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储层类型不同,产生堵塞的主要原因也不同。沉积盆地型地热田多年地热回灌实践表明,基岩岩溶裂隙型储层以裂缝为主,裂缝连通性能较好,在做好洗井、地热尾水处理等前提下,堵塞现象较少,甚至产生负压回灌,回灌率能达到80%以上,甚至100%回灌。而孔隙型热储层由各种原因引起的堵塞问题则较为复杂,以华北平原沉积盆地型地热田新近系热储层为例,在断层活动量微弱、盆地以大范围整体沉降为特征的地质背景下,辫状河、曲流河发育,形成了冲、洪积扇和河流相堆积。不同沉积微相控制着储层的发育特征,造成碎屑岩层多孔介质孔隙截面积较小,流通主要受孔隙喉道控制孔隙喉道表面粗糙,形状弯曲多变、不规则,难以进行描述和仿真。回灌流体以水平方向运动为主,与碎屑颗粒接触面积大,需克服排替压力、孔道表面摩阻力,从而使回灌流体流速低,在其他因素影响下,易产生堵塞。
由国内外专家对各国不同热田的多个回灌事例进行调查考证的有关统计数据表明,有80%的回灌井出现了堵塞,情况极其复杂,可能是单一或多种原因复合作用的结果,其中悬浮物引起的堵塞所占比例较大(表7-1)。
表7-1 回灌堵塞原因统计表
1.悬浮物堵塞
地热流体中由悬浮固体颗粒引起的回灌系统堵塞最为常见,悬浮物堵塞主要由回灌流体与储层相互作用引起,与流体内所含细小颗粒的成分、大小有关,与储层、孔隙参数如大小、形状、扭曲度以及运移过程、流体动力、惯性力等有关。注入井内的流体中运动的细小颗粒在地层中的某一位置发生阻塞时,该位置的压力和悬浮流速已经不能维持颗粒的正常运移,使颗粒被驻留,从而形成阻挡环状区域。如:由于固与液密度不同,重力作用使比流体运动慢的颗粒就可能驻留沉淀在砂岩的某个位置而不再随流体运动固相颗粒的浮力使之偏离原来的惯性流向而与地层砂岩壁面的纹理相接触并沉积下来在非球形或不规则的剪力场水力影响作用下,颗粒会向吸附面作侧向移动并被吸附由于尺寸形状关系,颗粒不能跟随流体在细小、扭曲的路径中运动,它们会碰撞到地层砂岩上,而被吸附拦截散乱性的布朗运动使颗粒从主流中分散开去并被困于地层某个角落。
悬浮物成分的定性定量研究测试在天津地区地热回灌中作过较为详细的工作,试验中采用0.45μm聚四氟乙烯过滤膜对回灌流体中的悬浮物颗粒进行过滤,并对截留物质进行SEM分析。统计结果表明:某些地热井仅过滤了50mL的水量,就在过滤膜上积累了较多的颗粒物。其中新近系孔隙水9个样品中6个有滤出物,占67%基岩裂隙水18个样品中16个有滤出物,占89%。检测出的成分有:斜长石,石英,钾长石,Mg和Fe的硅酸盐,Fe(或Zn,Cu,Hg)的硫化物或氧化物,CaCO3等。根据滤出量的多少可分为高、中、低、无四档含量。滤出物含量为高档时,成分以Zn,Fe的硫化物,NaCl和斜长石为主中档时以Fe的硫化物,NaCl,斜长石为主低档时以Fe的硫化物,CaCO3,NaCl,石英为主。值得注意的是:从高档向低档,滤出物的检出成分逐渐复杂,从低档向高档,滤出物则向某几种成分集中。此外,还对处理回灌流体的过滤棒截留物进行了分析,表72是天津市东部地区开采井(DL-25:馆陶组,1331m)的循环尾水回注到另一回灌井(DL-25B:馆陶组,1360.19m)前被过滤棒截留的固体成分分析结果。由分析数据可知,Zn,Fe的化合物是造成该孔隙型地热回灌井悬浮物堵塞的主要原因,根据滤膜截留物分析,应为FeS,ZnS。而根据开采井水质全分析报告, 含量一般为0.02～2mg/L,仅占主要阳离子Na+,Ca2+总量的万分之几,但由于供热系统以铁管,铸铁散热片为主,所以对回灌流体进行除Fe、除Zn处理,可有效地防止悬浮物的阻塞。
表7-2 DL-25回灌流体过滤棒固体成分分析结果
2.微生物作用
