研究沉积岩与阴极发光成像

阴极发光光谱学是一个健壮的技术micro-characterization岩石和矿物,和谐与其他电子microscopy-based工具,如背散射电子成像和能源/波长色散x射线光谱。

影像学分:伤风/亚历山大Pobedimskiy

本文演示如何实现方法检查石英砂岩,沉积岩的常见类别,既得到了根本利益和实际利益,化石燃料的勘探和开采。

特别是全色(过滤)、color-filtered和高光谱阴极发光成像用于揭示微尺度相关的纹理和对比,可以帮助确定地质年表,还可以支持这样的岩石孔隙度和渗透率的研究。

介绍

沉积岩岩石是由一个特定类别,所配置的地壳的风化壳的吸积分泌生物在海底,而从水中矿物质的沉淀。他们通常通过岩化形成粒状材料,在压力和温度是对地壳岩石中嵌入更深(如果变形和改变材料太严重,归类为变质岩)。晶粒尺寸可以不同,从4μm粘土材料,对某些砾屑岩材料25厘米。欧洲杯足球竞彩

由于其颗粒结构、沉积岩一般,而渗透水等液体。矿物质沉淀从这注入水构成水泥,坚决保护个人在岩石颗粒。沉积岩提供宝贵的铁来源和自然肥料。

此外,他们代表的主要来源的化石燃料(石油、天然气和煤炭),因此体现巨大的实用价值。在这方面,多孔岩石的矩阵规定石油/天然气控股功能,以及相关的交通特征的提取这些参考资料[1]。

砂岩是一种沉积岩的特定类别的石油行业内的适用性,因为它代表的一个主要化石燃料可以派生的摇滚乐队。在砂岩中,至少50%的谷物都必须有一个在60和200μm大小。石英砂岩经常拥有一个石英含量高,更不受风化与其他熟悉的矿物长石和云母等。

同样,水泥可以出现在砂岩可以强劲对其孔隙度和渗透率的影响。微/纳米级拓扑结构和纹理可以用来推断岩石的地质历史。此外,他们直接修改总化学、机械、岩石和流体运输的特点,这使得研究岩石在这些特别感兴趣的长度尺度。

在过去的几十年,扫描电子显微镜(SEM)的阴极发光(CL)光谱学已经成为一个明显有效的方法论的micro-characterization沉积岩[2 - 4]。更具体地说,它将数据补充基于SEM的工具,包括能源和波长色散x射线能谱(EDS、WDS),和电子反向散射成像技术(EBSD疯牛病)。

传统,CL收益率超过最低标准快速,在某些情况下,甚至video-rate扫描,使合理的快速检测大量的领域。在砂岩中,CL成像可以实现定量地图石英概要文件的示例允许,例如,颗粒材料和粘合材料的细致的市场细分。

通过集成这样的深入调查的结果发现纹理,如(医治)骨折和谷物联系人、地质历史,再加上岩石的孔隙度,可以详细地检查。由于一流的空间分辨率,特别微妙的细节结构可以公开。这可以用来调整信息来源于少精成像方法,如3 d微型电脑x射线断层扫描(μCT)或光学显微镜研究。

这些结果可以代表有价值的输入先进的机械和流体动力学模拟,用于确定岩石的宏观特征。尽管这类研究的根本利益,石油工业也雇佣了他们的具体检查储层岩石。

在这里,CL石英砂岩样品进行测量。大面积的快速测量光电倍增管(PMT)进行了确定总体CL结构的岩石和更无穷小高光谱测量CCD光谱仪,实现更全面深入地了解特定部分。CL图像与SEM图像相比,观察到的材质和对比描述,这些岩石样本的CL发射波长的依赖关系进行了研究。

实验系统和样品制备

实验被执行在范XL-30 SFEG扫描电子显微镜(SEM),配备的原型SPARC CL-system。收集的CL是铝制抛物面镜子,这是正确与压电致动器的使用。CL检测是使用一个非冷却模拟PMT(λ₀= 230 - 870纳米光谱范围,λ₀是自由空间波长)。

