野外現場地質實驗分析技術及應用

(1.國家地質實驗測試中心，北京 100037；2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，桂林 541004)

地質實驗測試是分析測試的重要分支，而且，隨著經濟、社會的快速發展，地學研究的不斷拓寬和深入，地質實驗測試需要不斷擴大研究領域和提高測試能力[1，2]，特別是在地質調查、礦產勘查領域，以及地學研究新領域的應用。其中野外現場地質實驗分析技術與儀器設備研究是地質實驗測試發展的重要組成，在國內外獲得重視，是分析測試發展方向之一[3-5]，為快速研究地球提供了及時、準確的乃至決策性的科學數據。

野外現場地質實驗分析可以認為是伴隨著人類的發展就開始了，從簡單的肉眼現場觀察識別，例如判斷礦物類型，到利用單一的試紙等工具，直到采用現代的儀器設備。其目的主要是提供及時、可靠的信息，指導現場決策和工藝優化，其次是利用其快速的特點采集盡量多的數據，為后期綜合評定和決策提供信息[2,6，7]。在地質科學中，野外現場地質實驗分析已應用于多金屬礦床現場勘查、成礦規律探索、海洋資源調查、有毒有害元素的分布規律研究等方面[2，3,5]。隨著地學研究的不斷拓寬和深入，其對實驗測試的需求日益增強，也推動實驗測試不斷地創新和發展，帶動地質實驗現場分析技術與儀器設備研究水平的提高。。

本文基于長期的野外現場地質實驗分析工作，包括大陸科學鉆探工程流體地球化學實驗、汶川地震斷裂帶科學鉆探井口氣體監測和青藏高原鹽湖鹵水現場檢測等，根據前人野外現場地質實驗分析工作已獲得的研究成果，初步闡述了地質實驗測試領域中野外現場分析概念和應用范圍，對野外現場地質實驗分析儀器、現場地質實驗分析平臺，以及采用的野外現場地質實驗分析技術方法進行了介紹，并考慮野外現場地質實驗分析數據處理和質量保證。文章認為分析測試工作者開展野外現場分析技術工作，能從僅僅關注分析測試技術本身，轉為解決地質資源、環境領域分析測試技術應用的實際問題，更能體現出地質實驗分析測試工作的重要性和解決科學問題的實用性。同時，野外現場地質實驗分析技術作為綠色分析技術一種，也能大幅減少能源和原料消耗，減少化學試劑使用量，必將受到越來越多的關注和重視。

1 野外現場地質實驗分析

野外現場地質實驗分析就是利用輕便、穩定性更強的分析設備，采取穩健的分析流程，在野外地質工作現場進行的化學成分、形態的定性和定量分析[2，3,8]。在本文中，主要針對化學組分的野外現場地質實驗分析進行闡述，在地質領域，特別在幅員遼闊的我國，野外現場地質實驗分析更具有切實的實際應用價值，不僅可大幅降低野外地質礦產勘察開發等工作強度，另外在逐漸引起重視的地質環境現場監測領域中也將發揮重要作用[2，3,8]。

地質工作通常按照野外現場采樣、帶回地質實驗室進行分析測試獲得數據、根據測試數據進行相關地質研究、然后到野外進行確定和實際應用的工作流程[1,8]。該工作流程不僅歷時非常漫長，還可能需要往返重復進行，而且采集的樣品代表性無法直接驗證、采集的樣品從野外現場到實驗室也可能發生變化，特別是揮發性、放射性樣品和易變質樣品具有特殊性，例如地氣，揮發性有機污染物等[9]；另外，野外地質工作有時會在偏僻、偏遠地區，交通不便，尤其在幅員遼闊的我國青藏高原地區，由于自然氣候因素，適合開展野外地質工作的周期短，每年一般只有幾個月時間[9-11]，而且，地質樣品通常為巖石、礦物等類型樣品，重量大，運輸困難[9-11]。采用野外現場地質實驗分析技術，能減少采樣量，降低了這些偏差，消除了樣品變化影響，特別是能高效、節約時間，獲得更準確有用的檢測數據。這些野外現場地質實驗分析還有綠色分析技術特點，具有環境友好型和可持續性，是分析科學發展的重要趨勢[12-14]。

