便携式X射线荧光光谱仪应用条件试验及效果
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利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
第34卷第4期 2010年8月
物 探 与 化 探
GEOPHYSICAL&GEOCHEMICALEXPLORATION
Vo.l34,No.4 Aug.,2010
便携式X射线荧光光谱仪应用条件试验及效果
钱建平,吴高海,陈宏毅
(桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541004)
摘要:利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。即:确定测点密度应综合考虑异常体规模和实际工作量因素;基岩X荧光光谱测量较之土壤测量更能客观地反映地质体的异常特征;湿度因素不会影响异常的存在,但会降低异常的强度;岩石粉末样X荧光光谱测量较之岩石样测量值更具有代表性。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
关键词:便携式X射线荧光光谱仪;应用条件试验;岩石粉末样测量;银多金属矿
中图分类号:P632 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2010)04-0497-06
X射线荧光光谱法具有不破坏样品,准确度高,
分析速度快,能测定固体、粉末和液体样品,能适用于常量和微量元素测定等主要优点,因此引起人们广泛的重视
[1-5]
以来,便携式XRF的发展方向发生了重大的变化,
大幅提高分辨率成为发展这类仪器的主要目标,出现了Si PIN半导体探测器便携式XRF分析仪和小型的波长色散X射线光谱仪
[6]
。X射线荧光(XRF)分析又称X。新一代手提式X
射线次级发射光谱分析,是利用原级X射线光子或
其他微观粒子激发待测物质中的原子,使之产生次级的特征X射线(X光荧光)而进行物质成分分析和化学态研究的方法。不同元素具有波长不同的特征X射线谱,而各谱线的荧光强度又与元素的浓度呈一定关系,测定待测元素特征X射线谱线的波长和强度就可以进行定性和定量分析。
用于日常分析的XRF仪器主要有波长色散谱仪、能量色散谱仪和非色散便携式谱仪。波长色散X射线荧光光谱采用晶体或人工拟晶体根据Bragg定律将不同能量的谱线分开,然后进行测量;能量色散X射线荧光光谱采用脉冲高度分析器将不同能量的脉冲分开并测量;非色散谱仪不是采用将不同能量的谱线分辨开来,而是通过选择激发、选择滤波和选择探测等方法测量分析目标能量谱线而排除其他能量谱线的干扰。前两者主要用于条件较好的实验室,而后者主要用于便携式的野外现场分析仪器。20世纪七八十年代,非色散便携式谱仪为地质矿产普查、找矿、钻探及采矿现场分析做过重要贡献。但随着现场分析技术需求的提高,非色散仪器由于其致命弱点(分辨率低)而难以为继。20世纪90年代
收稿日期:2009-09-14
射线荧光仪采用Si PIN半导体探测器,能够分辨中
等原子序数以上相邻元素的K系特征X射线的特征峰,可以准确获取目标元素及其干扰元素特征峰的峰面积,这为干扰元素基体效应的有效校正提供了保证。
本次实验研究采用的仪器是由成都理工大学20世纪90年代末期研制出的Si PIN半导体探测器便携式XRF分析仪,即IED 2000P型手提式多元素
[6]
X射线荧光光谱仪。IED 2000P型X射线荧光光谱仪是同位素源激发X射线荧光仪,工作时,同位素 激发源(Pu,45.00keV,241Am,59.56keV)发出的 射线辐照待测样品,样品受激发发出特征X射线(即X荧光);待测元素特征X射线的能量与元素原子序数Z的平方成正比,待测元素含量与其对应的特征X射线的照射量率相关;通过多道分析,同时对不同能量特征X射线的照射量率的测量,可确定被测样品中多种元素的含量。
新一代高灵敏度手提式X荧光仪由探头和操作台2部分组成。探头由新式电致冷硅PIN型半导体探测器、前置放大器、电致冷器、控温器、同位素源等组成,其中前4部分为美国AMPTEK公司生产的