这是用于全色影像(没有颜色过滤),和wavelength-filtered成像,其中一个带通滤波器位于PMT的前面。光纤耦合Czerny-Turner谱仪是用于冷却背景硅相机(λ₀= 350 - 1000 nm光谱范围)高光谱成像。更全面的描述SPARC CL网络可以在[5]。

实验进行两个相关的石英砂岩样品,大部分都拥有抛光面,以更有效地揭示结构。指出,表面处理可以在实验最终产品产生重大影响,应该小心地接近[2]。样品被涂上一层合适的电传导30 nm的无定形碳。图1提供了一个示例1的照片。

图1所示。砂岩样品1的照片。这个样品是1厘米直径。示例2是直径2厘米。

阴极发光成像的砂岩

快速大面积CL扫描

抛光砂岩薄片(45 * 25 mm是这样一个标准尺寸部分)或surface-polished部分岩石已从大钻核心,如图1中的示例展示(通常直径1 - 3厘米),为扫描电镜研究产生巨大的表面积。获得一个适当的总结这样一个庞大的样本,相对较大的区域的扫描是特别感兴趣的。这是通过实验选择的选择。

首先,一个健壮的CL信号有利于快速检验,CL样本的输出是得益于高加速电压和电流。其次,探测器需要满足特定的读出时间速度标准,而且应该被同化一个“大”的视野,这是由探测器尺寸和光学。第三,光线必须收集和导演CL探测器的一个有效方式。这是交易使用SPARC的机动镜子收集系统,它允许的可再生的光学校准。

有效信号收集双重优势:大量的矿物质,包括石英、可以结构影响电子束剂量是否过度,扰乱发出信号和带来可能的数据误解(4、6)。通过辨别信号最优效率,单位面积上的电子剂量可以最小化,这提高了方法的可靠性。

图2。(一)SEM图像示例2的一个区域。17像素全色PMT形象,收集的停留时间800 ns (b)和(c) 10μs同一地区的砂岩。颜色比例调整为适当的可见性图像的动态范围的所有特性。

按照上述要求,采取行动实现的PMT探测器是全色模式,即幽灵似地过滤、15千伏加速电压和5 nA探针电流。样本1 400 pA电流和10 kV电压被使用,因为导电层没有函数示例1一样有效。PMT放大是编程等于样本的动态强度范围。

图2 (a)展品SEM图像区域的砂岩。奇异晶体可观察到颗粒表面拓扑结构,但随着材料是相同的(石英),存在一个低对比谷物和谷物。此外,这些颗粒可以有一个复杂的内部结构不能用扫描电镜成像。图2(上来演示的例子全色4096×4096(17像素)PMT CL扫描的等效面积不同像素停顿时间。这些测量需要光栅的电子束扫描样品,并为每个位置CL PMT的强度计算。

显然,CL成像提供了一种更加发散对比相比,扫描电镜图像。基本的物理原因对比下面将更详细地描述。这些CL图像的像素密度足够高调和好空间CL结构细节。信号水平也足够高,允许像素800 ns的停顿时间。800 ns停留时间在13年代17像素的图像可以被捕获,但512×512的图像可以被捕获在~ 0.2秒,让生活CL容许分辨率成像。

在数量的样本地区,如此快速的停顿时间的使用产生裸奔的形象。这是一个事实的结果某些兴奋过渡的辐射寿命超过每个像素的扫描时间,导致残余CL梁已后排放。

一些岩石,如碳酸盐,能拥有丰富的外在颜色中心,极长的辐射寿命,限制扫描速度时间尺度女士[2]。幸运的是,在这些砂岩这样缓慢的颜色中心是罕见的,所以整体快速扫描模式运作。

利用10μs集成这裸奔效果完全根除,和一个增强信噪比也得到,生成平滑图像。只有在这些单扫描电子束扫描图像。然而,理论上也可以扫描,扫描电镜阶段允许花砖和缝合一个完全自动化的样品检查工作流。

