手持式XRF快速熒光分析儀在地質勘查中的應用

吳承東，顏偉裕，李慧，劉浩，李興斌

（湖南省核工業地質局三〇四大隊，湖南 長沙 410007）

手持式XRF快速熒光分析儀在地質勘查中的應用

吳承東*，顏偉裕，李慧，劉浩，李興斌

（湖南省核工業地質局三〇四大隊，湖南 長沙 410007）

為檢測便攜式礦石元素分析儀在地質礦產勘查中的應用效果，利用礦石元素分析儀對漢壽縣某礦區化探樣品、安化縣某礦區化探樣品及塞拉利昂地表工程和工程樣品進行測試，通過分析儀器測試結果與實驗室測試結果進行對比，顯示礦石元素分析儀具有較好的穩定性、一致性和可靠性。該儀器可用于礦體評估、精礦或礦渣分析、礦石等級分析、土壤或沉積物等樣品分析、廢水或土壤環境監測等地質勘查工作中，是一種快捷、簡便、經濟和有效的工作方法。

XRF分析儀；快速分析；手持；地質勘查

在國外地區或國內偏遠高寒地區，因交通不便，野外工作時間短，工作條件差，對地質工作提出了新的要求，為快速、準確收集相對多的第一手地質、物探和化探資料，快速追蹤和評價異常，縮短勘查周期，這就要求我們在野外工作期間必須現場進行快速測試分析，且要求儀器操作簡單、快速，檢出效果準確。便攜式礦石元素分析儀的出現，較好地解決了這個問題。該分析儀可被帶到任何場所進行檢測，不僅具有高級分析性能，還可以對很多元素進行分析，最重要的可以快速得到檢測結果。可以說該儀器可用于幾乎所有地質勘查中，應用該方法可以取得較好的地質效果和經濟效益。

1 分析儀簡介

1.1 配置情況

手持式XRF分析儀配備有強大的袖珍X射線管、Si-PIN探測器或高級硅漂移探測器（SDD）、專用過濾器及多光束優化功能，可將XRF的分析性能發揮到極致，使得X射線熒光光譜測定法得以應用到野外的檢測分析中[1]。

XRF分析儀堅固耐用、方便攜帶，具有極快的檢測速度和準確的檢測結果，在現場檢測中，幾乎不依靠遠離檢測環境的實驗室測試，即刻做出分析結果，是其最實際的核心價值。

1.2 檢出下限

手持式XRF分析儀已獲ISO 9001及14001質量管理體系認證，不僅具有高級分析性能，還可以對很多元素進行分析，比如賤金屬：銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、銀（Ag）、鉬（Mo）；金，包含探途元素和巖石地球化學成份；鈾或稀土元素；探途元素；硫化鎳和紅土型鎳礦床；鐵礦石和鋁礬土；稀土元素（REE），如：鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）和釹（Nd）；稀土探途元素，包含：釔（Y）、釷（Th）和鈮（Nb）；磷酸鹽和碳酸鉀；淺成熱液的錫、鎢、鉬、鉍、銻礦床；鈦鋯礦砂；煤、油、氣。

圖1 手持式XRF分析儀的配置Fig.1 Handheld XRF analyzer confguration

表1 某些元素的標準檢出限Table 1 Some elements of the standard detection limit

圖2 預期探測到的元素Fig.2 Expected detected elements

1.3 分析模式

1.3.1 Mining Beam 1模式（礦石模式）

Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，As，Zr，Mo，Ag，Cd，Sn，Sb，W，Pb，Bi等19元素，檢測下限1%；

1.3.2 Two beam mining Beam 2模式（礦石＋模式）

Mg，Al，Si，P，S，Cl、K、Ca、Ti、Mn等10元素，檢測下限1%；

1.3.3 Soil Beam 1模式（土壤1模式）

Ti，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Rb，Sr，Zr，Mo，Ag，Cd，Sn，Sb，Ba，Pt，Au，Hg，Pb 等23元素，檢測下限1 ppm（1×10-6）；

