黄土微结构的能谱分析

黄土微结构的能谱分析

黄土是第四纪沉积物形成的以颗粒为主的黄色沉积物。我国黄土分布面积为6.4×105km2，主要分布在黄河中流域的黄土高原。有关黄土的研究资料很多，从工程地质、水文地质乃至湿陷问题等角度研究黄土微结构的报道一直备受关注。从20世纪的60年代开始，陆续开始出现有关利用偏光显微镜研究黄土微结构的报道。刘东生最早在国内利用扫描电子显微镜(以下简称扫描电镜)研究黄土中的石英颗粒形态表面结构及表面附着物，发现黄土中的石英颗粒特征类似于阿拉善沙漠中现代风砂的石英颗粒。高国瑞通过研究黄土微结构中颗粒排列特征，提出了架空孔隙的存在是黄土产生湿陷的原因的假说。王永焱等借助于扫描电镜对黄土高原和新疆不同时代的黄土微结构做了观察研究，根据骨架颗粒的接触关系、孔隙、胶结程度将黄土的微结构划分为3个结构组合，6个结构类型。这些研究奠定了我国黄土微结构研究的基础。随着现代科学技术的发展，尤其是在电子领域和计算机领域，理论研究与实际应用得到紧密衔接，产生了一系列实用的、新型的电子显微镜。而这些新型电子显微镜已在材料、生物医学等领域得以普及应用，但是在土壤学领域相关报道较少。本试验对仅就扫描电镜及能谱分析技术的工作原理以及在黄土微结构研究中的应用进行了研究。1扫描电镜和能谱分析技术扫描电镜的工作原理与电视相似，由电子枪发射的电子经电子光学系统(由聚光镜和物镜组成)聚集成束照射到样品表面，按顺序对样品表面逐行扫描，从样品表面发射出的二次电子通过检出器收集起来，再经视频放大形成图像信号，经显像管显示。整个过程为同步扫描，其结果在显示器上形成样品的表面图像。相对于光学显微镜和其他电镜而言，扫描电镜具有很多优点：可直接观察样品表面的三维立体结构，放大倍数可从10倍到数万倍，图像便于存储等。此外扫描电镜和能谱分析仪结合起来，可实现对样品形态观察的同时进行化学元素测定分析。X射线能量色散谱分析(X-rayenergydispersivemicroanalysis，简称EDX或EDS是近30年来发展起来的一门元素测试技术,能对样品实现定性、定量分析。目前有关扫描电镜和能谱分析技术在材料研究领域应用较多,在土壤学研究领域报道较少。EDX能谱分析系统概图如图1所示。2样品生产和处理技术本研究以位于黄土高原西部的甘肃省永靖县黑方台自然黄土为试材。用100CC的环刀采集非扰动土以备实验观察用。2.1固定树脂、固化树脂取一原状土样，小心切成长、宽、高各约为2cm的土柱，风干。把土柱放入加有聚酯树脂(加固化剂5%)的培养皿中，待样品完全为树脂饱和后，在60℃条件下加热24h使之固定。用小型切断机切取长、宽各1cm，高0.5cm的样品，并对样品的观察面研磨，蒸馏水清洗后用滤纸去除表面残留水分。2.2样品粘合生物医学实验多用特制导电胶或双面胶将样品粘贴在金属载物台上(Cu)。考虑到成本和操作上的技术问题，本研究使用双面胶带纸固定样品。2.3金属薄膜法观察样品经过干燥处理的样品，其表面电阻率高，导电性差，样品表面受电子束照射时形成负电荷区，对初级电子束产生排斥作用，并可能改变样品本身的二次电子运动方向，在显示屏上出现忽明忽暗的充放电效应。为了增强样品的导电性能，需对观察样品进行导电处理，采用金属镀膜法。具体操作如下：将固定好的样品放进金属镀膜仪中。