加速电压的影响

接下来,加速电压的影响在CL成像检查。图3(方式)展览图片来自同一地区分别聚集在15和5 kV。15千伏CL强度更强,由于更多的高能电子束。这可以便于快速扫描,如前所述。

然而,一致EDS和改进算法,增加信号通常都会损害的空间分辨率,渗透到材料和随之而来的交互体积也更大(电子材料可以穿透超过2μm 300海里5 kV相比,使用蒙特卡罗赌场项目假设近似SiO的密度₂)[7]。

因此,图像在5 kV有更多的噪音,但更精确的空间属性显示这可能是高分辨率的研究价值的。这显然是体现在图3(公司)的图像。进一步的例子效果如图5所示(公司)。沉积岩(包括泥岩和页岩)的特征尺寸非常分钟降低电压可能需要记录所有关键的空间属性,但在砂岩的大部分属性都是足够的大小和增加电压一致。

体积是指出,电子交互不仅仅控制了空间分辨率和CL输出。材料的半透明和质地也有影响,(wavelength-dependent)吸收和散射的材料,除了反思材料界面,可以阻碍光outcoupling和检测[8]。

此外,与深度有关的结构实际的材料可能成为一个因素(如材料分层或划在垂直方向)。石英通常是相当透明的,所以有一种强烈的可能性实现光传输通过微米材料,没有主要的传播损失。欧洲杯足球竞彩

图3。全色1像素的PMT拍摄的图像(15 a)和(b) 5 kV使用10μs住在同一地区。(c)和(d)的图像显示炸毁的封闭的白盒(b)分别为15和5 kV,揭示空间分辨率的差异。测量了样品2。

阴极发光的对比在砂岩

感知到的CL对比现在进行更详细的检查。图4 (a, b)再一次表明SEM图像和全色CL图像从相同的样本收集区。尽管CL全色图像,它却提供了对比明显高于SEM图像。例如,在CL图像明显清楚的是,右上角晶粒破碎,裂缝是由另一个材料(部分)恢复扫描电镜对比相似,但较弱的全色CL信号。

这也适用于左下角谷物,在边境的一段材料在CL黑暗,和临近的表面材料有一个中间CL-intensity。找到更多关于破解区域,进行光谱成像,电子束的扫描和综合光谱激发位置(80 ms住时间)组装,从而生成3 d datacube。

图4 (c, d)显示了CL强度分布在425和650纳米波长纳入10纳米光谱带宽。很明显,材料的裂缝在λ是黑暗₀= 425海里与邻近的材料从谷物,但更在650纳米发光。这些差异可以通过生产(false)强调从datacube彩色RGB图像。

图4。(一)SEM图像的面积在示例1 (b)全色PMT 500年从同一地区μs停留时间每像素(图像分辨率:512×512)。颜色比例调整为适当的可见性图像的动态范围的所有特性。通过高光谱波长片datacube (c)λ₀= 425 (d) 650 nm显示2 d地图CL强度的波长(集成带宽10海里)。扫描区域对应于白盒(b)。(e)假彩色RGB图像可视化CL对比材料的裂纹和周围的粮食。(f) SEM图像对应的CL地图(汉英)。(g)的CL频谱的粮食(1)和(2)。我们从合成包括光谱热SiO 300 nm厚₂层硅供参考。1的光谱归一化光谱形状的直接比较。

的光谱在3部分隔离,扔进垃圾箱,这样这些光谱区域的整体强度描述一个RGB代码。在这个实例中B = 400 - 483 nm, G = 484 - 567 nm,和R = 568 - 650 nm选择,类似于真正的RGB颜色空间相当充分,包括相关的石英样品光谱贡献。

另一方面,CL频谱对应于一个特定的位置可以映射。在图4中(g)激发的CL频谱的粮食(位置1)和裂纹(位置2)绘制。在位置1和2有一个贡献在λ₀1 = 650海里,但相当大的峰值在425海里也很明显。

