電子探針與陰極熒光技術(shù)在碳酸鹽礦物研究中的應(yīng)用

劉金連，劉偉新，張慶珍，張文濤，俞凌杰，周科子

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 油田勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部，北京 100728; 2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214151；3.日本技術(shù)株式會(huì)社，北京 100027)

掃描電鏡與陰極熒光技術(shù)相結(jié)合是近幾年發(fā)展起來(lái)的光譜分析技術(shù)[1-14]，陰極熒光(CL)可稱為陰極射線致發(fā)光，是高能電子束轟擊樣品產(chǎn)生發(fā)光的一種物理現(xiàn)象，其強(qiáng)度、顏色(波長(zhǎng))與物質(zhì)內(nèi)部的微量摻雜元素和晶格缺陷及束流密度等因素有關(guān)。電子探針(EPMA)與陰極熒光譜儀相結(jié)合是最近出現(xiàn)的一種聯(lián)合分析系統(tǒng)，電子探針裝備有能譜和波譜，具有定量分析物質(zhì)化學(xué)成分的基本功能，還具備微區(qū)微米到準(zhǔn)納米級(jí)背散射和二次電子像的形貌分析功能。而熒光譜儀涵蓋了從紫外到近紅外的波長(zhǎng)，它不但可以提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)全光陰極熒光影像，而且可以得到發(fā)光物質(zhì)的單光影像及光譜；可以分析樣品微區(qū)紫外到近紅外熒光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度特性及物質(zhì)成分，進(jìn)而分析樣品的形成條件及生長(zhǎng)過(guò)程，利用這一系統(tǒng)獲得的高清晰CL圖像和CL圖譜分析，與電子探針微區(qū)成分分析、形貌分析相結(jié)合可以對(duì)儲(chǔ)層的物源、成巖作用序列、膠結(jié)作用類型、孔隙演化及沉積成巖環(huán)境進(jìn)行分析[15]。

電子探針與熒光譜儀聯(lián)合分析系統(tǒng)對(duì)碳酸鹽礦物及膠結(jié)物的研究剛剛起步，本文介紹了電子探針與陰極熒光譜儀相結(jié)合分析碳酸鹽礦物陰極熒光圖譜與微量元素的關(guān)系，并就碳酸鹽礦物電子探針及熒光分析條件作了探討。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)的樣品為貴州習(xí)水良村寒武系清虛洞組(-C1q)粉晶含鐵含云質(zhì)灰?guī)r中的白云石脈及湖北南漳二疊系棲霞組(P1q)灰?guī)r中的方解石脈，樣品的陰極發(fā)光顯微鏡分析見(jiàn)圖版A，B。貴州習(xí)水良村寒武系粉晶含鐵含云質(zhì)灰?guī)r中的白云石脈，圍巖與脈之間陰極發(fā)光差異明顯，微晶白云石以不發(fā)光為主，中—粗晶白云石呈較自形晶體，發(fā)桔紅色光，少量自形狀白云石可見(jiàn)生長(zhǎng)環(huán)帶(圖版A2)；湖北南漳二疊系灰?guī)r中方解石脈的礦物主要由方解石組成，結(jié)晶粗大，具脈狀定向分布，方解石發(fā)桔黃色光及暗桔黃色光，并顯示明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖版B2)。

2 白云石電子探針與陰極熒光特征分析

貴州習(xí)水良村寒武系粉晶含鐵含云質(zhì)灰?guī)r中的白云石呈脈狀，不同激發(fā)條件下的電子探針陰極熒光圖像見(jiàn)圖版C，電子探針元素分布圖見(jiàn)圖版D。從陰極熒光圖譜與電子探針元素分布圖可以看出，Mn元素含量的分布與低束流熒光譜圖具有較好的相關(guān)性，在Mn含量較高的區(qū)域其熒光較強(qiáng)，Mn的存在增加了陰極熒光強(qiáng)度，即使是較低的電子束流也可以產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光，Mn是熒光的激活劑；但在較高的電子束流環(huán)境下，Mn元素的陰極熒光圖像分布變得模糊，說(shuō)明Mn的電子探針陰極熒光效果在相同的加速電壓及掃描時(shí)間條件下還與束流密度相關(guān)。Fe的陰極熒光與Mn不同，無(wú)論束流大小其熒光都比較暗，隨著Fe含量增加其熒光強(qiáng)度降低，F(xiàn)e是熒光淬滅劑。從陰極熒光可以看出白云石脈明顯是由兩種白云石的礦物組成， Mn的含量也存在較大的差別，可以反映出白云石脈形成的地球化學(xué)環(huán)鏡上存在差異。同時(shí)，在電子探針元素分布圖上也可看到Ca、Mg的含量比較高，顯示是白云石的礦物組成，Mg的含量比較接近，而Ca元素分布圖上顯示白云巖與白云石脈中的Ca存在差異，反映了白云石形成于不同的環(huán)境。

