黃土微結(jié)構(gòu)的能譜分析

黃土是第四紀(jì)沉積物形成的以顆粒為主的黃色沉積物。我國(guó)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(guān)黃土的研究資料很多，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)乃至濕陷問(wèn)題等角度研究黃土微結(jié)構(gòu)的報(bào)道一直備受關(guān)注。從20世紀(jì)的60年代開(kāi)始，陸續(xù)開(kāi)始出現(xiàn)有關(guān)利用偏光顯微鏡研究黃土微結(jié)構(gòu)的報(bào)道。劉東生最早在國(guó)內(nèi)利用掃描電子顯微鏡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)掃描電鏡)研究黃土中的石英顆粒形態(tài)表面結(jié)構(gòu)及表面附著物，發(fā)現(xiàn)黃土中的石英顆粒特征類(lèi)似于阿拉善沙漠中現(xiàn)代風(fēng)砂的石英顆粒。高國(guó)瑞通過(guò)研究黃土微結(jié)構(gòu)中顆粒排列特征，提出了架空孔隙的存在是黃土產(chǎn)生濕陷的原因的假說(shuō)。王永焱等借助于掃描電鏡對(duì)黃土高原和新疆不同時(shí)代的黃土微結(jié)構(gòu)做了觀察研究，根據(jù)骨架顆粒的接觸關(guān)系、孔隙、膠結(jié)程度將黃土的微結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)結(jié)構(gòu)組合，6個(gè)結(jié)構(gòu)類(lèi)型。這些研究奠定了我國(guó)黃土微結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是在電子領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，理論研究與實(shí)際應(yīng)用得到緊密銜接，產(chǎn)生了一系列實(shí)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(xué)等領(lǐng)域得以普及應(yīng)用，但是在土壤學(xué)領(lǐng)域相關(guān)報(bào)道較少。本試驗(yàn)對(duì)僅就掃描電鏡及能譜分析技術(shù)的工作原理以及在黃土微結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。1掃描電鏡和能譜分析技術(shù)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(jīng)電子光學(xué)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?qū)悠繁砻嬷鹦袙呙瑁瑥臉悠繁砻姘l(fā)射出的二次電子通過(guò)檢出器收集起來(lái)，再經(jīng)視頻放大形成圖像信號(hào)，經(jīng)顯像管顯示。整個(gè)過(guò)程為同步掃描，其結(jié)果在顯示器上形成樣品的表面圖像。相對(duì)于光學(xué)顯微鏡和其他電鏡而言，掃描電鏡具有很多優(yōu)點(diǎn)：可直接觀察樣品表面的三維立體結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)可從10倍到數(shù)萬(wàn)倍，圖像便于存儲(chǔ)等。此外掃描電鏡和能譜分析儀結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品形態(tài)觀察的同時(shí)進(jìn)行化學(xué)元素測(cè)定分析。X射線能量色散譜分析(X-rayenergydispersivemicroanalysis，簡(jiǎn)稱(chēng)EDX或EDS是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)元素測(cè)試技術(shù),能對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)定性、定量分析。目前有關(guān)掃描電鏡和能譜分析技術(shù)在材料研究領(lǐng)域應(yīng)用較多,在土壤學(xué)研究領(lǐng)域報(bào)道較少。EDX能譜分析系統(tǒng)概圖如圖1所示。2樣品生產(chǎn)和處理技術(shù)本研究以位于黃土高原西部的甘肅省永靖縣黑方臺(tái)自然黃土為試材。用100CC的環(huán)刀采集非擾動(dòng)土以備實(shí)驗(yàn)觀察用。2.1固定樹(shù)脂、固化樹(shù)脂取一原狀土樣，小心切成長(zhǎng)、寬、高各約為2cm的土柱，風(fēng)干。把土柱放入加有聚酯樹(shù)脂(加固化劑5%)的培養(yǎng)皿中，待樣品完全為樹(shù)脂飽和后，在60℃條件下加熱24h使之固定。用小型切斷機(jī)切取長(zhǎng)、寬各1cm，高0.5cm的樣品，并對(duì)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(xué)實(shí)驗(yàn)多用特制導(dǎo)電膠或雙面膠將樣品粘貼在金屬載物臺(tái)上(Cu)。