西北地区地质实验测试技术研究进展及其在地质调查中的应用

程秀花，李艳广，叶美芳，张明祖，黎卫亮，李忠煜，韩延兵，汪双双

（中国地质调查局西安地质调查中心/西北地质科技创新中心, 陕西 西安 710054）

李四光先生在中国地质矿产部成立之初曾指出：地质、勘探、化验三足鼎立， 三分天下，各有其一，精辟地阐明了地质实验工作的作用和地位。早期全国化验技术人员只有20人（吴淑琪，2013），经过近70年的发展，从业人员已经增长到几万人，形成了以中国地质调查局、中国煤田地质总局、中国冶金地质总局、中国有色矿业集团、中国核工业集团、中国黄金集团以及各省局地质实验室、高校和中科院地学相关专业实验室为主体，以第三方检测实验室为补充的全国地质实验室架构。发展过程中，地质行业相继成立了一批国家级、省部级重点实验室和49个矿产资源监督检测中心（原国土资源部）。几十年来，地质实验测试工作在国家找矿会战、西部大开发、国家能源安全建设、国土资源大调查和生态文明建设等国家战略实施过程中发挥了重要作用，相继支撑了全国勘查地球化学填图、全国农业地质调查（多目标地球化学调查）、全国地下水污染调查、全国矿产资源潜力评价等多个重大项目，在基础地质调查、矿产资源调查、油气能源地质调查、水文地质与地下水污染调查和土壤生态地球化学调查等领域均作出了卓越贡献。在中国地质调查局西安地质调查中心成立60周年之际，笔者系统梳理了中国西北地区地质实验测试工作的发展历史、现状和特点，阐述了在不同历史时期，尤其是中国地质调查局成立以来，西北地区地质实验测试技术研究进展及其对地质调查工作的支撑作用，简要分析了新发展阶段地质调查工作对实验测试的新需求，最后对未来地质实验测试工作的发展方向和工作重点进行了展望。

1 地质实验测试技术发展现状

1.1 无机元素分析技术

中国地质实验测试工作起源于1952年，主要功能与定位是服务于地质找矿，其中地质样品的无机元素分析是传统地质分析的最基本内容。20世纪后50年，国内外地质实验测试无机元素分析技术主要有传统的容量法、比色法、重量法、极谱法以及原子吸收和原子荧光等。分析元素单一，前处理时间长，对分析人员技术水平要求高。进入21世纪，实验测试功能与定位已发展到要求全面支撑中国资源、能源、环境和地学前缘科学研究。无机元素测试技术发展经历了3个发展阶段：

（1）常规化学分析技术。为满足地质找矿对基础数据的需求，地质实验测试人员通过大量试验研究，建立了各种元素分析测试方法体系，以这些方法为基础，1959年，在陈四箴（1959）先生的主持下出版了地质测试领域第一部专业工具书《矿物原料分析》。该阶段的分析技术主要以经典的容量法、重量法、比色法、极谱法为主，检测项目多以成矿元素、岩石全分析为主要内容，方法技术体系完善，在当时条件下具有很强的实用性。这些分析技术对人员专业素质要求较高，相对分析效率低、劳动强度大，多以常量、主量、成矿元素分析为主。

（2）痕量元素分析技术发展。20世纪70年代，地质实验室致力于痕量元素分析技术研究。陈四箴（1978）先生率领团队研发了催化动力学分析方法，姚修仁（1981）先生研究了催化极谱分析方法，从此开启了痕量、超痕量元素分析时代。随后原子吸收光谱技术将地质实验测试领域的痕量分析带入了灵敏度高、准确性好、分析速度快的仪器分析阶段。

（3）大型仪器分析技术快速发展。随着X荧光光谱仪（XRF）、等离子体发射光谱仪（ICP-AES）、等离子体质谱仪（ICP-MS）等现代大型仪器的引进，地质实验测试技术发生了质的飞跃。此过程中建立了一系列的技术方法，主要包括：以XRF、ICP-AES、ICP-MS为主的1∶20万区域化探样品分析配套方法、多目标地球化学样品54个元素分析方法技术体系（张勤，2004）、勘查地球化学样品76个元素分析方法配套体系（叶家喻等，2004）。另外，技术人员依托ICP-MS仪器开发了稀土元素、分散元素、非金属元素和痕量、超痕量元素等一系列分析方法，并在地质调查工作中得到广泛应用（程秀花等，2013；孙朝阳，2016）。

随着地质工作的转型升级发展，实验测试工作也发生了相应的转变。配合生态环境地球化学调查与评价，开展了土壤、水、生物样品中无机元素的分析方法体系的研究，包括无机元素分析、价态分析、有效态以及形态分析，建立气相色谱、高效液相色谱与ICP-MS联用分析方法（屈文俊，2012）。此外，包括电子探针、激光剥蚀-等离子体质谱联用、离子探针技术等为主的原位微区元素分析技术已经成为了国内外重要的研究领域（刘勇胜，2021）；野外现场快速分析技术方法的开发和完善也是地质实验测试技术发展的重要方向之一。

1.2 有机组分分析技术

20世纪末以来，为更好地支撑地调科研新需求，地质实验人员开发研究了有机组分检测技术方法，无疑是地质实验测试技术发展中最显著的成果之一，这使得地质实验测试技术从传统的无机元素分析发展到无机元素、有机组分分析并重的技术体系，特别在生态环境地质和能源地质2大领域中发挥了重要的作用。

随着“地质野战军”装备计划实施，地质实验室引进了气相色谱、液相色谱、气相色谱-质谱仪、液相色谱-质谱仪、三重四极杆液相色谱-质谱-质谱仪等先进的精密仪器，同时也配备了与之相应的快速溶剂萃取、扫描-捕集进样系统、微波萃取、圆盘萃取等样品前处理设备。创建了多种前处理技术和样品检测方法，主要包括：水质、土壤和沉积物和生物样品中挥发性有机物（VOCs）、半挥发性有机物（SVOCs）、有机磷农药、有机氯农药、石油类污染物等检测技术。这些方法的建立主要围绕全国地下水污染调查、地下水水质监测、全国土地污染现状调查以及土壤污染状况详查等国家重大项目需求，其技术成果很好地发挥了支撑服务作用。在能源地质领域，油气研究项目日益增加，油气地球化学分析测试能力也相应的快速发展，逐步建立了油气化探样品中酸解烃和水解烃的气相色谱法、稠环化合物的荧光分析方法、H-He-Ne检测技术，烃源岩总有机碳（TOC）分析方法、Rock-Eval分析、以及烃源岩抽提物和原油的石油族组分分析、饱和烃、芳烃分析方法（尹明，2009）。

