掃描電鏡圖像分析儀在礦物鑒定中的應用

郭 嘉

（山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250013）

我國的工業發展對礦石有極大的需求，因此合理并及時地大范圍開采礦物資源是滿足人們生產和生活的前提。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程中，最關鍵的一步就是對礦物質的鑒定。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部結構，通過將一定能量的電子束轟擊在礦物表面，達到彈性碰撞的效果，使徘徊在空氣中的多余電子被礦物質吸收，通過能量轉化的效果判斷礦物質，實現準確鑒定的效果。

1 掃描電鏡圖像分析技術原理及優勢

掃描電鏡圖像分析技術的主要硬件結構是掃描電鏡，再加上電子光學系統以及信號系統的軟件結構，共同實現電子束能量結構的提取與分析。

在電子光學系統中，可以通過高能電子束流在半導體物質之間的作用力，提取礦物樣本的具體信息。選擇熔點較高的鎢絲燈絲作為原材料，通過高壓電流，可以激發出鎢絲中的電子[1，2]。電子在進入束流磁場后，就會形成一條緊密結合的光帶，并被直接導向礦物樣本表面。而當電子束被投射在礦物樣本表面時，會通過擊打位置、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，還有一部分變為了若干類型的電子流，這些電子流分別具備不同的性質，如表1所示。

表1 電子信號分析

在掃描電鏡圖像分析儀中，除電子光學系統外，還存在信號提取及成像系統，這個系統的硬件部分與電鏡相結合，一般具備高分辨率的優勢，比現有的其他礦石鑒定方法放大倍數更高。且在掃描電鏡圖像分析儀中，有一種ZEISS的ULTRA55型號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顯微鏡，還具備大視野的優點。通過瑞利公式可以計算光學顯微鏡的分辨率[3]：

式中，λg表示光學顯微鏡的分辨率；αn表示電子束的波長；ki表示太陽光在光學顯微鏡中的折射率；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勢，可以在放大倍數相同時，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構。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級以上的分辨率，但是該電鏡可以直接將分辨率降低至1nm級，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算機設備中隨意拉伸礦石樣本，對其進行旋轉以及傾斜操作，并在掃描電鏡中安裝相應的附件，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其進行實時觀察。

2 掃描電鏡圖像分析儀在礦物鑒定中的應用方法

將掃描電鏡圖像分析儀應用于礦物鑒定中，需要掃描電鏡型號參數如表2所示。

表2 掃描電鏡參數

在工作場地中需要首先判斷礦石中的大致元素類別，若使用高真空環境，需要導電性能較強的礦物濺射儀。若使用低真空環境，則鑒定過程中對導電性能的需求不強。若使用環境真空，則在整個鑒定過程中無需特殊的導電環境。在廣袤的沉積巖中，黏土粘土礦物是最主要的礦物種類，其對油氣物質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的開采。

不同的地質層中，粘土礦物含量不一，粘土礦物中各個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點，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。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。這些不同形態的礦石不但具有不同的形態，其性質也有很大的差異[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，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換，當埋藏深度超過500m，且pH值小于4，并在土壤礦石中尋找到鉀離子以后，原本的高嶺石就會直接轉變成伊利石。

不同的礦物質具備的形貌特點有很大的不同，因此在掃描電鏡下得到該礦石中眾多礦物質的形貌特點，就可以推斷出礦石的大致成分，并進而得到礦石的形成及發現地層、成巖作用的主要場地、成巖過程中的次生變化、地貌特征的發展史等。

而且近些年來，工業生產與日常生活中對天然氣的需求日益增加，通過掃描電鏡圖像分析儀可以得到礦石結構中的油頁巖以及納米孔隙圖像，進而判斷出密砂巖中的孔隙分布類型，并提供了對能源儲層中的物性特征及評價指標。在黏土礦物中，有很多頁巖結構，而孔隙發達的頁巖是頁巖氣重要的儲存場所。很多納米、微米級別的頁巖空隙可以吸收空氣中的碳元素，并形成頁巖氣作為一種新型能源。但是這些空隙大多十分細小，通過肉眼很難分辨出具備頁巖氣的頁巖。而通過掃描電鏡圖像分析儀，可以直接分辨出富含頁巖氣的礦石，并將所有的空氣全部展示出來，直接提供了一條轉移頁巖氣的空隙通道。

將掃描電鏡圖像分析儀應用于硫化礦中，可以通過背散射電子信號觀察鉻鐵巖等具備共生現象的硫化物。其中含有自行硅酸鹽、半自形硅酸鹽、硫餓礦等多種成分。這是因為掃描電鏡圖像分析儀可以立體、有深度地觀察到礦物的形態特征，不僅能夠大致區分出各種礦物結構的分區，還能夠在不破壞巖石結構的前提下設計出一個立體的礦石模型，將所有包含的元素全部囊括在內。

3 結語

掃描電鏡圖像分析儀是一種通過將電子光束轟擊在礦石樣本表面，進而分析其電子散射成分的技術。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具備十分完整的操作體系，不僅可以在實驗中得到礦石材料的分子組成、原子構成，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。以上是有關于掃描電鏡圖像分析儀在礦石鑒定中的應用方法，在接下來的研究中，還可以將其與其他礦石鑒定儀器結合，形成一種更具優勢的鑒定方法。