扫描式电子显微镜观察

掃描式電子顯微鏡觀察

為觀察觀音一號井與麓山帶地層中碎屑性和自生性黏土礦物之

分佈與生長，以及隨埋藏深度增加，自生性黏土礦物(如:混層伊萊石膨潤石)之元素組成之比例有無改變，本研究使用中央大學地球物理研究所JSM-7000F熱場發射掃描式電子顯微鏡(Thermal Field Emission Scanning Electron Microscope, TFE-SEM)，用以觀察碎屑性和自生性礦物之分佈與生長情形。SEM的操作條件為加速電壓15 kV、真空室壓力達2.8 × 10-4 Pa、工作距離10 mm。一般掃描式電子顯微鏡偵測主要為偵測二次電子(Secondary Electron Image, SEI)和背向散射電子(Backscattered Electron Image, BEI)成像，由於其產生電子之行為不同，所產生之影像分別為樣本之表面形貌和原子序對比(Goldstein et al., 2003)。平均原子序較高之區域，散射之背向電子訊號較強，呈現之影像較亮。本研究以背向散射電子偵測為主要觀察工具。由於黏土礦物之主要元素成份以原子序較低的矽、鋁氧化物和其他少量金屬鐵、鎂、鈣、鈉、鉀等，因此在背向散射電子影像中，黏土礦物多分佈在深暗色區域。

另外，使用加裝於SEM之元素能量分析儀(Energy Dispersion Spectrometer, EDS)，可透過搜集激發電子束產生的X光進行礦物化學組成之定性和半定量分析。EDS操作環境為電子加速電壓15 kV、放大倍率為2000倍以及接收100秒X光光譜時間。使用INCA 軟體(Revision 4.09)，鈦元素光譜校準，搜集測量結果之各氧化物重量百分比，混層伊萊石/膨潤石黏土礦物的化學式以22顆氧原子，計算化學式中的陽離子數，部分鋁離子納入四面體網格計算，即矽和鋁離子總和為8；剩餘鋁離子和鐵、鈦、鎂和鈉則被歸為八面體網格計算(Klein, 2002)。

拋光薄片製作

為觀察樣本中黏土礦物之外型及元素組成，本文除使用薄片外，另將部份觀音一號井和麓山帶樣本製備成拋光薄片，用於掃描式電子顯微鏡觀察。製作過程如下：

1. 切片

使用鋸片機將樣本沿垂直層面方向切開，岩石切片成直徑約2.5公分、厚約1公分，恰可放入灌膠模具中。

2. 灌膠

將切片之樣本放入模具後，小心倒入膠體。膠體使用Epoxy (EpoFix Resin, Struers)和硬化劑(EpoFix Harderner, Struers)，以15比1混合而成。待膠體完全乾燥後取出。

3. 初磨

本研究之顯微礦物分析著重於觀察黏土礦物之產狀，因此研磨所使用之潤滑劑以油取代水，藉此降低黏土礦物之損耗。先以250 mesh 金剛砂將覆蓋在樣本表面之薄層膠體磨除，接著依序以400、600 和1000 mesh之金剛砂將樣本表面磨平。初磨工作皆於平坦的玻璃板上完成，更改粒徑研磨前先以99.5 %之丙酮將樣本震盪清洗乾淨。

4. 拋光

將少量鑽石膏(依序為6 μm、1 μm和0.25 μm)和少量拋光油均勻塗抹於拋光機之拋光布上，由粒徑大至小依序拋光，更改鑽石膏的粒徑前，亦使用99.5 %之丙酮將樣本震盪清洗乾淨。待拋光至樣本表層以及膠體皆發亮的程度，透過反射式顯微鏡觀察樣本表面，若表面非平滑整齊，則須持續拋光至平整為止。將拋光完成的拋光薄片蒸鍍碳膜，即完成掃描式電子顯微鏡的試片製作。

分析結果

(礦物名稱縮寫參照表3.3)