近年来，能源矿产、环境科学和生态地球化学的迅猛发展，进一步促进了地质行业有机分析技术的全面拓展。石油、地下水、土壤和沉积物、岩石、农作物等都是有机分析的重要对象。样品前处理与净化技术不断改进，目前常用的有吹扫-捕集、溶剂萃取、固相萃取、固相微萃取、动态针捕集阱、顶空等（刘娇等，2015；黄何何等，2018；刘玉灿等，2020）。多种有机组分同时快速检测的方法技术体系及相关质量监控体系日益完善，地下水水质检测从必测37项到100多项，土壤有机污染分析也针对复杂基体发展了多种痕量有机污染物的检测技术，其分析的检出限从10-6到10-9，甚至10-12，重现性和分析精度均有明显提升。

1.3 同位素分析技术

同位素分析技术的起源和革新离不开质谱仪的发明和演进。20世纪初，英国著名物理学家汤姆逊（Thomson J J）发现氖同位素所用的抛物线装置可谓现代质谱仪的雏形，随后，阿斯顿（Aston F W）据此建造了世界上第一台单聚焦质谱仪，利用该仪器发现了几十种同位素并测试了自然丰度，此后，随着质谱仪的更新换代，元素周期表中的同位素被逐一发现和测量。同位素分析技术发展至今，已经出现了稳定同位素质谱仪（IRMS）、多接收等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）、静态分析质谱仪（SVMS）、热电离质谱仪（TIMS）、加速器质谱仪（AMS）、二次离子质谱仪（SIMS）、激光电离质谱仪（LIMS）和激光共振电离质谱仪（LRIMS）8种类型的同位素质谱仪，这些同位素质谱仪已应用于各行各业的研究工作中。同位素分析技术在地质领域的应用主要包括同位素定年和同位素地球化学示踪2个方面。Rb-Sr（Olierook et al.，2020）、Sm-Nd（Segvic et al.，2020）、Ar-Ar（Vincenzo et al.，2021）、U-Pb（Jnf et al.，2021）、Lu-Hf（Alexander et al.，2021）、Re-Os（Greenman et al.，2021）等经典分析方法，为准确约束地质事件发生的年龄、指导矿床勘探开发、探索地质体时空分布以及研究大陆动力学问题等工作提供了依据。H、C、N、O、S等传统稳定同位素在水循环研究（袁瑞丰等，2020；田立德等，2021；Yurchenko et al.，2021）、气溶胶研究（马皓等，2021）、古环境分析（徐向春等，2021）、农产品产地溯源（杨静洁等，2020）、有机污染物分析（吴健等，2021）等方面发挥了重要作用。随着高精度、高灵敏度的MC-ICP-MS、SIMS、TIMS等科学装置的发展与进步，包括Li、B、Mg、Si、Cl、Ca、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ge、Se、Mo、Sr、Ag、Cd、Sb、Hg、Tl等在内的非传统稳定同位素也迅速发展起来，为研究地幔演化、岩浆的产生和分异、地壳的形成、俯冲物质再循环、古气候环境恢复、环境生态演化、污染物来源示踪等重大问题研究提供了新的手段（黄方，2011，2015；孙卫东等，2012；朱祥坤等，2013；王立成等，2014；赵新苗等，2020；周秋石等，2020；夏芝广等，2021；Katrin et al.，2021）。同时，稀有气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn）同位素测试技术也在不断发展，在地球各圈层或不同物质源区具有明显不同的稀有气体同位素组成，故而它们在研究深源物质、地幔演化、壳幔相互作用、判识地幔柱等构造环境方面具有灵敏而独特的地球化学示踪作用（马锦龙等，2003；徐永昌等，2003；李晓斌等，2007；Hanyu et al.，2011；武丽艳，2019；Eduardo et al.，2021）。

1.4 微束分析技术

微束分析是在微米-纳米尺度上精确分析天然和人工合成样品的物相、形貌、结构、化学成分和同位素组成等。在地质科学研究中，电子探针（EPMA）、扫描电镜（SEM）、激光拉曼光谱（LRM）、红外光谱（IRS）、X射线衍射仪（XRD）等大型微束分析设备在岩石矿物的成分、形貌、结构等特征研究中发挥了不可或缺的作用（叶大年等，1984；周剑雄等，1988；徐培苍等，1996；张慧等，2016）。

电子探针具有空间分辨率高、无损、分析元素范围广、基底效应小等优点，是研究地球与行星物质组成最基础的微区分析手段，广泛应用于岩石学、矿床学、环境科学、天体与行星演化等研究领域（张迪等，2019；陈意等，2021）。近年来取得的重要突破包括:①场发射电子探针的出现，大大提升了电子探针分析的空间分辨率和信噪比（张迪等，2019），对微细疑难矿物及微米-亚微米尺度化学组成不均一样品的成分与显微结构分析具有重要作用。②通过在技术方法上提高测试束流、增加检测时间而降低元素检出限，以及在硬件上应用新型全聚焦大晶体替代传统分光晶体而提高元素X射线计数率，实现了样品中微量元素的准确分析（Solber et al.，2007；王娟等，2017；Cui et al.，2019；Su et al.，2019）。③得益于大晶面间距分光晶体的应用与特定分析条件的探索（Cheng et al.，2019；吴润秋等，2020；张文兰等，2020），以及软X射线谱仪的出现（Takahashi et al.，2014），使得Be、B等超轻元素电子探针分析精度得到显著提升。④矿物中Fe3+测试与计算不断优化（Hofer et al.，1994；Zhang et al.，2018；李小犁等，2019；Li et al.，2020a，2020b）。此外，副矿物电子探针化学定年和稀土矿物电子探针测试方法上近年也具有较大的提升和发展。

