勘查技術(shù)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)析

馬成有 來(lái)雅文 陸繼龍

摘要：從專業(yè)意義、目標(biāo)、特點(diǎn)出發(fā)，探討了勘查技術(shù)與工程專業(yè)（地質(zhì)分析方向）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。基于研究對(duì)象的確定、樣品采集、預(yù)處理及樣品加工分析等一系列過(guò)程研究，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、質(zhì)量控制方法及未來(lái)專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟件、硬件都要同步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)分析 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P621 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1009—5349（2019）18—0036—02

勘查技術(shù)與工程專業(yè)，研究人類賴以生存的自然資源和自然環(huán)境，涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的方方面面，某些國(guó)家已經(jīng)將勘查技術(shù)與工程專業(yè)提升到關(guān)系國(guó)家安全和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。

一、意義、目標(biāo)、特點(diǎn)

作為勘查技術(shù)與工程專業(yè)的一個(gè)主要研究方向——地質(zhì)分析，其重要性不言而喻。地質(zhì)分析源于巖礦分析，作為現(xiàn)代地學(xué)的重要組成部分，是地球化學(xué)、巖石學(xué)、礦物學(xué)和環(huán)境與生態(tài)學(xué)強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。地質(zhì)分析不同于傳統(tǒng)意義上的化學(xué)分析。首先，研究對(duì)象特殊。地球時(shí)空范圍內(nèi)的各種形式的樣品，如氣體（空氣、工業(yè)廢氣等）、液體（地表水、地下水、工業(yè)廢水、垃圾滲濾液）、固體（巖石、礦物、礦石、生物體）、古生物化石等，都是地質(zhì)分析的對(duì)象，樣品種類繁多。其次，樣品成分復(fù)雜。地質(zhì)分析所采集的樣品是天然樣品，種類繁多，各樣品所具有的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)是千差萬(wàn)別的，化學(xué)成分相當(dāng)復(fù)雜。同一元素在不同性質(zhì)的樣品中，賦存狀態(tài)不同，含量差別也大。再次，分析方法具多樣性，尤其是新技術(shù)、新儀器不斷被開發(fā)、利用，能達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。最后，?duì)分析結(jié)果也有更高要求。地質(zhì)樣品中的元素含量很低，一般在10—6μg/g以下，更有微量元素達(dá)到10—12μg/g以下或更低。嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，按原則、規(guī)則操作，并且不只是對(duì)含量、檢出限有更高的要求，地質(zhì)分析還要研究地質(zhì)樣品元素的形態(tài)、價(jià)態(tài)、同位素，等等。為了達(dá)成目標(biāo)，針對(duì)不同類型的地質(zhì)樣品，甚至是不同地區(qū)的同類地質(zhì)樣品，都應(yīng)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)具體內(nèi)容

1.確定研究對(duì)象

以研究微量元素形態(tài)、含量，營(yíng)養(yǎng)元素形態(tài)、含量，持久性有機(jī)污染物含量為目標(biāo)，設(shè)計(jì)勘查技術(shù)與工程專業(yè)（地質(zhì)分析方向）的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，具體如：巖石、礦物、土壤、水系沉積物中微量元素的形態(tài)、含量分析，河流底泥微量元素及營(yíng)重金屬元素形態(tài)、含量分析，河流、湖泊等水體中微量元素及有機(jī)污染物成分含量分析，氣體成分分析，如土壤汞氣測(cè)量、大氣中污染物的測(cè)量。隨著科研水平的提高，研究范圍也隨之?dāng)U大，研究對(duì)象變得更為復(fù)雜，如南極冰芯、深海沉積物，甚至是外太空如月球上的巖石、土壤等極端環(huán)境下的固、液、氣和微生物、生物等樣品，都是其研究的對(duì)象。

2.樣品采集及預(yù)處理

樣品采集是地質(zhì)分析工作獲取一手資料的最重要的一步，是基礎(chǔ)。樣品采集前應(yīng)對(duì)樣品所在的研究區(qū)進(jìn)行踏勘，了解研究區(qū)域的地質(zhì)概況、自然地理交通、環(huán)境生態(tài)，為采集做好準(zhǔn)備工作。根據(jù)目的要求，并結(jié)合實(shí)際情況，事先確定好采樣點(diǎn)布局，做到心中有數(shù)。根據(jù)采集的具體物質(zhì)，綜合考慮采集方案，標(biāo)注注意事項(xiàng)。例如，水樣的采集：采樣器要清潔無(wú)污染，使用前最好用HCl清洗，采樣瓶為無(wú)色聚乙烯塑料瓶，要保證清潔，使用前用待采水樣清洗三次。進(jìn)行陽(yáng)離子分析的水樣，需要酸化，保證陽(yáng)離子不沉淀，不被瓶壁吸附，用鹽酸或是硝酸要視分析元素而定;進(jìn)行陰離子分析的水樣直接裝瓶，回實(shí)驗(yàn)室立即分析。