存在于回灌流体中或地表的微生物可能在适宜的条件下,在回灌井周围迅速繁殖,形成生物膜,堵塞介质孔隙,降低含水层的导水能力。如在富含硫酸盐地层的流体和低温状态时,会加速一种消耗硫酸盐的细菌生长,形成一种细胞粘土将介质孔隙堵塞。地热流体中微生物种类大致包括硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(FB)、腐生菌(TGB)等,3种细菌具有共生性,在流体运移和其他化学组分的作用下可繁殖累积产生沉淀。若含有大量铁细菌及硫酸盐还原菌的流体进行回灌,则可能导致地层的有效渗透率下降,输水管网或井管产生严重堵塞腐蚀,甚至可能由于硫化氢含量的增加,导致地下热流体质量恶化,对储层造成不可逆转的影响。天津地区有些基岩同层采灌对井如HD12\HD13,HD11\HD20等,均发现存在硫酸盐还原菌、铁细菌,致使回灌效果受到一定影响。在孔隙型地层中,地热井采用滤水管成井工艺,由于热储层渗透率小、岩石粒径细,热流体中含砂量大,滤水管网处较易聚集细微颗粒,极易滋生繁殖各类细菌,产生微生物堵塞,使得孔隙型回灌相对基岩更困难,这类由地层滋生出来的细菌主要是腐生菌,其生存条件与地层温度、压力等特定条件关系密切。
地热系统中,由于金属管材成井的地热井和金属输水管路设备,铁细菌较常见。铁细菌为好氧菌,能在中性或偏酸性流体中发育,在和铁质的输水管接触过程中加速Fe2+氧化成Fe3+,从而形成Fe(OH)3沉淀。地下水中所含的铁主要以Fe(HCO3)2的形式存在,在铁细菌的作用下,会发生如下反应:
2+H2O+1/2Fe(HCO3) O2→2Fe(OH)3↓+4CO2+能量2
铁细菌的生长条件主要有:①适宜的水温:铁细菌是种“嗜冷”微生物,尤其在回灌井中12℃以上水温是最适于生长的②丰富的Fe2+:铁细菌以Fe2+为生,因滤水管是铁管缠丝,易发生电化学腐蚀,溶解于地下中的大量Fe2+可供铁细菌生长③所需的溶解氧:铁细菌对氧的需要不亚于Fe2+,地下水中的溶解氧一般仅1～2mg/L,但由于回灌流体含较高的溶解氧,还有空气混入井内,也增加了地热流体溶解氧的含量,为铁细菌的大量繁殖提供了条件。另外,溶解氧也加速电化学腐蚀,使地热流体中的Fe2+含量增加④合适的pH值:当pH值在8以上时,流体中不含Fe2+,间接抑制了铁细菌的生长当pH值在6.5～7.5时,最有利于铁细菌生长⑤共生的有机物:地热流体中常含有大量的有机物与之共生,易促使铁细菌的生长。
3.化学沉淀堵塞
低温地热回灌流体的化学性质及任何变化都对回灌效果影响较大。地热流体中化学成分的浓度与压力、温度关系密切,相对低温的回灌流体注入与储层局部热流混合会引起化学平衡的偏差,造成化学组分变化,不仅改变热储层物理性质,还可能产生较复杂的化学沉淀物质,腐蚀或结垢也较普遍,从而影响储层的吸水能力。由于回灌过程中产生的热力学变化如压力、温度下降和pH值变化等,当回灌流体注入储层与热储流体混合,可能与储层介质或储层流体化学成分不相容,形成沉淀堵塞通道或可能发生某些反应新生成化学物质而影响水质或可能从岩石中溶解某些矿物(盐敏、酸敏),改变原有的化学平衡或水岩反应造成储层孔隙度变化或形成化学沉淀堵塞储层孔(裂)隙通道……另外各种原因的腐蚀也是产生化学沉淀堵塞的重要因素。地面处理设施只是考虑了利用末端化学堵塞问题,但即使是同层原水回灌,由于压力温度的改变,水源混合再发生化学变化也极为复杂,是一个较难解决的问题。
(1)岩石矿物析出
地热流体从地下到地面(抽水)、再从地面到地下(回灌),由于压力和温度的变化而产生的化学物质析出或溶解的状况比较复杂,主要与流体所含离子析出的多重条件及析出过程的变化趋势有关,特别是析出后可生成颗粒的物质、粒径,产生析出的临界温度、压力,在什么件下可发生逆向反应等。其次,储层内矿物的饱和指数也是一个关键性的界定范围指标。
矿物质在溶剂过程中的饱和度(SI=lg(LAP/K),SI:饱和状态指数,LAP:离子活性值,K:溶解性值)及达到过饱和状态溶液的稳定性也会影响化学沉淀产生,有些矿物质在环境温度压力变化的情况下会过饱和(SI＞0)析出而产生沉淀导致回灌堵塞,影响回灌效果。
应用PHREEQC 2.11物种计算程序模拟软件对矿物的饱和指数SI进行计算,结果表明:沉积盆地地热田热储流体中的大部分矿物(如CaCO3,MgCO3,CaMg(CO3)2,CaF2,Ca5(PO4)3F,SiO2)都处于饱和状态Fe,Zn矿物多处于过饱和状态。因此,在热流体的赋存环境发生变化时,可产生一系列的矿物析出在回灌井底沉淀而导致堵塞,最常见的几种矿物为碳酸钙、石英、铁锌氧化物和硫化物。
(2)Ca(Mg)CO3沉淀
