SEM扫描电镜图怎么看，图上各参数都代表什么意思

1、放大率：

与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。

所以，SEM中，透镜与放大率无关。

2、场深：

在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。

3、作用体积：

电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。

4、工作距离：

工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。

如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。

5、成象：

次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。

6、表面分析：

欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。

表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。

观察方法：

如果图像是规则的（具螺旋对称的活体高分子物质或结晶），则将电镜像放在光衍射计上可容易地观察图像的平行周期性。

尤其用光过滤法，即只留衍射像上有周期性的衍射斑，将其他部分遮蔽使重新衍射，则会得到背景干扰少的鲜明图像。

扩展资料：

SEM扫描电镜图的分析方法：

从干扰严重的电镜照片中找出真实图像的方法。在电镜照片中，有时因为背景干扰严重，只用肉眼观察不能判断出目的物的图像。

图像与其衍射像之间存在着数学的傅立叶变换关系，所以将电镜像用光度计扫描，使各点的浓淡数值化，将之进行傅立叶变换，便可求出衍射像〔衍射斑的强度（振幅的2乘）和其相位〕。

将其相位与从电子衍射或X射线衍射强度所得的振幅组合起来进行傅立叶变换，则会得到更鲜明的图像。此法对属于活体膜之一的紫膜等一些由二维结晶所成的材料特别适用。

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

参考资料：百度百科-扫描电子显微镜

(一)电子探针分析

重点选择了松桃大塘坡联营厂PD1200坑道中的DL18，DL15，DL32号气泡状、块状菱锰矿石和大塘坡猫猫岩剖面上两界河组底部白云岩丘中的Dm4号样品，在进行薄片鉴定的基础上，通过切片并加工成电镜片后，在中国地质大学(武汉)地质过程和矿产资源国家重点实验室进行电子探针显微分析。具体是采用日本技术JEOL株式会社生产的JXA－8100型电子探针显微分析系统，附件为美国GATA公司MonoCL3+阴极发光系统和美国Noran公司X射线能谱仪。通过对上述南华纪早期冷泉碳酸盐岩(菱锰矿和白云岩)的电子探针显微分析，对其物质成分和结构特征得到初步的了解和掌握。

1.玉髓

通过对DL18气泡状菱锰矿石样品中的一个气泡壁进行电子探针分析，气泡壁为SiO2成分(图3－29、图3－30)。经进一步岩矿鉴定和分析，气泡壁的矿物成分为玉髓。

另在菱锰矿矿物中也见SiO2成分的矿物分布(图3－31)，它与气泡壁的玉髓质产出形态不同。具体呈不规则状分布在菱锰矿中。其矿物形式是以石英或是玉髓及其他形式，还有待进一步研究。由于产出形状不规则，分析其形成时间应与菱锰矿形成同时或稍后形成。

图3-29 气泡构造的电子探针图像和气泡壁的探针分析结果(DL18样品)

图3-30 气泡壁进一步放大的电子探针图像和气泡壁的探针分析结果(DL18样品)

图3-31 菱锰矿石电子探针图像和其中石英矿物的探针分析结果(DL15样品)

注:电子探针图像中浅色矿物为黄铁矿，深灰色矿物为菱锰矿，黑色不规则状矿物为石英

2.草莓状黄铁矿

草莓状黄铁矿普遍分布在菱锰矿中。在DL18样品中SiO2(玉髓)质的气泡壁外侧，可见较多的草莓状黄铁矿分布(图3－32)。但值得注意的是黄铁矿均分布在气泡构造的外面，而气泡内部及气泡壁中均未见黄铁矿分布。

图3-32 菱锰矿石中草莓状黄铁矿图像及电子探针分析结果(DL18样品)

电子探针分析结果表明:草莓状黄铁矿的物质组分也不是单一的，内部往往含有SiO2成分的颗粒或硅酸盐成分颗粒，形状不规则，大小5～15μm不等(图3－33、图3－34)。

图3-33 菱锰矿石中草莓状黄铁矿图像及电子探针分析结果(DL15样品)

3.草莓状黄铁矿与玉髓质气泡壁的接触关系

在草莓状黄铁矿与玉髓质成分的气泡壁之间接触面是不光滑的，其接触带附近的矿物成分比较复杂(图3－35)，局部可见磷灰石和斜长石分布(图3－36、图3－37)。

图3-34 菱锰矿石中草莓状黄铁矿图像及电子探针分析结果(DL18样品)

图3-35 菱锰矿石中玉髓质气泡壁(黑色部分)与黄铁矿(白色部分)之间矿物图像及电子探针分析结果(DL18样品)

图3-36 菱锰矿石中玉髓质气泡壁外侧与黄铁矿之间的磷灰石图像及电子探针分析结果(DL18样品)

图3-37 菱锰矿石中草莓状黄铁矿附近局部分布的斜长石图像(深色部分)及电子探针分析结果(DL18样品)

