氩离子抛光—场发射扫描电镜分析方法在识别有机显微组分中的应用

高凤琳，王成锡，宋 岩，陈振宏，刘庆新，李 卓，姜振学，张欣欣

(1.中国地质调查局 发展研究中心，北京 100037；2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.东北石油大学 非常规油气研究院，黑龙江 大庆 163318；5.中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029)

近年来， 高分辨率场发射扫描电镜(FE-SEM)逐渐成为页岩储层表征不可或缺的研究工具[1-6]。扫描电镜不仅具有分辨率高、观测视域广、成像清晰、操作简便等优点[7-8]，配有高性能X射线能谱仪、二次电子以及背散射装置的扫描电镜还能实现物质形貌观测和化学成分定量分析的统一[7]。页岩属于细粒致密储层，具有微纳米尺度孔隙结构。为了便于观察页岩储层的微观孔隙结构特征，常对页岩样品表面进行氩离子抛光处理，使其光滑平坦，不仅可以清楚地观察到微纳米孔隙的发育特征，同时还能减少手动机械抛光对样品造成的损害。

有机质孔隙是页岩储层最为重要的一类孔隙，但其强烈的非均质性阻碍了人们对页岩储层的正确认识和评价[8-12]。前人已经注意到这种非均质性很可能受有机显微组分的控制[1，7，9]，但一直缺乏对特定显微组分孔隙发育情况的直接观察手段。扫描电镜可以直观明了地获得有机质孔隙发育情况，但却无法做到对有机质类型的鉴定，因为所有的有机质在扫描电镜图像中均呈暗黑色。前人曾试图通过扫描电镜对有机显微组分进行鉴别，一是对页岩样品的新鲜断面进行观察[2，7]，但新鲜断面往往导电性差，需要镀金或镀碳，会造成孔隙发育特征的不实；二是通过有机质自身的形貌特点勉强区分木质显微组织和固体沥青[1，3-4，8，13]，其可信度还有待验证。对于亚显微组分就更难以区别。不同于扫描电镜，荧光显微镜观察是鉴定显微组分的主要手段[14-15]，但却难以有效观察有机质孔隙发育特征。

因此，本文结合两种观察手段，通过扫描电镜和光学显微镜定位观察的方法，对氩离子抛光扫描电镜下观察到的有机质进行荧光显微镜显微组分类型鉴定，再回过头对各类显微组分的扫描电镜图像信息进行大量观察，归纳总结氩离子抛光扫描电镜观察下有效识别有机质类型的方法和识别特征。

1 样品和实验方法

1.1 实验样品

本文所采6个样品均来自长岭断陷湖盆页岩。长岭断陷是松辽盆地最大的次级构造单元，在盆地快速裂陷期沉积了大套的暗色湖相泥页岩，即沙河子组页岩[16]。页岩含有丰富的有机显微组分类型，既包括湖盆周缘高等植物所形成的有机质，也包括湖盆深水环境低等生物所形成的有机质。来自于断陷东南部B2、SL2和S103井的样品，有机质丰度中等—高、成熟度高，有机质类型以Ⅲ型为主，黏土矿物含量高，脆性矿物含量低[9]。

1.2 实验方法

1.2.1 场发射扫描电镜

在进行扫描电镜观察前，需将所采不规则样品制备成实验观察所需的大小约为1 cm ×1 cm×1 cm的规则方块，方块观察面垂直页岩层理面。对观察面进行氩离子抛光处理。采用Zeiss SUPRA 55 Sapphire 型扫描电镜进行样品观察，最小分辨率约为1 nm，扫描电镜配备有二次电子检测器以及能量色散光谱仪(EDS)。为了避免对样品表面微观特征有所影响，通常对观察面不进行镀碳或镀金。在观察过程中，要对所有观察到的有机质进行位置标定，以便与显微镜中所观察到的有机质对应。位置标定的具体方法如图1所示，从样品的一角开始观察，选定观察到的一个特征点做为起始点(图1a)，这个起始点选择以识别度高为原则，可以是有机质，也可以是其他物质，记录好载有起始点扫描电镜照片的编号，同时将特征点的形状素描在记录簿上，由于有机质顺层理富集，所以观察的方向顺着层理呈反“S”形，需要进一步观察的有机质再逐一放大倍数，观察其孔隙发育特征(图1b)，直至完成一个样品。需要注意的是，在观察一个样品的全过程中，保持参数设置一致。

图1 有机质观察定位方法示意图Fig.1 Schematic diagram of organic matter location observation method