感知到的对比与事实的材料在图像有不同的物理结构/阶段由于其形成过程。欧洲杯足球竞彩这大大影响了绝对CL排放强度,除了发射的颜色。谷物和材料裂纹是石英所以只有低水平元素和密度的对比。因此,SE / EDS疯牛病的对比在这种情况下通常是低,这意味着额外的CL对比变得非常珍贵。

观察到的谱峰是石英的典型,表现出广泛的自由空间波长的山峰425和650海里(2、6、9)。它们通常与SiO先天缺陷有关₂矩阵[2,3]。高峰在λ₀= 425 nm主要位于深成岩和火山石英生产在相当高的温度。与之相反,λ的高峰₀= 650 nm恰巧与non-bridging氧孔中心(NBOHC)缺陷,可以发现在大多数品种的石英(2,6)。CL光谱表明,材料在位置1与碎屑深成石英颗粒与裂缝之间充满了低温自生SiO₂沉淀(位置2)[2,11]。

这是符合PMT形象(b)提供了一个扩展上下文的当地环境审查总结光谱图像。以及石英地质起源,这些光谱特性也可以位于合成石英热氧化硅等(见灰色曲线如图4所示(g))。这种材料也在高温下生成的,就像火成岩。不过,谱峰窄比地质标本,可能与均匀降低峰展宽的材料质量和纯度越高。

已经证明,钛杂质的外在CL石英也有重大的CL签名,产生一个健壮的CL特性在λ₀= 458海里(9、10)。铝是另一个常规的杂质在石英可以在λ带来CL发射带₀= 390 nm和λ₀= 500海里(4、6)。

虽然不能说肯定,似乎这些杂质在Delmic CL排放有轻微影响的案例中,也被发现在其他实例[4]。元素x射线映射或质谱可以用来证实发病率甚至建立这种杂质的浓度。

图5。(一)PMT图像(5 kV)用于确定一个ROI(白盒)样品2。(b)的扫描电镜图像ROI (a)。假彩色RGB图像来源于CL datacube收集该地区所示(b)和(c) 5 kV (d) 15千伏加速电压。光谱的位置显示在(d) (e) 5 kV (f) 15千伏。光谱归一化到最大的峰值谱1 (f)。

图4图5描述了类似的过程,但是在这个例子中,加速电压也改变了。5 (a)的PMT图像选择一个感兴趣的区域(ROI)高光谱成像。图5 (c, d)揭示了RGB CL图像5和15千伏加速电压。

CL测量再次发现实质性的“蓝色”和“红”的地区排放。也表示,颜色是不完全相同的两个电压,而15千伏更模糊的形象和统一;因励磁体积的差异。

(e)和(f)光谱显示为两个明显的区域指定(d),分别为5和15千伏。在这个例子中所有光谱已归一化光谱的最大1 (f)(蓝色曲线)允许一个更定量的分化。观察强度,整体CL收益率在5 kV或多或少15千伏相比低五倍。按照颜色编码(c, d)发现蓝色的高峰是在主导地位1而红高峰是在主导地位2。

此外,峰值比率是不同的5和15千伏。这可能是如何的不同材料的副产品转换产生的电子束。激发密度,再加上电子的能量分布在互动中体积,这些光束参数异卵,也许影响峰值振幅。此外,与深度有关的光outcoupling /吸收效果和材料结构/组成与深度有关的变更可能成为有影响力的。

图6。(一)全色PMT拍摄在样品单粒1。Wavelength-filtered(40纳米带通)PMT图像(b)λ₀= 450 nm和(c) 650海里500μs住时间。通过高光谱波长片datacube (d)λ₀= 425 nm和650 nm (e)。扫描区域对应的白盒(a) (f) RGB图像可视化CL对比微裂隙和周围的谷物。(g) SEM图像对应的白盒(a)。(h) CL光谱显微裂纹的粮食(1)和(2)。

