兴安矿深部软岩的扫描电镜－X射线能谱分析

周 莉， 于亨达， 杨海涛， 韩朝龙

(黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027)

兴安矿深部软岩的扫描电镜－X射线能谱分析

周 莉， 于亨达， 杨海涛， 韩朝龙

(黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027)

为了探讨鹤岗兴安矿深部软岩水理特性和塑性变形原因，分别在埋深500和740 m的不同岩性特征处，选取5个试样，采用扫描电镜－X射线能谱仪，对该矿深部软岩矿物成分与微观结构进行实验分析。结果表明:兴安矿深部软岩中主要矿物成分为石英、长石、方解石及黏土矿物，各别试样中含有菱铁矿和金红石。黏土矿物的主要成分为伊/蒙(I/S)混层、伊利石、高岭石、绿泥石等。I/S混层中蒙脱石的类型有钠蒙脱石和钙蒙脱石。碎屑矿物中有石英加大、方解石溶蚀、长石淋滤、菱铁矿解理发育等现象。黏土矿物I/S混层主要呈片架结构、蜂窝结构和絮状结构，高岭石呈书本状结构，伊利石与绿泥石呈片架结构。

深部软岩;扫描电镜－X射线能谱;矿物成分;微观结构

0 引言

煤矿深部开采过程中，软岩巷道产生底臌、收帮、塌方等塑性大变形现象是煤矿生产和安全的主要灾害之一［1－3］。鹤岗矿区巷道严重冒顶、底臌、帮部混凝土变形脱落、巷道非对称大变形等现象频发，无论是膨胀性软岩还是高应力软岩，出现这种特殊变形现象的原因不仅在于深部开采过程中特殊的地质力学环境，其岩－水间物理化学作用，也使岩石骨架中黏土矿物发生滑移和扩容，削弱了软弱岩层间颗粒的连接力，引起岩层弱化而加速了变形发展［4－5］。因此，对软岩矿物成分和微观结构的分析，在深部软岩强度软化、塑性大变形研究中受到学者们的重视［6－7］。岩石与黏土矿物成分分析方法较多［8－10］，但都存在着一定局限性。在粉晶X－射线衍射分析中，鉴别I/S混层中的蒙脱石的类型比较难，而应用X射线能谱分析，则可通过对钠、钙元素含量分析，辨别出I/S混层中的蒙脱石是钠蒙脱石，还是钙蒙脱石。如果当某种矿物含量极少(w＜5%)时，也可能被扫描电镜(SEM)发现［11］，同时通过SEM图像了解微孔隙与微裂隙情况。笔者以鹤岗兴安矿深部软岩为测试对象，在粉晶X－射线衍射分析的基础上，采用扫描电镜－X射线能谱分析方法，进一步分析试样的矿物成分与微观结构状态，为研究该矿深部软岩水理特性和塑性大变形提供基础资料。

1 试样选取与实验方法

1.1 试样选取

鹤岗煤矿属中生代矿井，第一临界深度为400 m［12］。试样1取自兴安矿四水平空车线单轨车道(埋深740 m)、试样2为三水平绞车房入口(埋深500 m)处细砂岩，试样3取自四水平火药库(埋深740 m)、试样4和5分别取自三水平皮带巷(埋深500 m)粗砂岩和四水平车场空车线顶板(埋深740 m)泥岩，共计5个试样。试样特征与X－射线衍射分析结果见表1。

表1 试样特征与X－射线衍射分析结果Table 1 Specimen and X－ray diffraction results

1.2 实验方法

实验仪器采用英国剑桥生产的LEO435VP型电子显微镜和英国牛津生产的OXFORD型能谱仪。

实验用电子枪发射直径为50 μm，工作电压1～30 kV，电流放大倍数10～40万倍，且连续可调。

首先，将试样制成长、宽各1 cm，高为0.5 cm的试块，先进行洗油、磨制、酸化、净化、干燥预处理;然后，用导电胶将试样粘到样品桩上，再把样品桩放入真空镀膜机中进行镀金处理。将镀金后的样品桩放入样品室内，利用扫描电镜的二次电子图像所呈现的矿物微观形貌，选取适当的部位进行微区成分的定性和半定量分析，以能谱(EDS)图和微区组成元素的原子质量分数表征实验结果。

2 实验结果分析

砂岩的主要组成相为碎屑物，其次为黏土矿物与胶结物。泥岩矿物成分复杂，主要由黏土矿物组成，其次为碎屑矿物、次生矿物及铁锰质和有机质。砂岩和泥岩中的碎屑矿物主要为石英、长石、云母等，而黏土矿物的主要有高岭石、伊利石和蒙脱石。在能谱分析中，通过谱峰的位置和强度确定矿物的元素组成、元素与各种氧化物相对质量分数，从而对矿物进行定性分析。单一矿物能谱分析谱中，由于谱峰位置和强度比例在谱图中均较清晰，因此较容易识别，例如图1、2、7中石英、钾长石、高岭石EDS谱图。而混层矿物由于混层方式复杂，化学组成具有可变性，能谱分析中得到的均为不同矿物化学成分的叠加谱图，分析中根据这些组成元素的种类、含量及其相互比例的变化范围，特别是通过晶体化学原理对Si和Al的组成加以分析，即可对其混层矿物加以识别。EDS谱图中纵坐标是X射线光子强度计数率(cps)，横坐标为元素能量。