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基金项目:中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室开放基金(200913);有色及贵金属隐伏矿床勘查教育部工程研究中(
利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
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探测器模块(XR 100CR);操作台由线性脉冲放大器、脉冲峰值保持器、多道分析器(MCA)、滑尺、多道缓存器(MCB)、高压电源、直流恒流电源、直流恒压电源、电源控制器、PC/104型微功耗计算机及其外设等组成。其主要技术指标如表1。
表1 IED 2000P型新一代X荧光仪技术指标
可分析元素范围重量/体积功耗检出限10-6
实验室分析原位测量探头重量操作台重量/体积
11~100101~1000>1000
铝(Al) 铀(U)钾(K) 铀(U)<0.6kg
<3kg/(30 28 14)cm3Co、Ni、B
r!Mo、Ag!UK、Ca、Sc、Cr、Mn、Fe、Tc、Ru、Rh、Pd
A、lS、iP、S、Cl、Ar
质找矿中发挥更大的作用。
1 工作区地质简介
1.1 矿区地质特征
荆州银多金属矿位于安徽省绩溪县城北东约70km处
[7]
。矿区地层出露震旦系和寒武系,主要
为一套碎屑岩、碳酸盐岩、硅质岩沉积组合。震旦系下部为一套碎屑岩,上部为一套碳酸盐岩和硅质岩夹碳质板岩和钙质板岩;寒武系为一套碳质板岩、硅质板岩和泥晶灰岩。矿区构造上位于轴向近EW的绩溪复背斜之胡家向斜南翼。向斜枢纽向E倾伏。核部出露上寒武统,两翼由中、下寒武统及震旦系组成。矿区内断裂发育,可分为NE!NEE组和NW组。前者为一组逆断层,规模大,切割深,活动时间长,是矿区导矿和容矿构造;后者为一组正断层,形成晚,与成矿关系不密切。矿区处于区域伏岭岩体和后山庵岩体的外接触带部位,但区内地表仅发育一岩枝状闪长玢岩体(图1)。
平均功耗<4.8W,电池可连续工作10h以上
随着X射线荧光光谱测量仪器的不断更新和灵敏度的提高,仪器的应用和测量技术的研究亦显得非常必要。笔者试图通过IED 2000P型便携式X射线荧光光谱仪找矿条件的系统试验,确定X射线荧光光谱测量的最佳工作条件,以便使其在野外地
图1 荆州银多金属矿矿区地质概况
1.2 矿床地质特征
银多金属矿(化)体主要分布在矿区NE!NEE向F1与F2断裂交汇处。区内已发现2个矿体,矿(化)体呈似层状,均产于震旦系蓝田组灰岩中,产状与围岩一致。矿化类型可分为2种:一种是沿蓝田组条带状灰岩交代形成的似层状矽卡岩矿化和条带状矿石,一种是叠加于早期层状矿体之上沿断层面、裂隙面形成的团块状矿化和团块状矿石。矿体两侧依次为透辉石石榴石矽卡岩、符山石石榴石矽卡岩、硅灰石石榴石矽卡岩,局部为透灰石角岩;较远侧为大理岩。 号矿体地表可见长度约50m,厚0.75~3.2m,w(Ag)=(91.5~250) 10,w(Pb)=0.(0.
-6
276%。#号矿体被断层F2切割,由工程TC10、PD1、ZK01控制,沿倾向控制深度约80m,走向未控制。
矿石矿物主要有磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、银黝铜矿、白钨矿,脉石矿物主要为方解石、石英、石榴石、透辉石等。矿石结构有它形、半自形、自形粒状结构、交代充填结构;矿石构造有团块状构造、条带状构造等。矿石类型有矽卡岩型和致密块状硫化物型,二者在空间上常同时产出。
2 便携式X射线荧光光谱仪找矿条件试验
2.1 测点密度的选择
,
利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
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的探测器采用中心源几何结构,被探测窗所覆盖的
2
探测面积有限,仅为18.1cm,因此测点密度的选择对异常体的测量效果有较大影响,测点过密虽测量效果好,但工作量过大,测点过疏易漏失异常体。本次野外工作中,分别施以0.5m和1m的测量间距进行对比试验,并作出相应的X荧光剖面测量曲线,
