吳承東，顏偉裕，李慧，劉浩，李興斌

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇四大隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

手持式XRF快速熒光分析儀在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

吳承東*，顏偉裕，李慧，劉浩，李興斌

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三〇四大隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

為檢測(cè)便攜式礦石元素分析儀在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用效果，利用礦石元素分析儀對(duì)漢壽縣某礦區(qū)化探樣品、安化縣某礦區(qū)化探樣品及塞拉利昂地表工程和工程樣品進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)分析儀器測(cè)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，顯示礦石元素分析儀具有較好的穩(wěn)定性、一致性和可靠性。該儀器可用于礦體評(píng)估、精礦或礦渣分析、礦石等級(jí)分析、土壤或沉積物等樣品分析、廢水或土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)等地質(zhì)勘查工作中，是一種快捷、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和有效的工作方法。

XRF分析儀；快速分析；手持；地質(zhì)勘查

在國(guó)外地區(qū)或國(guó)內(nèi)偏遠(yuǎn)高寒地區(qū)，因交通不便，野外工作時(shí)間短，工作條件差，對(duì)地質(zhì)工作提出了新的要求，為快速、準(zhǔn)確收集相對(duì)多的第一手地質(zhì)、物探和化探資料，快速追蹤和評(píng)價(jià)異常，縮短勘查周期，這就要求我們?cè)谝巴夤ぷ髌陂g必須現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速測(cè)試分析，且要求儀器操作簡(jiǎn)單、快速，檢出效果準(zhǔn)確。便攜式礦石元素分析儀的出現(xiàn)，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。該分析儀可被帶到任何場(chǎng)所進(jìn)行檢測(cè)，不僅具有高級(jí)分析性能，還可以對(duì)很多元素進(jìn)行分析，最重要的可以快速得到檢測(cè)結(jié)果?？梢哉f(shuō)該儀器可用于幾乎所有地質(zhì)勘查中，應(yīng)用該方法可以取得較好的地質(zhì)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 分析儀簡(jiǎn)介

1.1 配置情況

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

XRF分析儀堅(jiān)固耐用、方便攜帶，具有極快的檢測(cè)速度和準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，幾乎不依靠遠(yuǎn)離檢測(cè)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，即刻做出分析結(jié)果，是其最實(shí)際的核心價(jià)值。

1.2 檢出下限

手持式XRF分析儀已獲ISO 9001及14001質(zhì)量管理體系認(rèn)證，不僅具有高級(jí)分析性能，還可以對(duì)很多元素進(jìn)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)檢出限Table 1 Some elements of the standard detection limit

圖2 預(yù)期探測(cè)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，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，Zn，As，Zr，Mo，Ag，Cd，Sn，Sb，W，Pb，Bi等19元素，檢測(cè)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(cè)下限1%；

1.3.3 Soil Beam 1模式（土壤1模式）

Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，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(cè)下限1 ppm（1×10-6）；

1.3.4 Soil Beam 2模式（土壤2模式）

Ti，V，Cr，Mn，F(xiàn)e，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(cè)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(cè)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(jīng)測(cè)試，達(dá)不到要求的元素則檢測(cè)誤差極大或未檢出。

2 分析儀有效性試驗(yàn)

為了對(duì)XRF分析儀的實(shí)用性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[1]進(jìn)行驗(yàn)證，我隊(duì)技術(shù)人員在不同的時(shí)間和不同礦區(qū)前后采集了1780個(gè)樣品（表2）。本次對(duì)測(cè)試樣品具有時(shí)間跨度長(zhǎng)（前后四年）、區(qū)域跨度大（距離超1萬(wàn)km）、數(shù)量大等特點(diǎn)，樣品的代表性強(qiáng)。

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

2.1 準(zhǔn)確性的測(cè)試

為判斷XRF分析儀準(zhǔn)確性，對(duì)儀器的分析結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行對(duì)比，共測(cè)試分析了6組樣品。通過(guò)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及曲線對(duì)比（圖3-8），結(jié)果顯示分析儀檢測(cè)準(zhǔn)確性較為準(zhǔn)確，其中Au、Ag等元素由于未達(dá)到“檢測(cè)下限”誤差較大，當(dāng)＞1ppm時(shí)，檢測(cè)誤差為25.89%；其他可測(cè)元素平均誤差22%；Cr、Sr、Pb、Th、V、Cu、Zn、As、Ti等元素檢測(cè)最為準(zhǔn)確，平均誤差＜10%。