理论上分析,根据静水力学压力和温度数据关系,CO2在低温下的溶解度高于在高温下的溶解度,因此即使开采井中地热流体呈方解石饱和状态,抽出的热流体由于CO2的损失及经板换取热之后温度降低,循环尾水即回灌流体不会达到碳酸钙的饱和状态而产生沉淀。但由于地热流体自地下深处向上运移时压力快速减小, 含量较高的流体会释放一定量的CO2气体,如果末端处于开口状态致CO2逸出,则产生Ca(Mg)CO3沉淀的可能性会增大:Ca2+(Mg2+)+ =Ca(Mg)CO3↓+H2O+CO2↑。大部分沉积会出现在管道循环末端和接头处,如位于天津北部的宝坻区地震观测孔王4(寒武系,井深2072.41m,温度96℃),自1978年成井后一直自流,在井口周围产生了大量的钙华宝坻区BD 04井(Jxw,井深2695.8m,温度105℃)口径为Φ25mm的出口水龙头几乎被碳酸钙垢全部堵塞另有部分可沉积在滤水管附近,虽然这部分量较小,但长期运行可产生一定程度的堵塞。
地热流体在热量被利用后回灌到热储层前,为预防气堵都采取排气措施,部分或全部CO2气体逸出,有可能破坏流体内化学平衡关系,致使回灌水源中的 向 转化而生成Ca(Mg)CO3沉淀。但是这种反应较缓慢,且在完全封闭的地面传输过程中不足以反应完全,不过随着时间推移和反应程度加深,流体进入储层内也有可能发生,堵塞将会出现。根据天津市多年回灌实践经验,深部基岩采灌系统中回灌流体方解石未饱和较明显浅部新近系和第四系采灌系统中情形不太明显,开采井和回灌井都呈现过饱和,因此不能排除回灌过程中发生碳酸钙沉淀的可能。
(3)石英沉淀
对高温地热流体来说,石英沉淀是导致回灌化学堵塞的较大潜在因素,石英饱和主要是因为可溶解性SiO2在温度达到250℃临界状态之前,其在热流体中的天然溶解度与温度呈显著的线性相关关系,所以任何形式的传导性、对流性或者混合降温过程都可能使石英、玉髓过饱和导致沉淀,尽管其沉淀速度较慢。
从动力学角度上讲SiO2浓度在溶液中的再平衡速度相对较快,但实际上还不足以再次达到平衡状态。尤其是处于不同地质构造单元里的地热井,石英控制相是不同的,且单晶硅的可溶性大于石英。由取样分析可知,沉积盆地型地热田中热储流体石英均呈过饱和,部分则出现玉髓过饱和,因此回灌系统中产生石英沉淀的可能性较大。例如天津东部滨海地区孔隙型热储层中,在热流体80℃冷却至35℃,压力维持在0.1MPa的模拟试验研究发现,原本矿化度很低、管道中结垢不是很严重的回灌流体,结垢矿物主要成分(定性)是方解石、斜绿泥石、白云石、黄铁矿和非晶质硅,每1mL热流体中沉淀矿物(定量)为0.059g,其中二氧化硅占72.7%,方解石为24.72%,斜绿泥石为1.72%,黄铁矿为0.43%,白云石为0.40%。回灌时当注入流体温度大于35℃时,由于水岩反应可能从岩石中溶解矿物,致使有些矿物呈不饱和状态,进而造成储层孔隙度发生变化。
(4)金属化合物沉淀
应用PHREEQC-2.11模拟软件分析发现,地热流体中Fe,Zn化合物的SI值多为正值(磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿、硅锌矿等),达到过饱和状态,其中Fe(OH)2的SI=2～6,FeS2,Fe3O4,Fe2O3多为SI＞10,最大的Fe3O4的SI=21.3ZnSiO3,Zn2SiO4的SI=2～7(仅FeS的SI=-1～-3.5,处于非饱和状态)。通常认为在深部基岩高温地热流体中这些矿物是饱和的,但在新近系甚至第四系的低温流体中也发现这些物质过饱和,说明这种饱和可能不是因为热储流体原本如此,而可能是由被地热流体腐蚀的劣质成井套管、潜水泵管及镀锌测管的Fe,Zn进入流体中引起的过饱和(新近系地热流体取样是在抽水半小时之后,井筒中静态流体全部排出,在腐蚀性评价中,水质往往是不腐蚀或轻微腐蚀)。在安装有镀锌材质测管的回灌井中,ZnS的含量往往高于没有测管的地热井,就说明了管材对水质的较大影响。矿物过饱和析出物多以悬浮物形式存在于热流体中,大部分可以被回灌水处理装置如过滤器的过滤棒截留,但以过饱和离子状态存在的Fe,Zn(尤其是不稳定的Fe(OH)2受氧化易生成Fe2O3)可以缓慢形成稳定的化合物而逐渐沉淀下来,堵塞于滤水管或细小的孔裂隙中。在实际的对井采灌系统中,除发现石英与方解石以悬浮固体的形态与热流体共存外,过滤截留的铁 锌化合物几乎在所有的回灌流体中都能发现,而且在某些对井系统中还能看到位于热交换器之前的过滤器上充满了铁的氢氧化物(Fe(OH)3·nH2O)。
