野外现场地质实验分析技术及应用

(1.国家地质实验测试中心，北京 100037；2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，桂林 541004)

地质实验测试是分析测试的重要分支，而且，随着经济、社会的快速发展，地学研究的不断拓宽和深入，地质实验测试需要不断扩大研究领域和提高测试能力[1，2]，特别是在地质调查、矿产勘查领域，以及地学研究新领域的应用。其中野外现场地质实验分析技术与仪器设备研究是地质实验测试发展的重要组成，在国内外获得重视，是分析测试发展方向之一[3-5]，为快速研究地球提供了及时、准确的乃至决策性的科学数据。

野外现场地质实验分析可以认为是伴随着人类的发展就开始了，从简单的肉眼现场观察识别，例如判断矿物类型，到利用单一的试纸等工具，直到采用现代的仪器设备。其目的主要是提供及时、可靠的信息，指导现场决策和工艺优化，其次是利用其快速的特点采集尽量多的数据，为后期综合评定和决策提供信息[2,6，7]。在地质科学中，野外现场地质实验分析已应用于多金属矿床现场勘查、成矿规律探索、海洋资源调查、有毒有害元素的分布规律研究等方面[2，3,5]。随着地学研究的不断拓宽和深入，其对实验测试的需求日益增强，也推动实验测试不断地创新和发展，带动地质实验现场分析技术与仪器设备研究水平的提高。。

本文基于长期的野外现场地质实验分析工作，包括大陆科学钻探工程流体地球化学实验、汶川地震断裂带科学钻探井口气体监测和青藏高原盐湖卤水现场检测等，根据前人野外现场地质实验分析工作已获得的研究成果，初步阐述了地质实验测试领域中野外现场分析概念和应用范围，对野外现场地质实验分析仪器、现场地质实验分析平台，以及采用的野外现场地质实验分析技术方法进行了介绍，并考虑野外现场地质实验分析数据处理和质量保证。文章认为分析测试工作者开展野外现场分析技术工作，能从仅仅关注分析测试技术本身，转为解决地质资源、环境领域分析测试技术应用的实际问题，更能体现出地质实验分析测试工作的重要性和解决科学问题的实用性。同时，野外现场地质实验分析技术作为绿色分析技术一种，也能大幅减少能源和原料消耗，减少化学试剂使用量，必将受到越来越多的关注和重视。

1 野外现场地质实验分析

野外现场地质实验分析就是利用轻便、稳定性更强的分析设备，采取稳健的分析流程，在野外地质工作现场进行的化学成分、形态的定性和定量分析[2，3,8]。在本文中，主要针对化学组分的野外现场地质实验分析进行阐述，在地质领域，特别在幅员辽阔的我国，野外现场地质实验分析更具有切实的实际应用价值，不仅可大幅降低野外地质矿产勘察开发等工作强度，另外在逐渐引起重视的地质环境现场监测领域中也将发挥重要作用[2，3,8]。

地质工作通常按照野外现场采样、带回地质实验室进行分析测试获得数据、根据测试数据进行相关地质研究、然后到野外进行确定和实际应用的工作流程[1,8]。该工作流程不仅历时非常漫长，还可能需要往返重复进行，而且采集的样品代表性无法直接验证、采集的样品从野外现场到实验室也可能发生变化，特别是挥发性、放射性样品和易变质样品具有特殊性，例如地气，挥发性有机污染物等[9]；另外，野外地质工作有时会在偏僻、偏远地区，交通不便，尤其在幅员辽阔的我国青藏高原地区，由于自然气候因素，适合开展野外地质工作的周期短，每年一般只有几个月时间[9-11]，而且，地质样品通常为岩石、矿物等类型样品，重量大，运输困难[9-11]。采用野外现场地质实验分析技术，能减少采样量，降低了这些偏差，消除了样品变化影响，特别是能高效、节约时间，获得更准确有用的检测数据。这些野外现场地质实验分析还有绿色分析技术特点，具有环境友好型和可持续性，是分析科学发展的重要趋势[12-14]。