扫描电子显微镜（SEM）是观测物质表面形貌的基础微束分析技术，具有成像直观、分辨率高、景深长、立体感强、样品制备简单等特点，其空间分辨率已可小于1 nm，放大倍数可大于100万倍。环境扫描电镜（ESEM）的低真空成像技术可对未经喷镀的样品直接进行表面微观形貌和结构观察，有效地解决了水、油及非导电样品的形态结构成像问题，避免了导电层对样品表面亚微米级别信息的掩盖（焦淑静等，2014；于亮等；2016；程涌等，2018）。扫描电镜与X射线能谱仪（EDS）、阴极发光光谱仪（CL）、电子背散射衍射仪（EBSD）、拉曼光谱仪等联用，可在科学研究中获得更全面的样品信息（胡鑫蒙等，2020）。在扫描电镜中配置冷台、热台、拉伸台、微操纵/微注入系统等附件，可进一步扩展SEM的功能，使SEM成为一个小型微观实验室，实现原位微观的实时观测，记录矿物生长、脱水、腐蚀、相变、形变、断裂等动态过程，研究相关的物理化学反应变化及矿物与环境的相互作用（Wang et al.，2007）。聚焦离子束（FIB）扫描电镜还可在精密刻蚀加工材料的纳米结构、微切割观察样品剖面、制备透射电镜样品等功能的基础上，观察样品形貌，获得更多的样品表层信息（王羽等，2018；王晓琦等，2019）。近年来，多家仪器公司都大力研发了矿物自动化识别系统，在扫描电镜和多台能谱仪联用的基础上，以强大的矿物数据库为支撑，实现薄片中矿物自动识别与含量统计，解决了微细疑难矿物的识别难题（温利刚等，2018；陈倩等， 2021； 吴中贤等，2021；张然等，2021；朱丹等，2021）。

拉曼光谱是分子或凝聚态物质的振动散射光谱，是取得物质分子结构和状态信息的重要手段，具有微区、原位、快速、无损、高灵敏度、高分辨率等特性，可快速、准确地对物质分子结构、成分、相态变化等内容进行深入研究。在石油地质和流体地质学研究方面，拉曼光谱发挥着重要的作用（徐培苍等，1996；卢焕章等，2005），也可广泛应用于矿物鉴别、矿物结构和应力分析、文物鉴定、珠宝玉石鉴定、复合材料分析、聚合物分析、半导体材料分析等。近年来，拉曼光谱在研究锆石成因、测定流体包裹体成分与盐度（王志海等，2014；董会等，2021）、测定单个流体包裹体CO2碳同位素等方面进行了积极探索，为矿物结构与成因分析、流体包裹体成分与同位素组成研究和应用开创了新局面（李荣西等，2015；董会等，2016；李佳佳等，2017）。拉曼光谱与冷热台、扫描电镜、原子力显微镜等联用技术得到了快速发展，未来有望在地学研究中发挥更多的作用。

X射线衍射是主要用于研究晶体物质中的衍射效应并进行物质结构分析的技术，其应用遍及地质、矿产、石油、材料等各个与物质晶体结构或非晶结构相关的领域（刘粤惠等，2003）。在矿物种属确定、类质同象和结晶度研究等传统领域发挥重要的作用，在矿物结晶过程研究、矿物表面研究、晶体结构测定方面也均有新的应用。近10多年来，中国对于X射线衍射技术从基础理论到不同领域的新技术方法研究均取得了重要进展（刘粤惠等，2003；黄继武等，2012）。利用粉晶衍射进行矿物晶胞参数精修、有序无序、类质同象等研究认识矿物及矿床成因，可指导地质找矿中推测成矿规律和找矿方向（Hiroaki Sato et al.，1993；李山坡等，2012）。在层状硅酸盐矿物和黏土矿物研究中，对黏土矿物的有序-无序变化可解释其形成的地质条件、气候环境等（陈涛等，2005；Li et al.，2018）；利用沉积岩中伊利石进行X射线衍射分析，研究沉积岩埋藏或剥蚀程度（刘国生等，2003）；在滑坡滑带黏土矿物的定向性研究方面，可依据滑带土黏土矿物的X射线衍射定性定量结果，对滑坡稳定状态进行推测（王洪兴等，2004）。

2 西北地区地质实验测试技术研究进展与应用现状

2.1 发展历程

西北地区作为中国重要的能源资源基地，矿产资源丰富，在新中国成立初期，就成为矿产资源普查和地质找矿的主战场，先后组建了地矿、核工业、有色、冶金、煤炭、武警黄金各专业地质找矿队伍，作为地质工作 “眼睛”的各专业实验室应运而生。

西北地区地矿行业实验室最早起源于1957年的兰州中心实验室，隶属于原地质矿产部， 20世纪60年代初，地矿系统实验室进行了机构调整。1962年，西安地质矿产研究所成立，次年筹建实验室，定位为西北地质找矿提供金属元素化学分析支撑服务。之后，为加强矿产综合利用研究，在甘肃永登组建了第十实验室，主要承担全国含铀矿石的物质组成和选冶实验试验，1980年，逐步扩建成为西北地区大区测试中心，在完成本省测试任务的同时，要承担大区内疑难样品检测技术研究任务（吴淑琪，2013）。如今，西北地区地质行业实验室主要以各省地矿局实验室、各地队级地质实验室、大区中心实验室、以及由黄金部队转制而来的各综合调查中心实验室等为主，这些实验室共同承担西北地区基础地质调查、矿产资源调查、能源地质调查、水文地质与水资源调查、环境地质调查、生态地质调查，以及自然资源综合调查相关样品检测技术研发与测试。