2 現場分析儀器

野外現場地質實驗分析需要專門的分析檢測儀器，通常大多數分析儀器均能在野外現場使用一些化學傳感器已應用于野外現場分析檢測。除了比色計、化學傳感器、野外分析箱等微型檢測器之外，野外現場地質實驗分析儀器還包括小型氣相色譜儀、小型氣體質譜儀、攜帶式X 熒光光譜儀等基于實驗室分析技術的分析檢測設備[8,15]。前者提供有限的檢測信息，但他們體積小、攜帶方便，價格遠遠低于實驗室分析檢測儀器，對使用者的專業知識要求少，易學易操作；而后者內部結構較為復雜，但能提供更多的檢測信息[15-18]。

在野外現場使用的分析檢測儀器具有不可替代的優勢，例如可以適應惡劣的野外環境，但要獲得良好的檢測結果，對現場分析儀器提出了要求。首先，現場分析儀器必須盡可能小型化、重量輕，以便于野外運輸使用；其次，現場分析儀器需要耗能低，能量消耗少；另外，現場分析儀器具有長期穩定性和可靠性，以足以獲得分析檢測對象的可行性結果[2,15]。

現場分析檢測儀器的發展將隨著分析對象的要求而快速發展，從目前現場地質實驗分析儀器設備發展來看，針對環境、氣體、考古、輻射性樣品的現場分析儀器將會率先得到重視[15,19，20]。同時，地質實驗現場分析不再僅僅是分析對象的元素組成和含量，分析對象的形態、微區組分、微觀結構也成為大家的關注重點。表1中列出了部分現場分析儀器及其野外分析參數，例如針對地質環境樣品分析的便攜式X射線熒光光譜儀(XRF)已開發出系列商品化儀器，可應用于地質環境樣品中重金屬元素的快速檢測等，并在地質環境樣品檢測工作規范中作為必需的檢測儀器，而且便攜式XRF儀還在野外考古領域獲得良好應用，其具有的非破壞性分析手段在考古現場原位分析中能獲得準確的元素特征，有助于解決歷史時期不確定性的問題[18,21]。另外，針對氣體分析的在線或現場質譜儀類型已具有多樣性，廣泛應用于過程控制或現場檢測易泄漏揮發性氣體污染物[2,22]。

表1 野外現場地質實驗分析儀器

因此，今后需要大力發展能適應野外現場需要的地質實驗分析儀器技術方法。發展便攜式氣相色譜儀，進行地質環境樣品中易揮發氣體組分的現場檢測，消除樣品運輸和人為的影響，獲得可能污染源的準確位置，并進行跟蹤監測、評價，提供污染物處置依據，保證環境監測效果[12,15,23-25]。發展固相微萃取技術，進行地質環境領域中有機污染物的現場分析檢測。發展具有輻射性的鈾、氡的地質實驗現場分析技術，然后，在此基礎上發展野外多參數分析技術。發展地下污染源的地質實驗現場分析技術，該類型分析檢測對象無法進行傳統的樣品采集、分析檢測方法，只能進行野外現場分析檢測，更迫切需要適合的現場地質實驗分析方法[15,19,26，27]。而且，隨著超微電子技術的發展、高能量電池的普及和低能耗檢測器的出現，野外現場地質實驗分析儀器將朝著微型化、非破壞性、高靈敏度，甚至是智能化發展。

3 野外現場地質實驗分析平臺

現場分析儀器是野外現場地質實驗分析的技術手段，而野外現場地質實驗分析平臺是這些技術手段的使用空間，通常情況下，手持式、便攜式分析檢測儀器可以不需要現場地質實驗分析平臺，或者說是僅需要簡易的分析平臺，在野外現場簡單利用周圍平坦區域進行操作。而較為大型現場分析儀器就需要較為規整的分析平臺作為現場地質實驗分析空間，或者稱為現場地質分析實驗室，目前常用分析平臺分為固定式現場地質分析實驗室和移動式現場地質分析實驗室[2,12,15]。一般來說，為了保證分析檢測的質量和分析檢測的全面能力，把傳統實驗室分析儀器直接移植到現場分析平臺是最便捷、最簡單的方式，一方面利用了傳統實驗室儀器的成熟分析方法，另外也可滿足分析對象的需要，但該方式的現場地質實驗分析是最復雜、耗費更大。

