興安礦深部軟巖的掃描電鏡－X射線能譜分析

周 莉， 于亨達， 楊海濤， 韓朝龍

(黑龍江科技學院 建筑工程學院，哈爾濱 150027)

興安礦深部軟巖的掃描電鏡－X射線能譜分析

周 莉， 于亨達， 楊海濤， 韓朝龍

(黑龍江科技學院 建筑工程學院，哈爾濱 150027)

為了探討鶴崗興安礦深部軟巖水理特性和塑性變形原因，分別在埋深500和740 m的不同巖性特征處，選取5個試樣，采用掃描電鏡－X射線能譜儀，對該礦深部軟巖礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)進行實驗分析。結(jié)果表明:興安礦深部軟巖中主要礦物成分為石英、長石、方解石及黏土礦物，各別試樣中含有菱鐵礦和金紅石。黏土礦物的主要成分為伊/蒙(I/S)混層、伊利石、高嶺石、綠泥石等。I/S混層中蒙脫石的類型有鈉蒙脫石和鈣蒙脫石。碎屑礦物中有石英加大、方解石溶蝕、長石淋濾、菱鐵礦解理發(fā)育等現(xiàn)象。黏土礦物I/S混層主要呈片架結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)，高嶺石呈書本狀結(jié)構(gòu)，伊利石與綠泥石呈片架結(jié)構(gòu)。

深部軟巖;掃描電鏡－X射線能譜;礦物成分;微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

煤礦深部開采過程中，軟巖巷道產(chǎn)生底臌、收幫、塌方等塑性大變形現(xiàn)象是煤礦生產(chǎn)和安全的主要災害之一［1－3］。鶴崗礦區(qū)巷道嚴重冒頂、底臌、幫部混凝土變形脫落、巷道非對稱大變形等現(xiàn)象頻發(fā)，無論是膨脹性軟巖還是高應(yīng)力軟巖，出現(xiàn)這種特殊變形現(xiàn)象的原因不僅在于深部開采過程中特殊的地質(zhì)力學環(huán)境，其巖－水間物理化學作用，也使巖石骨架中黏土礦物發(fā)生滑移和擴容，削弱了軟弱巖層間顆粒的連接力，引起巖層弱化而加速了變形發(fā)展［4－5］。因此，對軟巖礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)的分析，在深部軟巖強度軟化、塑性大變形研究中受到學者們的重視［6－7］。巖石與黏土礦物成分分析方法較多［8－10］，但都存在著一定局限性。在粉晶X－射線衍射分析中，鑒別I/S混層中的蒙脫石的類型比較難，而應(yīng)用X射線能譜分析，則可通過對鈉、鈣元素含量分析，辨別出I/S混層中的蒙脫石是鈉蒙脫石，還是鈣蒙脫石。如果當某種礦物含量極少(w＜5%)時，也可能被掃描電鏡(SEM)發(fā)現(xiàn)［11］，同時通過SEM圖像了解微孔隙與微裂隙情況。筆者以鶴崗興安礦深部軟巖為測試對象，在粉晶X－射線衍射分析的基礎(chǔ)上，采用掃描電鏡－X射線能譜分析方法，進一步分析試樣的礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，為研究該礦深部軟巖水理特性和塑性大變形提供基礎(chǔ)資料。

1 試樣選取與實驗方法

1.1 試樣選取

鶴崗煤礦屬中生代礦井，第一臨界深度為400 m［12］。試樣1取自興安礦四水平空車線單軌車道(埋深740 m)、試樣2為三水平絞車房入口(埋深500 m)處細砂巖，試樣3取自四水平火藥庫(埋深740 m)、試樣4和5分別取自三水平皮帶巷(埋深500 m)粗砂巖和四水平車場空車線頂板(埋深740 m)泥巖，共計5個試樣。試樣特征與X－射線衍射分析結(jié)果見表1。