考慮到成本和操作上的技術(shù)問(wèn)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(jīng)過(guò)干燥處理的樣品，其表面電阻率高，導(dǎo)電性差，樣品表面受電子束照射時(shí)形成負(fù)電荷區(qū)，對(duì)初級(jí)電子束產(chǎn)生排斥作用，并可能改變樣品本身的二次電子運(yùn)動(dòng)方向，在顯示屏上出現(xiàn)忽明忽暗的充放電效應(yīng)。為了增強(qiáng)樣品的導(dǎo)電性能，需對(duì)觀察樣品進(jìn)行導(dǎo)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(jìn)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(yáng)極，陰極的表面覆蓋一層鍍膜所用的金屬(鉑金或黃金)，又稱(chēng)金屬靶。啟動(dòng)金屬鍍膜儀，使罩內(nèi)真空度達(dá)到13.33～133.33Pa時(shí)，在兩極加以2000V的電壓。在電場(chǎng)作用下，罩內(nèi)殘留氣體分子被電離為陽(yáng)離子和電子，陽(yáng)粒子轟擊陰極上的金屬靶，使部分金屬原子被激發(fā)出來(lái)，這些金屬原子在電場(chǎng)的作用下飛向陽(yáng)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(gè)過(guò)程呈現(xiàn)紫色放電現(xiàn)象。在觀察黃土團(tuán)粒微結(jié)構(gòu)等烘干樣品時(shí)，樣品須經(jīng)上述處理。本研究所用樣品為非干燥處理樣品，可忽略這個(gè)過(guò)程。2.4微結(jié)構(gòu)元素分布將經(jīng)過(guò)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(duì)上述樣品微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并通過(guò)EDX對(duì)該樣品微結(jié)構(gòu)元素分布進(jìn)行測(cè)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(shù)脂填充，部分孔隙中可見(jiàn)殘留細(xì)根。利用能譜分析儀的X-射線(EDX)對(duì)上述斷面進(jìn)行組成元素分析，結(jié)果如圖3所示。在圖3中，C、O、Si、A都出現(xiàn)較大波峰，而Ca、Fe、Mg、K波峰較小。這表明圖2所示黃土微結(jié)構(gòu)的化學(xué)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(shù)脂固定的，所以在元素組成上C、O量非常多。根據(jù)其他不加樹(shù)脂固定的觀察結(jié)果，樣品組成元素中C、O量較少。因此可以認(rèn)為Si、Al是該微結(jié)構(gòu)的主要組成元素，Ca、Fe、Mg、K等相對(duì)較少。在此必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，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(jié)果僅為定性結(jié)果，不同樣品的同一觀察結(jié)果缺乏可比性。利用EDX對(duì)樣品斷面組成元素Si、Al、Ca的分布進(jìn)行同定分析，其結(jié)果分別如圖版Ⅰ所示。從土壤顆粒的化學(xué)組成來(lái)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(gòu)成的結(jié)晶態(tài)或非結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽以及游離態(tài)的鋁硅酸鹽組成。因此，無(wú)論是原生礦物還是粘土礦物，其化學(xué)組成中最多的元素是Si、Al、O。由于土壤孔隙充填材料樹(shù)脂的影響，無(wú)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(jù)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(jù)Si、Al、Ca的分布實(shí)現(xiàn)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(shuō)明Si、Al、Ca在土壤中的分布，以三者的重復(fù)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(duì)優(yōu)勢(shì)和Ca占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的兩大部分，在這二者之間夾雜著大量Si、Al重復(fù)分布。圖版Ⅰ-7中可以大致分為4部分；(1)Si或Si、Al重復(fù)分布部分—礦物顆粒；(2)Si、Al、Ca重復(fù)分布部分—礦物顆粒表面覆蓋著碳酸鈣；(3)Ca獨(dú)立分布部分—碳酸鈣;(4)無(wú)Si、Al、Ca分布的部分—孔隙。根據(jù)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(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，有關(guān)黃土中碳酸鈣的研究幾乎都采用化學(xué)分析方法測(cè)定其含量，對(duì)其在黃土中分布形態(tài)研究報(bào)道極少。