3.1 固定式現場地質分析實驗室

固定式現場地質分析實驗室可以認為是現場附近分析，即把傳統實驗室移植到現場進行分析檢測。在德國、美國、中國等許多國家開展的海洋及大陸科學鉆探現場, 都根據國力或實際需求配備了相當規模的固定式現場地質分析實驗室[5-7]。從某種程度上說，現場地質分析實驗室的現代化和集成化是國家科技實力的一種體現，目前國際上也僅有包括德國、中國、美國在內的幾個國家開展了重大科學鉆探工程的現場流體分析實驗室工作。圖1展示了汶川地震斷裂帶科學鉆探工程(WFSD)的固定式現場地質流體分析實驗室。

圖1 WFSD野外固定式現場地質流體分析實驗室

3.2 移動式現場地質分析實驗室

移動式現場地質分析實驗室包括車(船)載式、廂式實驗室。車(船)載式實驗室相當于把分析儀器裝入汽車、輪船上，當然需要對汽車、輪船進行適當改造以適合轉入分析檢測儀器。廂式現場地質分析實驗室通常基于標準化的集裝箱進行改造，類似于可移動式的實驗室，在廂式實驗室內，進行類似傳統實驗室的改造、設計，由于其外觀是標準化的集裝箱模式，如圖2。該類型實驗室可以利用社會化方式進行整體裝載、運輸，包括使用汽車、火車、輪船等運輸工具，甚至采用直升機吊裝方式進行實驗室整體運輸[5,8,12,15,28]。

圖2 標準化廂式移動實驗室

4 現場地質實驗分析技術方法

野外現場地質實驗分析技術從分析時間范疇上有實時分析和即時分析技術。野外現場地質實驗實時分析，也稱為現場在線分析，是過程分析化學的一種，可以認為是在現場儀器設備分析檢測過程中，對實時分析檢測結果處理的時間能夠滿足現場工作快速分辨需要的分析測試過程。現場地質實驗即時分析，或者稱為現場附近分析，即只在現場附近進行分析測試，應該認為是儀器設備放置在現場進行分析檢測，其分析檢測結果可滿足現場工作需要的分析測試過程，獲得分析檢測結果的時間不影響分析檢測結果[1，2]。

野外現場地質實驗分析檢測與實驗室分析檢測最大區別是必須能夠承受現場惡劣的環境條件，例如溫度和濕度變化范圍大等。而且在一些對人體健康有危害或者不適合長期值守的區域，就需要全自動化的分析檢測方法，同時需要利用現代通訊、網絡技術進行遠程操作和維護，達到僅需要把現場地質實驗分析儀器放置在檢測位置，而可將儀器控制系統放置在離野外現場較遠的位置，從而更容易長期使用，或者獲得更有經驗人員的技術支持和操作。

在野外現場進行分析檢測，其分析結果受到分析方法的影響，特別是在樣品類型上的區別，將可能造成現場分析方法的不同[2,12,15]。有些樣品無法進行采集，或者需要進行動態監測，只能在現場進行分析檢測。有些樣品由于位置偏遠，容易變質，而且樣品重量大，無法采集大量樣品到實驗室內進行分析檢測，也最好采取現場分析以縮短檢測量、降低野外工作量。有些樣品雖然可采取傳統的采樣、送檢的方式，但由于具有毒性、有污染性，運輸要求極高，建議在現場進行分析檢測。有些樣品雖然可以采取傳統的樣品檢測方法，但由于需要進行現場決策，建議直接在現場進行分析檢測，直接利用分析檢測結果進行下一步工作的判斷依據，大幅提高野外工作效率。

野外現場地質實驗分析采用的檢測方法應該盡可能簡單易學、易操作，不需要是專門訓練有素的分析化學家也可進行操作測量，另外，分析周期要短，分析速度快，適合野外現場長時間使用，不需要和僅需要少量校準物質，甚至可直接使用周圍空氣、水等作為簡易校準物質進行方法校準。

4.1 現場地質實驗實時分析

現場地質實驗實時分析通常是不采樣在線分析，現場地質實驗實時分析針對的對象主要是揮發性、易變化的樣品，例如氣體、放射性、環境樣品等[12,15]，此類樣品不易、或者是無法攜帶回實驗室進行分析檢測，只能在現場進行分析檢測，直接分析檢測樣品中的各種參數，還包括考古樣品等。此類樣品也是現場地質實驗分析技術的最迫切需要者，也是現場地質實驗分析技術發展動力[1，2,6]。