4.菱锰矿与钙菱锰矿

通过电子探针分析发现，菱锰矿是呈显微“球粒”状，大小约为5 ～ 20 μm，颜色较浅，外形较为圆滑，多数具有1 ～ 2 层圈层构造，类似“薄皮鲕”的特征。部分球粒镶嵌在一起，构成相对较大而形状复杂的显微“球粒”状，但外形圆滑而胶结菱锰矿显微“球粒”的基质则是颜色较深的钙菱锰矿(图3 － 38) 。分别对基质———钙菱锰矿(图3 － 38Pt1) 和菱锰矿显微“球粒” (图3 － 38pt2) 进行电子探针成分分析，发现显微“球粒”状菱锰矿的锰含量明显较基质———钙菱锰矿锰含量高。

古天然气渗漏与锰矿成矿——以黔东地区南华纪“大塘坡式”锰矿为例

图3－38显微“球粒”状菱锰矿(浅色)与钙菱锰矿(深色)图像(DL18样品)|pt1—钙菱锰矿电子探针分析结果(右上图)pt2—菱锰矿电子探针分析结果(右下图)

对显微菱锰矿“球粒”进一步放大，发现“球粒”表层普遍具有一个浅色薄壳所包裹，向内又是一厚度大致相等，但颜色较深的圈层所环绕，再向内，则颜色较浅、成分较均匀。而复合在一起的“球粒”，其外层的浅色薄壳相连，形成共结边。其中一个长轴达20μm菱锰矿显微“球粒”，除具有上述圈层结构外，发现其中还具有一个形状不规则的核心，核心外层为深色圈层薄层，内部则颜色较浅、成分较均匀(图3－39a)。沿该显微大“球粒”长轴方向用电子探针分析其锰的显微含量变化特征，从中可发现“球粒”核部锰含量明显较外部低，但核部锰含量较钙菱锰矿基质含量高(图3－39b)。核心可能为一藻生物屑，菱锰矿“球粒”可能沿这一生物屑逐步生长而成。因此，菱锰矿的这一结构很可能是典型的藻生物结构特征。另外，还可见菱锰矿包裹石英颗粒生长的现象(图3－39左图)。

图3-39 显微“球粒”状菱锰矿内部圈层结构(a)和“球粒”中Mn的含量变化曲线图(b)

注:a图中右上方的黑色椭圆型颗粒为石英，石英颗粒被菱锰矿所包裹(DL18样品)

5.黄铁矿与石英、钠长石的关系

通过对大塘坡DL32菱锰矿样品进行电子探针分析发现，菱锰矿中的黄铁矿晶体中存在石英矿物的包裹体。石英包裹体在黄铁矿中呈浑圆状，3～5μm大小，具体如图3－40。此外，在黄铁矿晶体中还发现钠长石包裹体，钠长石在黄铁矿中也呈浑圆状，3～4μm大小，颜色较深(图3－40b)。钠长石在菱锰矿中也见其分布，但形状不规则(图3－41pt2)。

6.黄铁矿与菱锰矿的关系

黄铁矿通常是产在显微“球粒”状菱锰矿中。通过对大塘坡DL18菱锰矿样品的电子探针分析，在黄铁矿矿物晶体中发现有菱锰矿矿物包裹体分布(图3－42)，说明黄铁矿的形成与菱锰矿可能是同期形成的。照片中呈灰色显微“球粒”状的矿物为菱锰矿，灰白色矿物为黄铁矿，黑色不规则状矿物为石英(SiO2)。

图3-40 菱锰矿中黄铁矿与石英颗粒的相互关系(DL32样品)

图3-41 DL32菱锰矿样品中黄铁矿晶体(白色矿物)所含钠长石包裹体(黑色颗粒)的电子探针图像

图3-42 菱锰矿、黄铁矿、石英(SiO2)等矿物的相互关系电子探针照片和分析结果

7.白云岩中类似菱锰矿中气泡构造的显微孔洞结构

通过对松桃大塘坡猫猫岩剖面上两界河组底部的白云岩丘中Dm4号样品的电子探针分析发现:白云岩中有类似气泡状菱锰矿中气泡构造的显微孔洞结构，这与在该白云岩丘中发现的大量宏观可见的孔洞构造和帐篷构造正好相匹配。显微孔洞构造一般20～100μm大小，并有一定的定向特征(图3－43)。

上述白云岩中显微孔洞结构的特征，与陈多福等人(2002)在墨西哥湾的GC238块区海底天然气渗漏系统采集了冷泉碳酸盐岩样品，运用光学显微镜和电子扫描显微镜观察这些冷泉碳酸盐岩所发现碳酸盐岩结壳上表面(图3－44)显示～10μm的微孔隙被一定方向排列的自形方解石围绕的特征十分相似。这些方解石晶体可能是从微孔隙中释放的CO2与海水中的Ca结合形成［9］。

进一步对Dm4号白云岩样品中显微孔洞结构进行放大观察研究，发现孔洞结构周围也发育有由暗色矿物组成的孔壁构造，厚度5～20μm。通过电子探针分析，其暗色的孔壁含Si很高，可能为钠长石成分(图3－45)，这与上覆大塘坡组底部黑色含锰岩系中菱锰矿石中的气泡壁有些类似。前已述及，菱锰矿石中的气泡壁是SiO2成分(玉髓)。这已说明二者之间有某种成生联系和相似的形成机理。白云岩显微孔洞中充填的矿物成分比较复杂，有白云石、石英、斜长石等矿物。