西北地区地质实验测试技术的发展应用，与全国地质实验测试技术发展历程有着相似的规律，即围绕现代地球科学发展需求的特点，从无机分析技术到有机分析，从传统无机分析向形态分析，从宏观整体分析向微观的微区分析，从单元素化学分析向以大型仪器为主的多元素同时分析，从实验室内分析向野外现场分析等的不断拓展转型。同时，西北地区地质实验测试技术的发展也有着自身区域上的特点，从金川铜镍矿会战中的基性-超基性岩分析方法、铂族元素分析方法、铬铁矿分析方法、含粗粒金矿样品采集加工与分析、锰矿石中铁的快速测定、稀散元素现代分析方法等的研究与建立，主要是针对西北地区地质找矿过程中拟解决的分析测试技术难题而开展，体现出了西北地区矿产资源与环境的特点。

2.2 研究进展与应用

经过60年一甲子的风雨历程，西北地区地质实验测试工作在无机元素分析领域、有机分析领域、同位素分析领域和微束分析领域均取得了长足发展，并在基础地质、矿产资源、油气能源地质、水文地质和土壤生态地球化学等各专业调查领域得到广泛应用。笔者以中国地质调查局西安地质调查中心（以下简称“西安地调中心”）取得的成果为缩影，详细阐述中国西北地区地质实验测试技术的研究进展及其在地质调查中的应用。

2.2.1 无机元素分析领域

西北地区地质实验测试无机分析技术开始于20世纪60年代，主要通过经典的重量法、容量法、分光光度法、极谱法等方法完成对地质样品的分析，先后完成了《离子交换分离铬，EDTA连续滴定铁和铝》《强碱分离铬测定镍、钴、锰和钛》《过氧化钠-氢氧化钠混合溶剂对铂坩埚侵蚀的研究》《非水滴定法测定岩石矿物中二氧化碳》等方法研究报告。

20世纪70年代，西安地质矿产研究所（现“西安地调中心”）与国内8个科研单位共同承担了“甘肃金川特大型硫化铜镍矿床中铂族元素综合利用”科研项目，该项目共取得2项主要成果：①攻克了Os、Ir、Ru、Rh的分析方法。②利用化学物相法查明了铂族元素在硫化铜镍矿中的赋存状态，为冶金的采选冶工艺流程制定提供了可靠的科学依据。近年来又发展了锍镍试金ICP-MS测定铂族元素的分析方法。

1977年，许大兴先生主持编写的《铬铁矿石分析》是中国铬铁矿分析方面的首部专著。其研究团队以铬铁矿和超基性岩分析方法深厚的技术为依托，完成了《铬铁矿、超基性岩石标准样品的研制及测试方法》科研项目，制备了2个铬铁矿、2个超基性岩的标准样品，成为中国首批一级地质标准物质，填补了中国地质部门标准样品的空白，该成果获得了地矿部科技成果一等奖。此后继续开展了超基性岩标准样品中痕量元素分析定值的研究获地矿部科技成果二等奖。

进入21世纪以来，随着地质分析测试技术的飞速发展，特别是随着“野战军”装备的相继到位，西安地调中心在无机元素化学分析及方法研究方面得到了快速的发展。逐步建立了各种岩石矿物化学分析方法、化探样品配套分析方法以及各类水质分析等一系列完整的检测技术体系，为西北地区基础地质调查、矿产资源勘查与评价、地球化学质量调查等地调科研工作提供了重要基础数据。

磺基水杨酸光度法是测定Fe较常用的一种分析方法，但由于Mn离子对Fe的测定有干扰，导致测定结果严重偏高。通过研究，采取加入盐酸羟胺来消除锰矿石中Mn的干扰，实验基于在pH 10左右，Fe与磺基水杨酸生成相对稳定的2∶1黄色络合物在420 nm处有最大吸收峰，建立了磺基水杨酸光度法快速测定锰矿石中Fe的分析方法。该方法简单、快速、实用，可用于各种品位锰矿石中Fe的测定，特别适合大批量样品的分析（程秀花等，2014）。该研究成果成功用于陕西后沟锰矿大量样品中Fe元素检测。

稀散元素又称分散元素，是指在自然界中并不形成独立矿床而以杂质状态分散存在于其他元素的矿物中的元素，他们在地壳中的含量非常低，分布又很分散，绝大部分伴生在有色金属、煤及铁矿中。传统分析中针对单个元素采取一种分析方法，比如分光光度法、原子吸收光谱法、极谱法等，并且需要繁琐的前处理富集过程。对于痕量甚至超痕量的稀散元素来说目前尚没有成熟的分析方法。西安地调中心利用电感耦合等离子体质谱仪，创建了稀有分散元素Ga、In、Tl、Ge、Se、Te的现代分析方法（黎卫亮等，2014；程秀花等，2016）；研究有机试剂在电感耦合等离子体质谱法测定分散元素的作用，探讨有机试剂的增敏机理，自制一种氢化物发生器装置，该发生器利用U型管连通器原理及下水管道排水原理达到气液分离的目的，经试验此装置具有很高的灵敏度以及较好的稳定性（RSD<8%）和低的残余效应（图1）。研究氢化物发生与电感耦合等离子体质谱仪联用测定稀散元素分析方法，重点探讨了氢化物发生体系中的酸、碱浓度以及载气流速的影响，考察了稳定性和残余效应，最终建立了HG-ICP-MS测定分散元素Ge、Se和Te的分析方法，方法检

图1 自制氢化物发生装置与ICP-MS联用测定Ge、Se、Te的残余效应图Fig.1 Residual effect of Ge, Se and Te determined by the combination of homemade hydride generator with ICP-MS

出限分别为0.001 μg/g、0.001 μg/g和0.006 μg/g。所建立的分析方法经同行实验室验证和使用，其准确度和精密度令人满意（程秀花等，2016），氢化物发生装置已获国家实用新型专利授权（专利号：ZL 2016 2 0900876.6）。

