便携式野外现场分析测试仪综述

【核心介绍】在地质找矿领域，野外现场分析测量技术能够提高地质勘探效率，降低人工成本。本文介绍了用于野外现场分析测试仪器的种类及作用；重点介绍了便携式近红外矿物光谱分析仪和热红外矿物光谱分析仪国内外研制及现状,阐述其基本原理，地质研究，矿物填图以及找矿应用；分析了国内外最新研制的野外现场矿物元素快速分析仪，分别介绍其种类，原理、指标和在地质中的应用。 　

便携式野外现场分析测试仪综述

张秋宁 郑志忠 修连存

（南京地质调查中心 南京 210016）

摘要 在地质找矿领域，野外现场分析测量技术能够提高地质勘探效率，降低人工成本。本文介绍了用于野外现场分析测试仪器的种类及作用；重点介绍了便携式近红外矿物光谱分析仪和热红外矿物光谱分析仪国内外研制及现状,阐述其基本原理，地质研究，矿物填图以及找矿应用；分析了国内外最新研制的野外现场矿物元素快速分析仪，分别介绍其种类，原理、指标和在地质中的应用。

关键词 近红外光谱；热红外光谱；野外现场矿物元素快速分析仪

中图分类号 TH744.1

Headway of Field and Portable Analysis Instruments

Zhang Qiuning,Zheng Zhizhong,Xiu Liancun,

(Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,China)

Abstract In the field of geological prospecting, field measuring and analysis technology can improve geologic exploring efficiency and reduce labor costs. Different types and activities of field test and analysis instruments have been introduced in this paper. This paper places emphases on portable infrared spectral instrument and development and application status of thermal infrared mineral analyzer at home and abroad, and describes the basic principle, geological studies, mineral prospecting and mapping applications.  The features and applications of latest rapid field mineral elements analyzer in domestic and international are analysed, presents types, and principles, features and application of geology are introduced separately.

Key words NIR spectrum; TIR spectrum; Rapid field mineral elements analyzer

野外现场分析测试与实验室分析测试既有共性又有特殊性，实验室的使用条件和环境能按照要求进行配置，而野外现场的条件和环境比较恶劣，要求仪器具有：（1）体积小、重量轻、功耗低；（2）样品无需化学制备，无损在线测量；（3）仪器的品质要求高，在抗震动性、高低温和湿度等方面的测试要满足野外使用要求。实验室的仪器发展主要是在测量的精度、检出限、仪器自动化程度等的提高，野外便携式仪器对上述要求较实验室仪器的上述指标可放宽，突出要求仪器能够快速给出数据作参考，迅速圈出异常区域，从而加快矿物普查和勘查速度，节约时间和成本。目前野外分析测试突出在矿物成份测量和元素测量的需求。在国外，大量使用便携式近红外光谱矿物分析仪进行矿物识别和填图工作，同时在2005年由美国NiTon公司研制成功并可以达到野外使用的手持式X荧光元素分析仪。在国内，南京地质调查中心研制的BJKF-1型便携式近红外矿物光谱分析仪，已经研制成功并开始在国内装备各地勘单位和矿业公司，同时开展便携式热红外光谱分析仪和元素分析仪的研制工作。

1 便携式近红外矿物光谱分析仪

1.1 基本原理

矿物晶格中的OH伸缩、弯曲和电子跃迁，会吸收某一波段的能量，形成吸收波谱，不同的矿物吸收波谱不同，利用这一特性，对矿物进行分析。一般分为：可见-近红外：0.4-1.1µm，铁氧化物。近红外：1.1-2.5µm,层状硅酸盐中单矿物（粘土矿物，绿泥石，蛇纹石等），含羟基之硅酸盐矿物（绿帘石，闪石等），硫酸盐矿物（明矾石，黄铁钾矾，石膏等），碳酸盐矿物（方解石，白云石等）。也就是“低温”含水矿物。矿物的结晶度不同，其近红外吸收峰形也不相同，而矿物的结晶度显示矿化作用过程中热液蚀变体系结晶时的温度和化学环境，同时结晶度也与蚀变体系中的粘土风化有关。