图3-43 白云岩丘中显微孔洞的电子探针照片(Dm4号白云岩样品)(JXA-8100中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室)

图3-44 现代冷泉碳酸盐岩自然上表面SEM图像［14］

8.含Ca较高和含Mg较高的两类白云石

进一步对大塘坡猫猫岩剖面上两界河组底部白云岩丘的Dm4号样品进行电子探针分析，发现白云岩是由两类白云石组成:颜色较深的、含Mg较高白云石和颜色较浅的、含Ca较高的白云石组成。含Mg较高白云石在白云岩中的含量明显较含Ca较高白云石多，后者多分布在孔洞附近和前者的间隙(图3－46、图3－47)。这与菱锰矿中由菱锰矿和钙菱锰矿组成也十分相似，含钙较高的钙菱锰矿胶结含锰较高的菱锰矿显微“球粒”。因此，与白云岩中孔洞结构和菱锰矿中气泡构造相类似一样，两界河组底部的白云岩，由含Mg较高白云石和含Ca较高的两类白云石组成特征，与大塘坡组底部的菱锰矿由菱锰矿和钙菱锰矿组成的基本特征也很类似，进一步说明了二者的形成机理应的相似性。只是由于某次地质事件的发生，Mg被Mn所代替了，以白云岩成分为主的冷泉碳酸盐岩沉积变成以菱锰矿成分为主的冷泉碳酸盐岩沉积。

图3-45 白云岩中的显微孔洞构造的图像和电子探针分析结果(Dm4样品)

(二)扫描电镜分析

选择松桃大塘坡地区联营厂PD1200坑道中的DL18、DL15两件气泡状菱锰矿和块状菱锰矿样品的电镜片，在中国地质大学(武汉)地质过程和矿产资源国家重点实验室进行扫描电镜分析(图3－48)。

图3－48中主要为菱锰矿样品的背散射电子像，立体的为二次电子成像。由于是抛光的薄片，二次电子像效果立体感不甚理想，但仍较清楚的显示菱锰矿和钙菱锰矿、黄铁矿、气泡状构造等结构特征。结合电子探针结果分析，扫描电镜照片中菱锰矿的显示显微“球粒”状结构特征十分清楚，颜色偏浅的为菱锰矿“球粒”，偏暗色者则为Mg和Ca含量较高的钙菱锰矿，胶结菱锰矿“球粒”(图3－48，a，b，c，d)黄铁矿矿物一是充填在菱锰矿“球粒”间(图3－48，d)，晶形不明显，可能与菱锰矿同期形成二是沿气泡壁外侧分布，晶形略好，且多分布在气泡的两端压裂变形处(图3－48，h，i)，其形成可能较充填在菱锰矿“球粒”间的黄铁矿偏晚一些压扁状气泡构造与菱锰矿层的纹理大致平行，气泡构造的内部可见气泡被压扁过程中所形成的裂纹。注意裂纹只限于气泡内部发育和分布。

图3-46 白云岩的结构图像和电子探针分析结果(Dm4样品)

(三)矿物成分特征

黔东地区南华系大塘坡组菱锰矿和两界河组白云岩这两类冷泉碳酸盐岩的薄片鉴定和电子探针显微分析结果表明，菱锰矿矿物组分较为简单，主要由菱锰矿、钙菱锰矿、镁钙菱锰矿、硫锰矿及少量锰白云石、锰方解石等组成，含少量粘土矿物、有机质炭及黄铁矿、石英、磷灰石、重晶石、绿泥石等自生矿物碎屑矿物有斜长石、钠长石、锆石、石英等(表3－2)。两界河组白云岩的矿物成分主要是白云石，具体可分为含镁相对较高和含钙相对较高的两期白云石。此外，由于正处于Sturtian冰期发育时期，白云岩中含有较多的陆源碎屑矿物。

图3-47 白云岩的结构图像和电子探针分析结果(Dm4样品)

图3-48 松桃大塘坡联营厂气泡状、块状菱锰矿扫描电镜照片(DL18、DL15样品)

表3－2黔东地区菱锰矿矿石矿物含量统计表单位:%

说明:++表示含量为1%～5%+为1%左右－为少于1%或偶见。

*其他矿物包括铁锰氧化特、铁白云石、长石粉屑和粘土岩岩屑等。

1.菱锰矿

黔东北地区大塘坡、杨立掌和大屋几个矿区的菱锰矿样品进行的物相分析可知［81，93］(表3－3):无论矿石Mn含量高与低，Mn绝大多数是分布在菱锰矿矿物中(约占90%)。其次是硫锰矿(约占6%～9%)以及锰方解石(约占1%～4%)。而在高价锰化合物和硅酸锰中Mn含量小于0.5%。通过电子探针和扫描电镜分析已得知，菱锰矿呈显微球粒状结构，直径一般2～25μm，球粒内部常发育1～3层同心圈层，形似鲕粒(见图3－39)。有时数个球粒相聚，组成大小不一、形态不规则、没有磨蚀搬运痕迹的凝块状集合体。经过对球粒和胶结物进行电子探针分析，二者矿物成分存在差异，球粒成分为菱锰矿，而胶结物则为钙菱锰矿(见图3－38)。这些菱锰矿球粒应为藻生物结构，通过对一个较大的菱锰矿球粒沿其直径方向测定锰的含量，发现球粒中心部位锰含量较两侧锰含量略低(见图3－39)，进一步说明是藻生物成因。此外，球粒中心偶见石英，菱锰矿沿其生长，形成圈层。