针对西安地调中心矿山地质环境调查研究及环境评价研究室的需要，开展了水土农作物环境样品的分析方法试验，可承担水质、土壤、植物、空气等多种环境样品中微量、痕量元素分析，是中国较早从事矿山环境样品分析的实验室。党的十八大以来，面对国家对生态环境地球化学调查与评价新需求，西北地区各地质实验室开展了生态环境地球化学样品分析方法体系的建立，包括地下水DZ/T 0064系列、天然饮用矿泉水GB 3538系列、生活饮用水GB/T 5750系列标准检测能力建设，农用地、建设用地等土壤样品多种检测项目方法扩展。2018年，与国土资源部西安矿产资源检测中心（陕西省地矿局实验室）、核工业二○三研究所分析测试中心等多个实验室一并参加了生态环境部、自然资源部、农业农村部联合组织的全国农用地土壤污染状况详查，完成西北地区土壤、农产品中重金属元素、有机污染物的测试分析，为查明西北地区农用地土壤污染的面积、分布及其对农产品质量的影响提供了扎实、可靠的数据支撑，得到了一致好评。随后组织5名技术人员参加了陕西生态环境监测专业技术人员大比武，在初赛中取得了满意成绩，为进一步涉入生态环境领域打下基础。近年来一直致力于研究土壤样品中各重金属元素的形态和有效态分析，2019年，协助陕西省地质矿产实验研究所有限公司开展了“复垦土地样品标准检测方法精密度协作试验”，开展了土壤样品中氮、磷、钾、水解氮、有效磷、速效钾、缓效钾等多种指标分析方法研究，同时为中心内部新疆土地质量化学调查等相关研究成果提供技术支持。

2.2.2 有机分析领域

（1）油气能源地质调查领域。油气地质分析技术主要分为有机地化方面和沉积及储盖层方面的分析技术，其中在有机地化方面的分析技术主要有：岩石超临界提取、烃源岩模拟实验、有机岩石学分析测试、有机同位素分析等。具体分析技术包括：烃同位素分析测试技术；气体分析技术（组分、含气量、轻烃）；包裹体分析测试技术；镜质体反射率Ro（%）测试技术；生物地球化学测量法；蚀变碳酸盐法（△C法）；有机质测定（类型、成熟度、丰度）；岩石学分析；元素分析（常量、微量）；等温吸附试验（汪双清，2005）。目前，中国已建立了一整套油气资源和储盖层性能评价的实验分析方法，共制订了石油地质实验分析测试项目的石油天然气行业标准70余个，国家标准近10个，这使得各实验室分析数据得到统一规范，分析质量得到不断提高，推动了全国石油地质实验室分析水平的整体提高。

自1995年，西安地调中心组建能源地质调查业务室以来，陆续为西北地区各石油公司提供技术服务，并承担油田技术服务与油气能源调查项目，取得了一系列的成果与奖项。在此过程中实验测试室围绕项目需求开展了相关检测技术研究并承担了大量样品检测任务。完成了银额盆地及其邻区石炭—二叠系油气资源远景调查项目5万余件样品测试（2007～2016年），包括酸解烃、稠环芳烃、芳烃及其衍生物、顶空间轻烃检测指标等，并建立和优化了相应测试技术方法（赵江华，2013；李忠煜，2014，2018），设计发明了一种数据处理的软件（专利号：ZL 2016 1 0668152.8）。支撑服务了关中地区氦气资源调查项目（2013～2019年），完成4万余件样品测试，优化了氦气测试方法（何峻，2018），研发了一种气密性装置获国家实用新型专利授权（专利号：ZL 2015 2 0324737.9）。

（2）土壤、水地球化学、生态调查领域。西北地区除了资源能源优势之外，也是长江、黄河的源头区域及黄河的主要流域，土壤、水有机污染物检测尤为重要。人类工业化进程加速，各类生产、生活活动带来的大量有机污染物，导致近年来有机污染物分析呈现如下状态：①污染物种类与数量不断增多，目前常见的有机物指标有几百种，而且每年都有新的污染物加入（李德鹏，2014）。②检测精度要求不断提高。③设备自动化逐步加强（杨家欢，2019）。④分析与前处理难度进一步加大，尤其是痕量分析的前处理净化过程。针对不同种类的有机物与检测精度要求，需采用不同的设备以及检测器进行分析测试。

面对全国地下水污染调查、地下水监测、全国土壤污染状况详查等多个重大国家项目，西北地区各地质实验室首当其冲成为了主力军，发挥行业优势，承担大量样品测试任务。2012年以来，西安地调中心实验室陆续参加陕北环评项目土壤中VOCs、SVOCs等多组分GC-MS检测；水中三氯甲烷、四氯化碳、石油类等多组分的GC-MS、U-COL测定，分析样品千余件。2014～2016年，在陕西省资源科技统筹中心支持下，西安地调中心实验室建立了矿区与油气田周边水质分析公共检测平台。2017～2020年，承担国家重点研发项目“国家质量基础的共性技术研究与应用-土地生态恢复评价检验检测及质量控制标准研究”中2个子课题的研究工作，开展复垦土地标准检验方法有机污染物-石油类测定，及复垦土地标准检验方法有机污染物-硝基苯、苯胺、酚类测定方法的研究和探索（李忠煜，2021；赵江华，2021）。目前西安地调中心实验室正在开展健康地质、城市地质相关的有机检测方法研究。

2.2.3 同位素分析领域

作为中国地质调查局西北大区中心，西安地调中心实验室拥有原地矿部（自然资源部）第一台同位素质谱仪MAT 261，技术人员依据该仪器研究开发了Rb-Sr和Sm-Nd同位素定年方法，为陕西、新疆、青海和甘肃等西北地区野外地质队伍的地调科研工作提供了强有力的支撑（侯福良，1995）。

2012年以来，西北地区地质实验室相继配备了扫描电镜、激光剥蚀系统和多接收等离子体质谱仪等高精尖仪器设备。实验技术人员为了满足新时代地质调查工作的需求，依托新仪器承担中国地质调查局科技专项和国家自然科学基金项目，相继开发了一系列测试方法，为解决西北地区地质填图、矿产调查、油气勘探等工作中存在的问题提供了有力支撑。

