手持式XRF快速荧光分析仪在地质勘查中的应用

吴承东，颜伟裕，李慧，刘浩，李兴斌

（湖南省核工业地质局三〇四大队，湖南 长沙 410007）

手持式XRF快速荧光分析仪在地质勘查中的应用

吴承东*，颜伟裕，李慧，刘浩，李兴斌

（湖南省核工业地质局三〇四大队，湖南 长沙 410007）

为检测便携式矿石元素分析仪在地质矿产勘查中的应用效果，利用矿石元素分析仪对汉寿县某矿区化探样品、安化县某矿区化探样品及塞拉利昂地表工程和工程样品进行测试，通过分析仪器测试结果与实验室测试结果进行对比，显示矿石元素分析仪具有较好的稳定性、一致性和可靠性。该仪器可用于矿体评估、精矿或矿渣分析、矿石等级分析、土壤或沉积物等样品分析、废水或土壤环境监测等地质勘查工作中，是一种快捷、简便、经济和有效的工作方法。

XRF分析仪；快速分析；手持；地质勘查

在国外地区或国内偏远高寒地区，因交通不便，野外工作时间短，工作条件差，对地质工作提出了新的要求，为快速、准确收集相对多的第一手地质、物探和化探资料，快速追踪和评价异常，缩短勘查周期，这就要求我们在野外工作期间必须现场进行快速测试分析，且要求仪器操作简单、快速，检出效果准确。便携式矿石元素分析仪的出现，较好地解决了这个问题。该分析仪可被带到任何场所进行检测，不仅具有高级分析性能，还可以对很多元素进行分析，最重要的可以快速得到检测结果。可以说该仪器可用于几乎所有地质勘查中，应用该方法可以取得较好的地质效果和经济效益。

1 分析仪简介

1.1 配置情况

手持式XRF分析仪配备有强大的袖珍X射线管、Si-PIN探测器或高级硅漂移探测器（SDD）、专用过滤器及多光束优化功能，可将XRF的分析性能发挥到极致，使得X射线荧光光谱测定法得以应用到野外的检测分析中[1]。

XRF分析仪坚固耐用、方便携带，具有极快的检测速度和准确的检测结果，在现场检测中，几乎不依靠远离检测环境的实验室测试，即刻做出分析结果，是其最实际的核心价值。

1.2 检出下限

手持式XRF分析仪已获ISO 9001及14001质量管理体系认证，不仅具有高级分析性能，还可以对很多元素进行分析，比如贱金属：铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、银（Ag）、钼（Mo）；金，包含探途元素和岩石地球化学成份；铀或稀土元素；探途元素；硫化镍和红土型镍矿床；铁矿石和铝矾土；稀土元素（REE），如：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）和钕（Nd）；稀土探途元素，包含：钇（Y）、钍（Th）和铌（Nb）；磷酸盐和碳酸钾；浅成热液的锡、钨、钼、铋、锑矿床；钛锆矿砂；煤、油、气。

图1 手持式XRF分析仪的配置Fig.1 Handheld XRF analyzer confguration

表1 某些元素的标准检出限Table 1 Some elements of the standard detection limit

图2 预期探测到的元素Fig.2 Expected detected elements

1.3 分析模式

1.3.1 Mining Beam 1模式（矿石模式）

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

1.3.2 Two beam mining Beam 2模式（矿石＋模式）

Mg，Al，Si，P，S，Cl、K、Ca、Ti、Mn等10元素，检测下限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，检测下限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，检测下限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，检测下限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。经测试，达不到要求的元素则检测误差极大或未检出。

2 分析仪有效性试验

为了对XRF分析仪的实用性、稳定性和准确性[1]进行验证，我队技术人员在不同的时间和不同矿区前后采集了1780个样品（表2）。本次对测试样品具有时间跨度长（前后四年）、区域跨度大（距离超1万km）、数量大等特点，样品的代表性强。

表2 XRF分析仪样品测试情况一览表Table 2 XRF analyzer sample list of test cases

2.1 准确性的测试

为判断XRF分析仪准确性，对仪器的分析结果与国家标准样进行对比，共测试分析了6组样品。通过测试结果进行数据分析及曲线对比（图3-8），结果显示分析仪检测准确性较为准确，其中Au、Ag等元素由于未达到“检测下限”误差较大，当＞1ppm时，检测误差为25.89%；其他可测元素平均误差22%；Cr、Sr、Pb、Th、V、Cu、Zn、As、Ti等元素检测最为准确，平均误差＜10%。

