电子探针分析技术在地学中的应用进展

时间：2023-04-30 21:44:27 资料我要投稿

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电子探针分析技术在地学中的应用进展

摘要电子探针分析技术（EPMA）是一种应用较早、且至今仍具有独特魅力的多元素分析技术。二战以后，世界经济和社会的迅猛发展极大地促进了科学技术的进步，电子探针分析技术（EPMA）也进入了一个快速发展时期。在地学领域的应用中,取得了令人瞩目的成就。文章就该技术的发展历史、发展趋势及在地学中的应用进展等方面做出了具体阐述。

关键词：电子探针；地学；应用进展

1引言

电子探针是电子探针X 射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA (Electron Probe X-ray Micro-Analyser)，它用一束聚焦得很细（50nm～１μｍ）的加速到5kV-30kV的电子束，轰击用光学显微镜选定的待分析试样上某个“点”（一般直径为1-50um），利用试样受到轰击时发射的X射线的波长及强度，来确定分析区域中的化学组成。

随着电子光学技术和计算机技术的发展，现在的EPMA同时具有扫描电镜SEM的形貌观察、结构分析等功能。不但像仪器发明之初那样，以金属和矿物样品中不同相或不同组成的成分分析为主要目的，而且也应用在冶金、电子电器件、陶瓷、塑料、纤维、木材、牙齿、骨骼、叶、根等等方面。其应用领域之广泛，可说目前已经涉及到所有固体物质的研究工作中，尤其在材料研究工作方面。这种仪器不仅是研究工作中的重要工具，而且也是质量检查的手段之一。本文仅对EPMA在地学领域中的应用进展加以阐述。

2电子探针的发展历史简介

电子探针分析的基本原理早在 1913 年就被Moseley发现，但直到1949 年，法国的Castaing在guinier教授的指导下，才用透射电镜（TEM）改装成一台电子探针样机。1951年6月，Castaing在他的博士论文中，不仅介绍了他所设计的电子探针细节，而且还提出了定量分析的基本原理。现在电子探针的定量修正方法尽管作了许多修正，但是，他的一些基本原理仍然适用。1955年Castaing在法国物理学会的一次会议上，展出了电子探针的原形机, 1956 年由法国

CAMECA公司制成商品，1958年才把第一台电子探针装进了国际镍公司的研究室中，当时的电子探针是静止型的,电子束没有扫描功能。

1956年英国的Duncumb发明了电子束扫描方法，并在1959年安装到电子探针仪上，使电子探针的电子束不仅能固定在一点进行定性和定量分析，而且可以在一个小区域内扫描，能给出该区域的元素分布和形貌特征，从而扩大了电子探针的应用范围。扫描型电子探针商品是1960年问世。

70年代开始，电子探针和扫描电镜的功能组合为一体，同时应用电子计算机控制分析过程和进行数据处理，例如当时日本电子公司(JEOL)的JCXA—733 电子探针，法国CAMECA公司的CAMEBAX—MICRO电子探针，以及日本岛津公司的EPM—810Q 型电子探针仪，均属于这种组合仪。计算机控制的电子探针－扫描电镜组合仪的出现，使电子探针显微分析进入了一个新的阶段。

八十年代后期，电子探针又具有彩色图像处理和图像分析功能，计算机容量扩大，使分析速度和数据处理时间缩短，提高了仪器利用率，增加了新的功能。日本电子公司的JXA-8600系列和岛津公司的EPMA-8705系列就是这种新一代仪器的代表。

九十年代初，电子探针一般与能谱仪组合，电子探针、扫描电镜可以与任何一家厂商的能谱仪组合，有的公司已有标准接口。日本电子公司的JXA-8621 电子探针为波谱(WDS)和能谱(EDS)组合仪，用一台计算机同时控制WDS和EDS，使用方便。九十年代中期，电子探针的结构，特别是波谱和样品台的移动有新的改进，编码定位，通过鼠标可以准确定波谱和样品台位置，例如日本电子公司的JXA－8800系列，日本岛津公司的EPMA－1600等，均属于这类仪器。新型号的EPMA和SEM的控制面板，已经没有眼花缭乱的各种调节旋钮，完全由屏幕显示，用鼠标进行调节和控制。

3我国电子探针发展趋势

我国从六十年代初开始陆续引进了一定数量的电子探针和扫描电镜，与此同时也开始了电子探针和扫描电镜的研制工作，并生产了几台电子探针仪器，但由于种种原因，仪器的稳定性和可靠性及许多其它技术指标，与国外同类仪器相比还有一定的差距，很快就停止生产，电子探针到现在为止还靠进口。现在世界上生产电子探针的厂家主要有三家，即日本电子公司、日本岛津公司和法国的CAMECA公司。

