便攜式X熒光儀在鉛鋅礦評價野外工作中的應用

夏　天，牛　輝，劉毅業，2

（1.新疆地質調查院，新疆烏魯木齊830000；2.新疆大學地質與礦業工程學院，新疆烏魯木齊830000）

便攜式X熒光儀在鉛鋅礦評價野外工作中的應用

夏天*1，2，牛輝1，劉毅業1，2

（1.新疆地質調查院，新疆烏魯木齊830000；2.新疆大學地質與礦業工程學院，新疆烏魯木齊830000）

近年來，隨著X射線熒光光譜分析技術的發展使便攜式X熒光儀出現并進入了野外應用階段。其便攜的特點使得在野外現場便可得到樣品半定量的測試結果，使得礦產評價的周期得到極大的縮短。通過在東天山地區對“尼通XL2手持式元素分析儀”性能的測試研究得出取-4～+20目的巖屑樣品進行30s時間的測試是野外較高效率的快速分析方法，以及介紹了快速分析剖面在鉛鋅礦床初步評價中的應用方法與成果。

便攜式X熒光儀；現場分析；野外應用；礦床評價

X射線熒光光譜分析是實驗室、現場分析主、次量和痕量元素的首選方法之一，在礦產評價工作中多應用于實驗室地球化學勘查樣品分析。目前礦產評價野外工作面臨的問題是工作周期長、進一步工作部署滯后，其主要原因是由于樣品采集后送樣與實驗室分析并取得結果的過程周期較長。隨著微電子學、計算機科學、核科學和材料學的迅猛發展，用于現場分析和原位分析的可攜式和手持式譜儀應運而生。更小巧、更低功率的便攜式X熒光分析儀在野外工作中的應用，使得樣品分析在現場立刻可以獲取分析結果。雖然精度達不到規范要求的標準，但至少可以達到半定量分析，從而極大地加快工作部署的進程，減少不必要的工程投入。

由于便攜式X熒光儀分析過程是在現場測量環境條件下進行的，其測量對象是原生產狀條件下的樣品，現場X射線熒光分析方法的分析準確度、檢出限和元素報出率，一般均遜于室內大型分析儀器和化學分析方法。所以我們需要研究的是在野外除開技術限制以外最快地得到穩定的分析結果，以及分析什么形態的樣品可以在礦床評價中產生較好的效果。

1　儀器概況

本次選擇“尼通XL2手持式元素分析儀”作為研究對象，其激發源為高性能微型X射線管，Au靶，最大功率50kV/40μA；X射線探測器為高性能的Si-PIN探測器，熱電制冷。

2　影響分析結果的因素討論

在該儀器的使用過程中，對比其分析不同樣品、不同分析用時、不同樣品介質的分析結果，研究其在野外最快速、最有效的使用方法。

2.1誤差分析

無論使用何種方法的測量都會差生測量誤差，使用該X熒光儀進行的分析同樣有誤差，其誤差分為系統誤差與隨機誤差。

使用該儀器進行的分析，其產生的系統誤差主要為校準過程和操作缺陷產生的誤差，以及探測器獲取的曲線由于處理系統波譜分辨率不足產生的誤差。前者會在工廠校準時消除或控制在無影響的程度，而后者屬于技術限制，在今后儀器的開發中會逐漸減少這個誤差。

所以除去技術限制，我們在野外只需要控制其隨機誤差的大小，來獲得相對準確的分析結果。

儀器所有測試結果都是存在隨機誤差的結果，顯示結果時都會顯示2倍標準偏差（2σ）作為其本次測試結果的隨機誤差值，根據正態分布函數，表示其數據在2σ之內置信度為95%。舉例來說，當一個元素含量的測量結果為500ppm，2σ=50ppm，我們可以理解為有95%的概率，這種元素含量在450～550ppm范圍內。

檢出限代表了儀器的測量性能，該儀器按照美國EPA的要求檢出限為3倍標準偏差（3σ）。檢測結果中若顯示小于檢出限（＜LOD）則其檢測結果小于3倍標準偏差（＜3σ）。而檢測結果大于2倍標準偏差（2σ），則結果顯示浮動范圍x±2σ。

2.2檢測時間對誤差的影響研究

在儀器檢測過程中，其顯示的數據是動態的，每一秒都在發生變化，為了研究這個變化規律我們對Cd含量為100mg/kg的標準樣品使用該儀器進行檢測，記錄其每一秒的顯示結果（表1）。

表1　時間參數與儀器檢測結果關系

從表1中可以看出，測試結果可以通過延長測量誤差來降低隨機誤差。通過計算得出每延長4倍測量時間，誤差就會降低約一半。所以時間參數是直接影響分析結果及誤差的參數。

2.3檢測時間對實際樣分析結果影響研究

使用X熒光儀對NIST 2780標準樣品分別進行30s、45s、60s、90s、120s五種不同時長的分析測試，生成了5組數據（表2）。

表2　分析NIST 2780標準樣品不同檢測時間的檢測結果對比（部分元素）

通過對比該表格內的各組數據來研究如何在最短的時間內得到相對高質量的測試結果。

從該表格中測試時間為30s的這組數據中可以看出，儀器會使用2種不同能量的射線分別測試部分元素，30s的測試會在未變換射線之前終止測試，導致部分元素無測試結果。所以不建議在野外未知目標元素的情況下，使用少于30s測試時間的測試結果作為參考依據。

