聚焦離子束掃描電鏡研究微體化石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)

胥暢，王文卉,2*，姚素平.南京大學地球科學與工程學院，南京20023；2.中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所，資源地層學與古地理學重點實驗室，南京20008

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聚焦離子束掃描電鏡研究微體化石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)

胥暢1，王文卉1,2*，姚素平1
1.南京大學地球科學與工程學院，南京210023；2.中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所，資源地層學與古地理學重點實驗室，南京210008

摘要：聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）是將聚焦離子束切割和掃描電鏡結(jié)合起來的雙束系統(tǒng)，可以在納米尺度對樣品進行切割加工與實時成像。文中用聚焦離子束掃描電鏡對蘭多維列統(tǒng)（志留系）龍馬溪組黑色頁巖內(nèi)的幾類微體化石進行了觀察研究，并顯示牙形刺、幾丁石、疑源類均發(fā)育有亞微米至納米級孔隙，這些孔隙可以為頁巖氣的儲集提供有效空間，不同的微體化石孔隙發(fā)育的差異可以為頁巖中有機質(zhì)孔隙非均質(zhì)性成因研究提供重要依據(jù)。

關鍵詞：聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）；蘭多維列統(tǒng)；龍馬溪組；微體化石；納米孔隙

聚焦離子束掃描電鏡（Focusedionbeamscanning electron microscopy，F(xiàn)IB-SEM）是用于納米結(jié)構(gòu)分析和納米材料加工的儀器。聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）通過聚焦離子束（Ga離子束）的連續(xù)切割和電子束的實時成像，可以清晰地在納米尺度的分辨率下對頁巖各組分尤其是孔隙進行三維、高穩(wěn)定性、高質(zhì)量的顯微形貌及結(jié)構(gòu)的觀察與分析，因而在研究頁巖儲層的納米級孔隙上得到廣泛應用（焦堃，2015；馬勇等，2014）。

上揚子區(qū)奧陶紀—志留紀之交的五峰組—龍馬溪組是產(chǎn)頁巖氣的主力層系（郭彤樓和劉若冰，2013；郭彤樓和張漢榮，2014）。在四川盆地東緣焦石壩構(gòu)造實施的JY1井，目前已經(jīng)在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中獲得穩(wěn)定高產(chǎn)工業(yè)氣流。龍馬溪組頁巖氣儲層中存在大量的納米孔隙（陳尚斌等，2012；陳文玲等，2013）。研究表明，有機質(zhì)孔隙是其中最重要的孔隙類型（Lu et al,1995; Chalmers et al,2008），但有機質(zhì)孔隙分布極不均勻，同一顯微視域內(nèi)，不同有機質(zhì)顆粒納米孔隙發(fā)育差異較大（Louckset al.,2009; Curtis et al,2012）。JY1井龍馬溪組頁巖內(nèi)存在大量的微體化石，如：幾丁石、疑源類、牙形刺和蟲顎化石等，這些微體化石構(gòu)成了龍馬溪組頁巖氣的主要成烴母質(zhì)（Suchy et al.,2002; Al-Ameri,2010; Petersen et al,2013），并且能作為頁巖微孔的主要貢獻者( Lu et al,1995; Ross et al,2006,2007; Chalmers et al.,2008）。對上述生物化石進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，了解化石內(nèi)部存在的孔隙（洞）類型和發(fā)育特征，有助于了解不同成烴母質(zhì)在頁巖氣生成和儲集中的作用。

傳統(tǒng)的微體化石研究方法有兩種，一是觀察經(jīng)化學溶蝕后的孤立化石（掃描電子顯微鏡SEM），二是觀察磨制的化石薄片（常規(guī)光學顯微鏡和透射電子顯微鏡TEM）。這兩種方法均有不足之處，前者難于觀察到化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)；后者制樣繁雜，并且涉及到樣品的富集，以及在切片過程中可能造成非樣品原有的“偽構(gòu)造”現(xiàn)象（王春朝等，2006）。近年來興起的化石標本的X射線三維無損成像技術也已經(jīng)成為古生物學研究中的重要手段之一（殷宗軍等，2014），保持化石的無損性是其重要優(yōu)勢，但其空間分辨率為亞微米級，略遜于聚焦離子束掃描電鏡的納米尺度分辨率。本文嘗試利用聚焦離子束掃描電鏡對微體化石進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察。在納米尺度的分辨率下觀察微體化石內(nèi)的細微構(gòu)造，特別是微觀孔隙結(jié)構(gòu)，不僅利于微體化石的分類定名，還有助于了解頁巖中微體化石內(nèi)發(fā)育的亞微米—納米孔隙對頁巖儲集空間的貢獻。

