Файл: Курсовая работа По теме электронномикроскопические исследования глинистых минералов.docx

2. Основные методы электронно-микроскопических исследований минералов

В настоящее время разработаны разнообразные методы электронномикроскопических исследований, которые успешно применяются и при изучении минералогических объектов. Они могут быть подразделены на две основные группы:

I. Прямые методы, при которых исследуется непосредственно сам объект.

II. Косвенные методы, с помощью которых изучаются отпечатки с поверхности образцов, называемые репликами

К группе прямых методов исследований относятся, с одной стороны, непосредственное изучение объектов в эмиссионных, отражательных и растровых электронных микроскопах и, с другой стороны, исследование образцов в просвечивающих электронных микроскопах, требующее специального их препарирования в результате применения способа суспензий, тонких металлических пленок или ультратонких срезов [19].

Метод суспензий

Этот исторически первый метод в электронно-микроскопическом изучении минералов широко применяется и в настоящее время для наблюдения изолированных частиц главным образом глинистых и других высокодисперсных минералов. Препарирование в этом методе включает следующие операции: 1) подготовка опорных сеток, 2) приготовление пленок-подложек, 3) диспергация образцов, 4) нанесение частиц на пленкуподложку. В методе суспензий препарат наносится на очень тонкие, прозрачные для электронов пленки-подложки, которые, в свою очередь, помещаются на специальные мелкоячеистые поддерживающие сетки со стороной квадратных отверстий 40-80 мкм.

При больших площадях этих отверстий тонкие пленки-подложки будут разрываться. Опорные сетки чаще всего получают из меди гальваническим способом. Перед употреблением их очищают от окислов и загрязнений в слабом растворе азотной кислоты и промывают в дистиллированной воде и спирте. Специальным пробойником из медной сетки вырезаются кружочки нужного размера (в зависимости от диаметра объект электронного микроскопа), оперируя при этом с ними с помощью хорошо заточенного пинцета.

Метод тонких металлических пленок

Получение тонких металлических пленок возможно либо путем химического, электролитического или механического утонения массивных образцов, либо путем наращивания пленок. Кристаллические образцы, которые можно исследовать на просвет в электронном микроскопе, должны иметь почти параллельные стороны, быть достаточно тонкими и обладать чистой полированной поверхностью. При этом прозрачность образцов зависит прежде всего от атомного номера элементов [20].

---

Метод ультратонких срезов

Это «сухой» метод препарирования, относящийся к прямым способам электронно-микроскопического исследования различных объектов, в том числе и массивных минеральных образцов, приготовляемых в виде тонких срезов толщиной от 100 до 1000 А, которые получают при помощи специальных приборов – ультрамикротомов. Резка мягких образцов осуществляется с помощью стеклянных ножей, а для получения тонких срезов твердых материалов (включая большинство минералов) требуется применение алмазных ножей с углами резания от 45 до 60°.

3. Косвенные методы исследовании

Косвенные методы исследования применяются при изучении в просвечивающем электронном микроскопе поверхности массивных, не прозрачных для электронов объектов.

Метод реплик В том случае, когда приготовление просвечиваемых препаратов из исследуемых образцов невозможно или нецелесообразно, используют метод отпечатков-реплик, приготовляемых в виде тонких пленок из материала, отличного от материала объекта, и точно передающих рельеф поверхности. Суть метода заключается в следующем: на поверхность образца наносится очень тонкий слой вещества, который в последствии отделяется от образца и излучается на просвет в электронном микроскопе. Основная задача в процессе репликования состоит в том, чтобы максимально точно отображали поверхностную топографию образца. Получать реплики можно как с отдельных минеральных частиц и сколов минералов и их агрегатов, так и с поверхности полированных шлифов. Главным требованием к поверхности образцов, изучаемых методом реплик, является наличие некоторого расчлененного, но не слишком грубого микрорельефа. Метод декорирования

Декорирование исследует не только геометрическую структуру поверхностей, но и микрополя, обусловленные наличием дислокаций, скопления точечных дефектов, ступени роста кристаллических граней, доменную структуру и т. д. Суть метода: на поверхность образца распыляется тонкий слой декорирующих частиц, которые осаждаются обычно в местах сосредоточения микрополей, в последствии снимается реплика с включениями декорирующих частиц. В результате благодаря частицам декорирующего вещества становятся видимыми тончайшие особенности микрогеометрии поверхности объектов, которые остались бы не выявленными при обычном методе реплик. Кроме того, поскольку зародышеобразование и рост кристаллов декорирующих веществ происходят избирательно на электрически активных центрах поверхности твердых тел, в первую

---

очередь на точечных дефектах и их скоплениях, то методами декорирования возможно визуализировать эти активные элементы электрического рельефа и проследить изменение его в результате физических и химических воздействий.