表3－3松桃杨立掌菱锰矿矿石物相分析结果表单位:%

续表

通过对大塘坡联营厂PD1200坑道中气泡状菱锰矿矿石(DL18、DL15样品)薄片镜下鉴定和电子探针分析，组成气泡壁的物质为玉髓，且玉髓具有大致垂直圆周的放射状结构(见图3－15)，气孔中充填物为沥青大塘坡猫猫岩剖面上的两界河组白云岩(Dm4样品)电子探针分析同样发现大量的微小气孔(见图3－43)，大小为20～50μm，孔壁为钠长石，孔中有斜长石、石英等矿物(见图3－45)，这与现代冷泉碳酸盐岩表面SEM图像所发现的微孔隙十分相似［9］。

2.碳质

在薄片中为黑色不透明的污染状物质，形状不规则。可与菱锰矿共生，成为菱锰矿球粒组成部分，也可与伊利石混杂。在菱锰矿矿石中分布广泛，含量达10%～20%，但分布不均匀，富含碳质和贫炭常构成明暗相间的纹层构造。

3.伊利石

菱锰矿矿石中伊利石含量不稳定，一般在5%～40%之间，随锰的含量增加而减少，呈显微鳞片状集合体，有时呈定向排列。与碳质有机质交互在一起，构成菱锰矿纹层构造。

4.黄铁矿

菱锰矿矿石中黄铁矿有两种类型:一是草莓状黄铁矿，为显微球粒状黄铁矿的集合体，直径2～10μm，内部多为无序排列，含量为5%～10%，分布不均匀，常集中出现在矿石的某一部分，如气泡状菱锰矿中的气泡壁的外侧等。黄铁矿中可见原生石英或钠长石与其共生(图3－40、图3－41、图3－42)二是结晶黄铁矿，多呈自形或半自形晶体，星点状散布在菱锰矿中，3～25μm，含量不稳定，可从微量到15%，但与菱锰矿矿石的原生结构构造关系不太密切，有时可密集成细条带状产于菱锰矿矿石中。

5.硫锰矿

在菱锰矿矿石中，有时可见星点状硫锰矿细小晶体分布，2～5μm大小，常与黄铁矿共生。因其粒度太小，难以确定其确切形态和特征。

6.沥青

主要分布在气泡状菱锰矿矿石中的气泡内，同时，在菱锰矿矿石中也偶尔见到分散状的沥青分布。沥青被以玉髓为主的以及铁白云石、镁锰方解石等组成的“外壳”所包裹，即气泡壁。气泡的长轴是平行于菱锰矿层理分布的，不切穿微层，并被后期成岩压实作用压扁，由于压应力作用，从而出现气泡中的沥青常发育大致与气泡长轴方向直交或斜交的裂纹，裂纹中也充填玉髓及铁白云石、镁锰方解石等矿物。气泡中沥青的有机碳含量高达44.2%［81］。

7.石英

菱锰矿石中可见石英呈洁净、透明的他形晶粒，分布于菱锰矿的显微球粒间或被包裹在黄铁矿晶粒之中。

8.磷灰石

南华纪“大塘坡式”锰矿的主要特点之一就是磷含量相对较高。经电子探针分析，菱锰矿石中发现有磷灰石分布，是菱锰矿中含磷的主要矿物。磷灰石粒度极细，呈显微粒状分布在菱锰矿球粒之间，并于石英相伴。

其他重矿物主要有金红石、电气石、锆石、锐钛矿等，总含量只有1%左右。零散分布在矿石中，常与石英粉屑伴生。

玻璃体通常是粉煤灰的主要组成部分，但晶体物质的含量有时也比较高，范围在11% ～ 48% 之间。主要晶体相物质有莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、铝酸三钙、黄长石、默硅镁钙石、方镁石、石灰石等，在所有晶相中莫来石所占比例最大，可达到总量的6% ～ 15% ，此外粉煤灰中还含有未燃尽的炭粒 ( 钱觉时，2002) 。

表 4. 1 是 Rohatgi 等 ( 1995) 列出的粉煤灰中可能的晶体矿物，其中高钙粉煤灰中的矿物要比低钙粉煤灰中的矿物复杂得多。Vassilev 等 ( 1996) 对保加利亚 11 个热电厂煤灰 ( 包括飞灰、底灰、结渣和储灰池灰) 的研究识别出矿物和其他物相多达 71 种，其中绝大多数含量都在 1% 以下，含量为 1% ～ 10% 的主要是石英、高岭石、长石、磁铁矿、赤铁矿、硬石膏和炭粒，含量在 10% 以上的主要是莫来石和玻璃体。我国粉煤灰的物相及组成范围见表 4. 2。

