黃土微結構的能譜分析

黃土微結構的能譜分析

黃土是第四紀沉積物形成的以顆粒為主的黃色沉積物。我國黃土分布面積為6.4×105km2，主要分布在黃河中流域的黃土高原。有關黃土的研究資料很多，從工程地質、水文地質乃至濕陷問題等角度研究黃土微結構的報道一直備受關注。從20世紀的60年代開始，陸續(xù)開始出現有關利用偏光顯微鏡研究黃土微結構的報道。劉東生最早在國內利用掃描電子顯微鏡(以下簡稱掃描電鏡)研究黃土中的石英顆粒形態(tài)表面結構及表面附著物，發(fā)現黃土中的石英顆粒特征類似于阿拉善沙漠中現代風砂的石英顆粒。高國瑞通過研究黃土微結構中顆粒排列特征，提出了架空孔隙的存在是黃土產生濕陷的原因的假說。王永焱等借助于掃描電鏡對黃土高原和新疆不同時代的黃土微結構做了觀察研究，根據骨架顆粒的接觸關系、孔隙、膠結程度將黃土的微結構劃分為3個結構組合，6個結構類型。這些研究奠定了我國黃土微結構研究的基礎。隨著現代科學技術的發(fā)展，尤其是在電子領域和計算機領域，理論研究與實際應用得到緊密銜接，產生了一系列實用的、新型的電子顯微鏡。而這些新型電子顯微鏡已在材料、生物醫(yī)學等領域得以普及應用，但是在土壤學領域相關報道較少。本試驗對僅就掃描電鏡及能譜分析技術的工作原理以及在黃土微結構研究中的應用進行了研究。1掃描電鏡和能譜分析技術掃描電鏡的工作原理與電視相似，由電子槍發(fā)射的電子經電子光學系統(tǒng)(由聚光鏡和物鏡組成)聚集成束照射到樣品表面，按順序對樣品表面逐行掃描，從樣品表面發(fā)射出的二次電子通過檢出器收集起來，再經視頻放大形成圖像信號，經顯像管顯示。整個過程為同步掃描，其結果在顯示器上形成樣品的表面圖像。相對于光學顯微鏡和其他電鏡而言，掃描電鏡具有很多優(yōu)點：可直接觀察樣品表面的三維立體結構，放大倍數可從10倍到數萬倍，圖像便于存儲等。此外掃描電鏡和能譜分析儀結合起來，可實現對樣品形態(tài)觀察的同時進行化學元素測定分析。X射線能量色散譜分析(X-rayenergydispersivemicroanalysis，簡稱EDX或EDS是近30年來發(fā)展起來的一門元素測試技術,能對樣品實現定性、定量分析。目前有關掃描電鏡和能譜分析技術在材料研究領域應用較多,在土壤學研究領域報道較少。EDX能譜分析系統(tǒng)概圖如圖1所示。2樣品生產和處理技術本研究以位于黃土高原西部的甘肅省永靖縣黑方臺自然黃土為試材。用100CC的環(huán)刀采集非擾動土以備實驗觀察用。2.1固定樹脂、固化樹脂取一原狀土樣，小心切成長、寬、高各約為2cm的土柱，風干。把土柱放入加有聚酯樹脂(加固化劑5%)的培養(yǎng)皿中，待樣品完全為樹脂飽和后，在60℃條件下加熱24h使之固定。用小型切斷機切取長、寬各1cm，高0.5cm的樣品，并對樣品的觀察面研磨，蒸餾水清洗后用濾紙去除表面殘留水分。2.2樣品粘合生物醫(yī)學實驗多用特制導電膠或雙面膠將樣品粘貼在金屬載物臺上(Cu)?？紤]到成本和操作上的技術問題，本研究使用雙面膠帶紙固定樣品。2.3金屬薄膜法觀察樣品經過干燥處理的樣品，其表面電阻率高，導電性差，樣品表面受電子束照射時形成負電荷區(qū)，對初級電子束產生排斥作用，并可能改變樣品本身的二次電子運動方向，在顯示屏上出現忽明忽暗的充放電效應。為了增強樣品的導電性能，需對觀察樣品進行導電處理，采用金屬鍍膜法。