1　研究材料及方法

本次實驗樣品（圖1）均來自四川盆地東緣焦石壩地區(qū)的JY1井。實驗用牙形刺（圖1A），幾丁石（圖1B，C）和疑源類（圖1D）化石產(chǎn)自深度2367.4 m的龍馬溪組灰黑色泥巖樣品，標本號：64-93-433；實驗用蟲顎（圖1E）化石產(chǎn)自深度2368.94 m的龍馬溪組灰黑色泥巖樣品，標本號：H20121750。上述樣品層位大致相當于Coronograptus cyphus筆石帶。

用聚焦離子束掃描電鏡觀察微體化石，樣品準備工作和SEM類似，樣品采用Paris（1981）提出的標準微體化石處理分析方法。每塊樣品的質(zhì)量為10 g。具體處理流程為：將去除表面污染的樣品破碎到0.5 cm左右，而后，用10%的HCl和40%的HF浸泡處理去除碳酸鈣和硅酸鹽礦物，多次清水洗滌至中性后，用12.5%的鹽酸加熱處理4～5次，再多次清水洗滌至中性（Tang et al.,2007）。而后，用粒徑為53 μm的篩子過篩，收集粒徑大于53 μm的殘留物。將殘留物移至玻璃皿中，用特制的毛細吸管在體視顯微鏡下將幾丁石等微體化石與雜質(zhì)分開，提取的化石排置于掃描電鏡用銅樁上，鍍金后進行聚焦離子束掃描電鏡下的觀察和照相。

用聚焦離子束掃描電鏡進行化石研究工作的流程一般是：首先將樣品放入聚焦離子束微加工系統(tǒng)的樣品室內(nèi)，待抽真空后，首先用SEM進行觀察。將電鏡工作距離調(diào)至4 mm，再通過SEM成像，找到單個微體化石樣品。選定適當?shù)那忻嫖恢煤?，將樣品臺旋轉(zhuǎn)52°，使離子束與樣品所固定平面垂直，然后使用適當能量的鎵離子束對樣品選定位置進行切割。微體化石樣品經(jīng)離子束切割后，切面是平行于離子束方向的，此時可以通過SEM從側(cè)上方直接進行觀察。

微體化石樣品的處理和挑選在南京地質(zhì)與古生物研究所完成；利用聚焦離子束掃描電鏡對微體化石的觀察和照相在南京大學物理學院介電超晶格國家重點實驗室Strata FIB 201聚焦離子束微加工系統(tǒng)內(nèi)完成。該儀器采用離子源是鎵液體源（1 500 h），加速電壓: 5～30 KV，離子束流強度: 1～11 500 pA，離子束成像分辨率: 7 nm (1 pA 30 kv)，樣品臺尺寸：50 mm×50 mm。上述化石樣品均保存在南京大學地球科學與工程學院古生物實驗室。

2　研究結(jié)果

圖2及圖3為微體化石在雙束電鏡下經(jīng)FIB切割形成的SEM圖像，顯示了化石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。藍色方框顯示圖片放大位置（下同）。

(A)牙形刺Paltodus unicostatus ( Branson and Mehl.); (B)幾丁石Conochitina edjelensis (Taugourdeau); (C)幾丁石Eisenachitina inanulifera; (D)疑源類Leiosphaeridia sp.; (E)蟲顎化石Kozlowskiprion sp.(A) Specimen of conodont Paltodus unicostatus ( Branson and Mehl.); (B) Specimen of chitinozoan Conochitina edjelensis (Taugourdeau); (C) Specimen of chitinozoan Eisenachitina inanulifera；(D) Specimen of acritarch Leiosphaeridia sp.；(E) Specimen of scolecodont Kozlowskiprion sp.