通常在地热利用中,如果成井套管和供热设备采用优质钢材的情况下,由铁质材料腐蚀导致的堵塞并不常见。但如果流体中气相成分富含H2S的话,由于H2S氧化转化为 H2SO4而导致溶液中较高的酸度,使Fe氧化为Fe2+,将产生自由氢气(Fe+H2S+4H2O=Fe2++H2↑+ )类似的反应也可能由自由氧触发,特别是在氧化还原电位较低的情形下或者最糟的可能是,当自由氧与硫细菌同时存在。事实上,回灌的后果之一就是可能将空气中的新鲜自由氧气带入地下,一旦氧气溶解到流体中,特别是储层温度要远高于回灌流体温度的情况下,因为气体在较高温度下溶解度降低,氧气将重新释放到气相中,很自然地气体将再一次向地表流动,尤其将沿着井管壁移动,因为套管正好为其提供了更为畅通的流动渠道。
4.气体阻塞
来自深部的地热流体含有或多或少的各种气体,流体中的溶解性气体可能会因温度、压力的变化而释放出来。此外,也可能因生化反应而生成新的气体物质,典型的如反硝化反应会生成氮气和氮氧化物。进行回灌时,由潜水泵抽出的地热流体经循环换热后注入回灌井,循环流动的流体中或由于自身存留的气体或生化反应产生的新气体或空气渗入等可能携带大量气泡。即使地热循环利用后的尾水经过排气处理再进行回灌,但在回灌量较大、流速较快时,有些气体来不及逃逸而又被裹携注入井管甚至进入热储层而使回灌不畅,引起气堵。气泡的生成在潜水含水层中影响较小,因为气泡可自行溢出但在承压含水层中,除防止空气渗入使注入流体夹带气泡之外,对其他原因产生的气体也应进行特殊处理。
5.黏粒膨胀和扩散
黏粒膨胀和扩散是较为普遍且常见的因化学反应产生的堵塞,主要是因为注入流体中所含离子和储层中粘土颗粒上的阳离子发生交换导致黏粒膨胀和扩散。从化学理论上分析,这种原因引起的堵塞可以通过注入CaCl2等盐类来处理。
6.含水层细颗粒重组
当回灌井又兼作抽水井时,反复的抽、灌可能引起存在于井壁周围的细颗粒介质的重组,这种堵塞一旦形成,很难处理。所以在此种情况下,回灌井用作抽水井的频率不宜太高,因此抽水回扬作为一种洗井手段也并不是完全有利于回灌的,虽说长时间耽置停用的井在启用之前抽水回扬很有必要,但回灌过程中频繁回扬则不太可取。尤其在孔隙型热储层中,时常采用反抽洗井方法来提高回灌率,但一定要对因回扬洗井而产生含水层细颗粒重组引起的堵塞进行全面充分地分析,制定合理的回扬方案。
xianweijing显微镜microscope将微小物体或物体的微细部分高倍放大，以便观察的仪器或设备。它广泛应用于工农业生产及科学研究。生物学和医学工作者在业务中也经常使用显微镜。大致分为光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜即以可见光为光源的显微镜。普通的光学显微镜在结构上可分为光学系统和机械装置两个部分。光学系统主要包括目镜、物镜、聚光器、光阑及光源等部分。机械装置主要包括镜筒、镜柱、载物台、镜座、粗细调节螺旋等部分（图1[光学显微镜]）。其基本光学原理如图2[光学显微镜成像原理模式图],图中左边小的凸透镜代表短焦距的一组透镜，称物镜。右边大的凸透镜代表长焦距的一组透镜，称目镜。被观察的物体(AB)放在物镜焦点(f)稍外的地方。物体的光线通过物镜后在目镜焦点(f)稍内方形成一个倒立的放大实像(BA)。观察者的眼睛通过目镜将该实像(BA)进一步放大为一个倒立的虚像(BA)。目镜位于显微镜筒的上方，一般由两个凸透镜构成。它除了进一步扩大物镜所形成的实像之外，也限制了眼睛所观察的视野。按放大率分,常用目镜有5倍、10倍和15倍三种。物镜一般位于显微镜筒的下方，接近所观察的物体。由8～10片透镜组成。其作用一是放大(给物体造成一个放大的实像）,二是保证像的质量,三是提高分辨率。常用物镜可按放大率分为低倍(4×)、中倍(10×或20×)、高倍(40×)和油浸物镜(100×)。多个物镜共同镶在换镜转盘上，可以按需要转动转盘选择不同倍数的物镜。显微镜的放大倍数为目镜倍数乘物镜倍数，如目镜为10倍，物镜为40倍,则放大倍数为40×10倍（放大400倍）。优良的显微镜可放大2000倍，可分辨相距1×10cm的两点。