電子探針在地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的應(yīng)用

鄧松良，李 健

（新疆礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

任何物質(zhì)的所有特性都與其形態(tài)（表面形態(tài)）、化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。 過去，形態(tài)的觀察主要依靠光學(xué)顯微鏡，通過物質(zhì)的光學(xué)和物理性質(zhì)來評(píng)估；化學(xué)組成多采用化學(xué)分析法來測(cè)定；其結(jié)構(gòu)通過 X 射線衍射、電子衍射和中子衍射進(jìn)行分析[1]。電子探針顯微分析儀（簡(jiǎn)稱電子探針）的問世，為測(cè)定微米級(jí)固體材料的組成、結(jié)構(gòu)和表面形貌提供了有效的工具，是測(cè)試技術(shù)發(fā)展史上劃時(shí)代的輝煌成就。近年來，隨著電氣自動(dòng)化工業(yè)的迅猛發(fā)展，新一代電子探針具有數(shù)字化、人工智能和自動(dòng)化的分析程序、高分辨率圖像的采集等特點(diǎn)，很快就在地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]。如今電子探針已成為新礦物成份分析的主要手段，每年用電子探針發(fā)現(xiàn)和分析的新礦物占總數(shù)的50%，有時(shí)達(dá)70%以上[1]。

1 電子探針分析的特點(diǎn)

電子探針分析是用聚焦到1μm左右的高能電子束轟擊樣品，樣品中的照射區(qū)域發(fā)出其組成元素的特征X射線，通過分析特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來確定微區(qū)的化學(xué)成分?？梢赃M(jìn)行點(diǎn)、線、面三種形式的分析，對(duì)研究礦物中元素的賦存狀態(tài)、共生關(guān)系、出溶結(jié)構(gòu)、析晶等特別有利。此外還有二次電子像、背散射電子像、礦物陰極熒光像等，為進(jìn)一步研究樣品的表面形態(tài)、成份、晶體結(jié)構(gòu)提供更多的信息。在地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的應(yīng)用主要有以下特點(diǎn)：

（1）微區(qū)、微量：可以直接在巖石光、薄片上測(cè)定礦物的化學(xué)成分。其分析區(qū)域?。▋H1μm左右）、靈敏度高，突破了微粒、微量礦物分析的技術(shù)難關(guān)，這顯著提高了分析的準(zhǔn)確性，并在識(shí)別具有相似光學(xué)特性但具有不同化學(xué)成分的礦物方面發(fā)揮著重要作用[1]。

（2）不破壞樣品：不用分選單礦物、不污染樣品、不破壞樣品，可進(jìn)行重復(fù)、多重定義，提供多種信息，定義后仍可保存樣本。它是測(cè)量稀有珍貴隕石和月球巖石樣品的理想方法[1]。

（3）快速、分析精度高：多種元素（Be4～U92）所有這些都可以在同一臺(tái)儀器上使用相同的方法同時(shí)分析。 樣品制備簡(jiǎn)單，分析程序簡(jiǎn)單，速度快，成本低[1]。 X射線光譜不易影響化合態(tài)，分析精度高，對(duì)難于化學(xué)分析的個(gè)別稀土礦物的分析具有重要意義。

電子探針雖然有很多優(yōu)勢(shì)，但由于儀器本身的局限性及某些地質(zhì)樣品的特殊性，也會(huì)存在以下的一些困難：

（1）對(duì)于超輕元素（如B、C、N、O、F），由于入射輻射產(chǎn)額低、特征X射線波長(zhǎng)大、吸收效應(yīng)大且易于暴露于碳污染，因此測(cè)量效率更高。復(fù)雜而敏感。低，通常為1000ppm～10,000ppm。

（2）大多數(shù)地質(zhì)樣品導(dǎo)電性差，需在樣品表面進(jìn)行鍍膜以消去電荷效應(yīng)，這種處理難免會(huì)出現(xiàn)一定的錯(cuò)誤； 一些地質(zhì)樣品導(dǎo)熱性差，樣品在電子束轟擊下溫度會(huì)升高，使礦物中的一些揮發(fā)物蒸發(fā)，如某些磷酸鹽和水礦物鈉長(zhǎng)石、某些硫化物等，其分析誤差會(huì)變大。因此，對(duì)地質(zhì)樣品的分析結(jié)果要作客觀的評(píng)價(jià)[1]。

（3）對(duì)于含有大量結(jié)晶水和超輕元素的礦物、變價(jià)元素含量高的礦物、電子束轟擊時(shí)不穩(wěn)定的礦物、以及含有大量結(jié)晶水和超輕元素的礦物，電子探針無法分析或誤差較大。沒有標(biāo)準(zhǔn)樣品。

2 電子探針在地質(zhì)上的應(yīng)用實(shí)例

2.1 礦物的分析鑒定

礦產(chǎn)分析評(píng)價(jià)是一項(xiàng)重大的地質(zhì)工作，不僅與一般采礦、勘探評(píng)價(jià)和綜合利用密切相關(guān)，而且是研究礦物、巖石和礦床的一項(xiàng)重要工作[1]。