基性和超基性岩定年是地质年代学领域的一个难题。尽管采用斜锆石可以很好地限定基性、超基性岩的形成年龄，然而斜锆石LA-ICP-MS U-Pb定年方法并不成熟，难点在于对斜锆石元素分馏行为的准确校正，锆石U-Pb定年的校正策略并不适用于斜锆石。李艳广等（2015）采用激光剥蚀系统、等离子体质谱仪和扫描电镜等仪器手段对斜锆石进行研究发现（图2）：①斜锆石与锆石的激光剥蚀行为不同，在相同激光剥蚀条件下，斜锆石的剥蚀坑更深，熔融程度更严重，剥蚀坑底有更多物质残留。在变换能量密度时，锆石的剥蚀坑貌特征变化不大（均平整，坑内残留物质少），而斜锆石的剥蚀坑貌特征与能量密度关系密切（只有在能量密度≥9 J/cm2时，剥蚀坑才变得平整，且坑内残留物质变少）。不同的激光剥蚀行为可能与二者的物理性质差异有关，将会进一步引起二者元素分馏程度的差异。②斜锆石的元素分馏程度远高于锆石，经定量评价元素分馏效应，探索出10 J/cm2的剥蚀能量密度和5Hz的剥蚀频率为适用于斜锆石定年的最佳激光剥蚀条件。③经对比，新的校正方法能够准确校正斜锆石的元素分馏效应，用于锆石的Glitter和ICPMSDataCal校正软件并不适用于斜锆石。④通过应用实例验证，新建立的斜锆石LA-ICP-MS U-Pb定年方法能够得到与SHIMP斜锆石U-Pb定年方法一致的测试结果，新的校正方法较Glitter和ICPMSDataCal而言，准确度更高，精度略差。该方法经地质实例验证能够准确获取斜锆石的U-Pb年龄。由于目前缺乏基体匹配且元素含量均匀的标准样品，斜锆石元素含量的精确测定仍无法实现（李艳广等，2015；Li et al.，2021）。

图2 阿尔金红柳沟辉绿岩锆石、斜锆石U-Pb年龄测试结果Tera-Wasserburg投图Fig.2 Tera-Wasserburg plot of zircon and baddleyite U-Pb ages of Hongliugou diabase in Altun Tagh

原位微区微量元素分析方法依赖基体匹配的自然样品做外标来校正测试过程中不可避免的元素分馏效应和质量歧视效应。然而，适合做标样的自然样品往往极度匮乏，针对这一难题，汪双双等（2018）通过合适浓度梯度标准溶液的引入，在没有基体匹配固体外标的条件下，有效校正了LA-Q-ICP-MS原位分析过程中的元素分馏与质量歧视效应，以及仪器漂移等，精确测定了固体样品中微量元素含量。该技术发明可使LA-Q-ICP-MS仪器应用到更广泛的地质、环境样品中。

对于晶体粒径小、成因复杂或稀有珍贵的矿物样品，由于不满足多次剥蚀分开测试的条件，从而单次剥蚀完成U-Pb定年、Hf同位素及微量元素的同时测定具有重要意义。李艳广等（2021）技术人员采用Coherent Geolas Pro型激光剥蚀系统、Agilent 7700 x型四级杆等离子体质谱仪以及Neptune plus型多接收等离子体质谱仪联用建立了矿物U-Pb、Hf同位素及微量元素同时测定的分析方法。依据该方法的测试数据，研究人员可同时获得矿物的年龄、温度（Ti温度计）和用于同位素示踪的信息。该实验室采用Iolite软件和实验室自编的Hfllow软件（国家发明专利：201810087759.6）处理测试数据，采用178Hf/177Hf（1.466 88～1.467 46）和180Hf/177Hf（1.886 28～1.887 04）2对稳定同位素评价仪器和实验条件，采用176Yb/177Hf与176Hf/177Hf的相关性来评价同质异位素干扰校正效果，对于高Yb样品，该实验室采用人工添加了Yb元素的人造锆石MUN（176Yb/177Hf = 0.22）监控实验过程（Gao et al.，2021）。

独居石是进行稀土矿床年代学研究的理想矿物，然而成因复杂的小颗粒独居石的精确定年通常比较困难，汪双双等（2016）开发了一种利用激光剥蚀-四级杆电感耦合等离子体质谱仪在10 μm小束斑条件下测定独居石U-Th-Pb年龄的方法（图3、图4）。

榍石是研究中低温变质岩及热液成因岩石的地质年代的理想矿物（孙金凤等，2009，2012），精准分析榍石的U-Pb年龄除了要考虑基体效应测试结果的影响，还要研究榍石的元素分馏行为，制定合理的校正策略。靳梦琪等（2020）在前人研究的基础上，从榍石的元素分馏行为研究出发，发现榍石矿物的元素分馏行为无规律的现象，并在对比现行几种校正方法后，认为“截距法”校正原理更适用于榍石，并据此提出了一套新的榍石U-Pb定年分析方法。该方法经地质实例验证，能够准确获取榍石的U-Pb年龄（图5）。

2.2.4 微束分析领域

在西北地区地质行业实验室中，微束分析是西安地调中心一大特色，主要以X-衍射仪、扫描电镜、激光拉曼光谱仪以及电子探针等大型仪器为平台，通过多年的探索研究，在岩石矿物成分分析、矿物鉴定、矿物物相分析、微区分析、结构分析以及宝玉石鉴定等方面积累了丰富的经验、建立了一系列分析方法。

图3 小束斑独居石U-Th-Pb定年测试方法实验图Fig.3 Small volume U-Th-Pb dating test method of monazite

图4 小束斑44069独居石标样U-Th-Pb定年测试结果（10 μm、16 μm）Fig.4 10 μm and 16 μm U-Th-Pb dating result of 44069 monazite

（1）常温与低温条件下流体包裹体拉曼光谱分析技术。流体包裹体的盐度是了解古流体的物理化学性质、矿床与油气的形成和演化条件的重要参数之一。在天然流体包裹体盐水溶液相中，NaCl是最常见的盐类，此外，K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-、HS-、HSO4-等也是常见的离子（团）（Roedder，1990；Burke，2001）。传统的冷热台显微测温法获得的流体包裹体的盐度是假设流体盐水溶液相为NaCl-H2O体系，依赖一定的相图计算而得的，与地质流体的实际盐度存在较大偏差。叶美芳等（2009）应用激光拉曼光谱仪对钠盐水溶液中常见的SO42-、HSO4-、CO32-、HCO3-、NO3-、Cl-等阴离子团的拉曼光谱特征进行研究，建立了光谱参数与浓度的定量关系，为进一步的流体包裹体理论和方法研究奠定了基础。