2 现场分析仪器

野外现场地质实验分析需要专门的分析检测仪器，通常大多数分析仪器均能在野外现场使用一些化学传感器已应用于野外现场分析检测。除了比色计、化学传感器、野外分析箱等微型检测器之外，野外现场地质实验分析仪器还包括小型气相色谱仪、小型气体质谱仪、携带式X 荧光光谱仪等基于实验室分析技术的分析检测设备[8,15]。前者提供有限的检测信息，但他们体积小、携带方便，价格远远低于实验室分析检测仪器，对使用者的专业知识要求少，易学易操作；而后者内部结构较为复杂，但能提供更多的检测信息[15-18]。

在野外现场使用的分析检测仪器具有不可替代的优势，例如可以适应恶劣的野外环境，但要获得良好的检测结果，对现场分析仪器提出了要求。首先，现场分析仪器必须尽可能小型化、重量轻，以便于野外运输使用；其次，现场分析仪器需要耗能低，能量消耗少；另外，现场分析仪器具有长期稳定性和可靠性，以足以获得分析检测对象的可行性结果[2,15]。

现场分析检测仪器的发展将随着分析对象的要求而快速发展，从目前现场地质实验分析仪器设备发展来看，针对环境、气体、考古、辐射性样品的现场分析仪器将会率先得到重视[15,19，20]。同时，地质实验现场分析不再仅仅是分析对象的元素组成和含量，分析对象的形态、微区组分、微观结构也成为大家的关注重点。表1中列出了部分现场分析仪器及其野外分析参数，例如针对地质环境样品分析的便携式X射线荧光光谱仪(XRF)已开发出系列商品化仪器，可应用于地质环境样品中重金属元素的快速检测等，并在地质环境样品检测工作规范中作为必需的检测仪器，而且便携式XRF仪还在野外考古领域获得良好应用，其具有的非破坏性分析手段在考古现场原位分析中能获得准确的元素特征，有助于解决历史时期不确定性的问题[18,21]。另外，针对气体分析的在线或现场质谱仪类型已具有多样性，广泛应用于过程控制或现场检测易泄漏挥发性气体污染物[2,22]。

表1 野外现场地质实验分析仪器

因此，今后需要大力发展能适应野外现场需要的地质实验分析仪器技术方法。发展便携式气相色谱仪，进行地质环境样品中易挥发气体组分的现场检测，消除样品运输和人为的影响，获得可能污染源的准确位置，并进行跟踪监测、评价，提供污染物处置依据，保证环境监测效果[12,15,23-25]。发展固相微萃取技术，进行地质环境领域中有机污染物的现场分析检测。发展具有辐射性的铀、氡的地质实验现场分析技术，然后，在此基础上发展野外多参数分析技术。发展地下污染源的地质实验现场分析技术，该类型分析检测对象无法进行传统的样品采集、分析检测方法，只能进行野外现场分析检测，更迫切需要适合的现场地质实验分析方法[15,19,26，27]。而且，随着超微电子技术的发展、高能量电池的普及和低能耗检测器的出现，野外现场地质实验分析仪器将朝着微型化、非破坏性、高灵敏度，甚至是智能化发展。

3 野外现场地质实验分析平台

现场分析仪器是野外现场地质实验分析的技术手段，而野外现场地质实验分析平台是这些技术手段的使用空间，通常情况下，手持式、便携式分析检测仪器可以不需要现场地质实验分析平台，或者说是仅需要简易的分析平台，在野外现场简单利用周围平坦区域进行操作。而较为大型现场分析仪器就需要较为规整的分析平台作为现场地质实验分析空间，或者称为现场地质分析实验室，目前常用分析平台分为固定式现场地质分析实验室和移动式现场地质分析实验室[2,12,15]。一般来说，为了保证分析检测的质量和分析检测的全面能力，把传统实验室分析仪器直接移植到现场分析平台是最便捷、最简单的方式，一方面利用了传统实验室仪器的成熟分析方法，另外也可满足分析对象的需要，但该方式的现场地质实验分析是最复杂、耗费更大。

3.1 固定式现场地质分析实验室

固定式现场地质分析实验室可以认为是现场附近分析，即把传统实验室移植到现场进行分析检测。在德国、美国、中国等许多国家开展的海洋及大陆科学钻探现场, 都根据国力或实际需求配备了相当规模的固定式现场地质分析实验室[5-7]。从某种程度上说，现场地质分析实验室的现代化和集成化是国家科技实力的一种体现，目前国际上也仅有包括德国、中国、美国在内的几个国家开展了重大科学钻探工程的现场流体分析实验室工作。图1展示了汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)的固定式现场地质流体分析实验室。