Определение глинистых минералов с помощью СЭМ по структуре Электронно-электронная микроскопия высокого разрешения является мощным инструментом в характеристике структуры и химического состава глинистых минералов. Тщательный контроль условий работы электронной микроскопии позволяет получать изображения кристаллической структуры в образах решетчатой полосы в микро- и нано масштабном диапазоне. Изображения создаются, когда дифрагированный электронный пучок комбинируется с нераспространенным электронным пучком через систему линз [12]. В этом методе блок породы облучается тонким зондом из электронов высокой энергии, которые генерируют ряд излучений на поверхности. Среди них обратные рассеянные электроны, вторичные электроны и рентгеновские фотоны - все эти излучения могут быть обнаружены и их число определяется количественными измерениями. При правильном применении допускается точное определение химического состава, хотя невозможно определить кристаллическую структуру с помощью методов дифракции. Электронное пятно в электронном микрозонде имеет размер порядка 1 или 2 микрометра, обычно, но из-за дисперсии электронов и флуоресцентных явлений эффективный размер анализа составляет около пяти микрометров или больше. Таким образом, невозможно измерить химический состав частиц, меньших этого. Так как многие глинистые частицы существуют в отдельных кристаллитах намного меньше 5 мкм. Сканирующий электронный микроскоп устраняет некоторые ограничения электронного микрозонда. Он предлагает возможность улучшения пространственного разрешения, поскольку размер пятна электронов меньше; Хорошо выровненное SEM предлагает разрешение поверхности в несколько сотен ангстрем. С его помощью можно определить морфологию и взаимосвязь органического вещества и связанных с ним минералов. Кроме того, современные сканирующие электронные микроскопы используют вспомогательную энергодисперсионную рентгеновскую аналитическую систему для определения химического состава. Таким образом, химический состав мелких частиц может быть измерен с большой точностью, по крайней мере, для многих важных элементов, металлов и особенно серы. Тем не менее, его

---

полезность снижается, поскольку дифракция электронов в сканирующем электронном микроскопе невозможна, и, таким образом, одновременное определение кристаллической структуры рассматриваемой конкретной частицы невозможно. Несмотря на это, он часто используется с эффективностью.

Проведен эксперимент, чтобы определить неизвестный глинистый минерал в представленном образце. Исследование проводилось в кафедре геоэкологии и геохимии ТПУ на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N. Пробы исследовались при низком вакууме в режиме обратно-рассеянных электронов. Пучок энергетических электронов (20 кэв) фокусируется на поверхности приготовленного образца минерала. Это образец должен быть маленьким - диаметр 0,5-1 см и быть тщательно обезжирен и с помощью проводящего фиксатора закреплен на столике микроскопа. (См. рисунок 4.2.1).



Рисунок 5 –СЭМ Hitachi S-3400N и образец исследовании.

Установлен образец в камере микроскопа. Включено ускоряющее напряжение. Отъюстирована электронно-оптическая система микроскопа. При соударении с образцом некоторые бомбардирующие электроны отражаются от тонкого поверхностного слоя, глубиной около 1 мкм, почти аналогично отражаемому поверхностью видимому свету. Такие электроны обратного рассеяния легко определяются и используются для получения топографии поверхности образца (см. рисунок 4.2.2). Изменяя параметр «фокус» с помощью средств программного обеспечения микроскопа, добиваются максимально сфокусированного изображения поверхности образца, так и получением четкого изображения. Эта установка, в отличие от оптического микроскопа, позволяет увидеть даже при небольших увеличениях (в 300 раз).



Рисунок 6 – СЭМ- фотография образца глинистого минерала, увеличение 300х.

При увеличении масштаба до 1500 раз, получена четкая фотография поверхностной структуры (рисунок 4.2.3). По сравнению с определенными образцами (см. приложение В), можно увидеть, что структура данного образца совпадает со структурой монтмориллонита (см. рисунок 7). Следовательно, можно сделать вывод что, данной образец глинистого минерала является монтмориллонитом.

---

Рисунок 7 – СЭМ- фотография образца глинистого минерала, увеличение 1500х



Рисунок 8 – СЭМ- фотография монтмориллонита – Университет Комплутенсе Мадрит, Испания

Определение минералов с помощью СЭМ по составу скважинной породы. Почти все образцы из скважины являются смесями, и их фотографии структуры не очень хорошо видны. Так что придется использовать вспомогательную энергодисперсионную рентгеновскую аналитическую систему для определения химического состава. Таким образом, химический состав мелких частиц может быть измерен с большой точностью, по крайней мере, для многих важных элементов, металлов. Тем не менее, его полезность снижается, поскольку дифракция электронов в сканирующем электронном микроскопе невозможна, и, таким образом, одновременное определение кристаллической структуры рассматриваемой конкретной частицы невозможно. Несмотря на это, он часто используется с эффективностью. Проведен эксперимент, чтобы определить минеральный состав породы из месторождения. Исследование проводилось на кафедре геоэкологии и геохимии ТПУ на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S3400N. Для этого анализа были отобраны некоторые образцы, и они были проанализированы в количественном выражении с использованием рентгеновских дифракционных инструментов для их минеральных составов.

Образец XY– скважина № АВ, АА месторождение

Образец нужно расколоть в гладкий порошок. Образец должен быть тщательно обезжирен и с помощью проводящего фиксатора закреплен на столике микроскопа. Все операции с образцом, а также операции в вакуумной камере электронного микроскопа проводятся в перчатках. Включать ускоряющее напряжение. Отъюстировать электронно-оптическую систему микроскопа. Добивать наиболее резкого и сфокусированного изображения поверхности. Это образец является черным и гладким на поверхности. При увеличении масштаба до 1400 раз, получена фотография этого образца.



Рисунок 9 – СЭМ- фотография образца № XY, скважина № AB, AA месторождение с масштабом 1400.

Для подтверждений элементного состава было проведено картирование распределение элементов по поверхности. Если наложить карты распределения химических элементов, то получим, что светлая фаза состоит из одного элемента и темная – это других. Получены карты распределения кремния, кислорода, железа, сера, кальция, магния, калия и алюминия.

---