2.1牙形刺

牙形刺（conodonts）是一類已經(jīng)滅絕的牙形動物的骨骼，存在于寒武紀到三疊紀的海相地層中（Briggs et al.,1983），其主要化學成分是磷酸鈣。牙形刺是解決井下碳酸鹽地層的劃分和對比的一種極好的手段（郝詒純和茅紹智，1993）。

FIB-SEM通過離子束的連續(xù)切割和電子束的成像，展示了該牙形刺化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖2）。圖2B顯示牙形刺化石切割面厚度約為8～16 μm，切面及固著的銅片上有平行于聚焦離子束的縱紋，為聚焦離子束切割產(chǎn)生。位于前緣脊上的切割面顯示為較致密層結(jié)構(gòu)（圖2C），下方亮色邊緣為聚焦離子束激起的金粉重新沉淀造成。切面上發(fā)育有大量納米級孔隙（圖2D），這些孔隙以兩端開口的圓筒孔及橢球體孔為主，多呈開放至半開放形態(tài)；位于化石不同部位的孔開放程度和粒徑較均一；50～100 nm的孔占較大百分比的孔隙總體積；200～350 nm的孔則提供了主要的孔隙體積。

2.2幾丁石化石

幾丁石（chitinozoans)是早古生代海洋沉積中的一類具有有機質(zhì)殼壁的海洋微體化石。這類微體化石雖然在地層識別中被廣泛運用了幾十年，但是其親緣關系仍然未定。有學者認為它們可能和某種未知的后生動物的卵相關(Paris and N?lvak，1999）。Jacobs等（2007）對孤立的幾丁石的殼壁化學結(jié)構(gòu)進行了研究，顯示幾丁石壁化學成分主要是一種由富氮、氧化合物，低脂類的芳族基團所組成的干酪根，未發(fā)現(xiàn)與幾丁質(zhì)相關的物質(zhì)。幾丁石是劃分、對比奧陶系—泥盆系的一類重要的標準化石。

位于幾丁石口孔附近的切面顯示，幾丁石壁較為致密，僅在切面接近下表面邊緣的位置存在一寬約35 μm，延伸約半個樣品寬度，近乎平行于樣品邊緣的孔隙。該孔隙局部放大之后，可見其內(nèi)部有一定縱深（圖3A，A1），且上下邊界之外分布有一些小于100 nm的小孔。沿幾丁石中央腔表面裂縫切割后的幾丁石壁可觀察到壁厚約2 μm（圖3B），圖3B1顯示該幾丁石壁具有雙層結(jié)構(gòu)，外層表現(xiàn)為灰度值相對高的亮色的結(jié)構(gòu)，內(nèi)層表現(xiàn)為灰度值相對低暗色結(jié)構(gòu)。外層組成亮色結(jié)構(gòu)的物質(zhì)密度相對較大為較致密層結(jié)構(gòu)（插圖3B1中虛線以上a顏色較淺處），內(nèi)層暗色物質(zhì)的密度相對較低，比較疏松（插圖3B1中虛線以下b顏色較深處）。這一差異顯示，組成幾丁石殼壁的物質(zhì)，可能具有化學成分和堆積緊密程度的差異。在內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)的相接處可見沿界線分布的一串納米級孔隙（圖3B 中C）。

圖2　JY1井龍馬溪組牙形刺Fig.2 Conodontfrom the Lungmachi Formation,JY-1 well

2.3疑源類化石

疑源類（acritarchs）是一類起源未知的或不確定的異源或多源的有機壁微體化石集合體（Evitt,1963）。

挑選的疑源類化石經(jīng)過FIB-SEM離子束的連續(xù)切割，在SEM下觀察到壁厚約1～4 μm，膜殼壁的切面為結(jié)構(gòu)較為均一的單層粗纖維壁，纖維無規(guī)則排列，相互連通形成均勻的層，內(nèi)發(fā)育大量亞微米—納米級孔隙，這些孔隙大小約在0.2～0.5 μm之間，以亞球體孔為主，多呈開放至半開放形態(tài)，彼此相互連通直到膜殼表面（圖3C，C1）。

