便携式X荧光仪在铅锌矿评价野外工作中的应用

夏　天，牛　辉，刘毅业，2

（1.新疆地质调查院，新疆乌鲁木齐830000；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830000）

便携式X荧光仪在铅锌矿评价野外工作中的应用

夏天*1，2，牛辉1，刘毅业1，2

（1.新疆地质调查院，新疆乌鲁木齐830000；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830000）

近年来，随着X射线荧光光谱分析技术的发展使便携式X荧光仪出现并进入了野外应用阶段。其便携的特点使得在野外现场便可得到样品半定量的测试结果，使得矿产评价的周期得到极大的缩短。通过在东天山地区对“尼通XL2手持式元素分析仪”性能的测试研究得出取-4～+20目的岩屑样品进行30s时间的测试是野外较高效率的快速分析方法，以及介绍了快速分析剖面在铅锌矿床初步评价中的应用方法与成果。

便携式X荧光仪；现场分析；野外应用；矿床评价

X射线荧光光谱分析是实验室、现场分析主、次量和痕量元素的首选方法之一，在矿产评价工作中多应用于实验室地球化学勘查样品分析。目前矿产评价野外工作面临的问题是工作周期长、进一步工作部署滞后，其主要原因是由于样品采集后送样与实验室分析并取得结果的过程周期较长。随着微电子学、计算机科学、核科学和材料学的迅猛发展，用于现场分析和原位分析的可携式和手持式谱仪应运而生。更小巧、更低功率的便携式X荧光分析仪在野外工作中的应用，使得样品分析在现场立刻可以获取分析结果。虽然精度达不到规范要求的标准，但至少可以达到半定量分析，从而极大地加快工作部署的进程，减少不必要的工程投入。

由于便携式X荧光仪分析过程是在现场测量环境条件下进行的，其测量对象是原生产状条件下的样品，现场X射线荧光分析方法的分析准确度、检出限和元素报出率，一般均逊于室内大型分析仪器和化学分析方法。所以我们需要研究的是在野外除开技术限制以外最快地得到稳定的分析结果，以及分析什么形态的样品可以在矿床评价中产生较好的效果。

1　仪器概况

本次选择“尼通XL2手持式元素分析仪”作为研究对象，其激发源为高性能微型X射线管，Au靶，最大功率50kV/40μA；X射线探测器为高性能的Si-PIN探测器，热电制冷。

2　影响分析结果的因素讨论

在该仪器的使用过程中，对比其分析不同样品、不同分析用时、不同样品介质的分析结果，研究其在野外最快速、最有效的使用方法。

2.1误差分析

无论使用何种方法的测量都会差生测量误差，使用该X荧光仪进行的分析同样有误差，其误差分为系统误差与随机误差。

使用该仪器进行的分析，其产生的系统误差主要为校准过程和操作缺陷产生的误差，以及探测器获取的曲线由于处理系统波谱分辨率不足产生的误差。前者会在工厂校准时消除或控制在无影响的程度，而后者属于技术限制，在今后仪器的开发中会逐渐减少这个误差。

所以除去技术限制，我们在野外只需要控制其随机误差的大小，来获得相对准确的分析结果。

仪器所有测试结果都是存在随机误差的结果，显示结果时都会显示2倍标准偏差（2σ）作为其本次测试结果的随机误差值，根据正态分布函数，表示其数据在2σ之内置信度为95%。举例来说，当一个元素含量的测量结果为500ppm，2σ=50ppm，我们可以理解为有95%的概率，这种元素含量在450～550ppm范围内。

检出限代表了仪器的测量性能，该仪器按照美国EPA的要求检出限为3倍标准偏差（3σ）。检测结果中若显示小于检出限（＜LOD）则其检测结果小于3倍标准偏差（＜3σ）。而检测结果大于2倍标准偏差（2σ），则结果显示浮动范围x±2σ。

2.2检测时间对误差的影响研究

在仪器检测过程中，其显示的数据是动态的，每一秒都在发生变化，为了研究这个变化规律我们对Cd含量为100mg/kg的标准样品使用该仪器进行检测，记录其每一秒的显示结果（表1）。

表1　时间参数与仪器检测结果关系

从表1中可以看出，测试结果可以通过延长测量误差来降低随机误差。通过计算得出每延长4倍测量时间，误差就会降低约一半。所以时间参数是直接影响分析结果及误差的参数。

2.3检测时间对实际样分析结果影响研究

使用X荧光仪对NIST 2780标准样品分别进行30s、45s、60s、90s、120s五种不同时长的分析测试，生成了5组数据（表2）。

表2　分析NIST 2780标准样品不同检测时间的检测结果对比（部分元素）

通过对比该表格内的各组数据来研究如何在最短的时间内得到相对高质量的测试结果。

从该表格中测试时间为30s的这组数据中可以看出，仪器会使用2种不同能量的射线分别测试部分元素，30s的测试会在未变换射线之前终止测试，导致部分元素无测试结果。所以不建议在野外未知目标元素的情况下，使用少于30s测试时间的测试结果作为参考依据。

