上一期里我們對幾種不同種類的巖石在特定作用下的破壞特征進行了表征，感興趣的同學(xué)可以閱讀《從宏觀到微觀——澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡在巖石分析中的應(yīng)用》。巖石是地球表層和地殼的基本組成物質(zhì)，其成因和成巖過程復(fù)雜多樣，巖石的元素組成特征也是揭示其成因的重要手段。本期我們選取了大理巖、花崗巖、砂巖和石灰?guī)r等典型巖石類型，并利用ZEM系列臺式掃描電鏡和EDS能譜儀對其元素組成進行分析，旨在揭示不同巖石類型的元素組成特征，為巖石成因分類和地質(zhì)過程研究提供元素學(xué)依據(jù)。

實驗方法是先采用ZEM系列臺式掃描電鏡進行巖石的微觀形貌觀察，獲取巖石的微觀結(jié)構(gòu)信息。然后利用EDS技術(shù)對巖石樣本的特定區(qū)域進行了面掃分析，獲取該區(qū)域的元素分布情況。隨后在該區(qū)域內(nèi)隨機選取了5個不同的點位，并對每個點位進行了點掃元素成分分析，以獲取這些點位的元素組成信息。通過這一過程，可以獲得該區(qū)域不同點位的元素分布和組成情況，有助于深入理解巖石的微觀結(jié)構(gòu)和成分特征。

圖1 大理巖表征圖與EDS分層圖

圖2 大理巖分布圖總數(shù)譜圖

以大理巖為例，圖2的EDS面掃分析不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)果顯示氧元素(O)的含量很高，占60%左右。通過查閱相關(guān)文獻資料對比，大理巖的主要成分是氧化鈣(CaO)，這與大理巖主要由方解石、石灰石等成分組成的特征相符合。其中，方解石(CaCO3)是大理巖的主要成分之一，其含量約占50%以上。氧化鈣(CaO)是方解石在高溫下分解的產(chǎn)物，因此在大理巖中含量較高。

其次，硅元素(Si)的含量約占20%，文獻中表明，這是由于大理巖中存在硅酸鹽等其他礦物成分，如白云石(MgCO3·CaCO3)和蛇紋石(Fe,Mg)3Si2O5(OH)，這些礦物成分的存在可以解釋硅元素的含量較高。另外，碳元素(C)的含量占10%左右，因為大理巖中可能存在有機物或碳酸鹽礦物成分，如方解石和白云石等。而鋁元素(Al)的含量占2%，這可能是由于大理巖中存在硅酸鹽中的鋁。雖然鋁元素的含量較低，但它仍然是大理巖中的一個重要成分。

圖3 大理巖點掃譜圖分布

接下來為了深入分析大理巖的化學(xué)組成，我們在圖1的基礎(chǔ)上，選擇了5個不同的點位進行EDS譜圖采集，詳見圖3。經(jīng)過綜合分析，我們篩選出兩個具有代表性的EDS譜圖進行詳細討論。

圖4 譜圖2元素分布

如圖4所示，在譜圖2中，除了氧元素(O)和碳元素(C)仍然占據(jù)較高比例外，我們還可以觀察到鈣元素(Ca)和鈦元素(Ti)的含量均約占總元素的10%左右。這進一步驗證了大理巖的主要成分是方解石(CaCO3)，同時暗示了其中可能含有硅酸鹽礦物以及鈦的氧化物或鈦酸鹽。這些額外的元素信息有助于更全面地理解大理巖的成分特征，進而推斷其地質(zhì)形成過程和環(huán)境。

圖5 譜圖3元素分布

而在譜圖3中，鐵元素(Fe)的含量顯著上升，約占總元素的26%，通過資料發(fā)現(xiàn)，大理巖中可能參雜了以鐵的氧化物或含鐵礦物形式存在，如赤鐵礦(Fe2O3)等。這一發(fā)現(xiàn)提示了大理巖的復(fù)雜成分，其可能受到了外源鐵元素的影響，我們推測這種高鐵含量可能源于大理巖形成過程中的多種因素。因為大理巖是一種沉積巖，在沉積過程中，含有鐵質(zhì)礦物的碎屑物質(zhì)混入其中，這些鐵質(zhì)礦物在成巖過程中釋放出Fe。因此譜圖3中高鐵含量的觀察為我們提供了關(guān)于大理巖形成及其與周圍環(huán)境相互作用的重要線索。