图4 标样（GSD-4）实测与标准对比曲线Fig.4 Sample (GSB-4) measured with a standard contrast curve

图5 标样（GSD-9）实测与标准对比曲线Fig.5 Sample (GSB-9) measured with a standard contrast curve

图6 标样（GSS-24）实测与标准对比曲线Fig.6 Sample (GSB-24) measured with a standard contrast curve

图7 标样(GSS-28)实测与标准对比曲线Fig.7 Sample (GSB-28) measured with a standard contrast curve

图8 标样（GSS-5）实测与标准对比曲线Fig.8 Sample (GSB-5) measured with a standard contrast curve

2.2 可靠性的分析

为验证仪器可靠性[2]，我们先后将不同时间、不同地点采集的1780样品测试结果与实验室分析结果进行对比，因为检测下限的原因，集中比较了As、Pb、Zn和Cu四个元素。通过图9和图10可知，As、Pb、Cu差值一般在±10之间，误差率大多小于30%；Zn元素差值一般在±25之间，误差率一般小于50%，仅个别样品误差较大，不影响仪器的可靠性。

2.3 稳定性的测试

为验证仪器的稳定情况[3]，我们先后不同时间对多组样品进行测试对比，通过分析对比测试的数据可知，仪器误差小，稳定性好。

图9 实验室分析结果与XRF分析仪测试结果差值曲线对比Fig.9 Comparative results of curve analyzer difference between laboratory analysis and XRF

图10 实验室分析结果与XRF分析仪测试结果误差率曲线对比Fig.10 Analyzer test results comparing the error rate curve laboratory analysis and XRF

表3 分析仪稳定性测试结果表（部分）Table 3 Analyzers stability test results tables（part）

3 在矿产勘查中的应用

3.1 在地球化学中的应用

XRF分析仪测试结果准确、可靠有效，但仪器对Au、Ag等元素检出下限较高，常常无法直接测出检测结果，因此，在地球化学测量中为了求得Au元素异常范围，可以通过As、Cu、Pb和Zn等相关元素组合间接圈定Au异常范围。为证实此观点，作者于2016年7月对安化县某金矿区土壤地球化学测量样品1514件（含81件重复分析样），并将测试结果与试验中分析结果进行对比，其中As、Pb、Zn和Cu等4种元素和实验室吻合度较好，Ag、Au、W、Sn、Sb和Hg由于仪器检出限的原因[4]，只有少量测试数据或无测试数据无法与实验室测试数据进行对比；因Ni、Fe、Mn、Co、Ti、Rb、Sr、Y、Zr和Th等元素检出限较低，所得到的测试数据可作为对应的伴生元素，推断主元素异常。利用实验室测试结果和XRF分析仪测试结果进行分析研究，数据吻合程度较高，并编制相关单元素异常图（图11-16）和元素综合异常图（图17-18），圈定成矿靶区，结果显示两种数据异常范围基本一致，用相关伴生元素异常范围可间接圈出得主元素异常范围。XRF分析仪在土壤地球化学测量中可快速锁定靶区，找出成矿富集地段[5]，圈出矿化带，为后续工作打下基础，且效果良好。

图11 As元素异常图（实验室数据）Fig.11 As element anomaly map (laboratory data)

图12 As元素异常图（XRF分析仪数据）Fig.12 As element anomaly map (XRF analyzer data)

图13 Pb元素异常图（实验室数据）Fig.13 Pb element anomaly map (laboratory data)

图15 Zn元素异常图（实验室数据）Fig.15 Zn element anomaly map (laboratory data)

图17 综合异常范围（实验室数据）Fig.17 Comprehensive abnormal range (laboratory data)

XRF分析仪不仅对土壤地球化学适用，对岩石、岩屑地球化学同样适用，但是样品测试过程中需要碎样到40目，测试结果才有效果。

3.2 指导山地工程送样

XRF分析仪在我队海外项目塞拉利昂金矿预查中对山地工程样品的筛选起到了至关重要的作用。2014年该项目组成员利用As、Pb、Zn、Cu、Fe等元素与Au元素地球化学性质基本一致[4]，是塞拉利昂与金元素最为密切的伴生元素为依据，对样品进行筛选。对地表槽探工程已取311个样品进行筛选，筛选后送检样品100个，后实验室分析数据显示其中76个样品为金异常样品，准确率达到76%，节约了大量的样品测试。

图14 Pb元素异常图（XRF分析仪数据）Fig.14 Pb element anomaly map (XRF analyzer data)

图16 Zn元素异常图（XRF分析仪数据）Fig.16 Zn element anomaly map (XRF analyzer data)