2.4蟲顎化石

蟲顎（scolecodonts），又名蟲牙，是一種微體化石，是環(huán)節(jié)動物門中海生多毛綱口中成對的角質(zhì)顎器，是用來咀嚼食物的器官（高聯(lián)達，1989）。探針分析表明，其薄外壁層則為高碳，低鈣，并含有硫（Colbath and Larson，1980）。

FIB-SEM離子束對該蟲顎化石的連續(xù)切割面位于尖齒根部，橫穿髓腔。髓腔內(nèi)有疏松礦物充填（插圖3D，D1）。在SEM下觀察到齒部壁厚約1～2 μm，齒部隱約可見雙層結(jié)構(gòu)，外層表現(xiàn)為灰度值相對高的亮色的結(jié)構(gòu)，內(nèi)層表現(xiàn)為灰度值相對低暗色結(jié)構(gòu)。內(nèi)部未見微孔隙發(fā)育。

圖3　JYI井龍馬溪組微體化石Fig.3 Microfossils from Lungmachi Formation,JY-1 well

3　結(jié)論

（1）運用聚焦離子束掃描電鏡對上揚子區(qū)龍馬溪組頁巖內(nèi)的微體化石進行了外壁（膜）結(jié)構(gòu)和微孔隙的研究，除了在納米級分辨率下直觀的展示了各化石的壁結(jié)構(gòu)，本研究還顯示，牙形刺、幾丁石、疑源類均發(fā)育有微孔隙結(jié)構(gòu)，大量的亞微米—納米級孔隙呈開放至半開放形態(tài)存在，彼此相互連通直到化石表面。蟲顎化石齒部未見孔隙結(jié)構(gòu)。

（2）上揚子龍馬溪組頁巖微體化石內(nèi)存在大量的亞微米—納米孔隙。但不同的微體化石納米孔隙發(fā)育程度仍存在一定差異，這為有機質(zhì)孔隙分布的非均質(zhì)性成因研究提供了重要依據(jù)。

致謝：感謝南京大學物理學院介電超晶格國家重點實驗室王前進工程師在聚焦離子束掃描電鏡實驗中給予的巨大幫助。

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AStudyintothe Microscopic Pore Structureof Microfossils with Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy(FIB-SEM)

XU Chang1,WANG Wenhui1,2*,YAO Suping1
1.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China; 2.Key Laboratory of Economic Stratigraphy and Palaeogeography,Nanjing Institute of Geology and Palaeontology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China

Abstract:Focused ion beam scanning electron microscopy(FIB-SEM) is a dual beam system which combines focused ion beam (FIB) and scanning electron microscopy (SEM) to cut samples and display real-time images at nanometer scale.This study observed several kinds of microfossils from the Lungmachi Formation (Llandovery,Silurian) with FIB-SEM.The results reveal that submicron-nano pores,which provide valid space for shale gas reservoirs,are well-developed in conodonts,chitinozoans and acritarchs.Disparities of micro-pores in different fossil groups shown in this study will help to explain the cause of organic pore heterogeneity in shales.

Keywords:Focusedionbeamscanningelectronmicroscopy;Llandovery,the Lungmachi Formation;microfossils;Nanometer-Scale Pores

Corresponding author:WANG Wenhui,research-assistant; E-mail: wwhever@126.com

*通訊作者：王文卉，女，1986年生，助理研究員，主要從事生物地層學方向的研究；E-mail: wwhever@126.com

作者簡介：胥暢，男，1992年生，碩士研究生，研究方向：油氣地球化學；E-mail: 383563064@qq.com

基金項目：江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013115）；國家自然科學基金（41402010；41372017；41372127）；江蘇省青年基金項目（BK20140602）聯(lián)合資助

收稿日期：2015-11-30；修回日期：2016-01-13

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015230

中圖分類號：Q915.4

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7493（2016）01-0207-06