基于電子背散射衍射技術(shù)的纖維狀方解石脈體晶體分析

趙蘭全，李志鵬，鄒開真，馬曉楠，劉振陽，尹 鶴，雷利慶，禹寶軍，馬存飛

1.中國石化 勝利油田 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257100；2.中國石油 青海油田 勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736200；3.中國石油 大港油田 采油五廠，天津 300000；4.中國石油 新疆油田 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；5.布魯克(北京)科技有限公司，上海 201100；6.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580

方解石脈體在沉積盆地富有機質(zhì)泥頁巖中廣泛發(fā)育，針對方解石脈體的研究涵蓋了巖石學(xué)特征表征、裂縫成因和脈體成因等方面[1-11]。對于脈體成因機制，通常認為脈體是方解石晶體充填裂縫形成的[9-13]，其理論基礎(chǔ)是依據(jù)有效應(yīng)力和摩爾—庫倫準則的斷裂力學(xué)，但并未考慮方解石的晶體信息和結(jié)晶作用。然而，近年來由方解石重結(jié)晶作用控制脈體形成的觀點屢被提及[1-2]，其中礦物的結(jié)晶動力是改變巖石局部應(yīng)力狀態(tài)的重要因素[3,14]，這可能代表了一種新的成脈機制，且與方解石晶體生長密切相關(guān)，有待深入研究。隨著巖礦分析測試技術(shù)的發(fā)展，巖石薄片、場發(fā)射掃描電鏡和電子背散射衍射(EBSD)等多種巖礦分析測試技術(shù)被綜合應(yīng)用于方解石脈體研究中，其中巖心—薄片—場發(fā)射掃描電鏡實現(xiàn)了對方解石脈體的多尺度表征[15-17]，特別是觀察精度進入了礦物晶體的納米尺度，而電子背散射衍射技術(shù)正越來越多地應(yīng)用在方解石脈體的物相鑒定、晶體取向和微觀應(yīng)力—應(yīng)變信息研究中[18-20]，這為研究裂縫和方解石脈體的耦合成因機制提供了切入點和有力手段[21-23]。電子背散射衍射技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是材料方向[24]，其典型的應(yīng)用包括晶粒尺寸、宏觀織構(gòu)、微區(qū)織構(gòu)、再結(jié)晶、應(yīng)變分析、晶界表征、CSL晶界、相鑒定、相分布、相變過程和失效分析[25-27]。在地球科學(xué)領(lǐng)域，電子背散射衍射技術(shù)迅速得到發(fā)展，主要包括礦物的物相鑒定、晶體的晶體學(xué)取向與生長方向分析、雙晶律和組構(gòu)分析等[28-29]。目前，電子背散射衍射技術(shù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，研究巖石礦物的微觀構(gòu)造特征，揭示其變形機制[30-34]。

1 方解石脈體特征與樣品制備

方解石脈體采集于四川省宜賓市長寧縣雙河鎮(zhèn)龍馬溪組厚層富有機質(zhì)頁巖中，呈薄夾層狀順層分布，接觸平整，最厚約5 cm，且橫向延伸穩(wěn)定(圖1a)。方解石脈體整體呈白色，內(nèi)部發(fā)育平行延伸的黑色泥質(zhì)條紋，條紋之間為砂晶方解石(圖1b)。用地質(zhì)錘將頁巖樣品中的方解石脈體取下來后，挑選縱剖面樣品進行電子背散射衍射測試。首先，用400目、800目、1 500目、2 000目和2 500目的砂紙依次進行機械打磨，初步實現(xiàn)方解石脈體的表面平整；然后用Leica EM TXP儀器進行機械拋光，進一步實現(xiàn)方解石脈體表面平整和整潔；繼而用Leica EM TIC3X設(shè)備進行氬離子拋光，去除方解石脈體表面的應(yīng)變層；最后在氬離子拋光后的方解石脈體表面鍍一層10 nm厚的碳膜，并采用掃描電鏡背散射探頭進行觀察檢驗，避免荷電效應(yīng)(圖1c)。

圖1 方解石脈體的多尺度特征

2 電子背散射衍射原理與測試

電子背散射探頭是安裝在掃描電鏡上的重要附件，而電子背散射衍射技術(shù)是基于對掃描電鏡中電子束在傾斜樣品表面激發(fā)并形成的衍射菊池帶的分析從而確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)信息的方法。其原理是當電子束轟擊70°傾斜的樣品表面，一部分電子發(fā)生背散射，背散射電子穿越晶體中周期性排列的晶面，滿足布拉格衍射條件時發(fā)生衍射，并在空間產(chǎn)生一對衍射圓錐面(圖2)；衍射圓錐被磷屏截取，就得到了一對衍射帶，叫做菊池帶。由于晶體中有很多晶面，在磷屏上可以產(chǎn)生一系列的菊池帶。電子背散射衍射分析是基于網(wǎng)格連續(xù)掃描的，每一個網(wǎng)格內(nèi)電子信號被磷屏轉(zhuǎn)換為光信號，并被高靈敏度CCD相機采集，經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換傳輸至計算機軟件中進行菊池花樣標定和計算，最終輸出物相和取向結(jié)果(圖3)。電子背散射衍射探頭掃描完一個網(wǎng)格后保存數(shù)據(jù)，自動地移動到另一個網(wǎng)格，重復(fù)上述步驟，直到采集完所有網(wǎng)格數(shù)據(jù)，從而獲得整個樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息[35]。