表1 試樣特征與X－射線衍射分析結(jié)果Table 1 Specimen and X－ray diffraction results

1.2 實驗方法

實驗儀器采用英國劍橋生產(chǎn)的LEO435VP型電子顯微鏡和英國牛津生產(chǎn)的OXFORD型能譜儀。

實驗用電子槍發(fā)射直徑為50 μm，工作電壓1～30 kV，電流放大倍數(shù)10～40萬倍，且連續(xù)可調(diào)。

首先，將試樣制成長、寬各1 cm，高為0.5 cm的試塊，先進行洗油、磨制、酸化、凈化、干燥預處理;然后，用導電膠將試樣粘到樣品樁上，再把樣品樁放入真空鍍膜機中進行鍍金處理。將鍍金后的樣品樁放入樣品室內(nèi)，利用掃描電鏡的二次電子圖像所呈現(xiàn)的礦物微觀形貌，選取適當?shù)牟课贿M行微區(qū)成分的定性和半定量分析，以能譜(EDS)圖和微區(qū)組成元素的原子質(zhì)量分數(shù)表征實驗結(jié)果。

2 實驗結(jié)果分析

砂巖的主要組成相為碎屑物，其次為黏土礦物與膠結(jié)物。泥巖礦物成分復雜，主要由黏土礦物組成，其次為碎屑礦物、次生礦物及鐵錳質(zhì)和有機質(zhì)。砂巖和泥巖中的碎屑礦物主要為石英、長石、云母等，而黏土礦物的主要有高嶺石、伊利石和蒙脫石。在能譜分析中，通過譜峰的位置和強度確定礦物的元素組成、元素與各種氧化物相對質(zhì)量分數(shù)，從而對礦物進行定性分析。單一礦物能譜分析譜中，由于譜峰位置和強度比例在譜圖中均較清晰，因此較容易識別，例如圖1、2、7中石英、鉀長石、高嶺石EDS譜圖。而混層礦物由于混層方式復雜，化學組成具有可變性，能譜分析中得到的均為不同礦物化學成分的疊加譜圖，分析中根據(jù)這些組成元素的種類、含量及其相互比例的變化范圍，特別是通過晶體化學原理對Si和Al的組成加以分析，即可對其混層礦物加以識別。EDS譜圖中縱坐標是X射線光子強度計數(shù)率(cps)，橫坐標為元素能量。

2.1 碎屑礦物能譜分析

對試樣逐一進行碎屑礦物掃描電鏡－X射線能譜分析，通過EDS譜圖特征與元素分析圖，確定碎屑物的礦物成分。

石英(SiO2)的主要組成元素為Si、O，圖1a為粗砂巖試樣4 SEM圖，在片架狀I(lǐng)/S混層中現(xiàn)柱狀次生加大石英晶體，晶體與黏土礦物間通常微裂隙2～3 μm。從微區(qū)元素組成EDS譜圖1b(以下稱EDS譜圖)中可見Si元素譜峰最強，其原子質(zhì)量分數(shù)為25.31%。根據(jù)該晶體形態(tài)和EDS譜圖，判定該晶體為石英。EDS譜圖中譜峰較弱的元素，為微區(qū)中其他礦物組成元素譜峰，如圖1b中Al、K等，為石英表面黏土礦物的組成元素，文中其他EDS譜圖中也有類似現(xiàn)象，以下不再贅述。

圖1 石英SEM－EDS分析結(jié)果Fig.1 SEM－EDS results for Quartz

巖石中的長石主要是鉀長石和斜長石兩大類，單從SEM圖片上很難辨別，因為它們具有相同的架狀晶體結(jié)構(gòu)，所以微觀形貌特征相似。如，晶體呈板和扁柱狀，集合體呈粒狀或塊狀，臺階式斷口、淋濾后產(chǎn)生的孔隙骨架形態(tài)、次生加大后的柱狀晶體形態(tài)等極為相似。鉀長石的陽離子為K+，斜長石的陽離子為Na+或Ca2+，通過譜圖中所顯示的元素種類，則可準確地識別長石的類型。圖2a和3a分別為試樣1和試樣3中長石的SEM圖像，從圖中可見，兩長石晶體均呈參差狀臺階式斷口，圖2a長石呈輕微淋濾現(xiàn)象。在 EDS譜圖2b中，陽離子為K+，圖3b中陽離子為Na+，由此判定圖2a中的長石為鉀長石，圖3a中的長石為斜長石。

方解石(CaCO3)屬三方晶系，多呈薄片狀菱形晶體和立方體狀菱方體晶體。主要組成元素為Ca、C和O，圖4a為試樣4中溶蝕后方解石，呈不規(guī)則塊狀附著于沿解理縫淋濾的長石表面。圖4b中，微區(qū)主要組成元素中Ca元素譜峰最強，其原子質(zhì)量分數(shù)為25.72%。

