第四章阴极发光显微镜曾老师.ppt

第四章阴极发光显微镜,阴极发光最早的地质应用是由芝加哥的J.V.史密斯提出，用电子激发作为岩石学研究的工具。1965年在史密斯的建议下，美国Nuclide公司研制了第一台简便的阴极发光仪，它与常规的偏光显微镜相结合而成为第一台阴极发光显微镜。,目前阴极发光仪的发展趋向有三个：在阴极发光仪上配置能谱仪，在观察矿物发光的同时还可测定矿物的元素组成。提高电子枪的电压可达25kV。发光显微学与光谱学联合使用，就是将样品的阴极发光有效地聚焦直接导入光谱仪进行测定。,第一节阴极发光显微镜仪器结构及工作原理,阴极发光是由阴极射线管发出的加速电子对样品（固体）进行轰击，使电能转化为光幅射而产生发光。由于带能量的电子束是从阴极发出来的，经阳极电压加速而获得，故称阴极发光。任何物质如果吸收外加能量，会由于能量增加而处于不稳定状态，并有自然放出能量的趋势。如果这些能量以光的形式放出，这就是发光现象。发光时间仅限于激发时间内发光称荧光，在激发时间停止后还继续发光的称磷光。阴极发光是一种荧光，又称阴极荧光，其发光波谱多数为可见光范畴，波长多数在400760nm之间。,一、矿物的发光机理,A、杂质发光（激活剂）无机物质和有机物质都可产生荧光。无机物质的阴极发光是由于低浓度的化学物质杂质激活剂引起的。当矿物中含有某种杂质时，则可产生受激发辐射而发光。不含杂质并且晶格规则的纯理想晶体的矿物一般不发光。那些使矿物发光的杂质元素或微量元素即叫激活剂。激活剂包括镧系元素（Eu2+、Sm3+、Dy3+、Tb3+、Eu3+）以及过渡金属元素（Mn2+、Fe3+、Cu2+、V3+、Ti4+）。激活剂原子中电子层结构的共同特征是具有未填满的壳层，如Mn的3d5等，或者有有价电子层以及空位层等，如稀土元素。,B、结构发光主要指晶体结构缺陷，如晶体空间群的对称性被破坏、阴阳离子的空位、原子和分子填隙的空位、原子的无序分布、空位和杂质的聚集体等都可能导致阴极发光。C、敏化剂敏化剂：发光物质中除激活剂外，尚有一些自身不发光，而是将其能量再传输给激活剂使激活剂发生辐射(发光)的物质,称为敏化剂。如果没有敏化剂的作用，激活剂的发射就具有一定的限度，而敏化剂能使激活作用加强；从而使很低浓度激活剂或某些可能是“休眠的”激活剂，被激发而发光。,在碳酸盐岩中，Pb2+是激活剂，其发光频带为480nm，但它又是敏化剂。另一种敏化剂是铈Ce3+，在方解石中敏化剂的有效浓度可低达10ppm。D、猝灭剂猝灭剂：能抑制矿物发光的物质称为猝灭剂,碎灭剂与激活剂相对抗。猝灭剂有Co2+、Ni2+、Fe2+、Ti2+等。已报导的最小有效浓度可低达3035ppm。有机物质的发光是由有机物的分子构造决定的，CS、CN、NO等双键连接的分子结构都可产生阴极发光。,二、仪器的结构及工作原理,阴极发光仪有两大类,一类是配有扫描电镜和电子探针附加功能的阴极发光仪;另一类是配有光学显微镜的阴极发光仪;也就是阴极发光显微镜。阴极发光显微镜主要由光学显微镜、样品室、控制单元和真空系统组成。,生产厂商：CAMBRIDGEIMAGETECHNOLOGYLTD英国型号：MK5总价值：￥490,000技术指标:全自动电子束控制，高速响应真空阀电子控制，稳定的电子束流可达到30Kv的高压，2mA的最大束流，0.003mBar的真空度。,上面左右图分别显示的是第三纪的沥青砂岩同一样品，左图为透射光图片，右图为阴极光图片。方解石(1)和长石(2)在图中可清晰分辨。,上面左右图显示的是同一方解石样品经透射光和阴极光的照片。右图中清晰的橙黄色为Mn2+含量高的部分，Mn2含量的高低在阴极光下直接显示出来。,CL8200MK5阴极发光显微镜,第二节常见矿物的阴极发光特征,矿物发光与否，发什么颜色的光及发光强度与以下几个因素有关：发光颜色与微量元素的种类、价态、含量及附存的固体材料有关；,因此，矿物发什么颜色的光与含何种激活剂或同一种激活剂的不同化合价有关，如含Ti4+的长石发蓝色光，Fe3+的长石发红光；含Mn4+发红色光，含Mn2+则发绿黄色或橙色光。