电子探针在地质实验测试中的应用

邓松良，李 健

（新疆矿产实验研究所，新疆 乌鲁木齐 830000）

任何物质的所有特性都与其形态（表面形态）、化学成分和结构有关。 过去，形态的观察主要依靠光学显微镜，通过物质的光学和物理性质来评估；化学组成多采用化学分析法来测定；其结构通过 X 射线衍射、电子衍射和中子衍射进行分析[1]。电子探针显微分析仪（简称电子探针）的问世，为测定微米级固体材料的组成、结构和表面形貌提供了有效的工具，是测试技术发展史上划时代的辉煌成就。近年来，随着电气自动化工业的迅猛发展，新一代电子探针具有数字化、人工智能和自动化的分析程序、高分辨率图像的采集等特点，很快就在地质学等领域得到广泛的应用[2]。如今电子探针已成为新矿物成份分析的主要手段，每年用电子探针发现和分析的新矿物占总数的50%，有时达70%以上[1]。

1 电子探针分析的特点

电子探针分析是用聚焦到1μm左右的高能电子束轰击样品，样品中的照射区域发出其组成元素的特征X射线，通过分析特征X射线的波长和强度来确定微区的化学成分。可以进行点、线、面三种形式的分析，对研究矿物中元素的赋存状态、共生关系、出溶结构、析晶等特别有利。此外还有二次电子像、背散射电子像、矿物阴极荧光像等，为进一步研究样品的表面形态、成份、晶体结构提供更多的信息。在地质实验测试中的应用主要有以下特点：

（1）微区、微量：可以直接在岩石光、薄片上测定矿物的化学成分。其分析区域小（仅1μm左右）、灵敏度高，突破了微粒、微量矿物分析的技术难关，这显着提高了分析的准确性，并在识别具有相似光学特性但具有不同化学成分的矿物方面发挥着重要作用[1]。

（2）不破坏样品：不用分选单矿物、不污染样品、不破坏样品，可进行重复、多重定义，提供多种信息，定义后仍可保存样本。它是测量稀有珍贵陨石和月球岩石样品的理想方法[1]。

（3）快速、分析精度高：多种元素（Be4～U92）所有这些都可以在同一台仪器上使用相同的方法同时分析。 样品制备简单，分析程序简单，速度快，成本低[1]。 X射线光谱不易影响化合态，分析精度高，对难于化学分析的个别稀土矿物的分析具有重要意义。

电子探针虽然有很多优势，但由于仪器本身的局限性及某些地质样品的特殊性，也会存在以下的一些困难：

（1）对于超轻元素（如B、C、N、O、F），由于入射辐射产额低、特征X射线波长大、吸收效应大且易于暴露于碳污染，因此测量效率更高。复杂而敏感。低，通常为1000ppm～10,000ppm。

（2）大多数地质样品导电性差，需在样品表面进行镀膜以消去电荷效应，这种处理难免会出现一定的错误； 一些地质样品导热性差，样品在电子束轰击下温度会升高，使矿物中的一些挥发物蒸发，如某些磷酸盐和水矿物钠长石、某些硫化物等，其分析误差会变大。因此，对地质样品的分析结果要作客观的评价[1]。

（3）对于含有大量结晶水和超轻元素的矿物、变价元素含量高的矿物、电子束轰击时不稳定的矿物、以及含有大量结晶水和超轻元素的矿物，电子探针无法分析或误差较大。没有标准样品。

2 电子探针在地质上的应用实例

2.1 矿物的分析鉴定

矿产分析评价是一项重大的地质工作，不仅与一般采矿、勘探评价和综合利用密切相关，而且是研究矿物、岩石和矿床的一项重要工作[1]。

大多数的金银矿物都是以微量、微小粒状存在于矿石中。传统的岩矿鉴定是在光学显微镜下，使用5X～20X物镜进行金银矿物的鉴定，50X物镜景深太浅，不易聚焦，只是偶尔用于进一步确认矿物，因此光学显微镜只能鉴别约10μm以上的大颗粒金银矿物。此时具有高放大倍数的电子显微镜（电子探针）利用背散射图像和X射线能谱仪就可以准确、快速的把1μm～10μm左右的金银矿物分辨出来，并且可区分光性极为相似的自然金、银金矿和金银矿等。

新疆某热液成因金矿，金平均品位在3g/t左右，部分高达20～30g/t，矿石中黄铁矿褐铁矿化程度高。经多个实验室岩矿鉴定分析，都未在光学显微镜下找到自然金，最终利用电子探针成功发现很多粒径微小的金颗粒，最大颗粒3.29μm（图1），为矿山后期的综合利用和选冶实验提供了至关重要的依据。

图1 金矿石电子探针背散射（COMPO）图像

2.2 陨石矿物的研究

陨石是从行星际空间穿越大气层经过烧蚀后到达地表的流星残留体，保留了太阳系形成前后的物质组分。陨石是最古老的岩石，保存了原始的化学和岩石学特征，它能反映原始太阳星云的元素和同位素组成、星云的高温凝聚和化学分馏过程, 提供原始太阳吸积盘的形成、物质分布规律等重要信息，是人类认知太阳系形成和演化的重要窗口[3]。

新疆拥有广阔的沙漠和戈壁区域，这些区域颜色背景单一、视域开阔、气候干燥，是保存和富集陨石的最佳地点，成为我国最主要的陨石发现区[4]。我单位自2013年开展陨石鉴定业务至今共收到120余件“陨石”样品，其中真陨石仅有14件，可见民间陨石收藏还是具有很大风险的。14件陨石样品中石陨石有3件，铁陨石有11件。电子探针的成分分析和图像分析功能给陨石鉴定提供了强有力的技术支持（图2-4）。

图2 石陨石（球粒陨石）电子探针背散射（COMPO）图像

图3 铁陨石电子探针背散射（COMPO）图像

图4 腐蚀后的铁陨石电子探针背散射（COMPO）图像

2.3 矿物中包裹体的研究

矿物包裹体是在矿物晶体生长过程中被困在矿物或晶格缺陷或空腔中的成岩流体的一部分，仍被封闭在基体矿物中并与基体矿物具有相界。矿物包裹体的形成贯穿整个地质过程，固定和保存了地质过程各个阶段的物理化学特征。包裹体研究对于确定矿床成因、了解岩石形成条件、寻找深部热液盲矿体具有重要意义[5]。

对新疆拜城产出的宝石级红宝石中的固体包裹体进行了电子探针分析，确定了其矿物种属为方解石、硬水铝石、黄铁矿、闪锌矿（图5-6）等，为下一步矿床研究及矿石资源的开发利用提供了重要的基础资料[6]。

图5 红宝石电子探针背散射（COMPO）图像

图6 红宝石电子探针背散射（COMPO）图像

3 小结

电子探针显微分析技术具有微区、微量、快速、不破坏样品、分析元素范围广、准确度高等特点。在微粒矿物的鉴定、元素赋存状态的查明、微量元素地球化学特征的确定、固态包裹体的研究、常量元素的快速测定、岩石全分析的对陨石和月球岩石的尝试和研究，有效地弥补了光学显微镜、化学分析和X射线衍射的不足。它克服了矿床中细颗粒物和微量元素组成分析和相关元素鉴定的技术难点，为矿产的找矿、勘探和综合利用提供了有力的分析鉴定方法。

电子探针对地质样品的分析也存在一定的困难和问题。有些需要与其他分析方法协作才能解决问题；有些随着科学技术的发展，将逐步解决仪器精度和自动化程度提高的问题。电子探针分析技术会不断的创新、改进，更好地为地质测试事业服务，在地质学各领域发挥更大的作用。