以了解不同测点密度对测量效果的影响。
水分(土壤溶液)、空气(土壤孔隙中的空气)等组
成。因此土壤X荧光光谱测量实质上是次生晕的反映。对土壤测量时尽量选择基岩上方无植物根系的B层土壤。
图3为矿区TC10剖面上土壤与基岩X荧光光谱测量结果。由图3可见,土壤与基岩的X荧光光谱曲线特征基本相似,主要峰值相互对应,尤以Pb的测量结果为佳,但是土壤的含量曲线高度明显低于岩石的含量曲线高度,其含量相差近一倍,表明土壤的形成对原生晕异常具有明显的贫化作用。并且基岩的X荧光光谱曲线具有一些小的峰形变化,更能反映一些弱异常部位,而土壤X荧光光谱曲线较平缓,因此在有基岩存在的条件下,选择基岩进行X荧光光谱测量效果明显较土壤为好。
1!震旦系兰田组;2!含炭硅质板岩;3!矿化蚀变岩;4!铅锌矿体;5!断层;6!地层(矿体)产状
图2 不同测点密度的X荧光光谱测量曲线对比
图2为该矿区坑道壁刻槽线上不同测量间距的X荧光剖面测量结果。由图可见,1m间距与0.5m间距的X荧光光谱测量曲线特征基本相似,主要峰值对应较好,仅1m间距的Zn荧光光谱测量剖面曲线右侧峰值较低。比较而言,0.5m间距X荧光光谱测量剖面曲线细节变化更为丰富。因此,在野外实际应用中,应针对异常体规模大小和岩性的变化正确地选择测点的密度。根据以往工作经验,在一定的测点密度前提下,适当采用灵活的测点密度,一般遵循在异常体上方密,在正常岩性上方疏的布置原则。2.2 土壤与基岩X射线荧光光谱测量效果的对比矿区基岩一般是原岩经过不同程度的矿化蚀变作用而形成的岩石。因此基岩X荧光光谱测量实质上是岩石原生晕的反映。土壤是由岩石风化而成
1!震旦系兰田组;2!震旦系休宁组;3!硅质岩;4!断层角砾岩;5!断层;6!地层产状
图3 土壤(a)与基岩(b)X荧光光谱测量结果对比
2.3 土壤岩石湿度对测量效果的影响
湿度效应是指被测土壤岩石对象中含水量的变化引起X荧光测量结果的变化,其影响机理是水
(相对于空气)对元素特征X射线的吸收和水(相对于空气)对激发源初级射线散射的增强。当测量对象是室内预先制备的粉末样品时,其湿度效应很小可忽略不计,但对现场X荧光光谱测量,其测量对象是天然岩石或土壤,当湿度变化较大时,则不可忽视。一般在早晨和中午,由于日照和温度的影响,岩石土壤湿度不同;雨前和雨后,由于大气降水和岩石土壤对水分不同程度的吸收,湿度变化更大。
图4是矿区TC10剖面上雨前和雨后土壤X荧
利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
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物 探 与 化 探34卷
图4 雨前(a)、雨后(b)土壤X荧光光谱测量结果图5 岩石(a)与岩石粉末(b)样品X荧光光谱测量结果
光光谱测量结果。由图可看出,由于雨后土壤中含水量大,土壤中水对Pb特征X射线显著的吸收效应,使得整条剖面上雨后现场测定Pb含量比雨前降低许多。
2.4 岩石的露头测量与粉末样测量结果
在进行现场岩石X射线荧光光谱测量时,测量面的平整度和新鲜度亦会影响测量效果。测量面的平整度影响表现在:当探头有效测域内的岩面凹凸不平时,将使探头内激发源到测量面上各点的距离(即原样距)不同,同时也造成测量面上各点产生的特征X射线或者散射线到达探测器的距离各不相同,从而影响X荧光的测量效果。测量面的新鲜度影响表现在:当岩石、矿石表面存在粉尘或其他污染物时,不但可屏蔽初级射线进入到岩、矿石表面,也屏蔽了来自矿石发出的目标元素特征X射线,从而使原位X辐射取样产生很大的误差。当围岩粉尘覆盖在矿石表面时,主要是吸收初级和次级射线,使取样结果偏低;而矿层粉尘吸附在矿段或者围岩表面时,则造成取样结果偏高的假象。由于地表的氧化或风化作用,一般岩石、矿石表面都会不同程度地形成氧化面或风化层,会降低X荧光光谱的测量效果。因此在进行X荧光光谱测量时,应尽可能选择平整和新鲜岩石表面。
