郭 嘉

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250013）

我國(guó)的工業(yè)發(fā)展對(duì)礦石有極大的需求，因此合理并及時(shí)地大范圍開(kāi)采礦物資源是滿足人們生產(chǎn)和生活的前提。礦物在地下基本都是以混合物的形式存在，因此在尋找礦脈的過(guò)程中，最關(guān)鍵的一步就是對(duì)礦物質(zhì)的鑒定。掃描電鏡圖像分析儀具備極高的分辨率，可以更好地觀察礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)將一定能量的電子束轟擊在礦物表面，達(dá)到彈性碰撞的效果，使徘徊在空氣中的多余電子被礦物質(zhì)吸收，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的效果判斷礦物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鑒定的效果。

1 掃描電鏡圖像分析技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

掃描電鏡圖像分析技術(shù)的主要硬件結(jié)構(gòu)是掃描電鏡，再加上電子光學(xué)系統(tǒng)以及信號(hào)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，共同實(shí)現(xiàn)電子束能量結(jié)構(gòu)的提取與分析。

在電子光學(xué)系統(tǒng)中，可以通過(guò)高能電子束流在半導(dǎo)體物質(zhì)之間的作用力，提取礦物樣本的具體信息。選擇熔點(diǎn)較高的鎢絲燈絲作為原材料，通過(guò)高壓電流，可以激發(fā)出鎢絲中的電子[1，2]。電子在進(jìn)入束流磁場(chǎng)后，就會(huì)形成一條緊密結(jié)合的光帶，并被直接導(dǎo)向礦物樣本表面。而當(dāng)電子束被投射在礦物樣本表面時(shí)，會(huì)通過(guò)擊打位置、擊打力度等的不同，得到不同類型的電子，如圖1所示。

圖1 掃描電鏡與礦物樣本作用示意圖

如圖1所示，電子擊打在礦石樣本在表面后，除吸收與透射的部分，還有一部分變?yōu)榱巳舾深愋偷碾娮恿鳎@些電子流分別具備不同的性質(zhì)，如表1所示。

表1 電子信號(hào)分析

在掃描電鏡圖像分析儀中，除電子光學(xué)系統(tǒng)外，還存在信號(hào)提取及成像系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的硬件部分與電鏡相結(jié)合，一般具備高分辨率的優(yōu)勢(shì)，比現(xiàn)有的其他礦石鑒定方法放大倍數(shù)更高。且在掃描電鏡圖像分析儀中，有一種ZEISS的ULTRA55型號(hào)的電鏡可以將可以將分辨率下降到0.5mm左右，并將透射樣本降低至0.02nm。而且，由于掃描電鏡圖像分析儀使用的顯微鏡是光學(xué)顯微鏡，還具備大視野的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)瑞利公式可以計(jì)算光學(xué)顯微鏡的分辨率[3]：

式中，λg表示光學(xué)顯微鏡的分辨率；αn表示電子束的波長(zhǎng)；ki表示太陽(yáng)光在光學(xué)顯微鏡中的折射率；βu表示孔徑角的入射角度。這樣的掃描電鏡在同等條件下具備更高的優(yōu)勢(shì)，可以在放大倍數(shù)相同時(shí)，擁有更大的景深，因此使用掃描電鏡圖像分析儀得到的圖像都具備三維立體結(jié)構(gòu)。除此以外，掃描電鏡圖像分析儀還具備非常高的分辨率，一般礦物鑒定裝置只擁有10nm級(jí)以上的分辨率，但是該電鏡可以直接將分辨率降低至1nm級(jí)，與普通的礦物鑒定擁有10倍以上的差距。

此外，掃描電鏡圖像分析儀還能夠在計(jì)算機(jī)設(shè)備中隨意拉伸礦石樣本，對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及傾斜操作，并在掃描電鏡中安裝相應(yīng)的附件，使攝像頭能夠多角度地觀察礦石樣本，便于研究人員在礦石加熱或其他操作中對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。

2 掃描電鏡圖像分析儀在礦物鑒定中的應(yīng)用方法

將掃描電鏡圖像分析儀應(yīng)用于礦物鑒定中，需要掃描電鏡型號(hào)參數(shù)如表2所示。

表2 掃描電鏡參數(shù)

在工作場(chǎng)地中需要首先判斷礦石中的大致元素類別，若使用高真空環(huán)境，需要導(dǎo)電性能較強(qiáng)的礦物濺射儀。若使用低真空環(huán)境，則鑒定過(guò)程中對(duì)導(dǎo)電性能的需求不強(qiáng)。若使用環(huán)境真空，則在整個(gè)鑒定過(guò)程中無(wú)需特殊的導(dǎo)電環(huán)境。在廣袤的沉積巖中，黏土粘土礦物是最主要的礦物種類，其對(duì)油氣物質(zhì)的分離與提取起到了重要的作用，可以在一定程度上影響油氣物質(zhì)的開(kāi)采。