Vassilev 等 ( 1996，2003) 将粉煤灰中矿物或相的成因分为 3 种: 原生成因 ( prima-ry) 、次生成因 ( secondary) 和后生成因 ( tertiary) 。

原生成因是指原来存在于煤中的矿物或相，在煤的燃烧过程中未经历任何相的转变次生成因是指在煤燃烧过程中形成的新矿物或相后生成因则是指粉煤灰在经水处理、干燥、存储和运输过程中形成的新矿物或相。根据 Vassilev 等 ( 1996，2003) 的研究，粉煤灰中的矿物和相主要为次生 ( 包括各种硅酸盐、氧化物、硫酸盐、碳酸盐、炭粒和玻璃体) ，少量为原生 ( 包括部分硅酸盐、氧化物、硫酸盐、碳酸盐和磷酸盐) ，后生的数量为最少 ( 常见的是硫酸盐、碳酸盐和氯化物) 。这种差异主要与煤中矿物种类、数量、燃烧条件和后期处理方式有关。在粉煤灰的常见矿物中，石英、长石、方解石、磷灰石一般都是原生成因，而莫来石、磁铁矿、赤铁矿、硬石膏基本属于次生成因，后生矿物主要是石膏。粉煤灰中的原生矿物主要以分散的粒状和集合体出现，次生矿物主要存在于玻璃体或玻璃体的外表面以及炭粒孔隙之中，而后生矿物则主要以集合体的形式存在。

表 4. 1 粉煤灰中的晶体矿物组成

( 据Ｒohatgi 等，1995)

表 4. 2 我国粉煤灰的物相组成及范围

许多研究人员都曾经详细研究过煤燃烧过程中的矿物转化及其机理，Huffman 等( 1991) 对美国 18 种煤的高温特性进行了研究，给出的 FeO-SiO2-Al2O3平衡相图 ( 图4. 1) 说明，煤灰中矿物整体上位于莫来石区域，在富铁区域首先发生熔融，液相也可能是在富铁共熔区域内首先形成的。粉煤灰在 CaO-SiO2-Al2O3相图中的位置主要位于莫来石、钙长石区域 ( 图 4. 2) ，由于 CaO 的存在及含量变化较大，所以也会存在钙黄长石、石膏以及石灰石等矿物 ( Mollah 等，1999) 。

图 4. 3 显示不同矿物及其含量随温度的变化情况 ( Huffman 等，1991) ，大约在 900℃以下，样品中所观察到的矿物基本上都能与煤中的矿物相对应。方铁矿和富铁的铁酸盐相主要来自富铁矿物，如黄铁矿、菱铁矿和硫酸铁等。900℃以下时玻璃体中的铁含量正比于含钾黏土矿物和煤中伊利石中铁的含量，通常认为这是由于在 K2O-SiO2-Al2O3相图中有很多低熔点的共熔区域。在 900 ～ 1000℃之间，方铁矿和其他富铁氧化物将会和石英、高岭石发生反应而熔融。在 1000 ～ 1200℃之间，由于铁尖晶石和铝酸铁等的形成，铁的这种熔融反应停止，超过 1200℃所有的铁将会与液态的硅酸盐结合。

图 4. 1 FeO-SiO2-Al2O3相图( 阴影为粉煤灰区域)

图 4. 2 CaO-SiO2-Al2O3相图( 阴影为粉煤灰区域)

图 4. 3 煤灰矿物含量随温度的变化曲线

Spears ( 2000) 对英国煤燃烧过程中黏土矿物的转化行为也做过详细研究，他认为粉煤灰中的莫来石主要来源于煤中高岭石矿物的转化，而粉煤灰中的玻璃相和空心微珠主要得益于煤中的伊利石矿物。我国学者邵靖邦等 ( 1996) 也详细给出了煤中 12 种矿物在不同温度下的化学反应及其矿物相。盛昌栋等 ( 1998) 综合国内外研究成果评述了煤中含铁矿物在煤粉燃烧过程中的行为。不同人给出的化学反应式基本一致，存在的差异主要是矿物转变过程中的温度问题。

Demir 等 ( 2001) 根据多人研究成果列出煤中矿物不同温度下的化学反应及其矿物相转变如下:

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

高铝粉煤灰的物相组成与普通粉煤灰也有很大差别。XRD 分析 ( SIROQUANT 软件)表明，准格尔电厂高铝粉煤灰中含有 55. 2% 的玻璃相和 44. 8% 的结晶矿物相，结晶矿物主要为 35. 6%莫来石和 8. 4%刚玉，另有次要矿物 0. 5%方解石、0. 2% 石英和 0. 2% 金红石 ( 表 4. 3图 4. 4，图 4. 5) 。

表 4. 3 XRD 和 SIROQUANT 软件测得的高铝粉煤灰物相组成 ( %)