現場地質實驗實時分析是在整個生產、工藝過程中直接得到定性或定量的信息，其最大優點就是即時性，具有將分析儀器設備與生產、工藝過程聯系起來的特點，能實現自動的、連續的分析檢測[12,15]。隨鉆流體實時分析是現場地質實驗實時分析的一種，利用現場分析檢測儀器，包括氣體質譜儀和測氡儀等，實時分析鉆探工藝中不斷循環泥漿中的氣體H2、He、CH4和Rn等多種組分，如圖3所示，而且其伴隨著鉆探工程，已經在國內外多個重大科學鉆探工程中實施，甚至成為工程實施的標準配置之一[6，7]。

隨鉆流體實時分析更能準確獲得地表以下、地下較深處的地球內部信息，特別是在非取芯鉆井過程中[6，7,29，30]。在龍門山斷裂帶鉆探過程中，隨鉆實時流體分析第一時間獲得了地下深部主斷層的流體響應特征，證實與主斷層井段變化趨勢吻合。在中國大陸科鉆工程中，隨鉆實時流體分析獲得了幔源性氦異常，并后期計算其在異常中的比例。美國圣安德列斯鉆探的隨鉆實時流體分析成功辨別了沉積和花崗巖井段，獲得了巖性和流體組分相關性參數，判斷了多處流體侵入區域[6，7,29]。隨鉆實時流體分析也第一次在大洋鉆探中使用，對比了實時分析和后期采樣分析結果，辨別了可能流體遷移機理和海洋深度[30]。

圖3 現場流體實時分析結果

4.2 現場地質實驗離線分析技術

現場地質實驗離線分析針對的對象類型可以更廣泛，應該可以包含所有需要分析檢測的對象，把分析檢測手段和設備放置在現場，其目的更多的是降低分析檢測的強度，縮短野外工作周期，減少野外樣品采集量，獲得有針對性的樣品，為野外現場工作提供直接的決策性數據指導，可極大提高現場工作的效率[9,31，32]。

現場地質實驗離線分析是在現場采集樣品，采樣后直接在野外現場利用儀器設備分析檢測獲得定性或定量的信息，較傳統分析流程，其加快了分析速度，即把分析儀器設備移至現場開展實驗室分析檢測[12,15]。比如，已有研究人員建立了一套現場離線的微珠比色、微量滴定及蛋薄膜比色快速分析方法系統，適合野外地質樣品中金的檢測[33]。能量色散X射線熒光光譜法(ED-XRF)是野外勘查與找礦現場常用的分析儀器，適合進行現場離線分析需要，研究人員已在條件惡劣的高海拔野外現場測定了多金屬礦中的銅、鉛、鋅等組分，為多金屬礦石樣品的現場分析提供快速、準確的解決方案，在內蒙和新疆兩地覆蓋區的鉆探現場對覆蓋層和基巖樣品進行了賤金屬分析，獲得了鉆孔As含量明顯升高的結果，而As對Au的指示意義非常明顯，同時，研究人員采取與S-930螯合樹脂富集薄樣法相結合方法，利用ED-XRF野外現場快速分析水體中8種濃度在10μg/L以上的重金屬，為野外現場進行環境監測、水質調查提供技術手段[11,20, 28,32]。建立了適用于野外鉀鹽鉆探現場快速分析泥漿清液K，Br，Sr元素的EDXRF方法，并實際應用于江陵凹陷野外鉀鹽科探井鉆探過程現場，為鉀鹽鉆井決策提供支撐[34，35]。