当白光通过凸透镜时,波长较短的光（蓝紫色）,其折射度大于长波长的光（红橙色），因此，成像时在像周出现各色光谱围绕,并且有一圈蓝色或红色的辉光,这种颜色上的缺陷称为色差。由于光线进入（和离开）透镜镜面各部分的角度不同，从透镜四周透过的光线与从透镜中心透过的光线相比，其折射角度较大。因此，成像时在像周出现模糊而歪曲的影像。这种成像面弯曲的缺陷称为球面差。一系列形状、结构和距离不同的凸和凹透镜组互相配合，便能最大限度地纠正色差和球面差，形成一个明亮、清晰而准确的影像。这就是目镜或物镜分别由一组透镜构成的缘故。这种透镜称为平场消色差透镜。光线从一种介质（如空气）投射到另一种较为致密的介质(如玻璃)中时会弯向“法线”（与介质交界面垂直的一条线）,如图3[光线通过物镜时的情况]中的BOA线。光线由致密介质(玻璃)进到不致密介质(空气)中时会偏离“法线”，如AOB线(图3a)当光线穿过聚光镜玻璃(折射率为1.51)进入空气时同样会偏离,向外折射,因此进入物镜的光量减少很多，像的分辨力也降低。使用100倍物镜时,如果在物镜和盖玻片之间充以油液（折射率同样为1.51）以隔绝空气，则光线几乎可以不折射地进入物镜，这就增加了像的亮度和分辨率。这种物镜称为油浸物镜(图3b)。聚光器位于显微镜台的下方，可会聚来目光源的光线，将光量集中于标本，使标本受到光强适度的均匀照射。聚光器的下端装有孔径光阑（光圈）以控制光束的粗细。普通光学显微镜的照明光源位于聚光器的下方，为特制的照度均匀的强光灯泡，并且配有可变电阻，可以改变光线的强度。由于普通光学显微镜的光源光线自镜体下方向上透射，通过聚光镜、物镜，达到目镜，因此在医学及生物学研究中必须将被观察的样品切成能透过光线的、厚约6m的薄片，并且要进行染色以显示不同的组织和细胞等细微结构。整个加工过程称常规组织制片技术，包括选取适当的组织材料经甲醛（福尔马林）液固定，逐级酒精脱水，石蜡包埋，用切片机将组织切成薄片裱在玻璃片上，再经苏木素―伊红染料着色，最后将组织玻片封固在光学树脂胶内。制好的组织玻片可长期保存。显微镜的目镜和物镜安装在镜筒的两端，它们的距离是固定的。将组织玻片放在载物台上，旋转粗调螺旋使载物台接近物镜。组织切片进入物镜第一焦平面，目镜内即可见标本内的组织影像。然后用细调螺旋使目镜内的影像清晰即可进行观察。改换放大倍数时就要调换目镜或物镜。医学和生物学常使用的光学显微镜有下列12种：暗视野显微镜在普通光学显微镜台下配一个暗视野聚光器（图4）,来自下面光源的光线被抛物面聚光器反射，形成了横过显微镜视野而不进入物镜的强烈光束。因此视野是暗的，视野中直径大于0.3m的微粒将光线散射，其大小和形态可清楚看到。甚至可看到普通明视野显微镜中看不见的几个毫微米的微粒。因此在某些细菌、细胞等活体检查中常常使用。实体显微镜由双筒目镜和物镜构成。放大率7～80倍。利用侧上方或下方显微镜灯照明。在目镜内形成一个直立的放大实像，可以观察未经加工的物体的立体形状、颜色及表面微细结构,并能进行显微解剖操作,也可以观察生物机体的组织切片。荧光显微镜在短波长光波(紫外光或紫蓝色光,波长250～400nm）照射下，某些物质吸收光能，受到激发并释放出一种能量降级的较长的光波（蓝、绿、黄或红光，波长400～800nm），这种光称荧光。某种物质在短光波照射下即可发生荧光，如组织内大部分脂质和蛋白质经照射均可发出淡蓝色荧光，称为自发性荧光。但大部分物质需要用荧光染料（如吖啶橙、异硫氰酸荧光素等）染色后，在短光波照射下才能发出荧光。荧光显微镜的光源为高压汞灯，发出的紫外光源经过激发滤光片(此滤光片可通过对标本中荧光物质合宜的激发光)过滤后射向普勒姆氏分色镜分色镜将激发光向下反射,通过物镜投射向经荧光染料染色的标本。染料被激发并释放出荧光,通过物镜,穿过分色镜和目镜即可进行观察。目镜下方安置有屏障滤片(只允许特定波长的荧光通过)以保护眼眼及降低视野暗度(图4[荧光显微镜光学原理])。荧光显微镜的特点是灵敏度高，在暗视野中低浓度荧光染色即可显示出标本内样品的存在，其对比约为可见光显微镜的100倍。30年代荧光染色即已用于细菌、霉菌等微生物及细胞、纤维等的形态观察和研究。如用抗酸菌荧光染色法可帮助在痰中找到结核杆菌。40年代创造了荧光染料标记蛋白质的技术，这种技术现已广泛应用于免疫荧光抗体染色的常规技术中，可检查和定位病毒、细菌、霉菌、原虫、寄生虫及动物和人的组织抗原与抗体，可用以探讨病因及发病机理，如肾小球疾病的分类及诊断，乳头瘤病毒与子宫颈癌的关系等。