莫来石和刚玉均为煤燃烧过程中形成的二次矿物相，特别是刚玉相在普通粉煤灰中几乎难以寻觅，但在准格尔电厂高铝粉煤灰中高达 8. 4%，这种情况十分少见。

莫来石矿物含量高达 35. 6%，也比普通粉煤灰中常见的含量 20% 左右高出许多。粉煤灰中高含量的莫来石主要来源于煤中丰富的高岭石在高温下的分解和转化产物莫来石的另一来源途径是，煤中丰富的勃姆石矿物失水转变为 γ-Al2O3再与高岭石分解产生的非晶态 SiO2反应生成莫来石。刚玉则主要来自煤中勃姆石矿物失水后的晶体转化。

粉煤灰中极其少量的石英主要是原生 ( primary) 或次生 ( secondary) 矿物。在普通粉煤灰中石英是最常见的矿物 ( Vassilev 等，1996) ，呈多角形到浑圆状 ( 熔点 1713℃，软化温度≥1300℃) 。石英在准格尔电厂高铝粉煤灰中含量极少，与电厂炉前煤中石英含量很少有关 ( 邵龙义等，1996) ，也说明准格尔电厂高铝粉煤灰中的石英主要为原生残余矿物。

粉煤灰中的金红石主要是原生矿物 ( 熔点 1827℃) ，但 Vassilev 等 ( 1995) 认为，若煤中矿物含有锐钛矿时也可以次生形成。从炉前煤矿物组成看 ( 邵龙义等，1996) ，准格尔电厂粉煤灰中的金红石应为原生矿物。

图 4. 4 准格尔电厂高铝粉煤灰 XRD 图谱

图 4. 5 测定的 ( 上) 和计算的 ( 中) XRD 图谱及其二者之间的差分 ( 下)

粉煤灰中的方解石主要是原生或后生 ( Tertiary) 的，几乎没有次生成因的，当温度低于 700 ～ 950℃ 时，较粗颗粒的方解石可能出现不完全分解而残留下来 ( Vassilev 等，1996) 。

赵蕾 ( 2007) 测得准格尔电厂高铝粉煤灰样品中的主晶相和玻璃相含量与我们的研究结果基本一致，且莫来石含量在飞灰中明显高于底灰，而烧失量则与之相反 ( 表 4. 4) 利用 120、160、300、360 和 500 目分级筛将准格尔电厂高铝粉煤灰按粒度分为 6 级，测得不同粒度段粉煤灰中的矿物相和玻璃相含量见表 4. 5。

表 4. 4 准格尔电厂燃煤产物的物相组成

( 据赵蕾，2007)

表 4. 5 准格尔电厂不同粒度粉煤灰的物相组成

( 据赵蕾，2007)

目数表示每平方英寸上的孔的数目，目数越大，孔径越小。目数与微米之间的对应关系可查相关资料获得。

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

从表 4. 5 可以看出，莫来石和刚玉相含量随粉煤灰粒度减小其含量增多，而玻璃相含量则相应减少Goodarzi ( 2006) 研究加拿大火电厂普通粉煤灰时发现，同一电厂布袋除尘器收集到的飞灰颗粒粒径小于静电除尘器，并且前者飞灰中的莫来石含量高于后者，因此推断莫来石更多地聚集于细颗粒中。将磁性飞灰与非磁性飞灰相比，非磁性飞灰中的莫来石和刚玉相含量明显高于磁性飞灰，而含铁矿物明显出现在磁性飞灰中 ( 表 4. 6) 。

表 4. 6 准格尔电厂磁性和非磁性飞灰的物相组成

( 据赵蕾，2007)

下面对准格尔电厂高铝粉煤灰中主要矿物的形成机理作详细探讨。

( 1) 莫来石

莫来石是在 Al2O3-SiO2二元相图中唯一稳定的结晶硅酸盐，具有极好的化学稳定性，典型化学成分为 3Al2O3·2SiO2，但实际上莫来石的成分可以从 3Al2O3·2SiO2到 2Al2O3·SiO2连续变化。众多的研究结果表明，莫来石并非一个固定的化学组成，它不仅有经典的 3 ∶2 型莫来石 ( α-莫来石) ，也有 2∶1 型莫来石 ( β-莫来石) ，还存在 1∶1 过渡型莫来石。莫来石的通式可以表示为: Al4 + 2xSi2 － 2xO10 － x，其中 x 表示单位晶胞中的氧空位，0≤x≤1，氧空位是由于莫来石晶格中的两个硅原子被两个铝原子替代所致: O2 －+ 2Si4 +→2Al3 ++ □， 见图 4. 6。

图 4. 6 莫来石结构沿 ( 001) 面的投影( 引自 Ban 等，1992)