1.2 便携式近红外矿物光谱分析仪研制现状

近红外光谱分析技术是从上个世纪八十年代开始兴起至今仍在迅猛发展的分析测试技术，被称为分析测试界的“巨人”，更有学者将此技术的出现和应用带来的革命与计算机技术出现带来的革命相比拟。近红外光谱分析技术分为近红外光谱分析仪器技术和近红外光谱分析方法技术两个方面，从仪器技术角度国外发展较快。

近红外光谱仪器是涉及到光、机、电和计算机现代等技术相结合的高新技术仪器，便携式近红外光谱仪器要将仪器小型化涉及到的技术难度更为复杂，这种仪器的研制水平和一个国家的科技综合实力是密不可分的。在发达国家已经有相对成熟的产品在市场上应用，在矿物应用代表的有日本、澳大利亚等国家的便携式矿物光谱分析仪（图1、图2）。国内在中国地质调查局的资助下，在2004年底由南京地质调查中心研制出四台样机并投入野外试用，2005年在国内开始商品化机器型号ZDJIPB-1开始销售（图3）^[1]。

图1 PIMA SP外形       图2 日本POSAM外形           图3 中国BJKF-1外形

国内外仪器对比指标如下表1。

表1 国内外仪器对比指标

仪器指标       型号	PIMA SP（澳大利亚）	POSAM（日本）	ZDJIPB1(中国)
光谱范围	1300-2500nm	1200-2500nm	1300-2500nm
仪器信噪比	平均2500:1	500:1	平均3000:1, RMS 8000:1
单光谱测量时间	30-60秒	8秒	60秒
光谱带宽	优于7nm	8nm	优于7nm
仪器功耗（内部电池寿命）	20瓦，测量40个谱	内部电池工作8小时	25瓦（峰值），测量50个谱
仪器体积(mm*mm*mm)	260*180*110	300*220*130	260*180*110
仪器重量	4kg	8.8kg	4.5kg
仪器价格	高	不详	低
软件功能	定性、半定量功能单一	定性、半定量功能单一	定性、半定量 地质应用模型分析

在中国地质调查局的资助下研制的ZDJ1PB-1型商用仪器无论硬件和软件都已能够满足当前的应用需要。而且在软件上已经加入了地质模型分析，这是国外仪器厂商的软件所没有的。下一步国产ZDJ1PB-1型仪器改进点是：1、单谱扫描时间缩短（小于30秒）；2、信噪比进一步提高；3、仪器应用范围拓广和软件进一步扩展功能等。

1.3 近红外光谱矿物应用研究

1.3.1矿物成分识别

根据每种单矿物在近红外光谱的“手性”特征，经过计算机算法处理进行矿物识别。

图4 ZDJIPB-1型仪器测量得到的矿物反射吸收光谱图

图4中光谱线1-埃洛石；2-白云母；3-方解石；4-高岭石；5-滑石；6-绿泥石；7-蒙脱石；8-明矾石；9-阳起石；10-叶腊石。

矿物光谱定量分析，野外现场采集的岩石样品标样大多为混合矿物，可以通过光谱拟合处理算法半定量地识别两种左右的混合矿物。

1.3.2 地质模型应用研究

例如某钻孔采集不同深度样品，测得其光谱分析结果（图5）。

图5 光谱成像图

图5中上图纵坐标为铝羟基特征峰的吸收深度，横坐标为钻孔深度。下图纵坐标为铝羟基特征波长位置（2205-2230nm），横坐标为某钻孔的深度，颜色表示吸收峰的深度。从光谱图中可以清楚地看出钻孔中的金元素的分布情况，图中蓝色表示金含量低，绿色和黄色表示金含量高。这样就可以准确地定位出金在钻孔中矿物深度分带。

研究意义：基于矿物离子、矿物蚀变效应与蚀变分带、蚀变矿物共生组合三个层次对矿物光谱进行分析。具体地，1）研究分析矿物基团或离子的光谱敏感性与多样性，并把矿物光谱置于成岩成矿的地质条件和地质环境，进一步研究同质多象和类质多象矿物光谱变异，从而总结得出光谱在矿物识别和地质研究中意义；2）分析和总结低、中、高温蚀变矿物种主要蚀变类型的光谱特征和识别特征；3）从矿物共生组合的角度进行光谱组合蚀变效应分析，研究矿物混合光谱效应对矿物蚀变的影响^[7]。

