地質巖石檢測中礦物分析測試技術研究

吳麗穎

(浙江省地礦科技有限公司,浙江 杭州 310012))

礦產資源既是一種重要且價值極高的自然資源,也是人類社會發展的核心經濟資源,對社會可持續發展具有重要推動作用。但是我國礦產資源主要呈現出分布范圍廣、分布不均勻等特征,其中大量礦產資源集中在臨海、西北等地區,而中東部區域礦產資源較為稀少,如何提高礦產資源開采效率與利用率是目前需要深入探索的問題。因此在研究與使用礦產資源的過程中,做好地質巖土礦物檢測分析工作就顯得尤為關鍵。

1 地質巖石礦物種類與特征

地質巖石礦物是多種元素形成的聚合物,在地殼內部運動過程中逐步形成,可見地質巖石礦物產生的關鍵就是地質作用。我國各地都存在類型不一樣的地質活動,且地質應用層面也有很大差異,為了保證采礦的順利高效進行,就需要關注地質巖石礦物檢測分析工作,準確掌握地質巖石礦物組合形式、化學元素種類等。由大量調查分析可知,礦產資源分布與含量無規律可循,且礦物種類極多,人類生活中常用的包括鹽酸鹽類、含氧類礦物,社會各領域發展對礦產資源的需求量也極大。這些都突出了地質巖石礦物檢測分析的重要性,關系著寶貴礦產資源的科學合理開發與利用。

2 地質巖石礦物檢測分析技術概述

2.1 常用礦物檢測分析技術

2.1.1 化學成分測試

這種檢測分析技術的應用,主要是對地質巖石礦物樣品化學成分進行化學反應定量、定性分析,是一種濕法分析技術,主要有重量法、滴定法和比色法等。化學成分測試可保證結果的準確性,然而檢測分析需要花費大量時間,使用的樣品也較多,靈敏度偏低,不能用于在稀土元素的檢測分析中。

2.1.2 發射光譜探究

發射光譜探究簡稱為AES,主要原理是通過電弧、火花等激發光源,促使樣品成為氣態原子,其外層電子從基態轉變為高能級。因為地質巖石礦物內部各種類型原子在構造上不一樣,利用光源激發作用,促使樣品內部各種元素都可以發生獨特光譜。在AES中主要采用攝譜法,當樣品中元素含量超過某個值后,譜線攝譜將在感光板上形成,這種方法既有很高的效率和很低的成本特點,也保證了操作的簡便性,只需要幾個小時能夠定性檢測出樣品中的元素,在元素定性檢測中應用非常廣泛。

2.1.3 原子吸收光譜

原子吸收光譜簡稱為AAS,在原理上通過氣態元素基態原子對元素原子進行吸收,形成共振輻射,可以對非金屬離子、水溶液內金屬離子含量進行檢測,應用范圍非常廣闊[1]。這種方法不僅有很高的精確度與效率,也能減少干擾,穩定性極強,檢出限較低,數量級為10-9～10-6之間。AAS主要進行常量分析,能夠有效檢測低沸點金屬元素、易原子化金屬元素,缺點是同時僅僅對一類元素進行檢測分析。

2.1.4 X射線衍射

X射線衍射簡稱為XRD,其波長為0.005～10 nm之間,是一種高能量電磁波,范圍在2.5×105～1.2×102eV之間,通過原子內層電子高速運動電子流的作用,產生躍遷后對電磁輻射進行發射。XRD能夠將X射線衍射線準確記錄下來,得到多種類型的X射線衍射圖,在檢測分析后掌握地質巖石樣品的元素構成、晶體結構、組織構造、結晶度、晶粒尺和結構應變等情況。

2.1.5 電子探針顯微分析

電子探針顯微分析簡稱為EPMA,主要通過高能電子束對樣品進行處理,能夠獲取俄歇電子、特征X射線等二次電子,并分析地質巖石樣品表面微區成分、微米級物質成分等[2]。結合顯微圖像可知,能夠分析微觀性質為材料宏觀性能帶來的影響,在能譜分析、波譜分析中比較常用。EPMA可以分析光片、礦物撥片、巖石確定微區等,避免對樣品操作破壞,是一種無損分析技術。

2.2 礦物檢測分析技術要點

2.2.1 樣品研究

在地質巖石礦物檢測分析工作中,要提前完成礦物樣品采集,利用專業容器對樣品進行保存,同時第一時間送往檢測實驗室,由專人完成檢測分析。一般來說檢測分析內容涉及地質巖石礦物質量、種類等,將最終結果完整記錄下來。在檢測分析中要對樣品質量進行嚴格控制,樣品若是太重,就要通過粉碎設備完成粉碎處理,使用其中質量好的樣品用于實驗室檢測分析中。