就结晶学观点来说，莫来石的晶体结构符合最终组成硅线石 ( x = 0) 和具有莫来石结构的氧化铝 ( x =1) 之间的任何结构。实际上，在 1 atm下，硅线石和莫来石之间以及莫来石与具有莫来石结构的氧化铝之间分别存在非混熔区域，莫来石固熔体仅存在于组成为 x =0. 2 和 x =0. 6 之间，相当于莫来石的 Al2O3含量为 58 mol% 和 75 mol% ( Schnei-der 等，1990) 。烧结 3∶2 型莫来石 x = 0. 25，Al2O3≈72%电熔 2∶1 型莫来石 x = 0. 40，Al2O3≈78%经有机或无机先驱粉在 <1000℃ 合成条件下经热处理得到的化学莫来石( x >0. 80，Al2O3>90% ) 也 已 经 得 到 证 实 ( Schneider 等，2008 ) 。我国学 者 高 振 昕 等( 2002) 也指出，介稳态高铝莫来石 x = 0. 57。

粉煤灰中的莫来石主要来源于煤中的黏土矿物，特别是高岭石矿物，因为高岭石在3 种常见的黏土矿物中 Al2O3/ SiO2质量比最高，为 0. 85 ( 41% Al2O3，48% SiO2，11%H2O) 。

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

根据任国斌等 ( 1988) 的资料，高岭石加热到 700 ～800℃时，结构中的 ［OH］ 以水的形式分解脱失，形成偏高岭石继续加热到 950℃，偏高岭石转变为莫来石和非晶质SiO2，这些非晶质 SiO2在更高的温度下可以转变为方石英。由高岭石高温分解产生的莫来石称为一次莫来石。

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

上述转变过程中没有铝硅尖晶石中间相生成，这种情况也是存在的 ( Okada 等，1992Castelein 等，2001) ，但是大多数人认为高岭石在转变为莫来石过程中有铝硅尖晶石中间相生成 ( 林彬荫等，1989高振昕等，2002) ，沃罗尔 ( 1980) 给出的高岭石高温下转变为莫来石的过程如下:

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

上式中的预莫来石 ( Al2O3·SiO2) 也就是现在所称的过渡组成 1∶1 莫来石。从上述情况看，高岭石转化为莫来石在形成方式和转化温度上的争议仍然会存在很长一段时间。

勃姆石又称一水软铝石，化学式为 γ-AlO ( OH) 或 γ-Al2O3·H2O，其中 含 85%Al2O3，15% H2O，成分中可能有少量 Fe3 +替代 Al3 +，晶体结构属层状。加热时于 530 ～600℃ 之间失水后相变为 γ-Al2O3( 林彬荫等，1989) 。γ-Al2O3结构与尖晶石结构相近，是具有缺陷的尖晶石结构。在 1200℃ 以上高温下，γ-Al2O3通过调整有缺陷的尖晶石结构，与高岭石分解出来的非晶质 SiO2反应生成莫来石，即二次莫来石。

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

准格尔电厂燃煤中高含量的高岭石和勃姆石为莫来石形成提供了充足的物质来源，因为电厂锅炉燃烧温度在 1200 ～1700℃，中心温度甚至超过 1700℃，所以在准格尔电厂粉煤灰中就形成了含量高达 35. 6%的莫来石。粉煤灰中的莫来石多数以颗粒骨架结构存在，而骨架孔隙和表面通常被玻璃质充填和覆盖，所以在 SEM 下不易直接识别，如果用盐酸或氢氟酸侵蚀粉煤灰中的玻璃质，就可以发现有大量的针状莫来石晶体存在。

粉煤灰形成过程中结晶的莫来石，由于受到杂质的影响常常混入其他阳离子，特别是粉煤灰中的 Fe3 +和 Ti4 +可以进入莫来石晶格替代部分铝离子。Gomse 等 ( 2000) 对法国东部一家火电厂粉煤灰采用多种研究手段进行了研究，得出粉煤灰中莫来石的平均化学式为 Al4. 61Fe0. 05Ti0. 02O9. 65，XRD 和 NMR ( 核磁共振) 等研究得到的化学式为 Al4. 70Si1. 30O9. 65( 对应 x = 0. 35，Al2O3含量为 75. 5%) ，其中铝含量略高出经典的莫来石化学式 Al4. 5Si1. 5O9. 75( 对应 x = 0. 25，Al2O3含量为71. 8%) ，介于烧结3∶2 莫来石和电熔2∶1 莫来石之间。粉煤灰形成过程中的瞬时冷却使得莫来石并不能充分结晶和均一化，导致了莫来石在结构和成分上的差异。

( 2) 刚玉

刚玉是次生矿物，其熔融温度为2050℃，在准格尔电厂炉前煤中并没有检测到。Vas-silev 等 ( 1996) 认为，刚玉主要是黏土矿物熔融后重新结晶形成的，也可能是铝的氢氧化物发生脱羟基化作用形成。从准格尔电厂炉前煤矿物组成看，高铝粉煤灰中的刚玉主要来自煤中的勃姆石，即:

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粉末衍射标准联合委员会 ( JCPDS) 的 XRD 卡片资料表明 Al2O3有 γ、η、χ、δ、θ、κ、τ 和 ε 过渡相，惟一稳定相为 α-Al2O3( 刚玉) 。至于 β-Al2O3，它不属于 Al2O3变体。这些过渡相的呈现类型和相变顺序取决于原始矿物的种类和形成方式。原始矿物为勃姆石，则其相变顺序极可能是 γ→δ→θ→α若原始矿物为三水铝石，则相变可能包括γ→χ→τ→θ→α如果原始矿物为一水硬铝石，则直接相变为 α-Al2O3( 刚玉) 。过渡型氧化铝的结晶参数见表 4. 7。