在医学实验研究及疾病诊断方面的用途日益广泛。偏光显微镜从光源发出的光线通过空气和普通玻璃时，在与光线垂直的平面内的各个方向以同一振幅进行振动并迅速向前方传递，这是光的波动性原理。空气与普通玻璃为各向同性体，又称单折射体。如果该光源的光通过一种各向异性体（又称双折射体）时，会将一束光线分为各只有一个振动平面的，而且振动方向互相垂直的两束光线。这两束光线的振动方向、速度、折光率和波长都不相同。这样只有一个振动平面的光线称偏振光。偏光显微镜即利用这一现象而设计。偏光显微镜内，在物镜与目镜间插入一个检偏镜片，光源与聚光器间镶有起偏镜片，圆形载物台可以作360°旋转（图5[偏光显微镜光学原理]）。起偏与检偏镜片处于正交检偏位时，视野完全变黑。将被检物体放在显微镜台上。若被检物为单折射体，则旋转镜台，视野始终黑暗。若旋转镜台一周，视野内被检物四明四暗，则说明被检物是双折射体。许多结晶物质（如痛风结节中的尿酸盐结晶、尿结石、胆结石等），人体组织内的弹力纤维、胶原纤维、染色体和淀粉样原纤维等都是双折射体，可借偏振光显微镜术检验，进行定性和定量分析。位相显微镜又称相差显微镜或相衬显微镜。普通光学显微镜之所以看不见未染色的组织、细胞和细菌、病毒等活机体的图像，是因为通过样品的光线变化差别（反差）很小。标本染色后改变了振幅（亮度）和波长（颜色），影响了反差而获得图像。但是染色会引起样品变形，也可使有生命的机体死亡。要观察不染色的新鲜组织、细胞或其他微小活体必须使用位相显微镜。位相显微镜的原理是两个光波因位相差而互相干涉，出现光波强弱和反差的改变而成可见影像。点光源发出的光线可以表现为正弦波图形(图6a[位相显微镜])。两个波峰间的距离为波长,波的振幅表示光的亮度(振幅大、亮度高)。设想同一光源发出的两条光波,分别同时通过空气及某种透明介质。在通过一定厚度的某种透明介质时，光波的速度就会降低，但是光的亮度未变。光波在通过该透明介质后比一直在空气中前进的另一条光波迟滞了波长，因而两条光波出现了位相的变化（位相差）。但人眼不能分辨这两条平行光线的位相差。如果这两条光波射到光屏的同一点上，而且一条光波比另一条光波迟滞了半个波长，即两条光波因位相相反而互相干涉抵消则光线消失，或者相对振幅相互影响而光线减弱。如果一条光波虽然迟滞了一个波长,但两条光波位相相同,则因波的叠加而光线增强。位相显微镜的基本结构与普通光学显微镜相同。不同之处在于：①物镜镜头上面，在物镜第二焦平面装有一块圆盘状的位相板（图6b[位相显微镜]）。②聚光器下面，在聚光器第一焦平面装有环形光束，光束上刻有狭窄的缝隙可通过环形强光(图6c[位相显微镜])。如图6d所示，环形光束A点发出的光线经过聚光器后成为平行光线。光线通过载物台上的样品时，因样品内各个质点(如b点)的折射率不同而受到干涉，发生衍射,即分为未偏向波（实线）和偏向波(虚线)。未偏向波通过物镜聚焦于位相板A点上成像，然后通过位相板，均匀地分布在标本像平面上成为背景。偏向波通过物镜后从位相板A点周围通过位相板同样聚焦在像平面的B上。换句话说，未偏向波和偏向波是分别通过位相板的不同部位。在位相板上不同的区域涂有不同的涂层，可以分别改变未偏向波或偏向波的速度和亮度，由此两种光波出现了位相差，差了半个波长或一个波长，它们在像平面的合波就出现明暗对比，样品内的各个细节也就能看得见。总之，位相显微镜是利用样品中质点折射率的不同或质点厚度的不等，产生光线的相位差，使新鲜标本不必染色就可以看到，而且能够观察到活细胞内线粒体及染色体等精细结构，还可以应用于霉菌、细菌、病毒等更微小活体的研究，进行标本形态、数量、活动及分裂、繁殖等生物学行为观察，并可进行量度与比较。倒置式显微镜普通显微镜镜的物镜头方向向下接近标本。倒置式显微镜的物镜镜头则处于垂直向上的位置，因此目镜和镜筒的纵轴与物镜的纵轴呈45度角。载物台面积较大，在物镜上方，载物台上方有一个长焦距聚光器和照明光源。物镜和聚光器可装配位相显微镜的附件。放大率16～80倍。组织培养瓶和培养皿可以直接放在载物台上，进行不染色新鲜标本及活体、细胞的形态、数量和动态观察。可进行多孔微量生物化学及免疫反应平板的结果观察。