2.2.2 定性測量

檢測分析前應根據實驗操作流程完成樣品的初加工,確保地質巖石礦物測定更加精確。接下來要完成定性分析與定量分析,每次檢測分析得到的數據都必須完整記錄,確定其中精確度最高的測試結果用于參考[3]。檢測人員需要掌握元素光譜圖,這樣在地質巖石礦物檢測中才能準確得出樣品的特性、品質等信息,了解樣品內部元素、含量等情況,為后續工作開展創造條件[4]。要結合地質巖石礦物樣品內部元素含量等信息,科學選用檢測分析技術,并全面分析地質巖石礦物特點,為后續礦業資源開發創造條件。具體來說,測定的內容包括成分分析:物相分析、巖石全分析、黏土分析;元素分析:天然采集未知樣品分析、化學分析;礦石品位:光薄片鑒定、顯微照像、巖石鑒定;巖礦物理測試:水分、耐堿、耐酸、真密度、體積電阻、表面電阻、透明度、光澤度、肖氏硬度、莫氏硬度、折射率等。

2.2.3 合理選擇測定方法

這個階段的任務是結合巖石礦物內部含有的元素情況出發,選用科學合理的測定方法。為了實現這個目標,應該按照上述流程對巖石礦物的定性分析結果,確定最佳的分析方法。一方面,要結合待測定元素具體含量完成選擇,測試期間礦石礦物樣品內待測元素很高,在測定時一般考慮容量法、重量法等。若是自身含量較低的巖石礦物,則測定時選用比色法和儀器分析法。另一方面,主要結合巖石礦物樣品內共存元素進行選擇,如通過硫酸鈉碘法測定鈣鎂含量較高的巖石樣品。通過分離碘量法測定鈣鎂含量較低的巖石礦物樣品。

2.2.4 依據鑒定結果確定分析方案

根據上述流程得到的奠定分析結果,有針對性選擇鑒定分析方案,這是巖石礦物鑒定分析工作中的重要且復雜的環節。在實際操作中要考慮部分元素測定和各種分離法配合與影響問題,要求鑒定人員掌握豐富的巖石礦物鑒定分析理論知識,并具備豐富的實際操作經驗。對于鑒定方案的確定,應該關注巖石礦物樣品實際分解方法與測定方法,在具體操作環節,在全分析或簡項分析中,采用的方案要達到全面性與綜合性特點。簡而言之,巖石礦物樣品通過一定分解后,可以分別抽取溶液,按照一定流程完成組分測定,既可以采用化學方法進行測定,還能通過專門儀器分析法完成測定。不同的分析方案有著各自的優缺點,在巖石礦物實際鑒定與分析的時候,若是既定條件出現變化,對相關方案作出調整。否則會影響到最終的巖石礦物樣品鑒定分析結果的準確性,應該需要對巖石礦精分析進行發展與優化。

2.2.5 重視物相分析

物相是物質中具有特定的物理化學性質的相。同一元素在一種物質中可以一種或多種化合物狀態存在;所以,特定物質的物相都是以元素的賦存狀態及某種物相(化合物)相對含量的特征而存在的。例如,銅礦石中有輝銅礦(Cu2S)和赤銅礦(Cu2O),它們分別以銅的硫化物和 氧化物的狀態存在,兩種礦物中的含銅量不同,分別為79.85%和88.80%。還有鐵,如果測出Fe3O4含量較高,則表明礦石有很高的可選性。在選礦期間硫化物屬于易選,因此要做物相,做完物相以后就可以大致判斷出選礦后的精礦品位及回收率。

3 地質巖石檢測中礦物分析測試實例分析

3.1 原子熒光測試礦物中的硒元素

硒元素是常見且重要的礦物元素,在地質巖石中含量不高,通常僅為50 ng/g。在測定礦物中的硒元素過程中,一般會用到分子熒光法、石墨爐原子吸收法、電感耦合等離子-質譜法,每種檢測技術特點有較大差異[5]。分子熒光法處理樣品時存在很大難度,無法保證較高元素測試回收率,且要用到顯色劑,且一些顯色劑攜帶有致癌物質。石墨爐原子吸收法主要缺陷是靈敏度不高,且難以保證獲得準確的檢測結果。電感耦合等離子-質譜法需要用到昂貴的設備,且硒元素離子化效率不高[8]。為了提高礦物中硒元素檢測分析準確率與效率,可以選擇原子熒光法,不僅能降低成本,也保證了靈敏度,且檢測過程比較便捷。礦物中硒元素檢測中應用原子熒光法,先要完成地質巖石礦物試樣加工,將有代表性樣品確定下來,再完成定性或定量分析,得出礦物中元素的類型與含量等數據。