2.1 碎屑矿物能谱分析

对试样逐一进行碎屑矿物扫描电镜－X射线能谱分析，通过EDS谱图特征与元素分析图，确定碎屑物的矿物成分。

石英(SiO2)的主要组成元素为Si、O，图1a为粗砂岩试样4 SEM图，在片架状I/S混层中现柱状次生加大石英晶体，晶体与黏土矿物间通常微裂隙2～3 μm。从微区元素组成EDS谱图1b(以下称EDS谱图)中可见Si元素谱峰最强，其原子质量分数为25.31%。根据该晶体形态和EDS谱图，判定该晶体为石英。EDS谱图中谱峰较弱的元素，为微区中其他矿物组成元素谱峰，如图1b中Al、K等，为石英表面黏土矿物的组成元素，文中其他EDS谱图中也有类似现象，以下不再赘述。

图1 石英SEM－EDS分析结果Fig.1 SEM－EDS results for Quartz

岩石中的长石主要是钾长石和斜长石两大类，单从SEM图片上很难辨别，因为它们具有相同的架状晶体结构，所以微观形貌特征相似。如，晶体呈板和扁柱状，集合体呈粒状或块状，台阶式断口、淋滤后产生的孔隙骨架形态、次生加大后的柱状晶体形态等极为相似。钾长石的阳离子为K+，斜长石的阳离子为Na+或Ca2+，通过谱图中所显示的元素种类，则可准确地识别长石的类型。图2a和3a分别为试样1和试样3中长石的SEM图像，从图中可见，两长石晶体均呈参差状台阶式断口，图2a长石呈轻微淋滤现象。在 EDS谱图2b中，阳离子为K+，图3b中阳离子为Na+，由此判定图2a中的长石为钾长石，图3a中的长石为斜长石。

方解石(CaCO3)属三方晶系，多呈薄片状菱形晶体和立方体状菱方体晶体。主要组成元素为Ca、C和O，图4a为试样4中溶蚀后方解石，呈不规则块状附着于沿解理缝淋滤的长石表面。图4b中，微区主要组成元素中Ca元素谱峰最强，其原子质量分数为25.72%。

图2 钾长石SEM－EDS分析结果Fig.2 SEM－EDS results for Potash Feldspar

图3 斜长石SEM－EDS分析结果Fig.3 SEM－EDS results for Plagioclase

图4 碳酸钙SEM－EDS分析结果Fig.4 SEM－EDS results for Calcium Carbonate

菱铁矿(FeCO3)属三方晶系，多呈菱面形晶体，集合体成致密块状或粒状。图5为试样3中菱铁矿SEM图和EDS谱图。

图5 菱铁矿SEM－EDS分析结果Fig.5 SEM－EDS results for Siderite

图5a SEM图像中菱铁矿解理发育，晶间缝隙5～10 μm，粒表片状黏土矿物。从图5b EDS谱图中可见，Fe元素谱峰最强，元素中包括Fe2+、Fe3+，Fe原子质量分数为12.93%，C原子为17.36%。

金红石(TiO2)属四方晶系，四方柱状或钟状晶形，集合体呈粒状或致密块状。主要组成元素为Ti、O。图6a是试样5中金红石呈四方柱状晶簇，晶间微孔隙发育1～3 μm。微区元素组成中Ti原子质量分数为21.59%，其TiO2质量分数为76.15%。

上述实验表明，所有试样中均含有石英和斜长石，试样1～4中均含有钾长石，试样2～5中含有方解石，试样3、5中含的菱铁矿，这与表1 X－射线衍射分析结果相吻合。泥岩试样5中所含的金红石，在X－射线衍射分析中并没有发现。

图6 金红石SEM－EDS分析结果Fig.6 SEM－EDS results for Rutile

2.2 黏土矿物分析

岩石中黏土矿物的主要成分一般为高岭石、伊利石、蒙脱石、I/S混层、绿泥石等。它们各自具有独特的微观形态特征和EDS谱图特征，以此来辨别黏土矿物的类型。

从表1可知，试样4的黏土矿物中高岭石质量分数较高(31%)，图7a为该试样书本状结构高岭石(AI4Si4O10(OH)8)聚合体的SEM图像，粒表附着丝缕状伊利石，高岭石聚合体间形成较大的微孔隙(10～15 μm)。从EDS谱图7b中可见，微区主要组成元素为Al、Si、O，且Al元素谱峰大于Si元素谱峰，这正是高岭石的基本谱图特征。

图7 高岭石SEM－EDS分析结果Fig.7 SEM－EDS results for Kaolinite

图8a为试样4中粒表片架状结构伊利石(KAl2(SiAl)4O10(OH)2)的 SEM图像。从图 8b EDS谱图中可见，微区中主要组成元素为Al、Si、K、O，且K元素具有较强的谱峰，这是伊利石所具有的基本谱图特征。

