Heavy Element Staining of Sedimentary Organic Matter Functional Groups for Backscattered Electron Imaging

Marquage par éléments lourds de la matière organique sédimentaire pour la microscopie électronique en électrons rétrodiffusés

¹ Institut Français du Pétrole
² INRA

Abstract

The scanning electron microscopy (SEM) in backscattered electron mode (BSE), which imaging is based upon atomic number (Z) contrasts between constituents, allows to visualize the organic matter distribution within the sediment. However the precise identification of organic matter is not possible as all the organic matter appears black. The contrasts between the different types of organic matter were enhanced for the use of the SEM/BSE imaging by staining organic matter with high Z elements. Experimental procedure was tested in terms of faisability, selectivity and specificity on polymers containing functional groups likely to occur in sedimentary organic matter. Then staining was applied to sedimentary organic matter, i. e. to purely organic sediments (algal mats, kukersite and coal) and to clayey sediments (Kimmeridge Clay Formation). The chosen staining solutions comprised : ruthenium tetroxide, osmium tetroxide, phosphotungstic acid (PTA) and silver methenamine. Samples were immersed in staining solutions for 24 hours, rinsed and observed with SEM/BSE. The penetration depth ranges between 20 and 150 µm. Other complementary tests with ruthenium tetroxide and mercury acetate were also performed on polymers. Tests with PTA, silver methenamine and osmium tetroxide were satisfying and presented a more or less broad specificity. Osmium allows the distinction of each algal laminite of the algal mat. The different parts of the kukersite react specifically with osmium, PTA and silver. The coal constituents display a specific staining with silver methenamine. Osmium and PTA allow in the Kimmeridge Clay sample (a) to differenciate several types of organic particles according to their chemical composition; (b) to locate the organic matter finely dispersed within the mineral, clayey matrix.

Résumé

La microscopie électronique à balayage (MEB) en mode électrons rétrodiffusés (ER) permet de visualiser la répartition de toute la matière organique d'un sédiment (Belin, 1992). Son imagerie est basée sur les contrastes de numéro atomique (Z) existant entre les divers constituants. La matière organique apparaît noire et les minéraux gris. Cependant il n'est pas possible de distinguer plusieurs types de matière organique avec le MEB/ER. Afin de mettre en évidence des contrastes au MEB/ER entre différentes matières organiques, les échantillons ont été marqués par des éléments lourds qui ont la particularité de se fixer de manière sélective et spécifique sur les groupes fonctionnels. Cette méthode est largement employée par la biologie cellulaire pour révéler divers corps organiques (Soligo et Lambertenghi-Deliliers, 1987; Langsdorff et al. , 1990; Clark, 1991; Namimatsu, 1992) ou bien par la science des matériaux dans le domaine des polymères (Sawyer et Grubb, 1987; Ohlsson et Törnell, 1990; Sue et al. , 1991; Janik et al. , 1992). L'application à la géologie et à la pétrographie est restée jusqu'à présent assez réduite : sédiments argileux (Whitlatch et Johnson, 1974; Green et al. , 1979; Bishop et al. , 1992; Hillier et Clayton, 1992), charbons (Corcoran et Stephens, 1987; Sommerfeld et al. , 1992), sols (Foster, 1981). Les éléments lourds utilisés pour le marquage sont très variés et présentent une spécificité plus ou moins large (Reynolds, 1963; Lewis et Knight, 1976; Takeuchi et Takeuchi, 1990). La matière organique sédimentaire est un mélange complexe de macromolécules dont la composition dépend de la nature de la matière organique originelle et de son degré d'évolution (Tissot et Welte, 1984). La matière organique peu évoluée possède de nombreuses variétés de groupes fonctionnels (Rouxhet et al. , 1980; Béhar et Vandenbroucke, 1987). La faisabilité de la méthode a d'abord été testée sur des polymères contenant des fonctions chimiques susceptibles d'exister dans les kérogènes naturels (tableau 1). Puis elle a été appliquée à des sédiments presque exclusivement formés de matière organique (tapis algaires, kukersite, charbon bimacéral) et à des argilites (formation de Kimmeridge Clay). Quatre solutions de marquage ont été utilisées (tableau 2) : tétroxyde d'osmium, qui marque les liaisons insaturées du C (Bland et al. , 1971; Behrman, 1987); tétroxyde de ruthénium, qui réagit avec les noyaux aromatiques, les éthers et les alcools (Sawyer et Grubb, 1987); acide phosphotungstique (PTA), qui se fixe sur les sites cationiques (Hayat, 1970); méthénamine d'argent, qui marque les liaisons soufrées et les groupes aldéhydes (Thomson et Kolvin, 1970; Swift, 1973; Lewis et Knight, 1976); acétate de mercure, qui marque les noyaux aromatiques (Westermark et al. , 1988). Les échantillons ont été inclus dans de la résine, polis, immergés dans la solution de coloration, rincés puis observés au MEB/ER après métallisation au carbone. L'observation est confortée par des analyses élémentaires semi-quantitatives en spectrométrie à dispersion d'énergie associée au MEB. La solution de coloration pénètre sur 20 à 150 µm de profondeur (fig. 1, A et B). Les résultats théoriques, attendus d'après la littérature, et les résultats expérimentaux montrent dans l'ensemble une bonne concordance (tableau 3). Les tapis algaires réagissent avec l'osmium et l'image obtenue est comparable à l'image de fluorescence avec une meilleure définition (fig. 3, B et C), alors que l'image MEB/ER conventionnelle ne fournit aucun contraste (fig. 3, A); le marquage est plus ou moins intense (fig. 3, D, E et F). La kukersite, qui est un sédiment entièrement constitué de l'algue Gloeocapsomorpha prisca, montre une réponse spécifique au PTA (matrice et cellules), à l'osmium (parois) et à l'argent (matrice et cellules) (fig. 4). Le marquage à l'argent d'un charbon permet de révéler diverses zones en fonction de la teneur en oxygène et en liaisons soufrées (fig. 5). Dans l'échantillon d'argilite (Kimmeridge Clay), les marquages au PTA et à l'osmium permettent la distinction entre plusieurs types de particules organiques d'origine algaire (Belin et Brosse, 1992) et la localisation de la matière organique finement dispersée dans la matrice. Le marquage par éléments lourds des groupes fonctionnels permet de visualiser in situ plusieurs types de matière organique en fonction de leur composition chimique. La spécificité des réactifs utilisés est variable mais l'application aux sédiments est bonne.