1.3.4 Soil Beam 2模式（土壤2模式）

Ti，V，Cr，Mn，Fe，Ni，Cu，Zn，As，Se，Rb，Sr，Zr，Mo，Ag，Cd，Sn，Sb，W，Hg，Pb，Bi，Th，U等24元素，檢測下限1 ppm（1×10-6）；

1.3.5 Soil Beam 3模式（土壤3模式）

P、S、Cl、K、Ca、Ti、Cr 、Mn、Fe、I、Ba 等11元素，檢測下限1ppm（1×10-6）。

其中Mining Beam 1、Two beam mining Beam 2模式要求元素含量＞1%；Soil Beam 1、Soil Beam 2、Soil Beam 3模式要求元素含量＞1ppm。經測試，達不到要求的元素則檢測誤差極大或未檢出。

2 分析儀有效性試驗

為了對XRF分析儀的實用性、穩定性和準確性[1]進行驗證，我隊技術人員在不同的時間和不同礦區前后采集了1780個樣品（表2）。本次對測試樣品具有時間跨度長（前后四年）、區域跨度大（距離超1萬km）、數量大等特點，樣品的代表性強。

表2 XRF分析儀樣品測試情況一覽表Table 2 XRF analyzer sample list of test cases

2.1 準確性的測試

為判斷XRF分析儀準確性，對儀器的分析結果與國家標準樣進行對比，共測試分析了6組樣品。通過測試結果進行數據分析及曲線對比（圖3-8），結果顯示分析儀檢測準確性較為準確，其中Au、Ag等元素由于未達到“檢測下限”誤差較大，當＞1ppm時，檢測誤差為25.89%；其他可測元素平均誤差22%；Cr、Sr、Pb、Th、V、Cu、Zn、As、Ti等元素檢測最為準確，平均誤差＜10%。

圖4 標樣（GSD-4）實測與標準對比曲線Fig.4 Sample (GSB-4) measured with a standard contrast curve

圖5 標樣（GSD-9）實測與標準對比曲線Fig.5 Sample (GSB-9) measured with a standard contrast curve

圖6 標樣（GSS-24）實測與標準對比曲線Fig.6 Sample (GSB-24) measured with a standard contrast curve

圖7 標樣(GSS-28)實測與標準對比曲線Fig.7 Sample (GSB-28) measured with a standard contrast curve

圖8 標樣（GSS-5）實測與標準對比曲線Fig.8 Sample (GSB-5) measured with a standard contrast curve

2.2 可靠性的分析

為驗證儀器可靠性[2]，我們先后將不同時間、不同地點采集的1780樣品測試結果與實驗室分析結果進行對比，因為檢測下限的原因，集中比較了As、Pb、Zn和Cu四個元素。通過圖9和圖10可知，As、Pb、Cu差值一般在±10之間，誤差率大多小于30%；Zn元素差值一般在±25之間，誤差率一般小于50%，僅個別樣品誤差較大，不影響儀器的可靠性。

2.3 穩定性的測試

為驗證儀器的穩定情況[3]，我們先后不同時間對多組樣品進行測試對比，通過分析對比測試的數據可知，儀器誤差小，穩定性好。

圖9 實驗室分析結果與XRF分析儀測試結果差值曲線對比Fig.9 Comparative results of curve analyzer difference between laboratory analysis and XRF

圖10 實驗室分析結果與XRF分析儀測試結果誤差率曲線對比Fig.10 Analyzer test results comparing the error rate curve laboratory analysis and XRF