大多數(shù)的金銀礦物都是以微量、微小粒狀存在于礦石中。傳統(tǒng)的巖礦鑒定是在光學(xué)顯微鏡下，使用5X～20X物鏡進(jìn)行金銀礦物的鑒定，50X物鏡景深太淺，不易聚焦，只是偶爾用于進(jìn)一步確認(rèn)礦物，因此光學(xué)顯微鏡只能鑒別約10μm以上的大顆粒金銀礦物。此時(shí)具有高放大倍數(shù)的電子顯微鏡（電子探針）利用背散射圖像和X射線能譜儀就可以準(zhǔn)確、快速的把1μm～10μm左右的金銀礦物分辨出來，并且可區(qū)分光性極為相似的自然金、銀金礦和金銀礦等。

新疆某熱液成因金礦，金平均品位在3g/t左右，部分高達(dá)20～30g/t，礦石中黃鐵礦褐鐵礦化程度高。經(jīng)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)r礦鑒定分析，都未在光學(xué)顯微鏡下找到自然金，最終利用電子探針成功發(fā)現(xiàn)很多粒徑微小的金顆粒，最大顆粒3.29μm（圖1），為礦山后期的綜合利用和選冶實(shí)驗(yàn)提供了至關(guān)重要的依據(jù)。

圖1 金礦石電子探針背散射（COMPO）圖像

2.2 隕石礦物的研究

隕石是從行星際空間穿越大氣層經(jīng)過燒蝕后到達(dá)地表的流星殘留體，保留了太陽系形成前后的物質(zhì)組分。隕石是最古老的巖石，保存了原始的化學(xué)和巖石學(xué)特征，它能反映原始太陽星云的元素和同位素組成、星云的高溫凝聚和化學(xué)分餾過程, 提供原始太陽吸積盤的形成、物質(zhì)分布規(guī)律等重要信息，是人類認(rèn)知太陽系形成和演化的重要窗口[3]。

新疆擁有廣闊的沙漠和戈壁區(qū)域，這些區(qū)域顏色背景單一、視域開闊、氣候干燥，是保存和富集隕石的最佳地點(diǎn)，成為我國(guó)最主要的隕石發(fā)現(xiàn)區(qū)[4]。我單位自2013年開展隕石鑒定業(yè)務(wù)至今共收到120余件“隕石”樣品，其中真隕石僅有14件，可見民間隕石收藏還是具有很大風(fēng)險(xiǎn)的。14件隕石樣品中石隕石有3件，鐵隕石有11件。電子探針的成分分析和圖像分析功能給隕石鑒定提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持（圖2-4）。

圖2 石隕石（球粒隕石）電子探針背散射（COMPO）圖像

圖3 鐵隕石電子探針背散射（COMPO）圖像

圖4 腐蝕后的鐵隕石電子探針背散射（COMPO）圖像

2.3 礦物中包裹體的研究

礦物包裹體是在礦物晶體生長(zhǎng)過程中被困在礦物或晶格缺陷或空腔中的成巖流體的一部分，仍被封閉在基體礦物中并與基體礦物具有相界。礦物包裹體的形成貫穿整個(gè)地質(zhì)過程，固定和保存了地質(zhì)過程各個(gè)階段的物理化學(xué)特征。包裹體研究對(duì)于確定礦床成因、了解巖石形成條件、尋找深部熱液盲礦體具有重要意義[5]。

對(duì)新疆拜城產(chǎn)出的寶石級(jí)紅寶石中的固體包裹體進(jìn)行了電子探針分析，確定了其礦物種屬為方解石、硬水鋁石、黃鐵礦、閃鋅礦（圖5-6）等，為下一步礦床研究及礦石資源的開發(fā)利用提供了重要的基礎(chǔ)資料[6]。

圖5 紅寶石電子探針背散射（COMPO）圖像

圖6 紅寶石電子探針背散射（COMPO）圖像

3 小結(jié)

電子探針顯微分析技術(shù)具有微區(qū)、微量、快速、不破壞樣品、分析元素范圍廣、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。在微粒礦物的鑒定、元素賦存狀態(tài)的查明、微量元素地球化學(xué)特征的確定、固態(tài)包裹體的研究、常量元素的快速測(cè)定、巖石全分析的對(duì)隕石和月球巖石的嘗試和研究，有效地彌補(bǔ)了光學(xué)顯微鏡、化學(xué)分析和X射線衍射的不足。它克服了礦床中細(xì)顆粒物和微量元素組成分析和相關(guān)元素鑒定的技術(shù)難點(diǎn)，為礦產(chǎn)的找礦、勘探和綜合利用提供了有力的分析鑒定方法。

電子探針對(duì)地質(zhì)樣品的分析也存在一定的困難和問題。有些需要與其他分析方法協(xié)作才能解決問題；有些隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將逐步解決儀器精度和自動(dòng)化程度提高的問題。電子探針分析技術(shù)會(huì)不斷的創(chuàng)新、改進(jìn)，更好地為地質(zhì)測(cè)試事業(yè)服務(wù)，在地質(zhì)學(xué)各領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。