1.2.2 光学显微镜观察

相同的样品在进行FE-SEM观察之后，随即进行光学显微镜的观察。依照扫描电镜观察时所标定的位置，在光学显微镜观察时一一找出相对应的有机质，对其进行有机显微组分的鉴定。显微组分的识别依据程克明等[17]的分类方案，识别结果和各有机显微组分特征详见文献[9]。最终通过大量有机质FE-SEM观察和荧光显微镜鉴定，获得特定显微组分在FE-SEM下的特征。

2 结果和讨论

2.1 氩离子抛光FE-SEM显微组分识别标志

经过光学显微镜识别和验证，获得氩离子抛光FE-SEM下大量有机显微组分的微观特征，对其进行总结，得出FE-SEM下有机质显微组分识别特征。主要根据有机质的外部形态、与周围矿物质的接触关系、有机质颜色、亮度、突起、有机孔隙发育特征及裂隙发育特征等综合因素判断显微组分类型(表1)。

(1)外部形态：不同显微组分来源于不同植物或同一植物的不同部位，自身性质具有差异，在埋藏成岩过程中受到不同程度的压实作用，形成具有其自身特点的形貌特征；

(2)硬度：不同物质来源的显微组分硬度具有差异，在与周围黏土矿物或者脆性矿物相接触时受到的改造和变化不同；

表1 氩离子抛光扫描电镜下显微组分鉴定标志Table 1 Maceral identification marks under Ar-ion scanning electron microscopy

(3)亮度：二次电子产率不同，导致不同显微组分明暗程度具有差异，通常各物质在扫描电镜下的亮度由明到暗顺序依次为矿物质、惰质体、镜质体和壳质体[18]，该特征可作为识别显微组分的参考，但不能作为唯一判断条件；

(4)颜色：有机质在扫描电镜下的颜色普遍为黑色、灰黑色，但是不同有机显微组分的颜色深浅仍有一定差异，颜色由深到浅依次为镜质体、惰质体、固体沥青和矿物质，与亮度相似，也不能作为唯一判断条件；

(5)突起：突起是显微镜下鉴定有机质类型的重要特征，通过观察，这一特征在扫描电镜下同样有效；

(6)孔隙：不同有机显微组分孔隙发育特征存在显著差异，固体沥青通常发育丰富的蜂窝状孔隙，孔隙密集，而镜质体和惰质体常发育形状不规则的残余孔隙[9]，因此，孔隙发育特征也是识别显微组分类型的重要特征。

(7)裂隙：镜质体，尤其是无结构镜质体通常发育有垂直条带方向的楔状裂隙，其他有机质却少见这种裂隙。因此，裂隙也可作为判断显微组分的依据。

2.2 镜质体识别特征

镜质体是断陷湖盆页岩中有机质的主要显微组分，主要是由植物的根、茎杆以及树皮等植物组织经凝胶化作用而形成的。凝胶化作用程度的差异会导致不同原始植物细胞结构的保留程度不同，据此可将其分为结构镜质体、无结构镜质体以及镜屑体。

2.2.1 结构镜质体

结构镜质体是原始植物显微结构保存较为完好的一类镜质体，在扫描电镜下整体呈各种样式纵横交错的网络状(图2)，可见明显的细胞腔和细胞壁(图3a-d)。细胞腔常呈圆形、椭圆形，并且呈有规律的排列。受地层压力作用，细胞腔常发生变形，呈各种不规则状，如近似圆角的平行四边形、纺锤形或者拉长的水滴形(图3a-b)。细胞壁也会发生弯曲变形甚至发生破裂，硬度较小的细胞壁甚至可能会被拉长减薄(图3a-c)。细胞腔常被黏土矿物、脆性矿物以及固体沥青所充填(图3a，c，e)。细胞壁与周围矿物界线清晰分明，接触的边界线平直光滑。由于结构镜质体来源于植物的木质显微结构，细胞壁形似骨架，突起高，质地致密均匀，颜色深，为80%～90%黑色，亮度偏暗，表面干净平滑，一般没有孔隙发育。凝胶化作用强烈时，细胞壁会有略微的膨胀，这时细胞壁与周围矿物的界线略不清晰，常常会出现不同程度的锯齿状，但仍会保留为数不多的细胞腔，腔体较小且多为不规则形状(图3e-f)。