细致的实验研究,在加速电压和电子束电流是详尽的变化可能会产生更大的洞察力,但超出了本文的范围。在图4和图5中的测量,裂缝比较大(~ 5μm)。粮食检验在图6中显示小微裂隙和蜘蛛深成普通的石英颗粒(2、9)。像更大的裂缝,这些在全色CL也显示为黑色。

利用颜色过滤PMT成像变得明显,这些裂缝也与自生石英填充。这是强化了高光谱实验展品非常相似的行为,以确定是什么在图4和图5。在某些情况下感知行为不同于图4 - 6。

图7。(一)全色PMT图像示例1。(b) Wavelength-filtered(40纳米带通)在λPMT的形象₀= 650海里。通过高光谱波长片datacube (d)λ₀= 425 nm和650 nm (e)。扫描区域对应的白盒(a) (e) RGB图像可视化CL对比材料的裂纹和周围的粮食。(f) SEM图像对应的白盒(b)。(g) CL光谱矩阵(1)周围的明亮和黑暗的谷物(2)。

在图7的蓝色/ UV不见了但还是有贡献的强度对比较小的晶体和邻近的网络。光谱检测表明,发射的颜色是一样的,只有强度不同。据悉,火山矩阵石英玻璃展品红色CL发射数量的缺陷,因为它有一个高于深成石英[2]但这里的两种石英检查也可以发散的沉淀SiO形式₂,类似于愈合的裂缝。

幽灵似地过滤PMT成像

在图6和图7带通滤波器已经利用前面的PMT探测器从示例指定特定的光谱特征。图8展示了另一个样本的图像捕获与带通滤波器在同一区域集中在λ₀= 450海里(b)和λ₀= 600 nm (c)(过滤器有一个40 nm的带宽)。

图8。单波长PMT测量用450 (a)和(b) 600 nm 40 nm带宽的带通滤波器。(c) SEM图像对应区域PMT的检查。(d)红蓝彩色图像的PMT图像(a)和(b)放置在蓝色和红色通道,分别。对于这些测试,我们使用一个40μs住时间。测量了样品2。

显然,图像有很大的不同;黑暗的部分600 nm和450 nm明亮,反之亦然,类似于图4 - 6、观察是什么规模放大。这样color-filtered图像可以融入一个多色的形象展示在图8 (d)(在这种情况下,图像(a)和(b)绘制到蓝色和红色RGB颜色通道,分别)。

这样的假彩色合成可用于任何颜色过滤器,和协助可视化CL属性。这种技术广泛应用,可以用来确定特定幽灵似地定义良好的内在和外在颜色中心。这些砂岩这种技术将上下文中的最佳人选进行实质性的快速分割部分为巩固和深成碎屑组件,例如。

结论和展望

总而言之,CL成像的价值在石英砂岩的背景下已被证明。互补的成像方式在CL网络可以集成构成一个有效的过程进行深入研究。(spectrally-filtered) PMT成像允许快速检查ROI决心和大面积成像为代表的总空间结构和纹理岩石在微/纳米尺度。

更全面的高光谱研究与摄谱仪可以实现发现这些岩石的结构和材料特性更深刻的,定量的水平。

并给出了结果,因为他们显然表明,巩固和粒状碎屑石英可以有效地定位和分割在CL成像。定量技术包括计数、甚至全面CL成像,可以用来近似体积比率粒间孔隙度、过度发育,碎屑石英。

这个比例之后可以实现评价初始孔隙体积,可调节砂岩的压实程度,例如[2、12、13]。仔细观察孔隙度、胶结、压实和(微)裂纹生成与CL是石油地质学相关的,因为这些收益量化指标对储层岩石的渗透率和存储容量。

通过合并与其他分析SEM-based CL成像方法,如疯牛病、EBSD,全面改进算法,EDS完全自动化沉积岩可以进行研究。此外,高分辨率二维数据中提取的CL理论上可以集成与聚焦离子束铣或从μCT获得的信息来获得三维岩石结构的认识。这些前景非常刺激,甚至可能带来更全面的和自动的方法研究沉积岩过程和属性。

引用

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