今后电子探针将向更自动化、操作更方便、更容易、更微区、更微量、功能更多的方向发展。彩色图像处理和图像分析功能会进一步完善，定量分析结果的

准确度也会得到提高，特别是对超轻元素(Z<10) 的定量分析方法将会逐步完善。近年来已经有人对X射线产生的深度分布函数Φ(ρZ) 进行了深入研究，并作了一些修正，在Φ(ρZ)表达式中引进了新的参数，使Φ(ρZ)函数更接近于实际的深度分布，这种称为PRZ的定量修正方法已经取得了较好的结果。对超轻元素，已经有人提出了新的修正函数及新的质量吸收系数，可以预料，随着人们对电子与物质相互作用的深入了解，定量修正模型将逐渐完善。

电子探针分析虽然还存在一些问题，但它仍然是目前微区定量分析最可靠的仪器，不管是分析过程及修正的物理模型都比较完善，所得结果也是可靠的，这就是电子探针之所以能得到广泛应用的主要原因。随着科技的不断发展，电子探针与其他技术相结合在地学领域中的应用将越来越广泛。

4电子探针技术在地质上的应用进展

4.1电子探针技术的特点

优势：（1）小：分析区域小于1mm，可研究物质成分的微观变化，分析固态包体、斑晶、出溶及环带结构等，根据成分特征引出成因信息等；

（2）高：绝对灵敏度高，感量可达10–14 - 10–15g，相对灵敏度为0.01％；

（3）广：分析元素范围广，分析原子序数4-92的元素；

（4）不：a 不用分选单矿物；b 不污染样品；c 不破坏样品；d 不受样品类型限制；

（5）多：一机多能：可以观察二次电子像(SEI)、背散射电子像(BSE)以及阴极荧光像(CL）。可对试样微区物质表面形态、结构构造的形貌分析；可对试样1m2-几（mm）2范围内元素进行面分布扫描，了解元素在物质中的赋存状态；仪器具备能谱分析（定性）和波谱分析（定量）；可以接电子背散射衍射(EBSD)观察晶体取向。

（6）快：制样简单、分析速度快、结果直观。

局限：（1）不能分析挥发份；

（2）不能确定变价元素的价态；

（3）不能分析超轻元素；

4.2电子探针在地质上的应用进展

由于电子探针技术的上述优势，其在地质领域中应用更加广泛。大体可应用于以下四个方面：

(1)鉴别钻石的真伪以及宝玉石矿物中包裹体的鉴定；

(2)地质构造、地层学、岩石学研究，以及地质年代学测定；

(3)矿产勘探和矿床物质组分的综合研究，选矿工艺的设计所需数据；

(4)矿产综合利用、矿区潜力评价、废弃矿的再利用评估。

具体可阐述为：

4.2.1测定地质体年龄中的应用

电子探针化学定年方法最早是由日本Suzuki等(1991)提出的，他们对日本的变质岩、花岗岩、沉积岩中的独居石、锆石等矿物的U，Th ，Pb含量进行测量计算，并与放射性元素(Th，U)衰变理论相结合，形成独特的电子探针化学测年技术，解决了许多地质问题。

目前电子探针测试技术，只有用U，Th，Pb对锆石、独居石的测年发展的较为成熟。

电子探针化学测年技术可具体应用于以下方面：

①岩石形成年龄研究

用电子探针化学测年方法对产在变质岩、岩浆岩中的同源锆石、独居石、磷钇矿等矿物进行定年，得到这些矿物的结晶年龄,也就得到了岩石的大致形成年龄。

②变质变形年代研究

电子探针具有高的空间分辨率(约1Lm)，能对矿物颗粒做精细的化学成分扫描工作。矿物化学成分的环带结构也暗示着矿物形成年龄的环带分布。矿物形成后,许多情况下会受到后期的地质作用影响，发生重结晶、再生长。电子探针化学测年方法能描绘出矿物中不同部分的年龄结构，以分析地质事件的演化历史。

它还将有可能在如下几个研究方面发挥作用(李学军等，2003）。

③岩石包体年龄研究

许多岩浆岩,特别是中酸性岩中常含有变质岩、岩浆岩包体，而这些包体中往往又含有锆石、磷灰石等矿物，因而我们可以测出这些岩石包体的形成年龄。结合寄主岩浆岩的年龄，还可对该区的深部地质过程进行年代讨论。