图18 综合异常范围（XRF分析仪数据）Fig.18 Comprehensive abnormal range (XRF analyzer data)

3.3 其他应用

便携式XRF分析仪可用于几乎所有地质勘探的应用中，具体表现在以下几个方面：

（1）在早期的地区勘察和绘制地图阶段，可对岩石、碎片、土壤、沉积物等样本进行化学成份的定性分析；

（2）在勘探早期的转移地带性土壤和沉积物，犁地及挖沟的几个阶段中，采集定量性数据。

（3）即时辨别矿化趋向及异常现象，定义钻孔目标，扩展土壤样本的勘察边界。

（4）实时调整采样和绘图项目，以最佳方式使用勘探预算经费；

（5）对样本进行预筛选，以最大程度地提高在现场以外的实验室检测的效率；

（6）在极具开发前途的地区提高采样的密度；

（7）在钻孔阶段从土地中取出样本时，可以对空心、RAB、RC（反循环钻进样本）和钻石芯等样本进行分析；

（8）在现场对镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）和钕（Nd）等稀土元素，以及钇（Y）、钍（Th）和铌（Nb）等探途元素进行定量检测；

（9）在露天矿场对钻孔样本进行即时筛检，减少了对采矿实验室的依赖，从而在搬运矿石/废料方面提高了效率；

（10）对储矿堆的现场分析有助于为工厂迅速配料和给料；

（11）对于进料、精矿及尾料的实时分析，使得在处理厂内就可以对材料的配量随时进行调整；

（12）在某些环境中，通过制定使用DELTA便携式XRF分析仪的采样和分析方法，可以提高对地下矿石进行级别控制的能力；

（13）在矿场应用中，通常需要对具体的样本和基质进行特别校准。DELTA分析仪使用多种校准模型可以极为方便地进行设置和操作，从而可保证在实际检测分析过程中发挥出最佳性能，甚至在富于挑战性的轻元素（镁、铝、硅）分析中，也能获得精准的数据。

4 总结

4.1 不足之处

XRF分析仪是一种快捷、简便、经济和有效的工作方法，但是在实际生产过程中，该仪器主要存在以下三个问题：

（1）Au、Ag含量＜1 ppm以下无法检测，含量＞1 ppm即可检测出结果，误差约25.89%；其中Cr、Sr、Pb、Th、V、Cu、Zn、As、Ti等元素检测最为准确，平均误差＜10%。进行多次检测，时间＞90 s，自动停止时结果更佳。

（2）在土壤模式下对样品的粒度有一定的要求，一般粒度达到40目，样品的测试效果比较好，误差小，这就要求在采集样品的时候需要处理，才能做到有效分析。

（3）测试时间必须达到120 s，测试结果才有较好的准确性。

4.2 主要优势

利用DELTA手持式XRF分析仪测量技术能1次测量多种元素，测量时间短，成本低，快速得到检测结果是该方法的优势所在，结合该方法与地质研究能很好地在野外多矿种找矿过程中发挥较大的实用性，是一种快捷、简便、经济和有效的工作方法[6]。

结合矿区实际测量与后期的资料整理分析得出几点初步的认识与体会，具体如下：

（1）立项选区、踏勘、地质勘查快速大致分析土壤、岩石中重要元素或指示元素含量；

（2）可对矿体、富集地段、精矿、废渣进行现场快速评估；

（3）境外地质勘查项目，通过分析仪进行土壤样品、沉积物分析，能快速圈出异常靶区，追索矿化异常，指导下一步工作，无需长时间等待实验室分析结果；

（4）节约高额的样品运输成本，节约样品分析费用。

[1]张震.铅锌矿中多金属的XRF分析技术研究[D].四川成都：成都理工大学，2010.

[2]张鹏.便携式X荧光仪在内蒙古赤峰浅覆盖区萤石矿勘查中的应用[D].北京：中国地质大学（北京），2013.

[3]袁兆宪.基于PXRF技术的露头和手标本尺度元素迁移富集规律研究[D] .湖北武汉：中国地质大学（武汉），2014.

[4]吴丽荣，周四春，吕少辉等．多元素X荧光测量技术在某金矿外围找矿中的应用[J].金属矿山，2010，412(10): 90-93．

[5]唐爱雄，庞荣华，方方等.便携式X荧光分析仪在矿产勘查中的应用[J] .金属矿山，2010，405(3): 97-99．

[6]葛良全，曹志敏，孙传敏等.西藏地区联合应用X荧光法和快金分析法快速追踪和评价金异常源[J].地质与勘探，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