氯化物是自然界流体包裹体盐水溶液相中最普遍和最重要的溶质，强离子键化合物的特性使其在常温下没有明显的拉曼效应，无法利用拉曼光谱全面研究流体包裹体气液相组分或测定盐度。王志海等（2014）联合利用激光拉曼光谱和冷热台，原位采集了不同盐度的NaCl-H2O和CaCl2-H2O标准盐水溶液在低温下（-185℃）形成的冰、NaCl水合物和CaCl2水合物的拉曼光谱（图6），分析了不同盐度标准盐水溶液形成的水合物拉曼特征峰的变化规律，尝试建立流体包裹体盐度低温拉曼光谱测定方法。并利用愈合人工水晶法合成的包裹体标样检验了用上述方法低温测定流体包裹体盐度的可靠性，结果表明该技术用于盐度大于0.5 mol/L的NaCl-H2O体系流体包裹体时，数据精度大于20%；用于盐度大于0.5 mol/L的CaCl2-H2O体系流体包裹体时，数据精度最高可达5%，完全可达到半定量-定量测定的要求。该方法在天然流体包裹体研究中也得到了很好地应用。本技术可在确定主流体体系的同时实现盐度半定量-定量测定，准确度优于传统方法。

图5 老牛山榍石、锆石U-Pb年龄测试结果投图Fig.5 Plot of U-Pb age of Laoniushan titanite and zircon

图6 合成包裹体常温下气相（1）、液相（2）和-185℃（3）的拉曼光谱图Fig.6 Raman spectra of gas phase （1）, liquid phase （2） and - 185℃ （3） of synthetic inclusions at room temperature

基于上述研究，西安地调中心拉曼光谱实验室采用VISUAL BASIC编写了一套“流体包裹体计算”软件，可应用于5个常见流体包裹体体系的热力学参数计算，包括：纯H2O、纯CO2、H2O-CO2、NaCl-H2O及CO2-NaCl-H2O体系。本程序界面友好，使用方便，而且引入了比较新的算法（如用经验公式代替插值法，CO2-NaCl-H2O体系引入了比较新的用盐度来校正盐水溶液中CO2溶解度的算法等）。该软件自编制成功以来就在地质同行中免费推广使用，深受认可，为流体包裹体热力学参数的计算提供了便利，也为流体包裹体研究从定性走向定量奠定了基础。

（2）含铀-富铀锆钛石变种的发现及特征研究。在中国南阿尔金地区高压基性麻粒岩中，研究人员发现了一种主要化学组成为TiO2、ZrO2、UO2的微米级疑似新矿物，确定了其矿物种属及成因机制（刘亚非等，2014；周宁超等，2019；魏小燕等，2019）。主要取得以下认识：①该矿物微细分散，粒度介于1～30 μm，多数仅约10 μm，始终与金红石-钛铁矿组合或独立钛铁矿伴生（图7）。根据化学成分和晶体结构特征确定了其为已知矿物Srilankite（ZrTi2O6）的含铀-富铀变种，其晶体化学式可简写为（Zr, U）Ti2O6，其中U与Zr为类质同象替代关系，矿物中UO2含量最高可达20.83%。②研究认为该矿物为寄主岩石高压基性麻粒岩退变质过程中形成，在该过程中金红石发生分解向钛铁矿逐渐转变，并伴随有Zr、W、Nb等多种微量元素的释放、扩散、迁移与富集。据此提出了该矿物新的成因模式：即金红石在分解退变为钛铁矿的过程中，其释放出的Zr元素部分会随着新生钛铁矿的结晶进入钛铁矿晶格，部分会反扩散进入残余金红石中，导致金红石与钛铁矿接触部位Zr元素含量明显升高，另一部分Zr元素会与Ti、U元素结合形成Zr的独立矿物含铀-富铀锆钛石，而U元素可能来源于变质流体。含铀-富铀锆钛石的成因模式对矿物尺度高场强元素迁移富集机理具有重要的指示意义。

（3）制定《阿拉善玉地方标准》。王轶等（2015）首次系统地研究了内蒙古阿拉善地区石英质玉石的分布与产状，研究了其矿物学、宝石学和地球化学特征，阐述了其成因机制，并科学命名和定义了新的玉石品种——阿拉善玉。根据研究成果制定了《阿拉善玉地方标准》（DB 15/T715—2014），于2015年3月15日起在内蒙古自治区正式实施。该成果填补了珠宝玉石行业长久以来阿拉善玉产品标准的空白，为阿拉善玉交易的公平与公正提供了依据，在促进科学技术成果转化、培育发展新经济等方面具有引领作用。

Sri. 含/富铀锆钛石；Rt. 金红石；Ilm. 钛铁矿；Sch. 白钨矿；Bdy. 斜锆石；Ttn. 榍石图7 含铀-富铀锆钛石及其伴生矿物背散射电子图像Fig.7 Backscattered electron images of uranium bearing-uranium rich srilankite and its associated minerals

3 新发展阶段地质实验测试的发展需求与展望

西北地区地质实验工作经过几十年的发展，先进仪器设备从无到有，技术人员从最初的几个人发展壮大到上万人，技术方法从以手工方法为主到以大型仪器分析手段为主导，基本建立了从主量、微量到同位素分析，从无机到有机分析，从固体、液体到油气样品分析，全方位覆盖基础地质调查、固体矿产资源调查、油气能源地质调查、水文地质与地下水污染调查和土壤生态地球化学调查等工作的实验测试技术方法体系。在实验测试技术的支撑下，经过一个甲子的风雨历程，西北地质调查工作在找矿会战、西部大开发、国家能源安全建设、国土资源大调查和生态文明建设等国家战略实施过程中发挥了重要作用。然而，在取得巨大成就的同时，我们应该清醒地认识到，先进的实验测试技术主要依赖先进的仪器设备，尽管国家对大型仪器研发的投入持续增加，但大型精密仪器依赖进口的局面仍未得到根本性的改变，使得中国地质实验测试技术水平被国外实验室牵着鼻子走的局面亦仍未改变。