具體操作如下：將固定好的樣品放進金屬鍍膜儀中。在金屬鍍膜儀的真空玻璃罩的頂部和底部分別裝有陰極和陽極，陰極的表面覆蓋一層鍍膜所用的金屬(鉑金或黃金)，又稱金屬靶。啟動金屬鍍膜儀，使罩內真空度達到13.33～133.33Pa時，在兩極加以2000V的電壓。在電場作用下，罩內殘留氣體分子被電離為陽離子和電子，陽粒子轟擊陰極上的金屬靶，使部分金屬原子被激發(fā)出來，這些金屬原子在電場的作用下飛向陽極，呈漫散射的方式覆蓋在樣品表面，并形成均勻的金屬膜。這個過程呈現紫色放電現象。在觀察黃土團粒微結構等烘干樣品時，樣品須經上述處理。本研究所用樣品為非干燥處理樣品，可忽略這個過程。2.4微結構元素分布將經過上述處理的樣品放入掃描電鏡的觀察室，在真空條件下利用JSM-5500(SEM/EDX)對上述樣品微結構進行觀察，并通過EDX對該樣品微結構元素分布進行測定分析。3斷面組成元素同定分析圖2為高速電壓30kV條件下觀察到的自然黃土斷面掃描電子顯微鏡圖像(放大300倍)。在圖2中所示的土壤斷面中，以<50μm的土壤顆粒居多。各種形狀的土壤顆粒輪廓清晰，顆粒間孔隙為樹脂填充，部分孔隙中可見殘留細根。利用能譜分析儀的X-射線(EDX)對上述斷面進行組成元素分析，結果如圖3所示。在圖3中，C、O、Si、A都出現較大波峰，而Ca、Fe、Mg、K波峰較小。這表明圖2所示黃土微結構的化學組成元素為C、O、Si、Al、Ca、Fe、Mg、K等元素。由于此觀察材料是用樹脂固定的，所以在元素組成上C、O量非常多。根據其他不加樹脂固定的觀察結果，樣品組成元素中C、O量較少。因此可以認為Si、Al是該微結構的主要組成元素，Ca、Fe、Mg、K等相對較少。在此必須強調一點，由于掃描電子顯微鏡觀察條件和樣品大小等方面的差異，圖3所示結果僅為定性結果，不同樣品的同一觀察結果缺乏可比性。利用EDX對樣品斷面組成元素Si、Al、Ca的分布進行同定分析，其結果分別如圖版Ⅰ所示。從土壤顆粒的化學組成來看，原生礦物幾乎都是由SiO2或硅酸鹽組成，粘土礦物則主要是Si四面體或Al八面體構成的結晶態(tài)或非結晶態(tài)的硅酸鹽以及游離態(tài)的鋁硅酸鹽組成。因此，無論是原生礦物還是粘土礦物，其化學組成中最多的元素是Si、Al、O。由于土壤孔隙充填材料樹脂的影響，無法討論黃土斷面O的分布，在此以Si、Al分布表示土壤中礦物顆粒。此外，根據資料，甘肅黃土中Ca以碳酸鈣為主，硫酸鈣僅占0.28%。這樣可根據Si、Al、Ca的分布實現探討土壤中碳酸鈣分布的目的。比較圖2和圖版Ⅰ可以看出，在圖版Ⅰ-4～5所示的Si、Al部分主要是圖2中的土壤顆粒部分。而圖版Ⅰ-6所示的Ca則多分布于Si、Al以外的部分。為了更好地說明Si、Al、Ca在土壤中的分布，以三者的重復分布(圖版Ⅰ-7)為例加以討論。在圖版Ⅰ-7中，可以明顯區(qū)分為Si占絕對優(yōu)勢和Ca占絕對優(yōu)勢的兩大部分，在這二者之間夾雜著大量Si、Al重復分布。圖版Ⅰ-7中可以大致分為4部分；(1)Si或Si、Al重復分布部分—礦物顆粒；(2)Si、Al、Ca重復分布部分—礦物顆粒表面覆蓋著碳酸鈣；(3)Ca獨立分布部分—碳酸鈣;(4)無Si、Al、Ca分布的部分—孔隙。根據以上分析,可以判定在黃土礦物顆粒之間存在著大量碳酸鈣。黃土具富含碳酸鈣的特點。長期以來，有關黃土中碳酸鈣的研究幾乎都采用化學分析方法測定其含量，對其在黃土中分布形態(tài)研究報道極少。