圖4 標(biāo)樣（GSD-4）實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比曲線Fig.4 Sample (GSB-4) measured with a standard contrast curve

圖5 標(biāo)樣（GSD-9）實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比曲線Fig.5 Sample (GSB-9) measured with a standard contrast curve

圖6 標(biāo)樣（GSS-24）實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比曲線Fig.6 Sample (GSB-24) measured with a standard contrast curve

圖7 標(biāo)樣(GSS-28)實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比曲線Fig.7 Sample (GSB-28) measured with a standard contrast curve

圖8 標(biāo)樣（GSS-5）實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比曲線Fig.8 Sample (GSB-5) measured with a standard contrast curve

2.2 可靠性的分析

為驗(yàn)證儀器可靠性[2]，我們先后將不同時(shí)間、不同地點(diǎn)采集的1780樣品測(cè)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，因?yàn)闄z測(cè)下限的原因，集中比較了As、Pb、Zn和Cu四個(gè)元素。通過(guò)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(gè)別樣品誤差較大，不影響儀器的可靠性。

2.3 穩(wěn)定性的測(cè)試

為驗(yàn)證儀器的穩(wěn)定情況[3]，我們先后不同時(shí)間對(duì)多組樣品進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，通過(guò)分析對(duì)比測(cè)試的數(shù)據(jù)可知，儀器誤差小，穩(wěn)定性好。

圖9 實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果與XRF分析儀測(cè)試結(jié)果差值曲線對(duì)比Fig.9 Comparative results of curve analyzer difference between laboratory analysis and XRF

圖10 實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果與XRF分析儀測(cè)試結(jié)果誤差率曲線對(duì)比Fig.10 Analyzer test results comparing the error rate curve laboratory analysis and XRF

表3 分析儀穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表（部分）Table 3 Analyzers stability test results tables（part）

3 在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用

3.1 在地球化學(xué)中的應(yīng)用

XRF分析儀測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠有效，但儀器對(duì)Au、Ag等元素檢出下限較高，常常無(wú)法直接測(cè)出檢測(cè)結(jié)果，因此，在地球化學(xué)測(cè)量中為了求得Au元素異常范圍，可以通過(guò)As、Cu、Pb和Zn等相關(guān)元素組合間接圈定Au異常范圍。為證實(shí)此觀點(diǎn)，作者于2016年7月對(duì)安化縣某金礦區(qū)土壤地球化學(xué)測(cè)量樣品1514件（含81件重復(fù)分析樣），并將測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)中分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其中As、Pb、Zn和Cu等4種元素和實(shí)驗(yàn)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(cè)試數(shù)據(jù)或無(wú)測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)可作為對(duì)應(yīng)的伴生元素，推斷主元素異常。利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果和XRF分析儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析研究，數(shù)據(jù)吻合程度較高，并編制相關(guān)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(qū)，結(jié)果顯示兩種數(shù)據(jù)異常范圍基本一致，用相關(guān)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(xué)測(cè)量中可快速鎖定靶區(qū)，找出成礦富集地段[5]，圈出礦化帶，為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)，且效果良好。

圖11 As元素異常圖（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）Fig.11 As element anomaly map (laboratory data)

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

圖13 Pb元素異常圖（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）Fig.13 Pb element anomaly map (laboratory data)

圖15 Zn元素異常圖（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）Fig.15 Zn element anomaly map (laboratory data)

圖17 綜合異常范圍（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）Fig.17 Comprehensive abnormal range (laboratory data)

XRF分析儀不僅對(duì)土壤地球化學(xué)適用，對(duì)巖石、巖屑地球化學(xué)同樣適用，但是樣品測(cè)試過(guò)程中需要碎樣到40目，測(cè)試結(jié)果才有效果。

3.2 指導(dǎo)山地工程送樣

XRF分析儀在我隊(duì)海外項(xiàng)目塞拉利昂金礦預(yù)查中對(duì)山地工程樣品的篩選起到了至關(guān)重要的作用。2014年該項(xiàng)目組成員利用As、Pb、Zn、Cu、Fe等元素與Au元素地球化學(xué)性質(zhì)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(jù)，對(duì)樣品進(jìn)行篩選。對(duì)地表槽探工程已取311個(gè)樣品進(jìn)行篩選，篩選后送檢樣品100個(gè)，后實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)顯示其中76個(gè)樣品為金異常樣品，準(zhǔn)確率達(dá)到76%，節(jié)約了大量的樣品測(cè)試。

