便携式X荧光仪原位测量浅钻岩芯的应用*

陈 爽 葛良全 张庆贤 王广西 杨汉水 赵剑锟

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院；2.黑龙江省地质调查研究总院)

便携式X荧光仪原位测量浅钻岩芯的应用*

陈 爽1葛良全1张庆贤1王广西1杨汉水2赵剑锟1

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院；2.黑龙江省地质调查研究总院)

便携式X射线荧光(field portable X-ray fluorescence, FPXRF)仪具有仪器轻便、分析速度快、成本低的特点，在野外矿产资源勘查中得到了广泛应用。利用FPXRF仪对某成矿区的浅钻岩芯进行现场快速分析，获取了Ti、Mn、Fe、Cu、Zn等元素含量随深度的变化信息，并圈出了一处Cu异常区。应用结果表明，相对于传统化探取样方法而言，该方法大大减少了工作量，提高了工作效率，节约了分析成本，优势较为明显。

便携式X射线荧光仪 浅钻岩芯 异常区

能量色散X荧光分析(EDXRF)是一种多元素无损分析技术，已被广泛运用到构造查证[1]、钻孔测量[2]等领域中。该方法能够同时测量10余种元素，可现场测定元素含量，能够为地学科研和矿产勘查提供及时、可靠乃至决策性的现场测试数据支持[3]。为此，利用FPXRF仪原位测量浅钻岩芯样品，快速获取浅钻岩芯样品中的组分及含量，从而得到特定区域内元素含量随深度的分布信息，为野外发现矿致异常并圈定成矿段和矿体提供依据。

1 工区概况

工作区位于黑龙江省西北部的嫩江县境内，大兴安岭与小兴安岭交汇处，属低山丘陵浅切割区，地势东高西低，平均海拔470 m，最高海拔640 m。构造上属于西伯利亚板块南缘早古生代陆缘增生带与华北地台北缘增生带(即兴蒙造山带)的东段，大兴安岭弧盆系之扎兰屯—多宝山岛弧带奥陶纪岛弧区内。区域断裂构造发育，长期多次活动，互相切割，加上后期构造迁就利用改造，使断裂面貌极其复杂。断裂以NE向及NW向为主，EW，NNE，NWW向次之，SN向构造不发育。

区内火山活动强烈，火山岩分布广泛，与成矿关系密切的为早奥陶世多宝山组(O1-2d)火山岩。其中多宝山组作为矿源层和屏蔽层在多宝山和铜山斑岩型铜矿床中显示了其在成矿过程中的重要作用。主要侵入岩有海西期黑云母斜长花岗岩和花岗闪长岩，燕山早期的花岗闪长岩、斜长花岗岩、花岗斑岩、正长花岗岩和细晶闪长岩等，同期中酸性脉岩极其发育，与矿产关系密切。区内属多宝山Cu、Au、Mo、W成矿带是黑龙江省最重要的多金属成矿区之一。

根据前期地面化探调查结果，在工作区内发现有较强的Cu异常，为了获取该区地层深部矿化信息，结合工作区地质情况，采用钻头直径46 mm浅钻对工区深部基岩进行采样，并采用FPXRF仪对浅钻岩芯进行原位测量。

2 方法原理

2.1 谱线解析

FPXRF测量岩芯样品后，需要对谱线进行本底扣除、重叠峰剥离等后续处理，从而得到岩芯样品中待测元素的特征X射线净峰面积。散射本底扣除方法采用基于傅里叶变换的本底估计方法，该方法是一种基于迭代思想的本底扣除方法，关键技术是谱线的构造。假设第m次构造的谱线为xm(n)，对应变化以后的频谱分布为Xm(k)，通过理想滤波器可扣除高频部分。为了提高运算速度，可采用快速傅里叶变换(fast fourier transform,FFT)进行处理，具体步骤如下：

(1)对第m次迭代的谱数据xm(n)的进行FFT处理，得到第m次迭代的频谱Xm(k)。

(4)采用式(1)构建m+1次的谱线xm+1(n)，

(1)