表 4. 7 过渡型氧化铝的结晶参数

( 据高振昕等，2002)

( 3) 石英

石英是粉煤灰中的常见矿物，石英在粉煤灰形成过程中是否熔融及其熔融温度也是一个颇具争议的问题。在常压下石英的同质多像转变形式为 ( 武汉地质学院矿物教研室，1979) :

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

在低温范围鳞石英和方石英的转变为:

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

石英、磷石英和方石英均有低温 ( α) 变体和高温 ( β) 变体，这种高低温变体间的转变，结构中的 ［SiO4］ 四面体只有稍微移动和旋转，其他变体的转变 ［SiO4］ 四面体则需要断开和重新排列。所以，同一晶型不同变体 α、β 间转变较快，各晶型间的转变速度较慢。

通常情况下，煤中的石英均为 α-石英，也就是我们经常所说的石英，其化学成分较纯 ( SiO2通常接近 100% ) ，化学性质相当稳定。有人认为石英在燃煤过程中只存在矿物相的转变，不存在熔融，因为锅炉的燃烧温度并不高，达不到石英的熔融温度( 鳞石英的熔点为 1670℃ ，方石英的熔点为 1713℃ ) ，但大部分人认为存在部分熔融( Demir 等，2001Spears，2000) 。根据 Mitchell 和 Gluskoter ( 1976) 的报道，将石英暴露于大约 1200 ～ 1300℃ 的氧化条件下 30 min，石英可以转化为玻璃相 ( Demir 等，2001) 。由于燃煤中的石英颗粒大小不一，小的可能全部熔融，大的则可能存在部分熔融或表面熔融，因为从 XRD 曲线上基本都能够发现石英的衍射峰，用 FESEM-EDX 分析，也能够发现粉煤灰中的石英颗粒，而且基本保持了原来的粒状特征。粉煤灰中的石英可以是原生的 ( 石英的软化温度≥1300℃，有熔融的，也有半熔融的) ，也可以是次生的，但以原生为主，部分石英 ( 主要是骨架形) 还可来源于熔融物的重结晶作用 ( Vassilev 等，1996) 。

准格尔电厂粉煤灰中的石英数量较少，呈分散的粒状，具多角形或不规则形，基本保持一定的外形，但也可以发现有的石英边缘有熔融现象，根据形态和成分 ( FESEM-EDX分析) 仍然可以区分出来，它们在底灰中的数量略高于飞灰。

( 4) 其他次要矿物

用 XRD 法鉴定矿物的不足之处是对含量较低的矿物不敏感，也就是说，对于含量在1% ～ 2% 以下的矿物 XRD 衍射峰不明显，很难做出准确的判断。所以，我们在用 XRD 鉴定粉煤灰中矿物的同时，采用了 FESEM-EDX 方法对所有样品进行了分析，发现除上述矿物外，仍然有少量的磁铁矿、赤铁矿和金红石矿物，它们通常富集在玻璃体的表面或构成玻璃微珠的骨架。用磁选法很容易分选出粉煤灰中的磁性颗粒，其表面大部分比较粗糙，为粉煤灰冷却过程中析出的晶体，可以通过 FESEM-EDX 分析得以确认。

在粉煤灰中，磁铁矿通常表现为树枝状、粒状或八面体晶型而赤铁矿多表现为薄板状或薄片状或硬壳状晶体，通常形成 “铁玫瑰”或 “足球”状，极少数情况下可以继承黄铁矿晶型，呈现出立方体或立方体-八面体复合晶型。一般来说，粗颗粒的飞灰和底灰中容易富集磁铁矿，而细颗粒的飞灰中容易富集赤铁矿，这是因为细颗粒飞灰形成时具有相对较高的氧化条件 ( Vassilev 等，1996) ，我们的研究也基本如此，但在飞灰中也并不缺乏磁铁矿微珠颗粒。此外，粉煤灰中还存在未完全燃烧的炭粒和残余黏土矿物，它们在底灰中的含量明显高于飞灰。空心炭在底灰中富集较多，丝质体组分的碎片呈光滑或带有瘤状的杆状颗粒，既存在于底灰也存在于飞灰中。此次研究，在个别粉煤灰微珠颗粒中还发现有针状或柱状的金红石矿物，形成球体的骨架，有玻璃质或多或少充填于金红石骨架孔隙之中。金红石通常是粉煤灰中 TiO2的主要物质来源，其熔点高达 1827℃，主要为原生成因，但也可以来自熔体的结晶作用或者来自锐钛矿同质异像的转变 ( Vassilev 等，1996) 。图 4. 7 是准格尔电厂粉煤灰 FESEM-EDX 分析得到的部分矿物图像和主要成分特征。

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

图 4. 7 准格尔电厂粉煤灰中的晶体矿物 ( 附有 EDX 能谱点的颗粒)

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