圖2 鉀長石SEM－EDS分析結(jié)果Fig.2 SEM－EDS results for Potash Feldspar

圖3 斜長石SEM－EDS分析結(jié)果Fig.3 SEM－EDS results for Plagioclase

圖4 碳酸鈣SEM－EDS分析結(jié)果Fig.4 SEM－EDS results for Calcium Carbonate

菱鐵礦(FeCO3)屬三方晶系，多呈菱面形晶體，集合體成致密塊狀或粒狀。圖5為試樣3中菱鐵礦SEM圖和EDS譜圖。

圖5 菱鐵礦SEM－EDS分析結(jié)果Fig.5 SEM－EDS results for Siderite

圖5a SEM圖像中菱鐵礦解理發(fā)育，晶間縫隙5～10 μm，粒表片狀黏土礦物。從圖5b EDS譜圖中可見，F(xiàn)e元素譜峰最強，元素中包括Fe2+、Fe3+，F(xiàn)e原子質(zhì)量分數(shù)為12.93%，C原子為17.36%。

金紅石(TiO2)屬四方晶系，四方柱狀或鐘狀晶形，集合體呈粒狀或致密塊狀。主要組成元素為Ti、O。圖6a是試樣5中金紅石呈四方柱狀晶簇，晶間微孔隙發(fā)育1～3 μm。微區(qū)元素組成中Ti原子質(zhì)量分數(shù)為21.59%，其TiO2質(zhì)量分數(shù)為76.15%。

上述實驗表明，所有試樣中均含有石英和斜長石，試樣1～4中均含有鉀長石，試樣2～5中含有方解石，試樣3、5中含的菱鐵礦，這與表1 X－射線衍射分析結(jié)果相吻合。泥巖試樣5中所含的金紅石，在X－射線衍射分析中并沒有發(fā)現(xiàn)。

圖6 金紅石SEM－EDS分析結(jié)果Fig.6 SEM－EDS results for Rutile

2.2 黏土礦物分析

巖石中黏土礦物的主要成分一般為高嶺石、伊利石、蒙脫石、I/S混層、綠泥石等。它們各自具有獨特的微觀形態(tài)特征和EDS譜圖特征，以此來辨別黏土礦物的類型。

從表1可知，試樣4的黏土礦物中高嶺石質(zhì)量分數(shù)較高(31%)，圖7a為該試樣書本狀結(jié)構(gòu)高嶺石(AI4Si4O10(OH)8)聚合體的SEM圖像，粒表附著絲縷狀伊利石，高嶺石聚合體間形成較大的微孔隙(10～15 μm)。從EDS譜圖7b中可見，微區(qū)主要組成元素為Al、Si、O，且Al元素譜峰大于Si元素譜峰，這正是高嶺石的基本譜圖特征。

圖7 高嶺石SEM－EDS分析結(jié)果Fig.7 SEM－EDS results for Kaolinite

圖8a為試樣4中粒表片架狀結(jié)構(gòu)伊利石(KAl2(SiAl)4O10(OH)2)的 SEM圖像。從圖 8b EDS譜圖中可見，微區(qū)中主要組成元素為Al、Si、K、O，且K元素具有較強的譜峰，這是伊利石所具有的基本譜圖特征。

圖9a為試樣2粒表細碎薄片蜂窩結(jié)構(gòu)I/S混層礦物，微孔隙發(fā)育(3～5 μm)。從EDS譜圖9b中可見，微區(qū)主要組成元素為Al、Si、Na、Fe、Mg、K、C、O，其譜峰表現(xiàn)為I/S混層譜峰特征［13］，組成I/S混層的陽離子中，Na元素譜峰較強，且Na原子質(zhì)量分數(shù)為4.03%，高于其他元素。

圖10a為試樣5泥巖中片架結(jié)構(gòu)綠泥石，微孔隙(1～3 μm)、微裂隙(1～3 μm)極其發(fā)育。綠泥石中富含F(xiàn)e2+、Mg2+、Fe3+等離子［14］，從EDS譜圖10b中可見，微區(qū)主要組成元素Al、Si、Fe、Mg、Mn、C、O，F(xiàn)e元素有較強的譜峰，Mg元素譜峰也較清晰。Fe、Mg的原子質(zhì)量分數(shù)較高，分別為8.74%和1.74%，符合綠泥石的成分特征。