对比测试时间为45s与60s的这2组数据，发现在30s测试时间内测不出来的这部分元素（Cr、V、Ti、Sc、Ca、K、S等）的标准偏差大幅降低（约40%～50%），而其他元素（Ba、Sb、Sn、Cd、Ag、Pd、Zr、Sr、Rb、Pb、Au、Se、As、Hg、 Zn、W、Cu、Ni、Co、Fe、Mn等）的标准偏差几乎未发生变化。同理对比这5组数据，会发现每过30s测试时间，其中一部分元素的的标准偏差都会大幅度降低（约30%～40%），且随着测试时间的增加这个幅度在变小。

2.4样品粒级对测试结果的影响讨论

试验区位于新疆哈密清白山铅锌矿区内，试验方法为在地表矿化带及其周围均匀取30个点，在每个点采集残积层样品，样品过筛，分别取粒级为-4～+20目与-20目的样品直接使用X荧光仪进行30s的测试，分别记录其结果（表3）。

表3　2种不同粒级的样品测试结果对比（部分样品）

从表3中可以看出，绝大部分粒级为-4～+20目样品明显比-20目样品的测试结果高，证明了在-20目粒级内有明显的元素贫化现象，所以在东天山野外工作中应使用-4～+20目粒级进行快速分析。

3　矿床评价应用

3.1矿床概况

清白山铅锌矿位于新疆东天山地区，距哈密市约185km。大地构造处于塔里木板块，北山古生代裂谷带西段。目前处于预查阶段，平均品位Pb0.4%、Zn1%，矿体近东西向似层状展布，断续延伸约5km。赋矿地层为中元古界长城系古硐井岩群。原岩为一套滨浅海碎屑—碳酸盐岩建造。其变质程度较深，达低角闪岩相。

3.2工作方法

垂直矿化带构造线方向布置3条快速分析剖面，使用GPS定点，点距40m，每个点在10m范围内挖3个坑取残积层土壤过筛，粒级取-4～+20目，直接用X荧光仪测试窗口对准样品开始测试，由于已知成矿元素为Pb与Zn，属于第一种射线测试元素种类范围，所以取30s测试时间。记录点位及成果数据，制作剖面成果曲线图。使用成果曲线确定矿化体范围，实地验证确定赋矿地层、岩性，指导探槽布设。

3.3成果研究

图1中深灰色区块为根据探槽样品成果圈定的矿体（Pb＞0.2%、Zn＞0.5%），PM1-3为本次布置的3条快速分析剖面，成果曲线对应各剖面的测试成果。其中PM1的Pb最高值为607ppm，Zn最高值为2929ppm； PM2的Pb最高值为400ppm，Zn最高值为1265ppm；PM3的Pb最高值为3439ppm，Zn最高值为5507ppm。对应的矿体品位为Pb0.2%～1.2%，Zn0.5%～3%。

从图1中可以看出，各剖面经过矿体的这一段都对应了成果曲线中的高值区域。经过野外验证，其他高值点也对应了较弱的矿化地段。

4　讨论

通过研究时间参数对测试结果误差的关系研究，可以得出以下几个结论：

（1）随着测试时间的增加，其测试成果数值的标准离差呈指数下降，其结果为获取的值更加精确。

（2）在野外测试已知元素为Ba、Sb、Sn等第一种射线测试的元素的含量时，测试30s时间可以在最短时间内获取相对高质量的测试结果；而测试Cr、V、Ti等第二种射线测试的元素则需要60s来获取相对高质量的测试结果。

（3）以上测试时间只适用于圈定有一定品位的矿体，若需圈定含量较低的矿化体或异常范围则需要增加一分钟的测试时间来降低仪器检出限。

（4）工作部署前应针对本区域特点选择测试粒级。本区粒级试验发现了-4～+20目的样品测试成果含量普遍比-20目的样品高，其原因是试验地点为东天山地区，区内风成沙与盐积层较为发育，-20目的样品中这些物质含量比较高，导致元素含量被贫化。

在其他地区测试样品时，可以选择对应当地地球化学景观规范所要求的粒级测试样品，以获取良好的测试成果。

图1　清白山铅锌矿东段矿体快速分析剖面成果图

（5）对比快速分析剖面的成果与探槽样品实验室分析结果，虽然无法确定矿体的品位，但是基本圈定了矿化体范围。快速分析剖面这种工作方法在本区的矿产评价工作中对圈定矿化地段，设计施工槽探起了指导性的作用，而且该成果可以当天获取，减少了送样分析所花费的大量时间与人力物力。

（6）如果矿化带较窄，可能需要减少样品间距来控制更稀疏的矿化带。

5　结论

通过本次研究与应用，寻找出了一种便携式X荧光仪在野外的应用方法，也对最新一代的便携式X荧光仪性能做了了解。这种方法虽然不能取代实验室，但是可以在一定程度上增加野外矿产初步评价工作的客观性，减少了不必要的工程施工，节省了大量时间。所以，有必要在一定范围内进行推广应用。

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2016-03-28

夏天（1989-），男（汉族），新疆乌鲁木齐人，助理工程师，现从事地质矿产勘查工作，硕士研究生在读，研究方向：地质工程。