50%以上。氧化鈣(CaO)是方解石在高溫下分解的產(chǎn)物,因此在大理巖中含量較高。
其次,硅元素(Si)的含量約占20%,文獻(xiàn)中表明,這是由于大理巖中存在硅酸鹽等其他礦物成分,如白云石(MgCO3·CaCO3)和蛇紋石(Fe,Mg)3Si2O5(OH),這些礦物成分的存在可以解釋硅元素的含量較高。另外,碳元素(C)的含量占10%左右,因為大理巖中可能存在有機物或碳酸鹽礦物成分,如方解石和白云石等。而鋁元素(Al)的含量占2%,這可能是由于大理巖中存在硅酸鹽中的鋁。雖然鋁元素的含量較低,但它仍然是大理巖中的一個重要成分。
圖3 大理巖點掃譜圖分布
接下來為了深入分析大理巖的化學(xué)組成,我們在圖1的基礎(chǔ)上,選擇了5個不同的點位進(jìn)行EDS譜圖采集,詳見圖3。經(jīng)過綜合分析,我們篩選出兩個具有代表性的EDS譜圖進(jìn)行詳細(xì)討論。
圖4 譜圖2元素分布
如圖4所示,在譜圖2中,除了氧元素(O)和碳元素(C)仍然占據(jù)較高比例外,我們還可以觀察到鈣元素(Ca)和鈦元素(Ti)的含量均約占總元素的10%左右。這進(jìn)一步驗證了大理巖的主要成分是方解石(CaCO3),同時暗示了其中可能含有硅酸鹽礦物以及鈦的氧化物或鈦酸鹽。這些額外的元素信息有助于更全面地理解大理巖的成分特征,進(jìn)而推斷其地質(zhì)形成過程和環(huán)境。
圖5 譜圖3元素分布
而在譜圖3中,鐵元素(Fe)的含量顯著上升,約占總元素的26%,通過資料發(fā)現(xiàn),大理巖中可能參雜了以鐵的氧化物或含鐵礦物形式存在,如赤鐵礦(Fe2O3)等。這一發(fā)現(xiàn)提示了大理巖的復(fù)雜成分,其可能受到了外源鐵元素的影響,我們推測這種高鐵含量可能源于大理巖形成過程中的多種因素。因為大理巖是一種沉積巖,在沉積過程中,含有鐵質(zhì)礦物的碎屑物質(zhì)混入其中,這些鐵質(zhì)礦物在成巖過程中釋放出Fe。因此譜圖3中高鐵含量的觀察為我們提供了關(guān)于大理巖形成及其與周圍環(huán)境相互作用的重要線索。
在分析了大理巖的元素組成后,我們繼續(xù)通過閱讀文獻(xiàn)資料并利用EDS對其他典型巖石類型的元素組成進(jìn)行了分析,包括砂巖、花崗巖和石灰?guī)r等。
圖6 砂巖分布圖總數(shù)譜圖
砂巖的主要成分為石英和長石,石英的化學(xué)式為SiO2,其中包含了較高比例的硅元素和氧元素。根據(jù)EDS分析結(jié)果,其中氧元素占據(jù)較高比例,其次是硅元素,比較符合我們的預(yù)期結(jié)果。此外,長石雖然其含有鋁、鈉等元素,但在EDS分析中通常其含量可能較低,因為長石的比重較石英低,因此在整體成分中所占比例較小。
砂巖通常形成于沉積作用下,經(jīng)歷了長時間的風(fēng)化、搬運和沉積過程。在這個過程中,巖石中的非石英成分被逐漸磨碎和溶解,而石英和長石等硬度較高的礦物則相對穩(wěn)定,這與我們的譜圖元素分布基本吻合。
圖7 花崗巖分布圖總數(shù)譜圖
花崗巖的主要成分為硅酸鹽礦物,通常含量在60%以上,這與花崗巖的成因密切相關(guān)?;◢弾r通常形成于深部巖漿在地殼深處結(jié)晶凝固的過程中,其中長石、石英和云母是常見的主要礦物。EDS分析顯示,在這些成分中,氧元素含量高,因為氧通常是硅酸鹽礦物的主要元素之一,其次是硅元素。
此外,通過檢測到的鉀、鈉、鋁等元素,可以推測它們主要來源于花崗巖中的長石等礦物。長石是一種含有鉀、鈉、鋁等元素的硅酸鹽礦物,因此其存在在花崗巖中是很常見的,同時這也揭示了其形成過程中巖漿的成分及其地質(zhì)特征。
圖8 石灰?guī)r分布圖總數(shù)譜圖
對于石灰?guī)r,EDS分析顯示其主要成分為方解石,它是一種碳酸鹽礦物,通常是由海洋中的有機碎屑經(jīng)過長時間的沉積和壓實形成的。在石灰?guī)r中,氧元素含量占據(jù)比例較高,這是因為方解石分子中含有氧元素。其次是鈣元素,表明石灰?guī)r中的主要成分之一是鈣。
除了方解石之外,EDS分析還檢測到了鐵、鎂、硅等元素。這些元素可能主要來自于石灰?guī)r中的白云石等礦物。白云石是一種含有鎂、硅等元素的碳酸鹽礦物,常常與方解石一同存在于石灰?guī)r中,其存在豐富了石灰?guī)r的成分特征,也反映了其形成過程中多樣的沉積和成巖環(huán)境。
綜上,巖石的元素組成特征與其成因密切相關(guān)。ZEM系列臺式掃描電鏡和EDS能譜儀是巖石微觀形貌觀察和元素成分分析的關(guān)鍵工具,它們提供了巖石的微觀結(jié)構(gòu)和成分信息,為巖石成因分類和地質(zhì)過程研究提供了重要依據(jù)。同時我們還發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行巖石元素組成分析時,樣品的代表性至關(guān)重要,應(yīng)注意避免局部異常對整體分析結(jié)果的影響。EDS分析結(jié)果反映了巖石中元素的存在形式和分布情況,有助于深入理解巖石的成因和成巖過程。綜合分析不同巖石類型的元素組成,可為巖石成因分類和地質(zhì)過程研究提供元素學(xué)依據(jù),對巖石工程設(shè)計和地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要意義。
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作者:澤攸科技