表3 分析儀穩定性測試結果表（部分）Table 3 Analyzers stability test results tables（part）

3 在礦產勘查中的應用

3.1 在地球化學中的應用

XRF分析儀測試結果準確、可靠有效，但儀器對Au、Ag等元素檢出下限較高，常常無法直接測出檢測結果，因此，在地球化學測量中為了求得Au元素異常范圍，可以通過As、Cu、Pb和Zn等相關元素組合間接圈定Au異常范圍。為證實此觀點，作者于2016年7月對安化縣某金礦區土壤地球化學測量樣品1514件（含81件重復分析樣），并將測試結果與試驗中分析結果進行對比，其中As、Pb、Zn和Cu等4種元素和實驗室吻合度較好，Ag、Au、W、Sn、Sb和Hg由于儀器檢出限的原因[4]，只有少量測試數據或無測試數據無法與實驗室測試數據進行對比；因Ni、Fe、Mn、Co、Ti、Rb、Sr、Y、Zr和Th等元素檢出限較低，所得到的測試數據可作為對應的伴生元素，推斷主元素異常。利用實驗室測試結果和XRF分析儀測試結果進行分析研究，數據吻合程度較高，并編制相關單元素異常圖（圖11-16）和元素綜合異常圖（圖17-18），圈定成礦靶區，結果顯示兩種數據異常范圍基本一致，用相關伴生元素異常范圍可間接圈出得主元素異常范圍。XRF分析儀在土壤地球化學測量中可快速鎖定靶區，找出成礦富集地段[5]，圈出礦化帶，為后續工作打下基礎，且效果良好。

圖11 As元素異常圖（實驗室數據）Fig.11 As element anomaly map (laboratory data)

圖12 As元素異常圖（XRF分析儀數據）Fig.12 As element anomaly map (XRF analyzer data)

圖13 Pb元素異常圖（實驗室數據）Fig.13 Pb element anomaly map (laboratory data)

圖15 Zn元素異常圖（實驗室數據）Fig.15 Zn element anomaly map (laboratory data)

圖17 綜合異常范圍（實驗室數據）Fig.17 Comprehensive abnormal range (laboratory data)

XRF分析儀不僅對土壤地球化學適用，對巖石、巖屑地球化學同樣適用，但是樣品測試過程中需要碎樣到40目，測試結果才有效果。

3.2 指導山地工程送樣

XRF分析儀在我隊海外項目塞拉利昂金礦預查中對山地工程樣品的篩選起到了至關重要的作用。2014年該項目組成員利用As、Pb、Zn、Cu、Fe等元素與Au元素地球化學性質基本一致[4]，是塞拉利昂與金元素最為密切的伴生元素為依據，對樣品進行篩選。對地表槽探工程已取311個樣品進行篩選，篩選后送檢樣品100個，后實驗室分析數據顯示其中76個樣品為金異常樣品，準確率達到76%，節約了大量的樣品測試。

圖14 Pb元素異常圖（XRF分析儀數據）Fig.14 Pb element anomaly map (XRF analyzer data)

圖16 Zn元素異常圖（XRF分析儀數據）Fig.16 Zn element anomaly map (XRF analyzer data)

圖18 綜合異常范圍（XRF分析儀數據）Fig.18 Comprehensive abnormal range (XRF analyzer data)

3.3 其他應用

便攜式XRF分析儀可用于幾乎所有地質勘探的應用中，具體表現在以下幾個方面：

（1）在早期的地區勘察和繪制地圖階段，可對巖石、碎片、土壤、沉積物等樣本進行化學成份的定性分析；

（2）在勘探早期的轉移地帶性土壤和沉積物，犁地及挖溝的幾個階段中，采集定量性數據。

（3）即時辨別礦化趨向及異常現象，定義鉆孔目標，擴展土壤樣本的勘察邊界。

（4）實時調整采樣和繪圖項目，以最佳方式使用勘探預算經費；

（5）對樣本進行預篩選，以最大程度地提高在現場以外的實驗室檢測的效率；

（6）在極具開發前途的地區提高采樣的密度；

（7）在鉆孔階段從土地中取出樣本時，可以對空心、RAB、RC（反循環鉆進樣本）和鉆石芯等樣本進行分析；

（8）在現場對鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）和釹（Nd）等稀土元素，以及釔（Y）、釷（Th）和鈮（Nb）等探途元素進行定量檢測；

（9）在露天礦場對鉆孔樣本進行即時篩檢，減少了對采礦實驗室的依賴，從而在搬運礦石/廢料方面提高了效率；

（10）對儲礦堆的現場分析有助于為工廠迅速配料和給料；

（11）對于進料、精礦及尾料的實時分析，使得在處理廠內就可以對材料的配量隨時進行調整；

（12）在某些環境中，通過制定使用DELTA便攜式XRF分析儀的采樣和分析方法，可以提高對地下礦石進行級別控制的能力；

（13）在礦場應用中，通常需要對具體的樣本和基質進行特別校準。DELTA分析儀使用多種校準模型可以極為方便地進行設置和操作，從而可保證在實際檢測分析過程中發揮出最佳性能，甚至在富于挑戰性的輕元素（鎂、鋁、硅）分析中，也能獲得精準的數據。