圖2 電子背散射衍射測試示意

按照圖2和圖3的測試及數(shù)據(jù)采集流程，分別對方解石脈體的縱剖面進行掃描測試。測試是在環(huán)境掃描電鏡(Quattro S)上配置的電子背散射衍射儀(Quantax EBSD 400i)上進行的，其工作條件為加速電壓20 kV，束流6 nA，樣品傾斜角70°，工作距離25 mm?；淤|(zhì)量圖能夠表征菊池花樣的質(zhì)量，亮度越高，花樣質(zhì)量越好(圖4a)，同時平行于方解石紋層方向(IPFX)、垂直于方解石紋層方向(IPFY)、垂直于樣品面方向(IPFZ)上的晶體取向反極圖展示出方解石和石英晶粒內(nèi)部各晶面的取向一致或有規(guī)律變化，均反映出方解石脈體的樣品制備情況良好(圖4b-d)。

圖3 電子背散射衍射數(shù)據(jù)自動采集過程

3 方解石脈體測試結(jié)果及討論

3.1 方解石脈體礦物學(xué)特征

3.1.1 礦物組成與分布

采用掃描電鏡上與電子背散射探頭聯(lián)用的能譜探頭(EDS)，能夠快速地掃描方解石脈體的縱剖面而獲得相圖。相圖中方解石達到84.8%，石英為0.8%，而不具有晶體結(jié)構(gòu)的物相占14.4%。石英和不具有晶體結(jié)構(gòu)的物相如暗色有機質(zhì)、泥質(zhì)等是在方解石脈體生長過程中被捕獲的，主要位于紋層界面處和晶粒邊界處。方解石脈體縱剖面相圖清晰地顯示了方解石晶體順紋層分布特征(圖5)。

3.1.2 方解石晶粒分布

晶粒分布圖能夠用于描述分析區(qū)域內(nèi)晶粒的形狀、尺寸、晶界等信息，包括晶粒個數(shù)、平均晶粒尺寸、每一物相的平均晶粒尺寸、晶粒長軸與短軸比值的分布狀況、晶粒長軸方向的集中程度等。在縱剖面上測量的晶體大小顯示方解石晶粒平均大小為372 μm，屬于砂晶(圖6)。

圖6 方解石脈體的晶粒大小統(tǒng)計

3.1.3 方解石晶體取向

(1)晶體取向差

電子背散射衍射數(shù)據(jù)采集與處理中的歐拉圖解決了任一晶體在晶體坐標系和樣品坐標系中的轉(zhuǎn)換問題，確定了晶體的取向，因而通過統(tǒng)計可以進一步確定任意兩點間的取向差，最終獲得所有晶體的取向差分布。圖7顯示方解石脈體在縱剖面上晶體取向差分布在0°～100°，表現(xiàn)為多峰型，其中最優(yōu)勢的晶體取向差為75°，這說明方解石脈體在縱剖面上整體具有一定的擇優(yōu)生長方向，但優(yōu)勢不明顯。

圖7 方解石脈體縱剖面上的晶體取向差分布

(2)晶體極圖

把放置在投影球心的多晶樣品中每一個晶粒的某一晶面法線與投影球面的交點，都投影在標明了樣品宏觀方向的赤道平面上之后，把極點密度相同的點連線，形成等極密度線，這便形成了可表示出織構(gòu)強弱和漫散程度的極圖。極圖可以反映樣品中的擇優(yōu)取向，一般采用低指數(shù)晶面的極圖表示。

圖8 方解石脈體縱剖面上的晶體極圖

3.2 方解石晶粒內(nèi)部結(jié)晶學(xué)特征

3.2.1 晶格常數(shù)

方解石脈體的衍射花樣被標定后(圖9a)，能夠反映最佳匹配的方解石晶體信息。匹配后的晶體信息顯示方解石脈體中的方解石晶體屬于三方晶系或菱方晶系，相應(yīng)的晶胞類型為三方晶胞或菱方晶胞(圖9b)。由于三方格子或菱方格子坐標系較六方坐標系計算量大，通常采用六方坐標系來描述三方晶胞或菱方晶胞，因此方解石晶體的晶格常數(shù)為a0=b0=4.99 ?，c0=17.061 ?，α=β=90°，γ=120°，而物理參數(shù)中質(zhì)量為600.523 u，體積為367.905 ?3，密度為2.71 g/cm3。