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

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

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

3.3 其他應(yīng)用

便攜式XRF分析儀可用于幾乎所有地質(zhì)勘探的應(yīng)用中，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

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

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

（3）即時(shí)辨別礦化趨向及異常現(xiàn)象，定義鉆孔目標(biāo)，擴(kuò)展土壤樣本的勘察邊界。

（4）實(shí)時(shí)調(diào)整采樣和繪圖項(xiàng)目，以最佳方式使用勘探預(yù)算經(jīng)費(fèi)；

（5）對(duì)樣本進(jìn)行預(yù)篩選，以最大程度地提高在現(xiàn)場(chǎng)以外的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的效率；

（6）在極具開(kāi)發(fā)前途的地區(qū)提高采樣的密度；

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

（8）在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(jìn)行定量檢測(cè)；

（9）在露天礦場(chǎng)對(duì)鉆孔樣本進(jìn)行即時(shí)篩檢，減少了對(duì)采礦實(shí)驗(yàn)室的依賴，從而在搬運(yùn)礦石/廢料方面提高了效率；

（10）對(duì)儲(chǔ)礦堆的現(xiàn)場(chǎng)分析有助于為工廠迅速配料和給料；

（11）對(duì)于進(jìn)料、精礦及尾料的實(shí)時(shí)分析，使得在處理廠內(nèi)就可以對(duì)材料的配量隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整；

（12）在某些環(huán)境中，通過(guò)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(duì)地下礦石進(jìn)行級(jí)別控制的能力；

（13）在礦場(chǎng)應(yīng)用中，通常需要對(duì)具體的樣本和基質(zhì)進(jìn)行特別校準(zhǔn)。DELTA分析儀使用多種校準(zhǔn)模型可以極為方便地進(jìn)行設(shè)置和操作，從而可保證在實(shí)際檢測(cè)分析過(guò)程中發(fā)揮出最佳性能，甚至在富于挑戰(zhàn)性的輕元素（鎂、鋁、硅）分析中，也能獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

4.1 不足之處

XRF分析儀是一種快捷、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和有效的工作方法，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該儀器主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：

（1）Au、Ag含量＜1 ppm以下無(wú)法檢測(cè)，含量＞1 ppm即可檢測(cè)出結(jié)果，誤差約25.89%；其中Cr、Sr、Pb、Th、V、Cu、Zn、As、Ti等元素檢測(cè)最為準(zhǔn)確，平均誤差＜10%。進(jìn)行多次檢測(cè)，時(shí)間＞90 s，自動(dòng)停止時(shí)結(jié)果更佳。

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

（3）測(cè)試時(shí)間必須達(dá)到120 s，測(cè)試結(jié)果才有較好的準(zhǔn)確性。

4.2 主要優(yōu)勢(shì)

利用DELTA手持式XRF分析儀測(cè)量技術(shù)能1次測(cè)量多種元素，測(cè)量時(shí)間短，成本低，快速得到檢測(cè)結(jié)果是該方法的優(yōu)勢(shì)所在，結(jié)合該方法與地質(zhì)研究能很好地在野外多礦種找礦過(guò)程中發(fā)揮較大的實(shí)用性，是一種快捷、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和有效的工作方法[6]。

結(jié)合礦區(qū)實(shí)際測(cè)量與后期的資料整理分析得出幾點(diǎn)初步的認(rèn)識(shí)與體會(huì)，具體如下：

（1）立項(xiàng)選區(qū)、踏勘、地質(zhì)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(duì)礦體、富集地段、精礦、廢渣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速評(píng)估；

（3）境外地質(zhì)勘查項(xiàng)目，通過(guò)分析儀進(jìn)行土壤樣品、沉積物分析，能快速圈出異常靶區(qū)，追索礦化異常，指導(dǎo)下一步工作，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間等待實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果；

（4）節(jié)約高額的樣品運(yùn)輸成本，節(jié)約樣品分析費(fèi)用。

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

[2]張鵬.便攜式X熒光儀在內(nèi)蒙古赤峰淺覆蓋區(qū)螢石礦勘查中的應(yīng)用[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2013.

[3]袁兆憲.基于PXRF技術(shù)的露頭和手標(biāo)本尺度元素遷移富集規(guī)律研究[D] .湖北武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2014.

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

[5]唐愛(ài)雄，龐榮華，方方等.便攜式X熒光分析儀在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)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(qū)聯(lián)合應(yīng)用X熒光法和快金分析法快速追蹤和評(píng)價(jià)金異常源[J].地質(zhì)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