對比測試時間為45s與60s的這2組數據，發現在30s測試時間內測不出來的這部分元素（Cr、V、Ti、Sc、Ca、K、S等）的標準偏差大幅降低（約40%～50%），而其他元素（Ba、Sb、Sn、Cd、Ag、Pd、Zr、Sr、Rb、Pb、Au、Se、As、Hg、 Zn、W、Cu、Ni、Co、Fe、Mn等）的標準偏差幾乎未發生變化。同理對比這5組數據，會發現每過30s測試時間，其中一部分元素的的標準偏差都會大幅度降低（約30%～40%），且隨著測試時間的增加這個幅度在變小。

2.4樣品粒級對測試結果的影響討論

試驗區位于新疆哈密清白山鉛鋅礦區內，試驗方法為在地表礦化帶及其周圍均勻取30個點，在每個點采集殘積層樣品，樣品過篩，分別取粒級為-4～+20目與-20目的樣品直接使用X熒光儀進行30s的測試，分別記錄其結果（表3）。

表3　2種不同粒級的樣品測試結果對比（部分樣品）

從表3中可以看出，絕大部分粒級為-4～+20目樣品明顯比-20目樣品的測試結果高，證明了在-20目粒級內有明顯的元素貧化現象，所以在東天山野外工作中應使用-4～+20目粒級進行快速分析。

3　礦床評價應用

3.1礦床概況

清白山鉛鋅礦位于新疆東天山地區，距哈密市約185km。大地構造處于塔里木板塊，北山古生代裂谷帶西段。目前處于預查階段，平均品位Pb0.4%、Zn1%，礦體近東西向似層狀展布，斷續延伸約5km。賦礦地層為中元古界長城系古硐井巖群。原巖為一套濱淺海碎屑—碳酸鹽巖建造。其變質程度較深，達低角閃巖相。

3.2工作方法

垂直礦化帶構造線方向布置3條快速分析剖面，使用GPS定點，點距40m，每個點在10m范圍內挖3個坑取殘積層土壤過篩，粒級取-4～+20目，直接用X熒光儀測試窗口對準樣品開始測試，由于已知成礦元素為Pb與Zn，屬于第一種射線測試元素種類范圍，所以取30s測試時間。記錄點位及成果數據，制作剖面成果曲線圖。使用成果曲線確定礦化體范圍，實地驗證確定賦礦地層、巖性，指導探槽布設。

3.3成果研究

圖1中深灰色區塊為根據探槽樣品成果圈定的礦體（Pb＞0.2%、Zn＞0.5%），PM1-3為本次布置的3條快速分析剖面，成果曲線對應各剖面的測試成果。其中PM1的Pb最高值為607ppm，Zn最高值為2929ppm； PM2的Pb最高值為400ppm，Zn最高值為1265ppm；PM3的Pb最高值為3439ppm，Zn最高值為5507ppm。對應的礦體品位為Pb0.2%～1.2%，Zn0.5%～3%。

從圖1中可以看出，各剖面經過礦體的這一段都對應了成果曲線中的高值區域。經過野外驗證，其他高值點也對應了較弱的礦化地段。

4　討論

通過研究時間參數對測試結果誤差的關系研究，可以得出以下幾個結論：

（1）隨著測試時間的增加，其測試成果數值的標準離差呈指數下降，其結果為獲取的值更加精確。

（2）在野外測試已知元素為Ba、Sb、Sn等第一種射線測試的元素的含量時，測試30s時間可以在最短時間內獲取相對高質量的測試結果；而測試Cr、V、Ti等第二種射線測試的元素則需要60s來獲取相對高質量的測試結果。

（3）以上測試時間只適用于圈定有一定品位的礦體，若需圈定含量較低的礦化體或異常范圍則需要增加一分鐘的測試時間來降低儀器檢出限。

（4）工作部署前應針對本區域特點選擇測試粒級。本區粒級試驗發現了-4～+20目的樣品測試成果含量普遍比-20目的樣品高，其原因是試驗地點為東天山地區，區內風成沙與鹽積層較為發育，-20目的樣品中這些物質含量比較高，導致元素含量被貧化。

在其他地區測試樣品時，可以選擇對應當地地球化學景觀規范所要求的粒級測試樣品，以獲取良好的測試成果。

圖1　清白山鉛鋅礦東段礦體快速分析剖面成果圖

（5）對比快速分析剖面的成果與探槽樣品實驗室分析結果，雖然無法確定礦體的品位，但是基本圈定了礦化體范圍。快速分析剖面這種工作方法在本區的礦產評價工作中對圈定礦化地段，設計施工槽探起了指導性的作用，而且該成果可以當天獲取，減少了送樣分析所花費的大量時間與人力物力。

（6）如果礦化帶較窄，可能需要減少樣品間距來控制更稀疏的礦化帶。

5　結論

通過本次研究與應用，尋找出了一種便攜式X熒光儀在野外的應用方法，也對最新一代的便攜式X熒光儀性能做了了解。這種方法雖然不能取代實驗室，但是可以在一定程度上增加野外礦產初步評價工作的客觀性，減少了不必要的工程施工，節省了大量時間。所以，有必要在一定范圍內進行推廣應用。

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1004-5716（2016）07-0140-04

2016-03-28

夏天（1989-），男（漢族），新疆烏魯木齊人，助理工程師，現從事地質礦產勘查工作，碩士研究生在讀，研究方向：地質工程。