④矿床形成年代研究

伟晶岩矿床及与花岗岩有关的热液矿床中常共生产出锆石、独居石、磷钇矿等矿物，得到了这些矿物的形成年龄，也就大致确定了矿床的形成年代。

⑤热液活动事件定年。锆石、斜锆石等矿物有时也可产在与碱性超基性岩有关的碳酸岩中及热液形成的沸石脉、碳酸盐脉、萤石脉中，用电子探针化学测年方法测出锆石等矿物的形成年龄,即可判断出热液活动发生的年代。

4.2.2矿物学中的应用

电子探针已普遍用于矿物学中，具体应用如下：

①矿物鉴定中的应用

电子探针能以优于1μm3的空间分辨率可以准确地测定矿物的化学成分从而准确地得出矿物化学式，而且能对光片或光薄片上的矿物一面用显微镜观察一面进行分析，且它不对样品造成损害，从而使电子探针成为最有效和最常用的矿物鉴定手段。知道了矿物成分，矿物定名问题就迎刃而解了。

鉴于电子探针对矿物鉴定的独特优势，其在新矿物的发现与研究中也得到了广泛的应用，从电子探针问世以来，尤其近年来多种新矿物的发现大都与电子探针有关，这再次印证了电子探针测试技术的独特优势。

②矿物环带结构研究中的应用

电子探针可任意选取不同环带或某一环带中的不同部位测定其化学成分，而且探针扫描图象可直观地展示环带的形貌和成分特征。

③固溶体分离矿物研究中的应用

电子探针使得固溶体分离矿物的研究工作能比较有效地进行，用二次电子图象(SEI)或背散射电子图象(BEI)或特征X-射线图像可以将不同的固溶体分离矿物相清楚地区别开来，然后通过电子探针定点定量分析即可获得空间分辨率约1μm3的各种矿物相的化学成分数据。

④矿物交代及蚀变中的应用

在某些变质作用影响下，一个矿物有时会被另一个矿物交代，有时还会残留

一些交代不完全的矿物。研究这些交代蚀变的特点和有关的变质作用，常常需要进行微区成分分析，电子探针显微分析是最有效的方法，并且可直接测定薄片达到与化学成分分析法相似的结果。

⑤矿物包裹体中的应用

矿物晶休中经常保存有不少固体包裹休，这些包裹体非常细小，有时只有几个微米，甚至更小，利用电子探针分析这些包裹体的成分，对探讨原始熔浆的成分以及矿物结晶时的温度和吸力等是非常有意义的。可以说，电子探针分析是包裹体研究必不可少的手段。

4.2.3岩石学中的应用

电子探针在岩石学上除了可以确定岩石的矿物成份及岩石命名外,还可以利用共生矿物的化学成份与变化关系来研究这些岩石形成的物理、化学条件,以推测地壳和地慢中温度和压力的变化。目前主要用电子探针来测量基性和超基性岩中各种呈单晶或固溶体分离结构的橄榄石、辉石、石榴石和尖晶石的成份变化特征,来达到上述目的。

4.2.4构造学中的应用

由于韧性剪切作用使矿物组合发生变质作用，在这种韧性剪切变形的条件下，矿物的成分也会发生改变。范国传等利用电子探针技术研究了构造变形与与变质作用之间的关系，对地质构造作用及变形与变质作用关系的解释提供必要的依据。

4.2.5元素赋存状态的应用

利用电子探针的背散射电子像、X射线像以及及图像处理系统，可以研究某种元素在矿物或岩石中存在的形式，清楚地分析出元素在矿物中是呈类质同象还是独立矿物,了解元素间的共生关系、出溶交代和析晶等情况，从而为矿产综合评价、利用、成因矿物学等方面的研究提供了大量基础资料。

4.2.6地质学中的其他应用

除了矿物学、岩石学、矿床学、地球化学等专业学科已广泛利用电子探针进行成分分析，煤田、石油、海洋地质等专业也越来越重视微区成分的研究。在环境地质学科中，常常用电子探针分析大气中的尘埃、水中的矿物质以及各种废渣等，又如在古生物学研究中，研究古生物微相成分及微区成分变化特征也受到了重视。

5结语

随着地学研究领域的深入与扩展，地球科学分析的对象已不仅仅是传统的无机固态岩石及矿物，气、液、流体包体、软物质、冰心、生物体及化石等都成为地质分析的对象，元素组成、结构测定、形貌观察、形态、价态、同位素、有机成分等都成了地学分析的重要内容，电子探针测试技术已成为地质分析的重要发展方向和新热点，高分辨率、自动化、智能化、无污染的“绿色”分析技术将成为未来测试技术发展的重要前提。

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