在分析了大理巖的元素組成后，我們繼續(xù)通過閱讀文獻資料并利用EDS對其他典型巖石類型的元素組成進行了分析，包括砂巖、花崗巖和石灰?guī)r等。

圖6 砂巖分布圖總數(shù)譜圖

砂巖的主要成分為石英和長石，石英的化學(xué)式為SiO2，其中包含了較高比例的硅元素和氧元素。根據(jù)EDS分析結(jié)果，其中氧元素占據(jù)較高比例，其次是硅元素，比較符合我們的預(yù)期結(jié)果。此外，長石雖然其含有鋁、鈉等元素，但在EDS分析中通常其含量可能較低，因為長石的比重較石英低，因此在整體成分中所占比例較小。

砂巖通常形成于沉積作用下，經(jīng)歷了長時間的風(fēng)化、搬運和沉積過程。在這個過程中，巖石中的非石英成分被逐漸磨碎和溶解，而石英和長石等硬度較高的礦物則相對穩(wěn)定，這與我們的譜圖元素分布基本吻合。

圖7 花崗巖分布圖總數(shù)譜圖

花崗巖的主要成分為硅酸鹽礦物，通常含量在60%以上，這與花崗巖的成因密切相關(guān)。花崗巖通常形成于深部巖漿在地殼深處結(jié)晶凝固的過程中，其中長石、石英和云母是常見的主要礦物。EDS分析顯示，在這些成分中，氧元素含量高，因為氧通常是硅酸鹽礦物的主要元素之一，其次是硅元素。

此外，通過檢測到的鉀、鈉、鋁等元素，可以推測它們主要來源于花崗巖中的長石等礦物。長石是一種含有鉀、鈉、鋁等元素的硅酸鹽礦物，因此其存在在花崗巖中是很常見的，同時這也揭示了其形成過程中巖漿的成分及其地質(zhì)特征。

圖8 石灰?guī)r分布圖總數(shù)譜圖

對于石灰?guī)r，EDS分析顯示其主要成分為方解石，它是一種碳酸鹽礦物，通常是由海洋中的有機碎屑經(jīng)過長時間的沉積和壓實形成的。在石灰?guī)r中，氧元素含量占據(jù)比例較高，這是因為方解石分子中含有氧元素。其次是鈣元素，表明石灰?guī)r中的主要成分之一是鈣。

除了方解石之外，EDS分析還檢測到了鐵、鎂、硅等元素。這些元素可能主要來自于石灰?guī)r中的白云石等礦物。白云石是一種含有鎂、硅等元素的碳酸鹽礦物，常常與方解石一同存在于石灰?guī)r中，其存在豐富了石灰?guī)r的成分特征，也反映了其形成過程中多樣的沉積和成巖環(huán)境。

綜上，巖石的元素組成特征與其成因密切相關(guān)。ZEM系列臺式掃描電鏡和EDS能譜儀是巖石微觀形貌觀察和元素成分分析的關(guān)鍵工具，它們提供了巖石的微觀結(jié)構(gòu)和成分信息，為巖石成因分類和地質(zhì)過程研究提供了重要依據(jù)。同時我們還發(fā)現(xiàn)，在進行巖石元素組成分析時，樣品的代表性至關(guān)重要，應(yīng)注意避免局部異常對整體分析結(jié)果的影響。EDS分析結(jié)果反映了巖石中元素的存在形式和分布情況，有助于深入理解巖石的成因和成巖過程。綜合分析不同巖石類型的元素組成，可為巖石成因分類和地質(zhì)過程研究提供元素學(xué)依據(jù)，對巖石工程設(shè)計和地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要意義。

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