当前时期，中国社会主义建设已经进入新发展阶段，新发展阶段需要解决新需求、完成新使命，“黄河流域中上游生态保护与高质量发展”、“秦岭生态保护与高质量发展”、“美丽中国中脊带建设”等国家发展战略相继布局西北地区，系统的生态环境调查工作将助力西北地质实验测试工作更上一个新台阶；建设中国特色社会主义强国仍需要大力发展经济，关键性、战略性矿产资源是工业基础的命脉，贯穿秦岭-祁连-昆仑山脉、向西绵延至中亚、西亚的特提斯构造域可谓横亘在欧亚大陆上的金腰带，国家部署的“一带一路”和“南疆经济社会发展”战略均对西北地区的找矿工作做出了明确指示，深部找矿工作以及关键性、战略性矿产的精细成因研究对地质实验测试工作提出了更高的要求。此外，21世纪的地质调查工作将主要以地球系统科学为指导，系统开展山、水、林、田、湖、草、沙等多门类的自然资源综合调查，地质实验测试工作作为重要组成部分，将不断面临新使命、新机遇和新挑战。

3.1 矿产资源调查对实验测试的新需求

为保障国家经济安全和国防安全，满足战略新兴产业发展需求，国务院于2016年批复通过了《全国矿产资源规划（2016～2020年）》，首次将石油、天然气、稀土、锂、钾盐、晶质石墨等24种矿产列入战略性矿产目录。包括能源矿产：石油、天然气、页岩气、煤炭、煤层气、铀；金属矿产：铁、铬、铜、铝、金、镍、钨、锡、钼、锑、钴、锂、稀土、锆；非金属矿产磷、钾盐、晶质石墨、萤石。郭娟等（2021）通过对矿产的重要性、供应风险和稀缺性依次分析评价，提出了包括铍、氦、重晶石等在内的35种中国关键矿产建议清单。涵盖了上述24种矿产，外加锗、镓、铟、铋、钛、铼、铂族、砷、重晶石、铍、氦，发展并完善关键矿产资源的勘探、评估、开采、测试、选冶和加工等技术，是维护国家安全和利益的紧迫需要，也为地质分析测试提出了重要课题。

战略性关键矿产中“三稀”（稀土、稀有、稀散）元素除稀土外，其余元素地球丰度非常低，绝大部分以杂质状态分散伴生在有色金属、煤、铁矿中。这些元素的传统分析方法如比色法、原子吸收法等，分离富集手续繁琐，方法检出限较高，不能满足新时期稀有分散元素检测含量逐渐由常量向痕量和超痕量转变的要求，因而探索具有更高灵敏度、选择性、更高稳定性和更好的重现性的分析方法依然是今后需要继续努力的一个方向。

ICP-MS是公认的最强有力的元素分析技术，具有检测速度快、背景低、灵敏度高、多元素同时检测等特点，在测定痕量、超痕量元素方面具有较强的优势。屈文俊等（2019）针对不同矿种，采用不同消解方式，用ICP-MS进行多元素同时测定。X荧光光谱粉末压片、熔片法快速测定及便携式X荧光光谱仪野外应用也将是未来需求趋势。

同位素定年和示踪技术已渗透到地球科学的各个方面，成为确定地质事件时代和成岩成矿年龄、示踪成岩成矿物质来源和形成环境条件的重要手段，推动地球科学发展的重要动力，微区同位素分析也将成为未来找矿突破的重要支撑手段。

氦气作为稀缺战略资源，可广泛用于各行各业。中国有少量氦气资源，总体相当贫乏，仅占世界2%左右，目前中国95%左右的氦气依赖于进口。张文等（2018）研究了渭河盆地氦气成藏条件分析及资源量预测，氦气的检测通常采用气相色谱法，由于气体样品采样、保存条件苛刻，因此氦气的现场定量测试也是未来的发展方向。

3.2 生态环境调查对实验测试的新需求

为服务国家发展战略，地质工作也由传统的基础地质、找矿转向生态地质、健康地质。生态地质、健康地质要加强关键带多圈层交互作用和特色生态产品的生态地质条件剖析，需要开展常量元素、微量元素在岩石、土壤、水系、大气和植物中的迁移规律研究，实验测试技术是其中的关键环节。在生态地质、健康地质领域未来将更加注重对元素及化合物的形态（刘崴等，2021；程俊伟等，2021）、价态（陈海杰等，2021）、有效态（贾双林等，2021）、空间分布规律和迁移规律等进行分析测试，给土壤质量的改良以及特色农产品的认定等方面提供详实的测试数据支撑。

黄河流域最大的问题是生态脆弱，环境污染不容忽视。因此，黄河流域高质量发展的重点是保护优先。利用现代分析仪器在线实时监测水质指标，利用同位素分析技术追踪污染物来源，无机分析、有机分析协同作业也是未来分析测试的重点发展方向。同位素分析技术是确定地质事件时代和成岩成矿年龄，示踪成岩成矿物质和污染物来源的重要手段，成为推动地球和环境科学发展的重要动力。当前，同位素技术应用的广度和深度得到很大拓展，被普遍应用于地球科学、农业、生态、水利、医学和环境等领域。其中，微区/微量样品Re-Os同位素（武鲁亚等，2021）、Rb-Sr同位素（朱金等，2021）、Li-Mg-Fe-Cu-Mo-Se等非传统稳定同位素已成为国际同位素地球化学研究的前沿和发展趋势，同时稳定同位素技术逐渐应用于示踪污染物迁移转化过程和污染物源解析研究（杨兵，2021；魏守才等，2021），为生态文明建设提供技术支撑。

聚焦需求，谋长远发展。实验测试工作的本质是支撑服务于地质工作，地质工作的转型升级也驱动实验测试工作转变，从传统的服务模式转向与国计民生紧密结合，新时代的地质工作必然为实验测试工作提供更广阔的发展空间。

致谢：本文撰写过程中得到了西北地区各地矿行业实验室的大力支持，以及西安地质调查中心唐金荣书记、王洪亮副主任、计文化副主任的悉心指导，徐友宁研究员为本文提供了大量建设性的修改意见，在此一并表示衷心的感谢。谨以此文庆祝中国地质调查局西安地质调查中心成立60周年。