图5为矿区TC10剖面上岩石表面与其粉末样X荧光光谱测量结果。由图5可见,直接测量岩石表面的X荧光光谱测量剖面曲线呈尖锐的锯齿状起伏,而其粉末样X荧光光谱测量剖面曲线呈和缓的波状起伏。这是由于前者岩石表面成分不均一且受外界等因素的影响,当测点附近多点组合的岩石样加工后成分均一化,显然其测试结果更有代表性。
荧
光光谱测量结果进行的参数统计结果和相关分析成果。从表3中可以看出,Cu(岩石)与Cu(粉末)相关系数为0.378;Zn(岩石)与Zn(粉末)相关系数为0.432;Pb(岩石)与Pb(粉末)相关系数为0.770。
均大于临界值0.349( =0.05,n=32)。因此X荧光光谱法在可能的条件下也可采取野外采取岩石样,在野外简易实验室加工成粉末进行测试的方法。
表2 岩石X荧光光谱与粉末荧光测量数据统计
样品粉末样
元素CuZnPbCu
岩石
ZnPb
样品数323232323232
测量计数平均值
169094351943786157612124
标准差2028158030166187232315099
表3 岩石X荧光光谱与粉末荧光测量数据相关分析
元素Cu(岩石)Zn(岩石)Pb(岩石)Cu(粉末)Zn(粉末)Pb(粉末)
Cu(岩石)Zn(岩石)Pb(岩石)Cu(粉末)Zn(粉末)Pb(粉末)
10.5850.4450.3780.3740.331
10.4450.3380.4320.426
10.3630.6780.770
10.8590.685
10.959
1
3 X荧光光谱测量与岩石化学分析结果
在矿区探矿坑道刻槽线上,分别进行X荧光剖面测量与化探原生晕剖面取样分析(图6)。由图6可见,X荧光光谱测量计数数据经校正后,其剖面测量曲线特征与原生晕取样分析剖面曲线特征基本一致,在矿脉上方主要峰值完全对应。
由表4可见,与原生晕化探取样分析结果相比,X荧光光谱分析的平均相对误差Zn16.35%;Cu
利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
4期钱建平等:便携式X射线荧光光谱仪应用条件试验及效
果
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关系数都在0.83以上,均大于临界值0.413( =0.05,n=21),由此可见,X射线荧光光谱测量技术不失为一种快速可靠便捷的地质找矿方法。
4 结论
通过对便携式X荧光光谱仪现场系统的找矿试验研究,确定了X荧光光谱法找矿的最佳条件。(1)在异常体和矿化带较窄的情形下,应增大测量密度,但随着取样密度增大,工作量相应增大,因此在确定取样间距时,要综合考虑找矿效果和实际工作量两个因素。
(2)基岩X荧光光谱测量更能客观地反映地质体的异常特征。在基岩出露头较好的情况下,尽可能采用基岩X射线荧光光谱测量。
(3)湿度因素不会影响异常的存在,但会降低异常的强度。为了避免X荧光光谱测量的系统误差对成图质量的影响,最好在同一湿度条件下进行工作。
1!震旦系兰田组;2!矿化蚀变岩;3!铅锌矿体;4!含炭硅质板岩;5!断层;6!地层(矿体)产状
图6 X荧光光谱测量(a)与原生晕化探测量(b)对比 表4 原生晕取样分析与X荧光光谱测量数据统计 %
分析方法化探取样分析
元素Zn1Cu1Pb1Zn2
X荧光光谱测量
Cu2Pb2
最小值0.010.020.020.020.030.03
最大值1.041.6010.080.731.259.16
平均值标准离差0.24
0.261.670.230.251.51
0.34
0.442.490.260.332.13
(4)岩石粉末样X荧光光谱测量较之岩石样测
量值更具有代表性,但样品加工费时费力和丧失其优越性。只有在已有矿区找矿和野外现场简易实验室中可考虑使用。
(5)X荧光光谱测量法与化探原生晕测量法对比研究表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究是一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
(6)尽管新一代便携式X荧光光谱仪灵敏度已有较大提高,但对被测地质体仍要求具有一定的异常强度,对低缓异常测量还需进一步改进仪器,不断提高测量的灵敏度。
野外工作中得到了黄山地质研究所技术人员的热心协助,在此谨致谢意!