2.2.2 无结构镜质体

无结构镜质体经过强烈的凝胶化作用已看不到原始的植物细胞结构。在煤岩学中，无结构镜质体可进一步分为均质镜质体、基质镜质体、团块镜质体以及胶质镜质体，本文不做区分，统归为无结构镜质体。无结构镜质体表面光洁，形态多为条带状或分叉条带状(图3g-h)，常顺着层理呈近似波纹状分布。无结构镜质体偶见零星分布的规则圆形或椭圆形气孔，但大多数情况下无孔隙发育。无结构镜质体颜色明暗程度与结构镜质体差别不大，但是突起略比结构镜质体低。有的无结构镜质体在形态上类似于充填在矿物间孔隙的胶结物，与固体沥青分布形态相似，但无结构镜质体内部经常可见横断裂纹(图3g-h)，而且突起明显比固体沥青高[9]，这是区分无结构镜质体与固体沥青的有效标志。

图2 氩离子抛光扫描电镜下典型显微组分识别标志Fig.2 Identification of different macerals under Ar-ion polishing FE-SEM

图3 扫描电镜和光学显微镜下镜质体的识别特征

2.2.3 镜屑体

镜屑体即碎屑镜质体，是无法辨认出原始细胞结构的镜质体碎屑颗粒，是由结构镜质体和无结构镜质体经过机械破碎而形成的，因此保留了细胞壁的弧状结构或者拱形边界。在扫描电镜下，镜屑体常呈不规则形状，类似于分选极差的沉积碎屑颗粒，形状有条带状、椅子形、变形的“工”字形、拐杖状和三叉状，具有尖锐的棱角，质地致密均匀，平顺光滑，呈深灰色，亮度偏暗，与矿物质之间的接触线平直光滑，突起高，一般不见孔隙发育，也不见裂隙发育(图2，图3i-l)。

2.3 惰质体识别特征

惰质体是由植物的木质显微组织经过丝炭化作用而形成的显微组分的集合，经过凝胶化作用的镜质体有可能再次经过丝炭化作用而形成惰质体。在光学显微镜下，区分惰质体和镜质体最好的差别在于反射光的颜色；而在扫描电镜下，惰质体和镜质体在形貌上没有明显的差别。因此需要通过特别仔细的观察，找出两者之间细微的差别，从而作出一个基本可靠的判断。

2.3.1 丝质体和半丝质体

丝质体与结构镜质体类似，也来源于植物的根、茎杆以及树皮等植物显微组织，是惰质体中细胞结构保存最为完好的一类显微组分。丝质体在扫描电镜下也呈各式各样纵横交错的网状结构或筛状结构(图2)，细胞壁和细胞腔清晰可见(图4a-d)。与镜质体略有不同的是，保存较好的丝质体其圆形或椭圆形的胞腔较大，细胞壁比镜质体的略显细薄，质地均匀致密。细胞腔也常充填有矿物质和固体沥青。受压实作用影响，丝质体常会发生变形甚至破裂，形成弧状或者星状结构(图4c-d)。一些硬度较低的塑性丝质体呈细长的条带集合体，受力弯曲变形，在变形处往往形成不规则的孔隙[9]，这种丝质体与镜质体较易区分。但整体而言，丝质体的突起较结构镜质体高，颜色比镜质体略浅，细胞壁孔隙通常不发育，有时可见细密气孔分布的细胞壁，则一定属于惰质体的范畴[9]。丝质体几乎不发育裂隙。半丝质体与丝质体类似，由于丝炭化程度低，半丝质体的细胞壁膨胀强烈而使细胞结构呈现模糊不清的状态，细胞腔由于膨胀挤压而变得异常的小(图4e-f)，这是半丝质体与丝质体以及镜质体在扫描电镜下可区分的重要特征[9]。半丝质体的突起比丝质体略低，颜色深灰色，呈70%黑色，可见少量气孔或者未被充填的残余孔隙，裂隙不发育。

2.3.2 菌类分泌体

菌类体包括真菌遗体和分泌菌类体，后者主要来自于高等植物的分泌物。本文不做区分，统称为菌类体。在扫描电镜下，菌类体颜色较深，呈70%黑色，通常呈规则的浑圆状，突起很高，边缘较为致密，不发育孔隙，而在部分菌类体中部位置常发育大小不一的规则状的圆形孔隙，大孔隙中还可见套有小孔隙的现象(图2)[9]。有的菌类体外部形态不是规则的椭圆形，但总可见呈圆弧形的部分边界，剩余边界部分呈不规则状，内部未见孔隙发育或可见零星孔隙(图2，图4i-j)，突起很高，属于分泌成因的菌类体。其次，还可见呈环形的菌孢体(图2，图4g-h)。