2 便携式热红外矿物光谱分析仪

2.1 基本原理

热红外谱段（8-12µm），主要分析无水硅酸盐类（架状硅酸盐，导状硅酸盐，单链状硅酸盐，碳酸盐和硫酸盐类）“高温”矿物类有明显的吸收特征峰。该谱段它包含了硅酸盐岩石和矿物的关于组分的重要信息，而在电磁波谱上任何其他地方波段工作的遥感器都不能代替。

硅酸盐岩石主要结构是S_iO₄四面体，它的特性是在8.0-12.0微米波段里有一分谱辐射极小值^[2][3]。大多数非硅酸盐岩石和矿物，它们的辐射极小值与硅酸盐岩石有很大不同。例如，碳酸盐岩石（石灰石，白云石）在8.0-12.0微米只有一个辐射极小值，它是在11.3微米附近有一个比较窄的谱带，其光谱宽度要比硅酸盐辐射极小值窄一个数量级。

由于S_iO₄四面体起作用的氧键所束缚的离子不同，这是硅酸盐矿物的辐射极小值发生在几个不同的波长上的主要原因。

考虑到硅酸盐矿的两个极端组分情况：石英和铁橄榄石，石英是主要的造岩矿物，在S_iO₄四面体中各处都分布有氧离子，即S_i⁺⁴离子都被束缚在每个氧离子上，铁橄榄石是一种镁铁质和超镁铁质岩石（分别如玄武岩和橄榄岩）中能找到的硅酸盐矿物，它的四面体里没有氧离子，替代它的是铁离子Fe⁺²，在S_iO₄四面体的基本结构上顶替每个氧离子。图7为几种硅酸盐矿物粉末清膜透过率极小值光谱位置。

图6 几种硅酸盐岩石材料粉末的辐射发射极小值光谱位置

因此，热红外光谱区里包含了关于岩石、土壤和矿物的成份信息，这是电磁波谱里其他波段都不能胜任的。便携式野外现场热红外光谱分析仪，在地质填图有重要意义，同时又能配合热红外光谱遥感的地面定标和精细分析^[4][5]。

2.2 便携式热红外矿物光谱分析仪研制现状

通过文献检索，国内外尚无该谱段的便携式野外矿物光谱分析仪产品，热红外光谱仪器，从分光原理上可分为五种:光栅分光、棱镜分光、光栅色散CCD摄谱、傅立叶变换光谱、AOTF光谱仪。光栅和棱镜分光比较传统，但是在热红外谱段效率较低和速度较慢；光栅色散CCD摄谱具有速度快效率较高的特点，但是该谱段CCD探测器商业化产品不成熟；傅立叶变换光谱仪具有效率高和速度快的特点，目前国内外实验室商品化的红外光谱仪器大都是采用这种分光方法；AOTF（声光调制）分光光谱是这几年发展起来的新技术，但是热红外AOTF器件还不成熟。综上所述，研制便携式热红外矿物光谱分析仪以傅立叶变换分光光谱为首选技术。傅立叶变换光谱仪涉及到的技术非常复杂，某种程度上讲是光学、精密机械、电子和计算机相结合的现代高精密仪器代表，国内商用傅立叶变换光谱仪全部依赖进口。由于傅立叶变换热红外光谱仪的应用领域广，在环境、军事、化工、农业、地质和材料研究是必备测试仪器之一，都是以实验室仪器居多，对于野外现场分析的傅立叶变换热红外光谱仪必须突破仪器小型化、抗振动、温度特性等对仪器影响和补偿的关键技术。在国外有美国军方资助研制Bloxk Engineering公司研制开发的新型I-SPEC成像光谱仪（图7），主要用于军事毒气的监测。

图7 I-SPEC成像光谱仪外形图

该仪器目前是世界上最小的傅立叶变换红外光谱仪，光谱范围7-13.5µm,系统功耗为小于25W，体积9 x 6 x 6.25（inches）。采用的是被动遥感方式。在国内国防非常需要该种类型的仪器。同时还可以用来进行环境监测和森林火警预报等。