圖9 方解石晶粒內(nèi)部電子背散射衍射花樣標定及晶胞提取

3.2.2 雙晶

方解石脈體中方解石晶粒內(nèi)部往往發(fā)育聚片雙晶，雙晶條紋細密、平直、連續(xù)性好且有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)，這在電子背散射衍射中響應(yīng)明顯，表現(xiàn)為相鄰的雙晶條紋具有不同的晶體取向，而相間的雙晶條紋具有相同的晶體取向，并且同一條紋內(nèi)部的晶體也具有相同的晶體取向(圖10a)。在垂直于雙晶條紋的測線AA’上，方解石晶粒內(nèi)部存在兩組相間重復(fù)出現(xiàn)的雙晶條紋(圖10b)，其中一組雙晶條紋的晶體取向為2°，而另一組為77°(圖10c)。兩組雙晶條紋的晶體取向差為75°，與方解石脈體縱剖面上最優(yōu)勢的晶體取向差相同(圖7)，由此說明方解石脈體在縱剖面上的擇優(yōu)取向是方解石晶粒內(nèi)部的雙晶造成的，而方解石晶粒不具有擇優(yōu)取向。

圖10 方解石晶粒內(nèi)部雙晶及其晶體取向

3.2.3 解理

方解石脈體中方解石晶粒內(nèi)部還發(fā)育成組出現(xiàn)的解理，解理平直，連續(xù)性較好(圖11a)。方解石解理切割雙晶條紋而呈銳夾角斜交(<45°)，并造成雙晶條紋發(fā)生微小的錯動和微弱的牽引變形(圖11a)，反映出方解石晶體在結(jié)晶過程中受到了剪切應(yīng)力作用[36]。由于方解石發(fā)育三組完全解理[37]，在縱剖面上多表現(xiàn)為兩組菱形解理共軛出現(xiàn)(圖4，圖5)，而方解石的雙晶條紋平行于菱形解理的銳夾角平分線。根據(jù)最大主應(yīng)力平行于共軛解理的銳夾角平分線[38]，方解石晶體受到的最大主應(yīng)力方向應(yīng)當是平行于雙晶條紋，而不是垂直方向的。究其原因，除了上覆巖層壓力外，方解石晶體在結(jié)晶過程中還受到了額外的水平方向構(gòu)造擠壓應(yīng)力(圖11b)，這與四川盆地龍馬溪組頁巖經(jīng)歷了多期強烈構(gòu)造擠壓運動吻合[39-40]。因此，方解石脈體中方解石晶粒內(nèi)部的解理和雙晶形成與方解石晶體結(jié)晶過程中受到的構(gòu)造壓扭作用密切相關(guān)(圖11b)。

圖11 方解石晶粒內(nèi)部解理微觀特征及其力學(xué)成因示意

4 結(jié)論與展望

基于電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)獲得的方解石脈體的花樣質(zhì)量圖、相圖、晶粒分布圖、晶體取向差和晶體極圖，能很好地表征方解石脈體的礦物學(xué)和結(jié)晶學(xué)特征。方解石脈體中的礦物主要為方解石，其次為石英，而方解石晶粒的平均大小為372 μm。方解石脈體中的方解石晶體屬于三方晶系或菱方晶系，相應(yīng)的晶胞類型為三方晶胞或菱方晶胞。方解石晶粒內(nèi)部發(fā)育聚片雙晶，相鄰的雙晶條紋具有不同的晶體取向，而相間的雙晶條紋具有相同的晶體取向，且雙晶條紋的晶體取向差為75°，是方解石脈體在縱剖面上具有一定擇優(yōu)取向的原因。方解石晶粒內(nèi)部發(fā)育完全解理，與雙晶條紋呈銳夾角出現(xiàn)，是在方解石結(jié)晶過程中受到構(gòu)造壓扭作用產(chǎn)生的，其中最大主應(yīng)力方向與雙晶條紋平行。

電子背散射衍射技術(shù)能夠獲得礦物晶體的晶格參數(shù)和應(yīng)力—應(yīng)變情況，這為揭示裂縫和礦物晶體的耦合作用機制提供了切入點，并為開展構(gòu)造成巖作用交叉研究提供了有力手段。通過對頁巖儲層中的礦物晶體進行電子背散射衍射測試，直接獲得其記錄的構(gòu)造應(yīng)力類型及方向，對恢復(fù)頁巖儲層的構(gòu)造演化和后期壓裂設(shè)計有重要的應(yīng)用價值。因此，電子背散射衍射技術(shù)將對儲層巖石的研究深入到了微觀晶格尺度，連接了構(gòu)造作用和成巖作用理論研究，并能夠反映儲層巖石的宏觀信息，該技術(shù)將在油氣儲層地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。