倒置式显微镜可换用普通亮视野光学镜头；可装配偏振光、微分干涉差、荧光附件进行观察。微分干涉差显微镜(DIC)又称干扰或干涉显微镜。能看到和测定微小的位相变化，与位相显微镜相似，使无色透明的标本具有明暗和颜色的变化，从而增强反差。在普通光学显微镜的基本结构上安装偏光和干涉部件，以及360°旋转载物台它又利用偏振光的干涉原理。如图7[微分干涉差显微镜光学原理]所示,在光源上方安置有起偏镜片和光束分解棱镜。从起偏镜片出来的直线偏振光通过光束分解棱镜后，分成互相垂直振动的两条直线偏振光。两条光线经聚光器折射后射向样品。因样品内各个质点的折射射率不同，部分光波的位相改变及因干涉而发生横向偏移。两条光线通过物镜后经第二组光束分解棱镜相合并，由检偏镜发生干涉。终末像的每一个点是由物体上同一点的两个互相重叠的不同图像构成的一种混合像，从而使肉眼得以辨识。微分干涉差显微镜同样可以观察到在普通亮视野中看不见的无色透明物体,可以观察细胞、细菌等活体,而且影像呈立体感，较位相显微镜的影像更细致、更逼真。可用它对活细胞的各个部位作更精细的研究。如果用白光照明，不同位相表现为各种颜色，转动载物台，颜色会发生变化。单色光照明产生明暗反差，各种成分呈现不同的对比度。微分干涉差显微镜又可以作为一种高度精密的超微量光学天平来使用，用以估测的干物体的精确质量可以小到1×克。当细胞中所含固体物质的浓度增加百分之一时，其折射率相应增加0.0018。细胞各相成分的折射率可以根据它与相关区域（悬浮液区）间位种的不同而估计，从而可进一步算出一个细胞中某些成分的干燥重量。摄影显微镜现代高质量显微镜均可安装显微照相的各种附件，可以及时完整地保留科学资料。用于照相的显微镜要求光学系统和机件结构精密，镜体坚固稳定。它装配三目镜筒，其中两个45°角观察用目镜镜筒和一个中央垂直镜筒安装135照相机、曝光测量附件、照相目镜及取景镜头，可以进行取景和调焦。聚光器能调节视场中心并配有孔径光阑使视场照明均匀。镜座有可调节视场光阑，有电压表和电压显示灯。有可变电阻调节照明亮度。照明光源为6～12伏40～100瓦卤素灯泡。80年代的自动曝光显微照相装置具有自动卷片，自动测光、自动控制曝光，测量和调整色温以及倒易律失效的补偿等各项功能，均用电子计算机自动控制，可以进行黑白感光片、彩色负片和彩色幻灯片的投照。中央垂直镜筒又可以安装电视摄像装置或16mm电影摄影机及控制装置，可对活体标本进行定时定格或连续的摄影记录。万能研究用摄影显微镜系统集普通亮视野、暗视野、偏振光、荧光、位相、微分干涉差、显微摄影等各项功能于一个系统中。还有电子计算机控制的低倍摄影自动聚焦、自动转换物镜、聚光器自动匹配、自动调整光源亮度等功能。机身安装两个135照相机,一个4×5英寸大版照相机。可另外安装电视摄像和16mm电影摄影装置，同样具有自动卷片、自动测光、自动控制曝光、测量和调节色温、倒易体失效补偿等多项功能。电子显微镜光学显微镜的分辨本领由于所用光波的波长而受到限制。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。最高级的光学显微镜的分辨本领的限度约200nm(2000)。为了突破这一限度，可采用电子射线来代替光波。电子微粒以高速运动时，其行为类似光波的传播过程。运动电子的波长随其速度而定，在增压达50万伏时，其波长为0.001nm(0.01),即电子射线的波长约为可见光的十万分之一,其分辨本领的极限约为4，其放大倍数比最高级的光学显微镜要高很多级。以电子射线为电子光源的显微镜称为电子显微镜。现代医学和生物学使用的电镜分辨率为5～10,即放大率为10～20万倍。由于标本厚薄不同，超薄切片机切出的很薄的标本，可用透射式电子显微镜观察。不能切得很薄的标本可用扫描式电镜进行观察。透射式电子显微镜(TEM)是最常用的电子显微镜，由电子枪、电磁透镜系统、荧光屏（或照相机）、镜筒、镜座、变压器、稳压装置、高压电缆、真空泵系统、操纵台等部分组成电子枪相当于光学显微镜中的光源,供应和加速从阴极热钨丝发射出来的电子束。电镜所用的电压一般在20～30万伏特，才足以使电子枪里的电子以高速飞出。电子通过聚光透镜，达到标本上，因为标本很薄，高速电子可以透过，并且由于标本各部分的厚度或密度不同，通过的电子就有疏密之分。电压需要严格稳定才能使成像稳定，很小的电压改变就会引起严重干扰。