在金属镀膜仪的真空玻璃罩的顶部和底部分别装有阴极和阳极，阴极的表面覆盖一层镀膜所用的金属(铂金或黄金)，又称金属靶。启动金属镀膜仪，使罩内真空度达到13.33～133.33Pa时，在两极加以2000V的电压。在电场作用下，罩内残留气体分子被电离为阳离子和电子，阳粒子轰击阴极上的金属靶，使部分金属原子被激发出来，这些金属原子在电场的作用下飞向阳极，呈漫散射的方式覆盖在样品表面，并形成均匀的金属膜。这个过程呈现紫色放电现象。在观察黄土团粒微结构等烘干样品时，样品须经上述处理。本研究所用样品为非干燥处理样品，可忽略这个过程。2.4微结构元素分布将经过上述处理的样品放入扫描电镜的观察室，在真空条件下利用JSM-5500(SEM/EDX)对上述样品微结构进行观察，并通过EDX对该样品微结构元素分布进行测定分析。3断面组成元素同定分析图2为高速电压30kV条件下观察到的自然黄土断面扫描电子显微镜图像(放大300倍)。在图2中所示的土壤断面中，以<50μm的土壤颗粒居多。各种形状的土壤颗粒轮廓清晰，颗粒间孔隙为树脂填充，部分孔隙中可见残留细根。利用能谱分析仪的X-射线(EDX)对上述断面进行组成元素分析，结果如图3所示。在图3中，C、O、Si、A都出现较大波峰，而Ca、Fe、Mg、K波峰较小。这表明图2所示黄土微结构的化学组成元素为C、O、Si、Al、Ca、Fe、Mg、K等元素。由于此观察材料是用树脂固定的，所以在元素组成上C、O量非常多。根据其他不加树脂固定的观察结果，样品组成元素中C、O量较少。因此可以认为Si、Al是该微结构的主要组成元素，Ca、Fe、Mg、K等相对较少。在此必须强调一点，由于扫描电子显微镜观察条件和样品大小等方面的差异，图3所示结果仅为定性结果，不同样品的同一观察结果缺乏可比性。利用EDX对样品断面组成元素Si、Al、Ca的分布进行同定分析，其结果分别如图版Ⅰ所示。从土壤颗粒的化学组成来看，原生矿物几乎都是由SiO2或硅酸盐组成，粘土矿物则主要是Si四面体或Al八面体构成的结晶态或非结晶态的硅酸盐以及游离态的铝硅酸盐组成。因此，无论是原生矿物还是粘土矿物，其化学组成中最多的元素是Si、Al、O。由于土壤孔隙充填材料树脂的影响，无法讨论黄土断面O的分布，在此以Si、Al分布表示土壤中矿物颗粒。此外，根据资料，甘肃黄土中Ca以碳酸钙为主，硫酸钙仅占0.28%。这样可根据Si、Al、Ca的分布实现探讨土壤中碳酸钙分布的目的。比较图2和图版Ⅰ可以看出，在图版Ⅰ-4～5所示的Si、Al部分主要是图2中的土壤颗粒部分。而图版Ⅰ-6所示的Ca则多分布于Si、Al以外的部分。为了更好地说明Si、Al、Ca在土壤中的分布，以三者的重复分布(图版Ⅰ-7)为例加以讨论。在图版Ⅰ-7中，可以明显区分为Si占绝对优势和Ca占绝对优势的两大部分，在这二者之间夹杂着大量Si、Al重复分布。图版Ⅰ-7中可以大致分为4部分；(1)Si或Si、Al重复分布部分—矿物颗粒；(2)Si、Al、Ca重复分布部分—矿物颗粒表面覆盖着碳酸钙；(3)Ca独立分布部分—碳酸钙;(4)无Si、Al、Ca分布的部分—孔隙。根据以上分析,可以判定在黄土矿物颗粒之间存在着大量碳酸钙。黄土具富含碳酸钙的特点。长期以来，有关黄土中碳酸钙的研究几乎都采用化学分析方法测定其含量，对其在黄土中分布形态研究报道极少。