3.2 儀器與試劑

檢測分析所需儀器主要有原子熒光儀、硒空心陰極燈、超純水儀、電子天平、恒溫恒濕箱和電子加熱板等。檢測前應滿足設備使用要求,包括光波長196 nm、燈電流50 mA、負高壓320 V、載氣氣流速度500 mL/min、采樣與讀數時間分別5 s和7 s。檢測分析所需試劑主要有高純水、硒標準溶液、鹽酸、高氯酸和硝酸等。

3.3 樣品處理

(1)地質巖石礦物樣品在常壓下主要通過硝酸、硫酸等處理,在錐形瓶內放置樣品,通過加熱板完成處理[7]。(2)常壓時選擇硝酸、高氯酸溶解處理地質巖石礦物樣品。(3)加壓環境下通過硝酸、高氯酸溶解樣品,先在消解罐內進行放置,再置于恒溫箱溶解樣品。(4)加壓后溶解樣品,需要選擇高氯酸、鹽酸、硫酸混合液,將20 mL酸加入樣品中,并采取加熱的方法,此時要避免發生迸濺的情況,否則會對設備造成損壞,也無法保證獲得準確的測試結果。進行加壓的過程中,所用聚四氟乙烯消解罐要有良好的密封性,再加入硝酸、高氯酸和氫氟酸混合液。這樣氫氟酸能夠將地質巖石礦物樣品進行溶解,也順利將其中的硒元素釋放出來,最終得到的檢測分析結果也更加準確[8]。恒溫箱溫度要保持為120 ℃,聚四氟乙烯消解罐密封性要好,防止出現爆炸的嚴重后果。

3.4 檢測分析方法

(1)檢測流程。先對地質巖石礦物樣品破碎與研磨,使用200目(孔徑0.15 mm)篩子,保證混合均勻。稱取0.1 g樣品置于10 mL聚四氟乙烯PTFE消解罐內,再加入1 mL濃氫氟酸、2 mL濃硝酸。密封后置于120 ℃恒溫箱內,溶解時間為25 h。消解罐溶解后需從恒溫箱內取出自然冷卻至室溫,再加入2 mL濃高氯酸,使用100 ℃電熱板加熱到有白煙形成。此時要將10 mL離子水加入消解罐,繼續加熱到溶解有鹽類即可。消解罐冷卻后加入鹽酸溶液,同時置于50 mL容量瓶內,通過去離子稀釋后搖勻靜置,為后續檢測分析做好準備[9]。(2)標準曲線繪制。得到檢測數據后通過外標法完成對標準曲線的繪制,其中金屬硒標準溶液質量濃度為0,0.1,0.2,0.5,1,5 μg/mL。標準曲線橫縱坐標分別是標準溶液濃度、測試結果峰面積。

3.5 檢測分析結果

3.5.1 精密度

主要對5個批次地質巖石礦物標本進行檢測分析,每批次樣本共檢測6次,具體結果如表1所示。在地質巖石礦物中硒元素相對偏差處于0.98%～1.51%的范圍,運用原子熒光法進行檢測可以得到較為準確的數據。

表1 原子熒光法精密度

3.5.2 檢出限

對礦物中硒元素運用原子熒光法,空白樣品共檢測20次,計算測試標準偏差。在計算檢出限過程中,主要按照3倍標準差完成計算,最終得出地質巖石礦物中硒元素檢出限為0.2 μg/g。

3.5.3 加標回收率

在分析回收率過程中,檢測中以加標回收率為主。相同批次地質巖石礦物樣品加入質量不同的硒元素,完成測定分析后計算,公式為:(加標樣品測定總值-樣品測定值)/加標量[10]。只有加標回收率不超出95%～105%的范圍,表面能滿足檢測分析規定,通過計算后加標回收率情況詳見表2。

表2 原子熒光法加標回收率

4 結語

總之,在地質巖石礦物資源開發與利用過程中,必須高度重視對礦物的檢測分析,這樣既能提高礦產資源利用率,也能提前采取措施避免地質災害為群眾生活帶來不利因素。在地質巖石礦物檢測分析中,重點要提高其內部元素分析精度,掌握地質巖石礦物內部化學元素,為后續礦產資源開發利用創造基礎。同時要結合地質巖石礦物實際情況,合理選擇檢測分析技術,這樣才能全面掌握地質巖石礦物各方面數據情況。