(5)调整滤波器阈值，重复(1)～(4)，满足运行条件后退出，得到的xm+1(n)即为本底。一般退出的条件为本底谱线趋向于稳定。

仪器谱散射本底扣除后，得到全能峰谱线，利用直接解调法重建谱线以剥离重叠峰。仪器对X射线荧光测量的过程可以看成是调制过程，假设入射X射线谱分布为f(E)，测量数据为d(w)，调制函数为p(w，E)(w为仪器的状态参数)。则调制过程可以表示为

(2)

将式(2)改写为离散方程，表示为

(3)

式中，k为测量谱线的道址(k=1,2,…，M)；i为离散的X射线数。

式(3)可用矩阵表示成

PF=D.

(4)

在求解式(3)过程中，P通常为奇异矩阵，在求逆过程中存在病态。因此，对于式(4)不宜直接求解，可采用连续松弛条件下的高斯迭代法进行求解，迭代公式为

(5)

式中，a为松弛因子；l为迭代次数。

当P为对称正值矩阵时，高斯迭代后能够收敛于精确解。在高斯迭代过程中，根据实际的物理条件对每次迭代的结果进行限制。对于X能谱测量，所有特征峰叠加于本底之上，所以特征峰的计数不应小于本底计数。对于已经扣除散射本底的谱线，在迭代过程中的物理限制条件为每道的计数不小于0。在实际构建调制矩阵时，对调制矩阵进行归一化，确保谱线重建以后总计数不发生变化。在直接解调计算过程中，可能引起谱线分裂，可采用矛盾方程组的最小二乘解法加以改善。对于重建后的仪器谱，根据X射线能量设置能窗，利用分支比扣除法，获取净峰面积。

2.2 基体效应校正

野外测量时，被测浅钻岩芯样品中非目标元素对目标元素的的特征X射线的吸收或增强作用，使目标元素特征X射线强度减小或增大，即基体效应，造成目标元素特征X射线强度与浓度呈非线性关系，影响EDXRF分析的灵敏度和精确度。于是，采用Lachance-Traill经验影响系数法校正基体效应对野外X荧光测量浅钻岩芯结果的影响，其数理方程为

(7)

式中，C为浓度；Ri为相对强度；i为待分析元素；j为基体元素；αi,j为j元素对i元素的经验影响系数。

2.3 测量精度验证

从岩芯中选出154件样品经粉碎处理后，采用室内波长色散X射线荧光(WDXRF)仪进行测量，与FPXRF仪的测量结果进行对比，结果见图1。

图1 元素误差频数分布直方图

由图1可知，Cu、Zn的分析误差在20%以内的样品件数在90以上，这表明FPXRF仪能够较好地反映岩芯的元素组成，分析结果较为可靠。

3 结果与分析

图勘探线元素分布剖面

4 结 语

采用FPXRF仪对多宝山成矿区的浅钻岩芯进行了测量。采用FFT本底扣除算法和直接解调方法，对岩芯样品能谱进行解析，得到了待测元素的净峰面积，并利用Lachance-Traill经验影响系数法校正了基体效应，得到了相对准确的元素含量。对该地区的Ti、Mn、Fe、Cu、Zn等元素在地下0～60 m的含量随深度的分布特征进行了分析，并圈出了一处Cu矿化异常区，为该地区的找矿工作提供参考。

[1] 腾彦国，倪师军，张成江，等.应用地气、X荧光、氡气测量方法识别金矿含矿及无矿构造——以川西北阿西金矿和石棉田湾金矿为例[J].地球科学：中国地质大学学报，2001，26(6)：627-630.

[2] 郑兴国，陈方强，葛亮全，等.钻孔岩芯多元素原位X荧光分析技术及应用[J].金属矿山，2011(4)：104-107.

[3] 吉 昂，卓尙军，李国会，等.能量色散X射线荧光光谱[M].北京：科学出版社，2011.

*国家自然科学基金项目(编号：41204134)；国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号：2012AA061803)；中国地质调查局资助项目(编号：12120113091000)。

2015-04-14)

陈 爽(1991—)，男，硕士研究生，610059 四川省成都市二仙桥东三路1号。