,发光强度与激活剂及猝灭剂的相对含量有关，激活剂所占的比例愈大，发光强度也愈大。,岩浆岩、变质岩中常见矿物的阴极发光特征,沉积岩中常见矿物的阴极发光特征,储层研究中常见的矿物有碎屑矿物石英、长石和自生矿物碳酸盐，现将它们的发光特征作一详细叙述。,一、石英的发光特征石英的阴极发光现象由U.Zinkernagel作了系统研究。他对不同岩石中的石英都进行了阴极发光特点的研究,其中包括火成岩、接触变质岩、区域变质岩、沉积自生石英等。根据他的研究石英阴极发光的主要特征为,所有石英的发光光谱表现出两个发射极大值：波长为350450nm，在蓝色范围内；波长为600650nm，在红色范围内，不同石英其光谱组成中，上述两个发射极大值强度不同。在沉积碎屑石英中有三种不同的发光类型。I“蓝紫色”发光石英：这类石英蓝色范围的发射强度大于或者相等于红色范围的强度。II“褐色或棕色”发光石英：这类石英红色范围的发射强度大于蓝色范围。不发光石英”：无发射光谱。,Zinkernagel的研究表明，各种石英颗粒的发光特征是在母岩形成过程中获得的，代表其岩石形成时的温度条件，三种不同发光类型正好反映了三种不同成因的石英。石英的阴极发光颜色与成因的关系,对于不同成因的石英具有不同的发光效应解释有多种：A.晶格有序度不同所致。快速冷却的高温火成岩石英的晶格有序度较低，在电子束轰击下而激发出蓝紫色光，在成岩过程中形成的自生石英由于其结晶温度低，结晶速度缓慢，晶格排列整齐而无缺陷，因而不发光；区域变质的石英的有序度介于两者之间而呈褐色光。B.也有人认为石英不同发光效应是因为含不同激活剂所造成，如红色阴极发光是Mn2+的激活作用，而自生石英因缺少这些杂质而不发光。,二、长石的发光特征长石的阴极发光颜色很多，其中常见的有蓝色、红色及绿色，通过阴极发光显微镜与电子探针的联合分析，可以看出长石发光颜色与所含不同的激活剂有关，而自生的长石几乎没有阴极发光。,长石中最普遍的阴极发光颜色为蓝色,经测定这类长石均含有少量的Ti4+。发红色光的长石极少，从分析结果看，它与FeO的含量、Cr3+、Mn4+含量有关，发红色光的长石FeO含量均大于发蓝色光长石，此外含有较多的Cr2O3及MnO。发绿色光的长石少见，例如奥长石，根据资料含Mn2+的长石常发绿色光，在拉长石中由于Ca2+被Mn2+取代而发绿色光。Fe2+一般认为是猝灭剂，然而在长石中若含千分之几的Fe2+,它也能起激活剂的作用而发绿色光。,斜长石,正长石,奥长石,三、碳酸盐矿物的发光特征碳酸盐矿物的发光颜色从黄色红色。通常文石为黄色，方解石为黄-褐红色，白云石呈暗红色，而铁白云石则不发光。不同发光颜色与含不同元素有关，含Mn2+为橙红色，含钍Th2+为橙黄色，含一定量Fe2+则发红色光，还有的方解石及生物介壳发蓝色光可能与Sr2+有关。根据电子探针分析碳酸盐的激活剂主要为Mn2+，而猝灭剂为Fe2+。J.R.Frank及D.J.Marshall等对方解石的阴极发光与成分关系有较详细的研究。他们指出，方解石的发光强度受Fe2+Mn2+的比值控制，而不是受阳离子绝对浓度的控制。当Fe2+不存在时，方解石中Mn2+的低浓度至300PPm就可发光。,当方解石中不管含有多少Fe2+，只要Mn2+有足够量时，方解石也可发光。当方解石中Fe2+Mn2+比值低于1时，明显发光，发光明亮，反之Fe2+Mn2+比值大于1时则发光开始暗淡，大于2时发光微弱，比值再大就导致不发光。,分析资料表明，凡是不发光的铁白云石，其Fe2+含量均大于6，所有发光的白云石及铁白云石，其含Fe2+量均小于6，Fe2+含量6是碳酸盐矿物白云石发光与不发光的界限。