圖8 伊利石SEM－EDS分析結(jié)果Fig.8 SEM－EDS results for Illite

圖9 I/S混層SEM－EDS分析結(jié)果Fig.9 SEM－EDS results for Illite mixed layer

圖10 綠泥石SEM－EDS分析結(jié)果Fig.10 SEM－EDS results for Chlorite mixed

2.3 伊/蒙混層中蒙脫石類型分析

在黏土礦物中，蒙脫石有極強的水敏特性，尤其是鈉蒙脫石，遇水后體積可膨脹至原有體積的600%～1 000%，而鈣蒙脫石膨脹性遠不及鈉蒙脫石。因此，若對深部軟巖的變形特性進行分類，有必要對I/S混層中的蒙脫石類型加以分析。

圖9b可見，試樣2細砂巖中I/S混層中Na元素的原子質(zhì)量分數(shù)為4.03%，而無Ca元素，因此，可將此I/S混層礦物中的蒙脫石確定為鈉蒙脫石。

圖11a為試樣4 SEM圖像，粒間孔隙發(fā)育(5～15 μm)，粒表碎薄片狀與絮狀I(lǐng)/S混層。從EDS譜圖11b中可見，Ca元素顯示出較強譜峰，Na元素譜峰很低，Na元素原子質(zhì)量分數(shù)僅為0.17%，而Ca元素為6.28%，因此，可將此I/S混層礦物中的蒙脫石確定為鈣蒙脫石。

對5個試樣中的I/S混層礦物分析表明，除試樣4粗砂巖中I/S混層中的蒙脫石為鈣蒙脫石外，其他試樣I/S混層中的蒙脫石均為鈉蒙脫石。

3 結(jié)論

通過對鶴崗興安礦深部軟巖5個試樣進行掃描電鏡－X射線能譜分析，對該礦深部軟巖礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)得出如下結(jié)論:

(1)所選試樣中無論是粗砂巖、細砂巖還是泥巖，其主要碎屑礦物與一般巖石基本相同，有石英、鉀長石、斜長石和方解石，個別試樣中含有菱鐵礦，泥巖試樣中測得金紅石晶體礦物。

(2)試樣中的主要黏土礦物有I/S混層、伊利石、高嶺石和綠泥石。黏土礦物I/S混層中的蒙脫石類型有鈣蒙脫石和鈉蒙脫石兩種，分析樣中鈉蒙脫石占優(yōu)勢。

(3)三水平皮帶巷處粗砂巖有石英加大、方解石溶蝕、長石淋濾等現(xiàn)象，四水平空車線單軌車道處細砂巖中長石有輕微淋濾現(xiàn)象，四水平火藥庫處粗砂巖中菱鐵礦解理與晶間縫隙發(fā)育。

(4)黏土礦物I/S混層主要呈片架結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)，高嶺石呈書本狀結(jié)構(gòu)，伊利石與綠泥石呈片架結(jié)構(gòu)。

圖11 I/S混層SEM－EDS分析結(jié)果Fig.11 SEM－EDS results for Illite mixed layer

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SEM－EDS analysis of deep soft rock for Xing’an mine

ZHOU Li， YU Hengda， YANG Haitao， HAN Chaolong

(College of Civil Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at investigating the hydrological characteristics and the plastic deformation of the deep soft rock for Xing’an mine in Hegang，this paper describes the study of mineral composition and the microstructure，based on five samples selected from the 500 m and the 740 m in buried depth，and using SEM－EDS techniques.The results show that the deep soft rocks occurring in Xing’an mine consist mainly of the Quartz，F(xiàn)eldspar，Calcite and some other clay mineral，except some specimen containing Siderite and Rutile.The primary mineral ingredients of clay mineral are Illite mixed layer(I/S)，Illite，Kaolinite，Chlorite and so on.The Illite mixed layer is composed mainly of sodium-montmorillonite and Ca montmorillonite.Quartz overgrowth，Calcite dissolution，F(xiàn)eldspar leaching，cleavage-growth of Siderite are all found in the test of detrital minerals.Illite mixed layer shows laminated，honeycomb and flocculated structure.Kaolinite shows booked structure.Illite and Chlorite are of laminated structure.

deep soft rock;SEM－EDS;mineral ingredient;microstructure

TU451

A

1671－0118(2012)02－0148－06

2012－01－14

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12511480)

周 莉(1958－)，女，黑龍江省寶清人，教授，博士，研究方向:巖土工程，E-mail:mengte5891@163.com。

(編輯徐 巖)