便携式热红外矿物光谱分析仪在技术上能够带来创新，应用可以走到国际的最前沿，而且可以为国防和其他部门服务。南京地质调查中心在中国地质调查局的支持下已经完成了仪器总体方案技术的论证和设计，正在进行最后调试攻关工作。仪器研制指标： 光谱范围：8-12µm；光谱分辨率：2-4cm^-1；扫描时间：小于2秒；信噪比：优于10000：1（rms值）；探测器：HgCdTe（半导体制冷）；系统峰值功耗：小于30瓦；系统体积：待定；系统重量：初步确定小于7kg^[2]。

3 野外现场矿物元素快速分析仪

3.1 激光诱导等离子体全谱元素分析仪

野外现场元素快速分析测量主要作用是对矿物元素及其伴生元素进行快速定性和定量分析，快速追踪异常源和现场评价异常。主要测量对象是天然岩石、土壤、化探样品和水系沉积物。研制现场元素测量分析仪类仪器意义重大。

实验室内元素分析测量仪器仪主要是XRF(X-ray Fluorescence)元素分析仪和ICP (Inductively Coupled Plasma)分析仪，实验室的这两种仪器都需要水冷、大功率高压和激发器等较大的机构，而且ICP分析还需要制样而破坏样品。近几年来随着大面源的CCD（光电耦合器件）、光纤光谱技术、Nd：YAG激光器和激光光谱技术的发展，使激光诱导等离子体全谱元素分析测量仪（LIBS，Laser-induced Breakdown Spectroscopy）商业化成为可能。在国际上美国海洋公司研制的LIBS2000+正在被市场逐渐认可。激光诱导等离子体全谱突出的优点是体积较XRF和ICP小，而且无需制样，分析元素广（几乎所有元素）和速度快等的优点。而野外现场矿物元素分析的重要意义是显而易见的。

3.2 手持式荧光元素分析仪

近年来，随着XRF分析仪的关键部件小型化的X射线发生管和电制冷的高性能Si-PIN检测器出现,使小型化XRF分析仪研制成为可能，2005年美国NiTon公司宣布研制XLI系列手持式XRF元素分析测量仪，引起了很大的轰动，掀起该种仪器应用的高潮。该仪器特点是：（1）成分分析（百分比含量，可精确到0.01％即100ppm）；（2）无损于样品；（3）检测时间0-60秒；（4）同时检测及显示多达22种标准元素含量，可定做特殊元素；（5）重量/尺寸：1.4kg(3.0 lbs)；248x273x95mm；外观图如图8。

图8 XLI系列XR-100CR元素分析仪外观

在国内，原成都地质学院较早地开展了核辐射探测的XRF现场分析测量仪的研制工作。南京地质调查中心已经在野外元素测量仪器方面开展研究工作并申报了国家专利。

4 结束语

野外现场分析测试仪器是现代高新技术集成创新的产物，将成为野外地质调查技术方法重要装备。野外现场红外光谱矿物分析仪和元素分析仪涉及的技术含量高，这种仪器不仅在地质领域意义重大，在其他领域如医药、现场检测、农业、食品等也可以广泛应用，也是国家安全部门重要现场检测仪器。随着国内航天事业和外星体探测器的发展，这种仪器将是重要的有效载荷。

参考文献

[1] 修连存等.便携式近红外矿物分析仪的研究(研究报告)(南京地质矿产研究所)

[2] 修连存等.便携式傅立叶变换热红外矿物分析仪的研究(研究报告)(南京地质矿产研究所)

[3] 杨凯. 红外光谱在地质上的应用(内部交流讲义)

[4]Final Report .2.NASA Rep.CR-100,1964

[5] R.J.P.Lyon and J.W Pitterson .In proc 6^th Symp,On Remote Sensing of Enviroment (univ of Micn,Ann Arbor).vol.1pp.527~552,1969

[6] James T.Daly.Recent Advances In Miniaturization Of Infrared Spectrometers.SPIE Vol.3953,2000

[7] 吴国安.光谱仪器设计.北京：机械工业出版社,1975

[8] 甘普平.遥感岩矿信息提取基础与技术方法研究.北京：地质出版社，2004