注:样品数为21个;Zn1表示化探采样分析Zn含量,Zn2表示用X荧光光谱测量Zn含量,其他元素同。表5同。
表5 原生晕取样分析与X荧光光谱测量数据相关分析
元素Zn1Zn2Cu1Cu2Pb1Pb2
Zn110.5200.5410.9880.8720.674
10.7150.4670.8380.744
10.4610.6780.977
10.8370.601
10.774
1
Zn2
Cu1
Cu2
Pb1
Pb2
参考文献:
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征和控矿因素浅析[J].地质找矿论丛,2009,24(1).
10.14%;Pb11.2%,3种元素平均相对误差%15%,达到了近似定量或准定量的要求。总体上看,岩石样化探取样分析与X荧光光谱分析结果基本一致。
个别测点误差较大的主要原因是现场岩石介质粒度和成分差异所致。在实际工作中完全可通过加密测点,尽量多采集数据的办法加以弥补。
作原生晕化探取样分析数据与X荧光光谱测量数据相关分析(表5),二者不同元素测试数据相
利用IED2000P型便携式X射线荧光光谱仪,选择安徽绩溪荆州银多金属矿矿区进行找矿条件试验。试验中分别就不同测点密度、基岩与土壤测量、不同湿度条件、基岩与岩石粉末样测量进行了对比研究,确定了最佳的应用条件。X荧光光谱测量法与化探原生晕取样分析对比研究和相关分析表明,应用X荧光光谱法进行找矿研究不失为一种方便快捷和行之有效的找矿方法。
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物 探 与 化 探34卷
EXPERIMENTSONTHEAPPLICATIONCONDITIONS
OFPORTABLEXRFANALYZERANDITSPROSPECTINGRESULTS
QIANJian ping,WUGao ha,iCHENHong yi
(CollegeofEarthScience,GuilinUniversityofTechnology,Guilin 541004,China)
Abstract:TheprospectingconditiontestontheportableXRFanalyzerofIED2000PwasconductedintheJingzhousilver polymetallicminingareaofJix,iAnhuiProvince.Basedonacomparativestudyofdifferentdensitiesofsurveypoints,rocksandsoils,differenthu midityconditions,andmeasurementsofrockanditspowder,theauthorsdeterminedthebestapplicationconditions.Thesizeofanom alyandrealworkloadshouldbeconsideredwhenthedensityofsurveypointsistobechosen.TheXRFmeasurementofrockisbetterthanthatofsoilinthattheformerreflectstheanomalycharacteristicsofageologicalbodymoreobjectively.Thehumidityfactorcanre duceanomalyintensitybutcannoteliminateananomaly.TheXRFmeasurementofrockpowderisbetterthanthatofrock.Thecompar ativestudyandcorrelationanalysisbetweentheXRFmeasurementandthesampleanalysisofgeochemicalprimaryhaloshowthattheprospectingmethodwiththeXRFanalyzerisaconvenient,fastandeffectiveprospectingmethod.
Keywords:portableXRFanalyzer;applicationconditiontest;measurementofrockpowdersample;silver polymetaliicmine作者简介:钱建平(1953-),男,教授,地球化学专业。
上接484页参考文献:
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THESIMULATIONOF SPECTRUM SHIFTINGBASEDONHMMDUALMODEL
HUANGHong quan,FANGFang,GONGDi chen,DINGWei cheng
(SchoolofNuclearTechnologyandAutomation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu 610059,China)
Abstract:Basedonstatisticalcharacteristicsofenergyspectrumandspectrum shiftingfeaturesinspectrometry,theauthorsappliedthedualmodelofHiddenMarkovModelstothesimulationofspectrum shifting.TransientcharacteristicsofenergyspectrumweredescribedandthentransformedintoaparametricmodelbyGaussianMixtureMode.Theconditionsofspectrum shiftinginthemeasurementofen ergyspectrumweresimulatedbystatetransitionofHiddenMarkovModels,andthentheparametersofGaussianmixturemodelwereadjusted.Practicalapplicationshowsthattheseparameterscanbeadjustedflexiblybythismethodtomeetthevariousrequirementsinsimulationofenergyspectrumshifting,andhencethismethodisaparametricsimulationmethodwithgoodperformance.Keywords:Gaussianmixturemode;lHiddenMarkovModels;simulationofspectrum shifting;radiometricsurvey作者简介:黄洪全(1973-),男,博士生,研究方向:核勘查与信息处理,DSP技术。
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