3.地質(zhì)樣品元素形態(tài)分析

元素形態(tài)決定了其在生命和環(huán)境過(guò)程中表現(xiàn)出不同的行為;不同的元素形態(tài)由于具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)和生物活性，在生命和環(huán)境中發(fā)揮著不同的作用。元素總量的相關(guān)信息已經(jīng)不能滿足科學(xué)研究的需要。

例如：對(duì)土壤中微量元素的形態(tài)一般采用A.Tessier等人提出的理論，分為可交換態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)五個(gè)形態(tài)。各形態(tài)分離采取的是五步連續(xù)提取法，對(duì)各形態(tài)提取液處理、定容后，采用原子吸收光譜儀定量測(cè)定。

土壤中營(yíng)養(yǎng)元素主要有碳、氮、磷。土壤中的碳主要分為有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳。測(cè)定土壤中的有機(jī)碳，可用過(guò)量的重鉻酸鉀—硫酸溶液與土壤中的有機(jī)碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，再用標(biāo)準(zhǔn)還原劑（硫酸亞鐵）滴定剩余的重鉻酸鉀，從而可得有機(jī)碳含量。當(dāng)然還有其他方法，如灼燒法等。土壤中無(wú)機(jī)碳的測(cè)定方法很多，總結(jié)起來(lái)主要有滴定法、EDTA滴定法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等。土壤中總氮的測(cè)定方法，可用凱氏定氮法，也可采用有總氮模塊的總碳分析儀測(cè)定。土壤中有機(jī)氮的測(cè)定采用元素分析儀測(cè)定，在催化劑的條件下，將有機(jī)態(tài)氮燃燒為元素氮和氮的氧化物，再在含有元素銅的還原柱中將氮氧化合物還原為氮?dú)?，由熱?dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)。土壤中無(wú)機(jī)氮的測(cè)定可用一定濃度的氯化鉀浸取液提取出銨態(tài)氮、硝態(tài)態(tài)、亞硝態(tài)氮，然后用分光光度法測(cè)定。土壤中磷的形態(tài)主要分為可交換態(tài)磷，鈣結(jié)合磷，鐵結(jié)合磷，鐵、鋁結(jié)合磷，閉蓄態(tài)磷，殘?jiān)鼞B(tài)磷六個(gè)形態(tài)，采用強(qiáng)度不同的浸取劑對(duì)各形態(tài)連續(xù)提取的分離方法，形態(tài)定量分析采用磷鉬藍(lán)分光光度法。

當(dāng)然還有水體，植物、動(dòng)物等生物樣品中微量元素和營(yíng)養(yǎng)元素的形態(tài)分析。不論何種樣品，形態(tài)分析中最關(guān)鍵的是采樣及樣品制備，在采樣及制備過(guò)程中要保證形態(tài)不發(fā)生變化，要避免過(guò)程中出現(xiàn)交叉污染?？傊?，針對(duì)不同的樣品，根據(jù)分析目的的不同，選擇合適的處理方法，原則就是不損失、不破壞、不干擾待分析成分。

三、質(zhì)量控制

分析結(jié)果有效性的保證體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是精密度，另一個(gè)就是準(zhǔn)確度。精密度要靠平行樣來(lái)體現(xiàn)，三個(gè)以上平行樣的分析結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，滿足一定的要求，就可以說(shuō)精密度較好，這是保證分析結(jié)果的必要條件。準(zhǔn)確度要靠國(guó)家標(biāo)樣來(lái)檢查，同樣條件下處理待測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定值和真值做t檢驗(yàn)，在一定置信度條件下，如果t計(jì)算>t表，則認(rèn)為分析結(jié)果的準(zhǔn)確度是有保證的，如果t計(jì)算

四、數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析處理是重要一個(gè)環(huán)節(jié)。目前關(guān)于數(shù)據(jù)分析處理的軟件、數(shù)學(xué)方法都很多，最常見的有Excel。Excel看似簡(jiǎn)單，實(shí)則功能強(qiáng)大，用好Excel，可以解決我們常見的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。還有一些專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，如SPSS、SAS、Origin等。另外還有最小二乘法、因子分析;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等數(shù)學(xué)模型也可用于數(shù)據(jù)分析處理。

五、未來(lái)發(fā)展方向

同位素比和年代學(xué)測(cè)定，更是地質(zhì)分析現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)。微區(qū)原位分析和元素微區(qū)分布特征、自動(dòng)化、多元素同時(shí)測(cè)定都已成為地質(zhì)分析重要的研究?jī)?nèi)容，無(wú)污染的“綠色分析技術(shù)”將成為未來(lái)地質(zhì)分析發(fā)展的方向。

加強(qiáng)地質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的硬件條件建設(shè)，發(fā)揮專業(yè)培養(yǎng)作用和展示專業(yè)特色及魅力。因此，設(shè)計(jì)與優(yōu)化好勘查技術(shù)與工程（地質(zhì)分析）專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體內(nèi)容是必需的、必要的，二者要協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣敬業(yè)，程建萍，祁士華，等.應(yīng)用地球化學(xué)（修訂版）[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2006.

[2]張本仁，傅家謨.地球化學(xué)進(jìn)展[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]倪師軍，張成江，李澤琴，等.地球化學(xué)原理與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，2008.

責(zé)任編輯：孫瑤