5 數據處理和質量保證

野外現場地質實驗分析技術作為分析化學的一部分，分析檢測數據的處理也是極其重要，還是需要分析技術所常用的準確度和精確度，將現場分析數據的誤差和偏差控制在容忍允許范圍之內，達到可接受和利用的程度[1,12,15,36-38]。但由于現場地質實驗分析對象本身更多地處于活動之中，例如現場實時分析的分析對象處于工藝過程中，測量誤差同樣不可避免，甚至遠大于實驗室分析檢測，因此現場分析對準確度和精確度的要求也不應該等同于實驗室分析檢測，可以稍低，但也應該采取一定措施保障分析檢測數據質量，例如選擇合適的野外地質實驗分析方法，采用易得的校準物質進行監控等。在隨鉆流體實時分析過程中，采用大氣作為其中校準氣體之一，主要進行大氣主要組分氮、氧和氬的校準，室內和野外校準過程中測量相對標準偏差相差不大，甚至在主要組分中，野外校準的相對標準偏差反而較好，可能是野外現場空氣擾動較少、而城市室內空氣擾動復雜較多的緣故。

現場地質實驗分析數據較多采用相對量的概念，其分析檢測的數據絕對量由于檢測條件、檢測儀器和校準樣品等諸多因素影響，不可能完全按照實驗室分析過程的嚴格條件進行而獲得，而且在分析檢測前的樣品前處理或者預處理沒有那么充分，分析檢測的選擇性和靈敏度受到約束，也影響分析數據絕對量[1，2]。

但是，現場地質實驗分析的數據質量同樣需要引起重視，例如現場地質實驗分析過程中分析對象的真實性、代表性，包括分析對象的響應時間，將不可避免會影響野外現場地質實驗分析的檢測結果。雖然，野外現場地質實驗分析儀器的性能要求可以稍低，但分析儀器的長時間穩定性必須好，能夠經受振動、噪聲、潮濕、高溫和腐蝕性等惡劣工作環境的影響，同時具有自動校準或者僅需要少量校準物質即可進行儀器校準和性能恢復的功能，例如野外環境監測的測汞儀、測氡儀就具有類似的自動校準和長時間穩定性的功能，測汞儀本身帶有的自校準功能能在一定時間間隔內自動校準曲線，測氡儀校準后具有的長時間穩定性，可保證長達數月測量準確性[11,31]。眾所周知，我國青藏高原作為第三極，環境惡劣，交通不便，野外地質工作流程長，野外現場地質實驗分析體現出十分必要性也具有現實意義。已有分析工作者采用便攜式XRF在高原野外現場分析銅礦區樣品，發現樣品以Cu、Zn、As、Ba、Ni、Co等組分為主，而且野外現場分析結果與室內實驗室結果差異很小或基本無差異，在已知礦區圈定的異常范圍、強度和顯示的異常濃集中心均相差無幾。表明了其可在野外現場提供快速分析結果，縮短工作周期，指導下一步找礦工作[10，11,32]。

6 結語和展望

由于全球性的競爭日漸激烈，以及對資源勘查、生態環境保護的更加重視，發展無污染或低污染的綠色分析技術，包括野外現場地質實驗分析技術，成為當今國內外實驗測試技術發展的趨勢。

對野外現場地質實驗分析的要求不再局限于測定物質的元素組成和含量，而是要進行形態分析、微區表面分析、微觀結構分析及對化學和生物特性做出瞬時追蹤、無損和在線監測等分析及過程控制，這些新要求和發展趨勢需要加快研發更多現場地質實驗分析技術。

隨著超微電子技術、高能量電池和低能耗檢測器的發展普及，野外現場地質實驗分析儀器繼續朝著微型化、非破壞性、高靈敏度、智能化發展。同時，隨著新的儀器技術的發展，如激光誘導擊穿光譜技術(LIBS)等的應用[39]，野外現場地質實驗分析必將更加便捷和準確。分析檢測平臺的發展是滿足各類分析儀器設備的緊湊型物理空間的需要，同時也是分析儀器設備野外使用性能的保證，滿足社會化物流方式的移動分析檢測實驗室將是重要發展趨勢。

野外現場地質實驗分析還需要繼續發展簡便、易學、易操作的分析方法，另外，分析周期短，分析速度快，野外長時穩定好，校準方法簡單和校準物質需求少的分析方法是需求方向。

最后，野外現場地質實驗分析由于所處的周圍環境較差，通常需要自動化的分析檢測儀器。另外，由于周圍環境可能對人具有危害性或者不適合長期有人值守，需要利用各種現代通訊網絡技術進行遠程控制和技術支持。

致謝

非常感謝編輯部和審稿專家的仔細審閱。多謝國家地質實驗測試中心鉆探流體現場分析工作團隊和學生們在野外的艱苦工作和大力支持。

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