,碳酸盐类矿物的元素组成(电子探针分析)与阴极发光,第三节阴极发光显微镜在油气地质研究中的应用,沉积岩中有些成岩作用及储层特征在一般显微镜下是难以认识的，如硅质胶结作用、碳酸盐岩及碳酸盐矿物的胶结地层学研究、次生孔隙的识别，被重结晶破坏的结构构造、矿物的交代与转化等，它们在阴极发光下，可以获得满意的结果，这对于恢复原来岩石的结构构造、了解沉积环境、成岩变化及储层特征是十分重要的。王衍琦（1988）、郑浚茂（1989）、高瑞琪（1992）均做了研究，归纳如下：,一、在成岩作用研究中的应用,1、硅质胶结物,当石英呈无痕加大时，在一般显微镜下就难以分辨出石英的碎屑部分与自生加大部分。在阴极发光显微镜下，碎屑石英与自生石英发光颜色截然不同，可以很容易把它们区分开。,在不少情况下，在偏光显微镜下可以发现石英颗粒都成紧密镶嵌接触,以往对这种现象解释为强烈压溶作用的结果。而在阴极发光显微镜下，颗粒呈点触，颗粒之间紧密地接触假象是由石英加大造成。,2、碎屑颗粒的压碎和愈合作用,有些石英颗粒在单偏光下为单个颗粒，但在阴极发光下有裂隙，这是因为颗粒被压碎后又被胶结起来。在偏光下很难发现这些裂隙，在阴极发光下这些压碎及愈合现象可看得很清楚。,3、推断成岩顺序,z44,t455,晚期含铁方解石交代高岭石，方解石发红光，高岭石发靛蓝色光,4、对晶体生成环带及胶结物世代的研究,应用阴极发光显微镜可以解决碳酸盐胶结世代，研究其环带结构。方解石及白云石晶体易于在空间呈层状生长。在生长过程中，由于流体中所存在的离子浓度以及PH、Eh值等条件的不同，就会有不同种类和数量的激活剂和猝灭剂加入，导致晶体成条带状。在阴极发光下可以看到不同的发光环带，根据其形成的先后就可以区分不同世代。同时也反映不同阶段孔隙水的化学性质的变化。对于晶体内生长带的详细观察，如晶体环带不连续或受破坏的情况，可了解溶蚀作用的时期和程度。,自形钙质白云石中的同心环带。,方解石胶结物环带构造中同心状分带方式的阴极发光显微照片。同心状分带方式反映了胶结物成分的变化，并提供了关于成岩流体成分连续性变化的证据。被胶结物充填的小型裂隙（箭号处）穿插于环带构造中，并提供了关于在裂隙事件之后形成的胶结物类型的有关资料。,（b）来自于小巴哈马岸低坡的片状和块状镁方解石胶结物。从片状到块状阴极发光所追踪到的带状阴极发光，表明这两种胶结物是同时代的。,（c）来自于尤卡坦半岛的晚更新世低镁方解石胶结物的带状阴极发光。这些胶结物在珊瑚的孔隙间形成。珊瑚的骨骼物质被溶解了。,（e）在更新统迈阿密古灰岩中大气淡水渗流带沉淀的方解石晶簇。很细的、头发丝状的亮阴极发光。,5、研究矿物的交代与转化,6、研究碳酸盐胶结物的形成次序与成岩阶段,1、研究砂岩物源区,二、在沉积学研究中的应用,2、恢复原岩结构,岩石经过成岩作用的改造会发生一系列的变化，常常会改变岩石原来的结构，阴极发光显微镜在一定程度上可以再现原岩的结构。,把石英颗粒的次生加大部分去掉以后就可以恢复原来颗粒的大小、分选、圆度。,把石英颗粒的次生加大部分去掉以后就可以恢复原来颗粒的大小、分选、圆度。,在偏光显微镜下所观察到的砂岩结构常有歪曲现象：粒度比原始的大；圆度比原始的降低；分选比原始的变好；接触关系比原始的显得更紧密。阴极发光显微镜可以去伪存真，恢复岩石原始的沉积特征。,H551旺苍双汇灯2,h550旺苍双汇灯2,恢复生物结构,zdx52高石1井4959m灯3上+灯4,zdx53高石1井4959m灯3上+灯4,恢复颗粒结构,zdx26安平1井5034m灯3上+灯4,zdx25安平1井5034m灯3上+灯4,恢复颗粒结构,恢复颗粒结构,H11石柱廖家槽灯1,h10石柱廖家槽灯1,恢复颗粒结构,H419旺苍双汇灯2,h418旺苍双汇灯2,恢复颗粒结构,恢复原岩成分,三、在储层研究中的应用,当碎屑岩存在粒间孔隙时有时很难区分是原生孔隙还是次生孔隙。例如被方解石、白云石或其他矿物充填满的孔隙，在成岩过程中，胶结物全部或大部分溶解了，这样形成的次生粒间孔与原生粒间孔在常规的显微镜下有时很难区分。用阴极发光显微镜来解决这一问题能收到较好的效果。在颗粒边缘只要残留有一点方解石，在阴极发光显微镜下均可以发现，所以