图9a为试样2粒表细碎薄片蜂窝结构I/S混层矿物，微孔隙发育(3～5 μm)。从EDS谱图9b中可见，微区主要组成元素为Al、Si、Na、Fe、Mg、K、C、O，其谱峰表现为I/S混层谱峰特征［13］，组成I/S混层的阳离子中，Na元素谱峰较强，且Na原子质量分数为4.03%，高于其他元素。

图10a为试样5泥岩中片架结构绿泥石，微孔隙(1～3 μm)、微裂隙(1～3 μm)极其发育。绿泥石中富含Fe2+、Mg2+、Fe3+等离子［14］，从EDS谱图10b中可见，微区主要组成元素Al、Si、Fe、Mg、Mn、C、O，Fe元素有较强的谱峰，Mg元素谱峰也较清晰。Fe、Mg的原子质量分数较高，分别为8.74%和1.74%，符合绿泥石的成分特征。

图8 伊利石SEM－EDS分析结果Fig.8 SEM－EDS results for Illite

图9 I/S混层SEM－EDS分析结果Fig.9 SEM－EDS results for Illite mixed layer

图10 绿泥石SEM－EDS分析结果Fig.10 SEM－EDS results for Chlorite mixed

2.3 伊/蒙混层中蒙脱石类型分析

在黏土矿物中，蒙脱石有极强的水敏特性，尤其是钠蒙脱石，遇水后体积可膨胀至原有体积的600%～1 000%，而钙蒙脱石膨胀性远不及钠蒙脱石。因此，若对深部软岩的变形特性进行分类，有必要对I/S混层中的蒙脱石类型加以分析。

图9b可见，试样2细砂岩中I/S混层中Na元素的原子质量分数为4.03%，而无Ca元素，因此，可将此I/S混层矿物中的蒙脱石确定为钠蒙脱石。

图11a为试样4 SEM图像，粒间孔隙发育(5～15 μm)，粒表碎薄片状与絮状I/S混层。从EDS谱图11b中可见，Ca元素显示出较强谱峰，Na元素谱峰很低，Na元素原子质量分数仅为0.17%，而Ca元素为6.28%，因此，可将此I/S混层矿物中的蒙脱石确定为钙蒙脱石。

对5个试样中的I/S混层矿物分析表明，除试样4粗砂岩中I/S混层中的蒙脱石为钙蒙脱石外，其他试样I/S混层中的蒙脱石均为钠蒙脱石。

3 结论

通过对鹤岗兴安矿深部软岩5个试样进行扫描电镜－X射线能谱分析，对该矿深部软岩矿物成分与微观结构得出如下结论:

(1)所选试样中无论是粗砂岩、细砂岩还是泥岩，其主要碎屑矿物与一般岩石基本相同，有石英、钾长石、斜长石和方解石，个别试样中含有菱铁矿，泥岩试样中测得金红石晶体矿物。

(2)试样中的主要黏土矿物有I/S混层、伊利石、高岭石和绿泥石。黏土矿物I/S混层中的蒙脱石类型有钙蒙脱石和钠蒙脱石两种，分析样中钠蒙脱石占优势。

(3)三水平皮带巷处粗砂岩有石英加大、方解石溶蚀、长石淋滤等现象，四水平空车线单轨车道处细砂岩中长石有轻微淋滤现象，四水平火药库处粗砂岩中菱铁矿解理与晶间缝隙发育。

(4)黏土矿物I/S混层主要呈片架结构、蜂窝结构和絮状结构，高岭石呈书本状结构，伊利石与绿泥石呈片架结构。

图11 I/S混层SEM－EDS分析结果Fig.11 SEM－EDS results for Illite mixed layer

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SEM－EDS analysis of deep soft rock for Xing’an mine

ZHOU Li， YU Hengda， YANG Haitao， HAN Chaolong

(College of Civil Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at investigating the hydrological characteristics and the plastic deformation of the deep soft rock for Xing’an mine in Hegang，this paper describes the study of mineral composition and the microstructure，based on five samples selected from the 500 m and the 740 m in buried depth，and using SEM－EDS techniques.The results show that the deep soft rocks occurring in Xing’an mine consist mainly of the Quartz，Feldspar，Calcite and some other clay mineral，except some specimen containing Siderite and Rutile.The primary mineral ingredients of clay mineral are Illite mixed layer(I/S)，Illite，Kaolinite，Chlorite and so on.The Illite mixed layer is composed mainly of sodium-montmorillonite and Ca montmorillonite.Quartz overgrowth，Calcite dissolution，Feldspar leaching，cleavage-growth of Siderite are all found in the test of detrital minerals.Illite mixed layer shows laminated，honeycomb and flocculated structure.Kaolinite shows booked structure.Illite and Chlorite are of laminated structure.

deep soft rock;SEM－EDS;mineral ingredient;microstructure

TU451

A

1671－0118(2012)02－0148－06

2012－01－14

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511480)

周 莉(1958－)，女，黑龙江省宝清人，教授，博士，研究方向:岩土工程，E-mail:mengte5891@163.com。

(编辑徐 岩)