4 總結

4.1 不足之處

XRF分析儀是一種快捷、簡便、經濟和有效的工作方法，但是在實際生產過程中，該儀器主要存在以下三個問題：

（1）Au、Ag含量＜1 ppm以下無法檢測，含量＞1 ppm即可檢測出結果，誤差約25.89%；其中Cr、Sr、Pb、Th、V、Cu、Zn、As、Ti等元素檢測最為準確，平均誤差＜10%。進行多次檢測，時間＞90 s，自動停止時結果更佳。

（2）在土壤模式下對樣品的粒度有一定的要求，一般粒度達到40目，樣品的測試效果比較好，誤差小，這就要求在采集樣品的時候需要處理，才能做到有效分析。

（3）測試時間必須達到120 s，測試結果才有較好的準確性。

4.2 主要優勢

利用DELTA手持式XRF分析儀測量技術能1次測量多種元素，測量時間短，成本低，快速得到檢測結果是該方法的優勢所在，結合該方法與地質研究能很好地在野外多礦種找礦過程中發揮較大的實用性，是一種快捷、簡便、經濟和有效的工作方法[6]。

結合礦區實際測量與后期的資料整理分析得出幾點初步的認識與體會，具體如下：

（1）立項選區、踏勘、地質勘查快速大致分析土壤、巖石中重要元素或指示元素含量；

（2）可對礦體、富集地段、精礦、廢渣進行現場快速評估；

（3）境外地質勘查項目，通過分析儀進行土壤樣品、沉積物分析，能快速圈出異常靶區，追索礦化異常，指導下一步工作，無需長時間等待實驗室分析結果；

（4）節約高額的樣品運輸成本，節約樣品分析費用。

[1]張震.鉛鋅礦中多金屬的XRF分析技術研究[D].四川成都：成都理工大學，2010.

[2]張鵬.便攜式X熒光儀在內蒙古赤峰淺覆蓋區螢石礦勘查中的應用[D].北京：中國地質大學（北京），2013.

[3]袁兆憲.基于PXRF技術的露頭和手標本尺度元素遷移富集規律研究[D] .湖北武漢：中國地質大學（武漢），2014.

[4]吳麗榮，周四春，呂少輝等．多元素X熒光測量技術在某金礦外圍找礦中的應用[J].金屬礦山，2010，412(10): 90-93．

[5]唐愛雄，龐榮華，方方等.便攜式X熒光分析儀在礦產勘查中的應用[J] .金屬礦山，2010，405(3): 97-99．

[6]葛良全，曹志敏，孫傳敏等.西藏地區聯合應用X熒光法和快金分析法快速追蹤和評價金異常源[J].地質與勘探，1997，33(5): 41-45.

Handheld XRF Rapid Fluorescence Analyzer in Geological Exploration

Wu Chengdong, Yan Weiyu, Li Hui, Liu Hao, Li Xingbin
(Hunan Bureau of Geology for Nuclear Industry 304 Brigade, Changsha Hunan 410007)

In order to detect the portable ore element analyzer application results in the geological mineral exploration, the use of elemental analyzer ore mining area of Hanshou County geochemical samples, a mining exploration samples of Anhua and Sierra Leone surface engineering and engineering samples for testing by test results of analytical instruments and laboratory test results were compared to show ore element analyzer has good stability, consistency and reliability.It can be said that the instrument can be used to evaluate the ore, concentrates or slag analysis, ore grade analysis, soil or sediment and other sample analysis, environmental monitoring, waste water or soil mostly geological exploration work, and this is a quick, easy and economical and effective methods of work.

XRF analyzer; rapid Analysis; handheld; geological prospecting

P622+.1

B

1672-5603（2016）04-074-6