3 方解石電子探針與陰極熒光特征分析

湖北南漳二疊系灰?guī)r方解石脈的電子探針陰極熒光圖像見(jiàn)圖版E，電子探針元素分布見(jiàn)圖1。從陰極熒光圖可以看出，在相同的加速電壓和掃描時(shí)間條件下，方解石的陰極熒光強(qiáng)度與電子束流有關(guān)，但礦物中不同位置的熒光強(qiáng)度與方解石礦物中的微量元素含量及分布也密切相關(guān)。從電子探針元素分布圖上可以看出，Mg主要分布于A區(qū)域，B區(qū)域最低；Fe主要分布于B區(qū)域，A區(qū)域最低；Mn主要分布于B區(qū)域。Mn元素的分布圖與陰極熒光譜圖相對(duì)比可以看出，在束流較小(束流0.3 nA)的陰極熒光譜圖上，Mn含量較高的區(qū)域具有較高的熒光強(qiáng)度，Mn是熒光激活劑(B區(qū)域)；而在束流較大(束流30 nA)的陰極熒光譜圖上，因受Fe元素的影響，陰極熒光強(qiáng)度因Fe的吸收反而降低；Fe含量較高的區(qū)域在束流較大(束流30 nA)的陰極熒光譜圖上熒光強(qiáng)度降低，在束流較小(束流0.3 nA)的陰極熒光譜圖上，其熒光強(qiáng)度較強(qiáng)，說(shuō)明方解石在同時(shí)含F(xiàn)e、Mn兩種微量元素時(shí)，熒光強(qiáng)度受它們的共同作用，在束流較小時(shí)Fe的熒光淬滅作用較弱，而隨束流的增加其淬滅作用也增強(qiáng)。因此礦物的陰極熒光性質(zhì)與強(qiáng)度除與微量元素含量的高低有關(guān)外，還與分析條件相關(guān)，陰極熒光強(qiáng)度是元素含量與激發(fā)電流的綜合反映。

圖1 湖北南漳二疊系灰?guī)r方解石脈電子探針背散射圖像及元素分布

4 結(jié)論

1)湖北南漳二疊系灰?guī)r的方解石脈中含有Mg、Fe、Mn等元素，方解石的熒光強(qiáng)度與Mn含量的高低密切相關(guān)，Mn在較低的束流條件下就具有較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，在較高的束流條件下因Fe的存在使陰極熒光強(qiáng)度降低，Mn是熒光的激活劑，F(xiàn)e是熒光淬滅劑。陰極熒光與電子探針?lè)治龇从撤浇馐V物的微量元素存在差異，表明方解石晶體形成的地球化學(xué)環(huán)境存在差異。

2)貴州習(xí)水良村寒武系含鐵含云質(zhì)灰?guī)r白云石脈除了Ca、Mg組成外，Mn在低的激發(fā)束流條件下就具有較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，并清晰地顯示具有兩種類型的白云石，呈棱面體的自形白云石具有較強(qiáng)的陰極熒光，且具環(huán)帶構(gòu)造；另一種白云石其陰極熒光較弱，說(shuō)明白云石脈存在兩期白云石的作用。在高的激發(fā)束流條件下白云石脈陰極熒光的內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于消失。

3)陰極熒光與電子探針相結(jié)合，把礦物微區(qū)陰極熒光特征與微量元素分析相結(jié)合，既反映了巖石礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)又可有效分析其地球化學(xué)形成環(huán)鏡。該技術(shù)是碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層研究的重要手段，也是

碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積環(huán)境、結(jié)構(gòu)分析、膠結(jié)物序列及孔隙演化分析的有效手段。

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