上一期里我們對(duì)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(tái)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(guò)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(tái)式掃描電鏡和EDS能譜儀對(duì)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(guò)程研究提供元素學(xué)依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法是先采用ZEM系列臺(tái)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(duì)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(jī)選取了5個(gè)不同的點(diǎn)位，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行了點(diǎn)掃元素成分分析，以獲取這些點(diǎn)位的元素組成信息。通過(guò)這一過(guò)程，可以獲得該區(qū)域不同點(diǎn)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(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)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?yàn)榇罄韼r中可能存在有機(jī)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(gè)重要成分。

圖3 大理巖點(diǎn)掃譜圖分布

接下來(lái)為了深入分析大理巖的化學(xué)組成，我們?cè)趫D1的基礎(chǔ)上，選擇了5個(gè)不同的點(diǎn)位進(jìn)行EDS譜圖采集，詳見(jiàn)圖3。經(jīng)過(guò)綜合分析，我們篩選出兩個(gè)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(yàn)證了大理巖的主要成分是方解石(CaCO3)，同時(shí)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(guò)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(guò)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(cè)這種高鐵含量可能源于大理巖形成過(guò)程中的多種因素。因?yàn)榇罄韼r是一種沉積巖，在沉積過(guò)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(guò)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(guò)閱讀文獻(xiàn)資料并利用EDS對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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?yàn)殚L(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，巖石中的非石英成分被逐漸磨碎和溶解，而石英和長(zhǎng)石等硬度較高的礦物則相對(duì)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)。花崗巖通常形成于深部巖漿在地殼深處結(jié)晶凝固的過(guò)程中，其中長(zhǎng)石、石英和云母是常見(jiàn)的主要礦物。EDS分析顯示，在這些成分中，氧元素含量高，因?yàn)檠跬ǔＪ枪杷猁}礦物的主要元素之一，其次是硅元素。

此外，通過(guò)檢測(cè)到的鉀、鈉、鋁等元素，可以推測(cè)它們主要來(lái)源于花崗巖中的長(zhǎng)石等礦物。長(zhǎng)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(jiàn)的，同時(shí)這也揭示了其形成過(guò)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(duì)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(jī)碎屑經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉積和壓實(shí)形成的。在石灰?guī)r中，氧元素含量占據(jù)比例較高，這是因?yàn)榉浇馐肿又泻醒踉亍Ｆ浯问氢}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(cè)到了鐵、鎂、硅等元素。這些元素可能主要來(lái)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(guò)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(tái)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(guò)程研究提供了重要依據(jù)。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行巖石元素組成分析時(shí)，樣品的代表性至關(guān)重要，應(yīng)注意避免局部異常對(duì)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(guò)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(guò)程研究提供元素學(xué)依據(jù)，對(duì)巖石工程設(shè)計(jì)和地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要意義。

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