2.3.3 惰屑体

惰屑体是碎屑惰质体，与镜屑体类似，在扫描电镜下已无法辨认细胞结构的惰质体碎屑颗粒。在形状上与镜屑体相似，均呈不规则状(图2)，例如条带状、椅子形、变形的“工”字形、拐杖状和三角状，具有一定的尖棱角。有的惰屑体棱角没有那么尖锐，边界呈有一定的曲率。质地均匀致密，平顺光滑，呈深灰色，略比镜屑体浅，亮度较镜屑体略高，与矿物质之间的接触线平直光滑，突起高，一般不见孔隙发育，不见裂隙(图4k-r)。惰屑体和镜屑体在扫描电镜下不易区分。

2.4 固体沥青识别特征

固体沥青属于原始干酪根转化生烃形成的次生有机质，根据其在有机质演化阶段出现的先后顺序，分为前油沥青、后油沥青以及焦沥青[19-20]。固体沥青最显著的特征是没有特定的颗粒形态，它常常以胶结物的形式充填在无机矿物所构成的空间中，受周围物质分布状态影响大。大量扫描电镜观察显示，固体沥青的颜色为浅灰色，呈40%～50%黑色，颜色比镜质体和惰质体都浅，突起较低，有的甚至比周围矿物质的突起还低。前油沥青是在未熟和低熟阶段由干酪根向烃类转化过程中形成的早期产物，是一种黏性流体，且搬运距离较短，往往存在于干酪根附近的位置[21]。前油沥青形成的成熟度低，孔隙一般不发育，或者发育少量孔隙，孔隙很有可能是充满在原有孔隙空间的原油在后期经过干裂时形成的收缩气泡，或者不完全充填的时候在有机质和无机矿物之间形成的孔隙，这样的有机质和孔隙界线常常呈弯月面形[22]，这一特征可以作为在扫描电镜下识别前油沥青的标志。后油沥青则被认为是原油经过一定距离的运移以及降解作用而生成的固体沥青[10，21]。后油固体沥青是干酪根生成的油气经源内运移后因近地表、低温条件下的水洗、生物降解、脱气等作用变成的固体沥青，既可分布在干酪根内的有机质孔隙中，也可分布在干酪根周缘的孔隙中，还可以分布在离干酪根较远的孔隙中[10，21]。因此，后油沥青在一定程度上具有运移特征。后油沥青形成的成熟度较高，但还未达到原油裂解生气的阶段[22]，因此孔隙也不是很发育。前油沥青和后油沥青在扫描电镜下较难以区分，本文统称为油沥青(图5a-g)。焦沥青属于不可溶有机质，是原油裂解生气之后残余的固体沥青[22]。因此焦沥青中经常发育大量海绵状或者蜂窝状微孔隙，孔隙细密且分布均匀，孔隙形状不规则，孔隙网络发育，并且出现大孔套小孔的现象(图5a，h-k)，这是焦沥青和其他沥青的主要区别。

图4 扫描电镜和光学显微镜下惰质体的识别特征

图5 扫描电镜和光学显微镜下固体沥青的识别特征

3 结论

通过氩离子抛光—场发射扫描电镜和光学显微镜定位观察的方法，能够实现特定显微组分的微观结构特征观察，进而总结出扫描电镜下有机显微组分的识别特征。

(1)氩离子抛光—场发射扫描电镜下有机质显微组分的鉴定可通过有机质的外部形态、与周围物质的接触关系、硬度、有机质颜色、亮度、突起、有机质孔隙和裂隙发育等特征综合判断。

(2)保存较好的结构镜质体呈现纵横交错的网格状，可见细胞腔和细胞壁，突起高，颜色深，质地均匀，孔隙不发育。无结构镜质体表面光洁，以条带状为主，多顺层分布，颜色深，突起低于结构镜质体，高于固体沥青，内部可见横断裂纹发育。镜屑体呈不规则的棱角状，孔隙和裂隙均不发育。

(3)保存较好的丝质体其胞腔较大，细胞壁细薄，突起高，颜色浅，孔隙不发育，可见少部分残留胞腔孔隙和粒间孔隙。与丝质体相比，半丝质体由于细胞壁膨胀显示模糊不清的细胞结构，胞腔较小。菌类分泌体呈规则的浑圆状，突起很高，颜色深，菌类体边缘较为致密，内部孔隙发育。惰屑体在扫描电镜下与镜屑体十分相似，不易区分。

(4)扫描电镜下的固体沥青没有特定的颗粒形态，呈不规则状分布，浅灰色，突起低。油沥青孔隙不发育或发育零星孔隙，而焦沥青中发育大量海绵状或者蜂窝状微孔隙，孔隙细密均匀，形状不规则，孔隙网络发育，出现大孔套小孔的现象，这也是焦沥青和油沥青的主要区别。