|
МИКРОМИР
ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
МИКРОСТРУКТУРА
ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
Наряду с минеральным составом,
исследование которого с помощью ПЭМ
описано выше, другим важным фактором,
определяющим многие свойства глинистых пород,
является их микроструктура. Под
микроструктурой будем понимать размер и форму
глинистых частиц и микроагрегатов
(совокупностей частиц), их взаимную ориентацию и тип структурных связей (то есть сил,
действующих на контактах между твердыми
структурными элементами) [4].
Микроструктура глинистых пород очень
чувствительна к изменению условий накопления
минерального осадка и его последующих
геологических преобразований. С точки зрения
одного из основоположников отечественной
инженерной геологии И.В. Попова, микроструктура
отражает влияние различных физико-химических
факторов на процессы структурообразования.
Таким образом, микроструктура является
своеобразной "фотографией" тех условий, в
которых сформировалась данная глинистая порода.
В ней за счет специфического сочетания различных
морфометрических (размер, форма, характер
поверхности структурных элементов, их
количественное соотношение), геометрических
(пространственное расположение структурных
элементов) и энергетических (структурные связи)
признаков как бы заложена информация о прочности
и деформационном поведении породы, о возможном
характере изменения под действием тех или иных
условий. Таким образом, решая обратную задачу и
количественно определяя соответствующие
микроструктурные параметры, можно не только
предсказывать многие свойства глинистых пород,
но и дать достоверный прогноз их изменения при
различных воздействиях. Подобная информация
чрезвычайно важна при изысканиях и
строительстве различных инженерных сооружений,
при решении многих природоохранных и
экологических задач.
Устройство и принцип действия растрового
электронного микроскопа
К сожалению, до середины 50-х годов у
исследователей не было достаточно надежного
инструмента для изучения тончайшей структуры, то
есть микроструктуры глинистых пород, так как
световая оптика не обеспечивала требуемого
разрешения, чтобы изучать морфологию глинистых
частиц и их микроагрегатов, тип контактов между
ними, характер порового пространства, ориентацию
частиц в пространстве. Просвечивающий
электронный микроскоп, хотя и дает высокое
разрешение, обычно применяется для изучения
кристаллографических особенностей глинистых
частиц; с его помощью изучают отдельные твердые
структурные элементы, специально извлеченные
для этого из породы.
Принципиально новый этап в
исследовании глинистых пород начался в конце 50-х
годов, когда стали использовать растровую
электронную микроскопию. Растровый
электронный микроскоп (РЭМ)
построен аналогично ПЭМ, но в отличие от него
имеет подвижный исследовательский зонд -
тонкосфокусированный пучок
электронов. При этом используется
телевизионный принцип развертки пучка в растр (в
кадр). Отсюда и название - растровый
электронный микроскоп. В англоязычных странах
используется другое название - сканирующий электронный
микроскоп (СЭМ), имея в виду, что
пучок электронов сканирует, то есть пробегает по
некоторому участку поверхности образца.
Процесс сканирования электронного зонда
осуществляется с помощью специального
устройства - отклоняющих катушек, на которые
подается знакопеременный потенциал. На пути
следования пучка имеются две пары взаимно
перпендикулярных отклоняющих катушек, которые
осуществляют кадровую (вертикальную) и строчную
(горизонтальную) развертки пучка. В отличие от
ПЭМ с помощью РЭМ можно исследовать массивные
(объемные) образцы.
В основе работы РЭМ лежит следующее
физическое явление. При соударении электронного
зонда с поверхностью массивного образца в его
приповерхностной области формируется так
называемая зона
генерации сигналов, имеющая грушевидную форму [5]. При этом из зоны генерации
начинается эмиссия различных
сигналов, в том числе оже-электронов, вторичных электронов, отраженных
электронов, характеристическое
рентгеновское излучение и др. [5].
Каждый из этих сигналов несет определенную
информацию о составе и строении образца.
Например, с помощью характеристического
рентгеновского излучения можно определить, из
каких химических элементов состоит образец;
оже-электроны позволяют узнать химический
состав тончайшего (до 10 ангстрем) поверхностного
покрытия и т.д. Ученых, изучающих микроструктуру
образцов, больше всего интересует сигнал
вторичных электронов. Дело в том, что этот
сигнал, большая часть которого состоит из
медленных электронов с энергиями до 50 эВ, несет в
себе информацию о морфологии
поверхности исследуемого образца. Энергия
вторичных электронов пропорциональна углу
наклона элементарной площадки на поверхности
образца, из которой они вылетают. Собирая эти
электроны и детектируя их по энергиям, можно
получить изображение элементарной площадки в
данной точке в виде пятна определенной яркости.
В РЭМ пучок электронов сканирует по
поверхности образца, то есть дискретно построчно
"обегает" всю исследуемую поверхность, выбивая
в каждой точке вторичные электроны. Детектируя
по энергиям суммарный сигнал вторичных
электронов, можно воссоздать картину
распределения элементарных площадок по всей
поверхности образца в виде последовательности
точек различной яркости.
Теперь рассмотрим процесс визуализации
поверхности в РЭМ. Сигнал вторичных электронов
регистрируется детектором и после усиления
модулирует локальную яркость на экране
телемонитора, развертка которого синхронна со
смещением электронного зонда по поверхности
образца. Таким образом, каждый элемент
поверхности образца находится во взаимно
однозначном соответствии с яркостью
определенного места на экране. Так как яркость
элементарной площадки поверхности образца
зависит от наклона относительно освещающего ее
света (падающего пучка электронов) и так как РЭМ
имеет очень большую глубину фокуса, то
полутоновое изображение, возникающее на экране
микроскопа, воспринимается глазом как объемное.
Увеличение прибора определяется
соотношением амплитуд развертки луча по экрану
микроскопа и на образце. Чем меньше амплитуда
развертки зонда на образце, тем
больше увеличение, и наоборот.
Назад| Следующая
страница
|