(1) 黏土礦物

由於長石質地軟、劈理構造發達，導致其化學穩定性較低。長石之不穩定造成其具有易蝕變的特性。在成岩作用中，各類長石的化學蝕變常與黏土礦物生成有關，例如混層伊萊石/膨潤石(圖3.9)、高嶺石(圖3.10)與綠泥石的形成等。蝕變過程中，長石的邊緣溶蝕，提供部分鉀和鋁離子為黏土礦物吸收。

(2) 碳酸鹽膠結物

本研究樣本中的鐵白雲石分佈常與黏土礦物一同出現(圖3.11、圖3.12)。由礦物分佈與EDS分析結果推測，原為白雲石充填處遭侵蝕，侵蝕後出現孔洞，地層水進入孔洞後，帶入鐵、鎂、矽等離子，沉澱出自生性黏土礦物(以混層伊萊石/膨潤石為主)。當混層伊萊石/膨潤石轉換成為有序混層礦物時，會將膨潤石中大部分的鎂、鐵離子排出，提供鐵白雲石生長之元素(Boles, 1978; Boles and Franks, 1979; McHargue and Price, 1982; Hendry et al., 2000)，造成白雲石與黏土礦物接觸帶常見有鐵白雲石生成。

(3) 其他成岩礦物

於麓山帶所有樣本中，常見黃鐵礦顆粒(圖3.13至圖3.17)，黃鐵礦以蔓生之莓狀體、規則和不規則結晶之集合體(圖3.13、圖3.14)和他形至半自形之黃鐵礦晶粒(圖3.15)分佈，另有黃鐵礦規則和不規則集合體填充於化石殼(碳酸鈣)內(圖3.16)，黃鐵礦僅為成岩作用的附屬產物(Tucker, 2001)。

(4) 重礦物

於早期中新世之大寮層樣本中，有移置鋯石(圖3.17、圖3.18)、鈦鐵礦(圖3.19)和金紅石(圖3.20)成分，上述礦物皆指示出中新世早期之地層具有火成岩質之碎屑性沉積物來源(Jensen and Bateman, 1981; Tucker, 2001)。

(5) 漸變的化學組成(混層伊萊石/膨潤石)

黏土礦物為基質之主要成份，自生性伊萊石/膨潤石混層礦物(圖3.21、圖3.22)、碎屑及自生性綠泥石(圖3.23、圖3.24)與自生性高嶺石(圖3.25、3.26) 充填於孔隙中。受埋藏深度變化而影響，成岩作用中膨潤石和伊萊石轉換過程主要為吸收鋁離子和鉀離子為層間物，同時釋放部分矽和鐵離子。以化學反應式表示之(Boles and Franks, 1979; Curtis, 1985; Lynch, 1997; Bjørlykke, 1998; Gier et al., 2008):

Smectite + Al2+ + K+→Illite + Si4+ + Fe2+ (3)

由反應式(3)可知，當地層埋藏深度增加、樣本中混層伊萊石/膨潤石的伊萊石比例增高時，混層黏土中鋁、鉀離子含量會較淺部含量高；相對地矽和鐵離子含量則變低(Boles, 1978; Curtis, 1985)。本研究使用部份麓山帶樣本進行元素能量分析，亦得到相似的趨勢。表3.4為麓山帶樣本中，混層伊萊石/膨潤石之化學元素組成(平均值)資料。

由礦物顯微分析可見，樣本中具有自生性混層伊萊石/膨潤石黏土礦物，於孔隙中生長。且此自生性混層黏土礦物常由長石類礦物蝕變而來。另外，由自生性混層伊萊石/膨潤石之化學元素組成可知，隨埋藏深度增加，矽、鐵離子之比例明顯減少；鋁、鉀離子則有些微增加之現象。此二結果乃由於混層伊萊石/膨潤石由無序轉換為有序混層礦物之過程中，會將大部分層間鐵離子釋出所造成(Curtis, 1985; Meunier, 2005)。深部樣本內之碎屑伊萊石邊緣有置換為混層伊萊石/