像的亮度可以通过电子枪来控制。电磁透镜组相当于光镜中的聚光器、物镜及目镜系统。电子束通过各个电磁透镜的圆形磁场的中心时可被会聚而产生像。电镜的透镜系统由4组电磁透镜组成,包括聚光透镜、物镜、中间透镜和投射透镜(目镜)。可改变聚光透镜的电流使电子束对标本聚焦并提供“照明”。物镜靠近标本的焦点上。通过物镜、中间镜和投射镜的三级放大，能在一定的距离处得到高倍的放大像，最终形成的像投射到荧光屏上。在荧光屏部位可换用黑白胶片以制取相片底板。改变电磁线圈中的电流量从而使电磁透镜调焦，并产生不同的放大率（图8[透射式电子显微镜]）。为了尽量减少电镜中电子与空气分子相碰撞而产生散射的机会，镜筒中的真空度要求很高，因此密封的镜筒与真空泵相连。由于标本需置于真空的镜筒内，因此不能检查活材料。光镜主要利用可见光波作为光源，样品染色后改变了光的波长(颜色)和振幅（亮度），影响了反差从而得到图像。电镜使用电子射线。电子束的穿透力不强，所以供电镜检查的标本必须切到薄至50～100nm厚度的切片。电镜切片的制作步骤与光镜切片类似，也是由固定、脱水、包埋、切片和染色等程序组成：首先从欲观察的标本上取材,体积约1。通过戊二醛和四氧化锇双固定后，逐级酒精（或丙酮）脱水,环氧树脂包埋,超薄切片机切片。在电镜中像的形成是组织片各个部分对电子束的电子产生不同散射的结果，标本中致密的地方(细节)散射强。可使用各种重金属盐染色以增加反差，常用的是醋酸铀和枸橼酸铅复染。由于电子束穿不透玻璃，染好的薄膜切片放在小铜网格上作电镜观察。冷冻蚀刻技术是50年代发明、后来经过改进的一种新的电镜标本加工技术。其主要原理是把液氮内快速超低温(-200℃)冷冻的生物标本放在真空冷冻装置里断裂，从而将不同部位的细胞器内部结构暴露出来，表现出高低不等的三维结构。在新形成的折断面上喷镀一层铂金碳膜（复型）。将已镀膜标本在强酸或强碱性腐蚀溶液里消化，复型膜即漂浮、经打捞、清洗，放在小铜网上进行电镜观察和照相。冷冻蚀刻技术在细胞生物膜结构（如细胞膜、线粒体、内质网等）的研究上发挥了重大作用。扫描式电子显微镜(SEM)标本较厚的表面要产生一个电子光学图像就要采用电子扫描法（图9[扫描电子显微镜结构示意图]）。扫描电镜的电子枪和电磁透镜的结构原理类似透射电镜。电子枪产生的大量电子通过三组电磁透镜的连续会聚形成一条很细的电子射线（电子探针）。这条电子射线在电镜筒内两对偏转线圈的作用下，顺序在标本表面扫描。由于来自锯齿波发生器的电流同时供应电镜镜筒内的和显示管的两组偏转线圈，使得显示器的电子射线在荧光屏上产生同步扫描。从标本上射出的电子经探测器收集，被视频放大器放大并控制显示管亮度。因此在荧光屏上扫描的亮度被标本表面相应点所产生的电子数量所控制，因而在荧光屏上显示出标本的高倍放大像。通过控制两套偏转线圈的电流便可控制放大率的倍数。另外安装有一个同样的照相用同步扫描显示管。扫描电镜标本制作中，既要脱水又要基本保持其自然状态，因此使用标本的临界冷冻干燥技术：将组织表面清洗干净，经戊二醛和四氧化锇双重固定，逐级丙酮脱水。由于乙酸戊酯与液化Co置换十分容易,因此首先用梯度乙酸戊酯置换丙酮。然后将标本放入密闭耐压室内，导入液态Co，使之浸没标本。很快Co将标本内乙酸戊酯完全置换出来，将后者排出耐压室。同时耐压室内的液态Co与迅速蒸发的气态Co分子之间的互变达到动态平衡。使温度逐渐上升,液态Co蒸发加快而密度相应降低。达到Co的临界温度31.1℃时,气、液二相密度相同，二相的差异完全消失，即达到相的平衡，此时表面张力为零。使温度继续保持在稍高于临界温度的条件下，缓慢排出Co气体,当Co排尽时,标本即已干燥。取出干燥好的标本，经真空喷镀一层碳合金，或放入离子镀膜机内镀铂和金，以增加标本的导电能力，加强反差和增强标本的稳定性。然后即可进行扫描电镜观察。扫描电镜具有分辨率高、景深长、视野广、显示三维立体结构、便于观察和标本制备简单等许多优点，在生物学及医学上应用愈来愈多，用以观察和研究生物标本的表现形态和内部立体结构。扫描电镜的分辨本领已达到70的水平，已可以直接观察脱氧核糖核酸(DNA)的分子结构。欢迎分享，转载请注明来源：夏雨云
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