電子探針在地質實驗測試中的應用

鄧松良，李 健

（新疆礦產實驗研究所，新疆 烏魯木齊 830000）

任何物質的所有特性都與其形態（表面形態）、化學成分和結構有關。 過去，形態的觀察主要依靠光學顯微鏡，通過物質的光學和物理性質來評估；化學組成多采用化學分析法來測定；其結構通過 X 射線衍射、電子衍射和中子衍射進行分析[1]。電子探針顯微分析儀（簡稱電子探針）的問世，為測定微米級固體材料的組成、結構和表面形貌提供了有效的工具，是測試技術發展史上劃時代的輝煌成就。近年來，隨著電氣自動化工業的迅猛發展，新一代電子探針具有數字化、人工智能和自動化的分析程序、高分辨率圖像的采集等特點，很快就在地質學等領域得到廣泛的應用[2]。如今電子探針已成為新礦物成份分析的主要手段，每年用電子探針發現和分析的新礦物占總數的50%，有時達70%以上[1]。

1 電子探針分析的特點

電子探針分析是用聚焦到1μm左右的高能電子束轟擊樣品，樣品中的照射區域發出其組成元素的特征X射線，通過分析特征X射線的波長和強度來確定微區的化學成分?？梢赃M行點、線、面三種形式的分析，對研究礦物中元素的賦存狀態、共生關系、出溶結構、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，為進一步研究樣品的表面形態、成份、晶體結構提供更多的信息。在地質實驗測試中的應用主要有以下特點：

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

（2）不破壞樣品：不用分選單礦物、不污染樣品、不破壞樣品，可進行重復、多重定義，提供多種信息，定義后仍可保存樣本。它是測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儀器上使用相同的方法同時分析。 樣品制備簡單，分析程序簡單，速度快，成本低[1]。 X射線光譜不易影響化合態，分析精度高，對難于化學分析的個別稀土礦物的分析具有重要意義。

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

（1）對于超輕元素（如B、C、N、O、F），由于入射輻射產額低、特征X射線波長大、吸收效應大且易于暴露于碳污染，因此測量效率更高。復雜而敏感。低，通常為1000ppm～10,000ppm。

（2）大多數地質樣品導電性差，需在樣品表面進行鍍膜以消去電荷效應，這種處理難免會出現一定的錯誤； 一些地質樣品導熱性差，樣品在電子束轟擊下溫度會升高，使礦物中的一些揮發物蒸發，如某些磷酸鹽和水礦物鈉長石、某些硫化物等，其分析誤差會變大。因此，對地質樣品的分析結果要作客觀的評價[1]。

（3）對于含有大量結晶水和超輕元素的礦物、變價元素含量高的礦物、電子束轟擊時不穩定的礦物、以及含有大量結晶水和超輕元素的礦物，電子探針無法分析或誤差較大。沒有標準樣品。

2 電子探針在地質上的應用實例

2.1 礦物的分析鑒定

礦產分析評價是一項重大的地質工作，不僅與一般采礦、勘探評價和綜合利用密切相關，而且是研究礦物、巖石和礦床的一項重要工作[1]。

大多數的金銀礦物都是以微量、微小粒狀存在于礦石中。傳統的巖礦鑒定是在光學顯微鏡下，使用5X～20X物鏡進行金銀礦物的鑒定，50X物鏡景深太淺，不易聚焦，只是偶爾用于進一步確認礦物，因此光學顯微鏡只能鑒別約10μm以上的大顆粒金銀礦物。此時具有高放大倍數的電子顯微鏡（電子探針）利用背散射圖像和X射線能譜儀就可以準確、快速的把1μm～10μm左右的金銀礦物分辨出來，并且可區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20～30g/t，礦石中黃鐵礦褐鐵礦化程度高。經多個實驗室巖礦鑒定分析，都未在光學顯微鏡下找到自然金，最終利用電子探針成功發現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驗提供了至關重要的依據。

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過燒蝕后到達地表的流星殘留體，保留了太陽系形成前后的物質組分。隕石是最古老的巖石，保存了原始的化學和巖石學特征，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分餾過程, 提供原始太陽吸積盤的形成、物質分布規律等重要信息，是人類認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域，這些區域顏色背景單一、視域開闊、氣候干燥，是保存和富集隕石的最佳地點，成為我國最主要的隕石發現區[4]。我單位自2013年開展隕石鑒定業務至今共收到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險的。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有力的技術支持（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地質過程，固定和保存了地質過程各個階段的物理化學特征。包裹體研究對于確定礦床成因、了解巖石形成條件、尋找深部熱液盲礦體具有重要意義[5]。

對新疆拜城產出的寶石級紅寶石中的固體包裹體進行了電子探針分析，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利用提供了重要的基礎資料[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

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

電子探針對地質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作才能解決問題；有些隨著科學技術的發展，將逐步解決儀器精度和自動化程度提高的問題。電子探針分析技術會不斷的創新、改進，更好地為地質測試事業服務，在地質學各領域發揮更大的作用。