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基于ZEM系列台式扫描电镜和EDS能谱仪的岩石元素成分分析研究

日期:2024-03-11

上一期里我们对几种不同种类的岩石在特定作用下的破坏特征进行了表征,感兴趣的同学可以阅读《从宏观到微观——威尼斯wns8885556ZEM系列台式扫描电镜在岩石分析中的应用》。岩石是地球表层和地壳的基本组成物质,其成因和成岩过程复杂多样,岩石的元素组成特征也是揭示其成因的重要手段。本期我们选取了大理岩、花岗岩、砂岩和石灰岩等典型岩石类型,并利用ZEM系列台式扫描电镜和EDS能谱仪对其元素组成进行分析,旨在揭示不同岩石类型的元素组成特征,为岩石成因分类和地质过程研究提供元素学依据。

EDS能谱仪的岩石元素成分分析研究

实验方法是先采用ZEM系列台式扫描电镜进行岩石的微观形貌观察,获取岩石的微观结构信息。然后利用EDS技术对岩石样本的特定区域进行了面扫分析,获取该区域的元素分布情况。随后在该区域内随机选取了5个不同的点位,并对每个点位进行了点扫元素成分分析,以获取这些点位的元素组成信息。通过这一过程,可以获得该区域不同点位的元素分布和组成情况,有助于深入理解岩石的微观结构和成分特征。

大理岩表征图与EDS分层图

图1 大理岩表征图与EDS分层图

大理岩分布图总数谱图

大理岩分布图总数谱图

图2 大理岩分布图总数谱图

以大理岩为例,图2的EDS面扫分析不难发现,结果显示氧元素(O)的含量很高,占60%左右。通过查阅相关文献资料对比,大理岩的主要成分是氧化钙(CaO),这与大理岩主要由方解石、石灰石等成分组成的特征相符合。其中,方解石(CaCO3)是大理岩的主要成分之一,其含量约占50%以上。氧化钙(CaO)是方解石在高温下分解的产物,因此在大理岩中含量较高。

其次,硅元素(Si)的含量约占20%,文献中表明,这是由于大理岩中存在硅酸盐等其他矿物成分,如白云石(MgCO3·CaCO3)和蛇纹石(Fe,Mg)3Si2O5(OH),这些矿物成分的存在可以解释硅元素的含量较高。另外,碳元素(C)的含量占10%左右,因为大理岩中可能存在有机物或碳酸盐矿物成分,如方解石和白云石等。而铝元素(Al)的含量占2%,这可能是由于大理岩中存在硅酸盐中的铝。虽然铝元素的含量较低,但它仍然是大理岩中的一个重要成分。

 大理岩点扫谱图分布

图3 大理岩点扫谱图分布

接下来为了深入分析大理岩的化学组成,我们在图1的基础上,选择了5个不同的点位进行EDS谱图采集,详见图3。经过综合分析,我们筛选出两个具有代表性的EDS谱图进行详细讨论。

谱图2元素分布

谱图2元素分布

图4 谱图2元素分布

如图4所示,在谱图2中,除了氧元素(O)和碳元素(C)仍然占据较高比例外,我们还可以观察到钙元素(Ca)和钛元素(Ti)的含量均约占总元素的10%左右。这进一步验证了大理岩的主要成分是方解石(CaCO3),同时暗示了其中可能含有硅酸盐矿物以及钛的氧化物或钛酸盐。这些额外的元素信息有助于更全面地理解大理岩的成分特征,进而推断其地质形成过程和环境。

谱图3元素分布

谱图3元素分布

图5 谱图3元素分布

而在谱图3中,铁元素(Fe)的含量显著上升,约占总元素的26%,通过资料发现,大理岩中可能参杂了以铁的氧化物或含铁矿物形式存在,如赤铁矿(Fe2O3)等。这一发现提示了大理岩的复杂成分,其可能受到了外源铁元素的影响,我们推测这种高铁含量可能源于大理岩形成过程中的多种因素。因为大理岩是一种沉积岩,在沉积过程中,含有铁质矿物的碎屑物质混入其中,这些铁质矿物在成岩过程中释放出Fe。因此谱图3中高铁含量的观察为我们提供了关于大理岩形成及其与周围环境相互作用的重要线索。