不同的地質(zhì)層中，粘土礦物含量不一，粘土礦物中各個(gè)元素的組成含量也不相同。而掃描電鏡圖像分析儀最大的優(yōu)點(diǎn)，就是能夠清晰地觀察到粘土礦物中片狀、絮狀、蜂窩狀、絲縷狀、葉片狀等不同類型的元素集合體，這些元素集合體分別具備不同的性質(zhì)。如：呈片狀分布的大多是高嶺石，呈絮狀分布的大多是蒙脫石，呈蜂窩狀和絲縷狀分布的大多是伊利石，呈真葉片狀分布的則是綠泥石。這些不同形態(tài)的礦石不但具有不同的形態(tài)，其性質(zhì)也有很大的差異[4]。在掃描電鏡圖像分析儀的觀察中，在富含鉀元素的堿性土壤中一般沒(méi)有伊利石，而含有大量鈉元素和鈣元素的堿性土壤中蒙脫石十分常見(jiàn)，在酸性條件中富含高嶺石。而且這些礦石還可以在一定的條件下相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)埋藏深度超過(guò)500m，且pH值小于4，并在土壤礦石中尋找到鉀離子以后，原本的高嶺石就會(huì)直接轉(zhuǎn)變成伊利石。

不同的礦物質(zhì)具備的形貌特點(diǎn)有很大的不同，因此在掃描電鏡下得到該礦石中眾多礦物質(zhì)的形貌特點(diǎn)，就可以推斷出礦石的大致成分，并進(jìn)而得到礦石的形成及發(fā)現(xiàn)地層、成巖作用的主要場(chǎng)地、成巖過(guò)程中的次生變化、地貌特征的發(fā)展史等。

而且近些年來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中對(duì)天然氣的需求日益增加，通過(guò)掃描電鏡圖像分析儀可以得到礦石結(jié)構(gòu)中的油頁(yè)巖以及納米孔隙圖像，進(jìn)而判斷出密砂巖中的孔隙分布類型，并提供了對(duì)能源儲(chǔ)層中的物性特征及評(píng)價(jià)指標(biāo)。在黏土礦物中，有很多頁(yè)巖結(jié)構(gòu)，而孔隙發(fā)達(dá)的頁(yè)巖是頁(yè)巖氣重要的儲(chǔ)存場(chǎng)所。很多納米、微米級(jí)別的頁(yè)巖空隙可以吸收空氣中的碳元素，并形成頁(yè)巖氣作為一種新型能源。但是這些空隙大多十分細(xì)小，通過(guò)肉眼很難分辨出具備頁(yè)巖氣的頁(yè)巖。而通過(guò)掃描電鏡圖像分析儀，可以直接分辨出富含頁(yè)巖氣的礦石，并將所有的空氣全部展示出來(lái)，直接提供了一條轉(zhuǎn)移頁(yè)巖氣的空隙通道。

將掃描電鏡圖像分析儀應(yīng)用于硫化礦中，可以通過(guò)背散射電子信號(hào)觀察鉻鐵巖等具備共生現(xiàn)象的硫化物。其中含有自行硅酸鹽、半自形硅酸鹽、硫餓礦等多種成分。這是因?yàn)閽呙桦婄R圖像分析儀可以立體、有深度地觀察到礦物的形態(tài)特征，不僅能夠大致區(qū)分出各種礦物結(jié)構(gòu)的分區(qū)，還能夠在不破壞巖石結(jié)構(gòu)的前提下設(shè)計(jì)出一個(gè)立體的礦石模型，將所有包含的元素全部囊括在內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

掃描電鏡圖像分析儀是一種通過(guò)將電子光束轟擊在礦石樣本表面，進(jìn)而分析其電子散射成分的技術(shù)。具備著成熟的電子信息提取、圖像分割、拉伸以及分析能力。在礦物鑒定方面已經(jīng)具備十分完整的操作體系，不僅可以在實(shí)驗(yàn)中得到礦石材料的分子組成、原子構(gòu)成，還可以判斷出礦石中元素的百分比，以及各元素的大致范圍。以上是有關(guān)于掃描電鏡圖像分析儀在礦石鑒定中的應(yīng)用方法，在接下來(lái)的研究中，還可以將其與其他礦石鑒定儀器結(jié)合，形成一種更具優(yōu)勢(shì)的鑒定方法。