从宏观到微观——泽攸科技ZEM系列台式扫描电子显微镜在岩石分析中的应用
岩石作为地球地壳的主要构成物质之一，其微观结构对于了解地质过程、资源勘探以及工程建设具有重要意义。按照岩石的成因，可以把它们分为三类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。在地球表面，沉积岩占据75%的份额，而在地壳深度，则主要是岩浆岩和变质岩所组成，大概占到地壳体积的95%。岩石的破坏失稳过程本质上是其在受力过程中微裂纹萌生、扩展和贯通的结果，是岩石微结构累积的变形破坏的宏观反映。岩石内的初始微缺陷，如孔洞、微裂隙和颗粒边界等杂乱无章地分布，导致其在受载时新生裂纹的随机分布。初始微缺陷的尺寸在某种程度上对岩石的细观裂纹扩展和宏观破坏失稳起到决定作用。
近年来，随着扫描电镜技术在岩石实验中的运用，许多学者得以对岩石试样进行细观实验研究，并取得了一定成果。本文使用泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜，从三大类岩石中选出来了花岗岩、砂岩、片麻岩、泥岩等样品，通过对不同种类的岩石在特定作用下的破坏特征进行表征，得到的不同的裂纹扩展表征照片后进行分析，旨在深入理解岩石破坏失稳的微观机理，为岩石工程和地质灾害防治提供理论支持和技术指导。
花岗岩是岩浆岩的一种，它们是由地下深处的岩浆在地壳中冷却凝固形成的岩石。根据其固结位置和形成方式，岩浆岩可分为侵入岩和喷出岩两类。
图 岩浆岩的产状
侵入岩是指岩浆在地下深入时，在地壳内部冷却凝固形成的岩石。岩浆沿着地壳薄弱带上升，但尚未到达地表就已经固结，这一过程称为侵入活动。喷出岩则是指岩浆沿着地球构造裂隙上升，通过火山通道喷出地表形成的岩石，也称为火山岩。岩浆在地下凝固时，会形成不同的形态，如岩基、岩墙、岩床、岩盆、岩盖、岩脉等产状。火山岩的产状与其喷发方式有关，包括中心式喷发、裂隙式喷发和熔透式喷发等形态。
图 花岗岩表征图
利用ZEM系列台式扫描电镜从微观结构来看，花岗岩主要分为石英颗粒的平坦状形貌、钾长石颗粒的层叠状和台阶状形貌。观察到花岗岩样品在受力过程中微裂纹的萌生、扩展和贯通过程，裂纹呈现出不规则的分布模式。其中，相比石英颗粒，钾长石抗拉强度较低，属于弱矿物颗粒，裂纹更多会在钾长石颗粒中扩展，形成小尺度破裂，如果受力方向平行于层面则形成层叠状的形貌，反之产生台阶状的形貌。
图 沉积层序
砂岩与泥岩是沉积岩的一种，它们是地表最丰富的一类岩石，在常温常压条件下，由风化作用、生物作用和某些火山作用产生的碎屑物质，经过搬运、沉积和成岩等一系列地质过程而形成的岩石。形成环境包括河流、湖泊和海洋，在水动力条件减弱的情况下，沉积下来，最终压实成岩。
图 不同颗粒砂岩的表征图
上图可以看出，砂岩微观结构主要呈颗粒状，砂岩样品的破坏特征主要表现为砂粒之间的断裂和破碎，裂纹沿着砂粒边界扩展。随着颗粒粒径的减小，颗粒的密实程度有所提高，粗粒砂岩颗粒之间的孔隙清晰可见，中粒砂岩的孔隙规模明显减小，而细粒砂岩颗粒排列紧密、孔隙微小。
图 含水泥岩与干燥泥岩表征图
图 泥岩注浆表征图
含水泥岩样品在受力过程中，水泥基质和骨料之间的结合力发生破坏，裂纹沿着水泥基质中的孔隙扩展。而干燥泥岩样品的破坏特征主要表现为颗粒之间的剥离和分离，裂纹呈现出扭曲和交错的形态。泥岩注浆样品的破坏过程中，注浆物质与泥岩基质之间的结合发生破坏，裂纹呈现出沿着注浆界面扩展的特征。
图 片麻岩
片麻岩是变质岩的一种，地球上已经形成的岩石，包括岩浆岩、沉积岩和变质岩，随着地壳的不断变化，其物理化学条件发生改变，导致岩石在固态的条件下发生矿物成分、结构和构造上的变化，最终形成的岩石，称为变质岩。根据变质作用的主要因素和地质条件可分为动力变质岩、接触变质岩、区域变质岩和混合岩化等，片麻岩就属于区域变质岩。
图 片麻岩表征图
从片麻岩的微观表征中可以看到，其在破坏过程中，矿物颗粒之间的界面发生分离和断裂，裂纹呈现出交错和网状的特征，定向排列形成“片麻状构造”。与通常的花岗岩相比，岩体中矿物出现定向排列，并且部分颗粒有拉长现象，显微花岗质包体也有拉长现象，但是颗粒内部没有塑性变形，这可以与韧性变形相区别。
不难发现，不同种类岩石的初始损伤的程度和尺度都存在极大差别，这与岩石的组构和成岩过程有关，岩石由于组构不同造成的非均匀性，对其受载时的变形特征和最终破坏失稳起决定作用。预置的大尺寸结构对宏观主裂纹的形成部位和扩展方向起控制作用。本研究通过观察不同种类岩石在在特定作用下的破坏特征，揭示了微缺陷对岩石破坏失稳的控制作用。ZEM系列台式扫描电镜在岩石微观结构研究中具有重要的应用价值，为岩石工程设计和地质灾害防治提供了理论支持和技术指导。
下一期我们将会借助ZEM系列台式扫描电镜并搭配EDS能谱仪进行岩石的元素成分分析，大家敬请期待哦~
原文来源：https://www.zeptools.cn/application_detail/89.html