在分析了大理岩的元素组成后,我们继续通过阅读文献资料并利用EDS对其他典型岩石类型的元素组成进行了分析,包括砂岩、花岗岩和石灰岩等。

 砂岩分布图总数谱图

图6 砂岩分布图总数谱图

砂岩的主要成分为石英和长石,石英的化学式为SiO2,其中包含了较高比例的硅元素和氧元素。根据EDS分析结果,其中氧元素占据较高比例,其次是硅元素,比较符合我们的预期结果。此外,长石虽然其含有铝、钠等元素,但在EDS分析中通常其含量可能较低,因为长石的比重较石英低,因此在整体成分中所占比例较小。

砂岩通常形成于沉积作用下,经历了长时间的风化、搬运和沉积过程。在这个过程中,岩石中的非石英成分被逐渐磨碎和溶解,而石英和长石等硬度较高的矿物则相对稳定,这与我们的谱图元素分布基本吻合。

花岗岩分布图总数谱图

图7 花岗岩分布图总数谱图

花岗岩的主要成分为硅酸盐矿物,通常含量在60%以上,这与花岗岩的成因密切相关。花岗岩通常形成于深部岩浆在地壳深处结晶凝固的过程中,其中长石、石英和云母是常见的主要矿物。EDS分析显示,在这些成分中,氧元素含量高,因为氧通常是硅酸盐矿物的主要元素之一,其次是硅元素。

此外,通过检测到的钾、钠、铝等元素,可以推测它们主要来源于花岗岩中的长石等矿物。长石是一种含有钾、钠、铝等元素的硅酸盐矿物,因此其存在在花岗岩中是很常见的,同时这也揭示了其形成过程中岩浆的成分及其地质特征。

石灰岩分布图总数谱图

图8 石灰岩分布图总数谱图

对于石灰岩,EDS分析显示其主要成分为方解石,它是一种碳酸盐矿物,通常是由海洋中的有机碎屑经过长时间的沉积和压实形成的。在石灰岩中,氧元素含量占据比例较高,这是因为方解石分子中含有氧元素。其次是钙元素,表明石灰岩中的主要成分之一是钙。

除了方解石之外,EDS分析还检测到了铁、镁、硅等元素。这些元素可能主要来自于石灰岩中的白云石等矿物。白云石是一种含有镁、硅等元素的碳酸盐矿物,常常与方解石一同存在于石灰岩中,其存在丰富了石灰岩的成分特征,也反映了其形成过程中多样的沉积和成岩环境。

综上,岩石的元素组成特征与其成因密切相关。ZEM系列台式扫描电镜和EDS能谱仪是岩石微观形貌观察和元素成分分析的关键工具,它们提供了岩石的微观结构和成分信息,为岩石成因分类和地质过程研究提供了重要依据。同时我们还发现,在进行岩石元素组成分析时,样品的代表性至关重要,应注意避免局部异常对整体分析结果的影响。EDS分析结果反映了岩石中元素的存在形式和分布情况,有助于深入理解岩石的成因和成岩过程。综合分析不同岩石类型的元素组成,可为岩石成因分类和地质过程研究提供元素学依据,对岩石工程设计和地质灾害防治具有重要意义。

参考文献:

1.沈其韩.一个系统的矿物缩写表[J].岩石矿物学杂志, 2009(5):6.

2.Okada H. Classification of sandstone: analysis and proposal[J]. The Journal of Geology, 1971, 79(5): 509-525.

3.董华,钱春香.砂岩、大理岩-浆体界面区结构特征[J].硅酸盐学报, 2008, 036(0z1):192-196.

以上就是威尼斯wns8885556小编分享的基于ZEM系列台式扫描电镜和EDS能谱仪的岩石元素成分分析研究。更多扫描电镜产品及价格请咨询15756003283(微信同号)。

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作者:威尼斯wns8885556