图1 WFSD野外固定式现场地质流体分析实验室

3.2 移动式现场地质分析实验室

移动式现场地质分析实验室包括车(船)载式、厢式实验室。车(船)载式实验室相当于把分析仪器装入汽车、轮船上，当然需要对汽车、轮船进行适当改造以适合转入分析检测仪器。厢式现场地质分析实验室通常基于标准化的集装箱进行改造，类似于可移动式的实验室，在厢式实验室内，进行类似传统实验室的改造、设计，由于其外观是标准化的集装箱模式，如图2。该类型实验室可以利用社会化方式进行整体装载、运输，包括使用汽车、火车、轮船等运输工具，甚至采用直升机吊装方式进行实验室整体运输[5,8,12,15,28]。

图2 标准化厢式移动实验室

4 现场地质实验分析技术方法

野外现场地质实验分析技术从分析时间范畴上有实时分析和即时分析技术。野外现场地质实验实时分析，也称为现场在线分析，是过程分析化学的一种，可以认为是在现场仪器设备分析检测过程中，对实时分析检测结果处理的时间能够满足现场工作快速分辨需要的分析测试过程。现场地质实验即时分析，或者称为现场附近分析，即只在现场附近进行分析测试，应该认为是仪器设备放置在现场进行分析检测，其分析检测结果可满足现场工作需要的分析测试过程，获得分析检测结果的时间不影响分析检测结果[1，2]。

野外现场地质实验分析检测与实验室分析检测最大区别是必须能够承受现场恶劣的环境条件，例如温度和湿度变化范围大等。而且在一些对人体健康有危害或者不适合长期值守的区域，就需要全自动化的分析检测方法，同时需要利用现代通讯、网络技术进行远程操作和维护，达到仅需要把现场地质实验分析仪器放置在检测位置，而可将仪器控制系统放置在离野外现场较远的位置，从而更容易长期使用，或者获得更有经验人员的技术支持和操作。

在野外现场进行分析检测，其分析结果受到分析方法的影响，特别是在样品类型上的区别，将可能造成现场分析方法的不同[2,12,15]。有些样品无法进行采集，或者需要进行动态监测，只能在现场进行分析检测。有些样品由于位置偏远，容易变质，而且样品重量大，无法采集大量样品到实验室内进行分析检测，也最好采取现场分析以缩短检测量、降低野外工作量。有些样品虽然可采取传统的采样、送检的方式，但由于具有毒性、有污染性，运输要求极高，建议在现场进行分析检测。有些样品虽然可以采取传统的样品检测方法，但由于需要进行现场决策，建议直接在现场进行分析检测，直接利用分析检测结果进行下一步工作的判断依据，大幅提高野外工作效率。

野外现场地质实验分析采用的检测方法应该尽可能简单易学、易操作，不需要是专门训练有素的分析化学家也可进行操作测量，另外，分析周期要短，分析速度快，适合野外现场长时间使用，不需要和仅需要少量校准物质，甚至可直接使用周围空气、水等作为简易校准物质进行方法校准。

4.1 现场地质实验实时分析

现场地质实验实时分析通常是不采样在线分析，现场地质实验实时分析针对的对象主要是挥发性、易变化的样品，例如气体、放射性、环境样品等[12,15]，此类样品不易、或者是无法携带回实验室进行分析检测，只能在现场进行分析检测，直接分析检测样品中的各种参数，还包括考古样品等。此类样品也是现场地质实验分析技术的最迫切需要者，也是现场地质实验分析技术发展动力[1，2,6]。

现场地质实验实时分析是在整个生产、工艺过程中直接得到定性或定量的信息，其最大优点就是即时性，具有将分析仪器设备与生产、工艺过程联系起来的特点，能实现自动的、连续的分析检测[12,15]。随钻流体实时分析是现场地质实验实时分析的一种，利用现场分析检测仪器，包括气体质谱仪和测氡仪等，实时分析钻探工艺中不断循环泥浆中的气体H2、He、CH4和Rn等多种组分，如图3所示，而且其伴随着钻探工程，已经在国内外多个重大科学钻探工程中实施，甚至成为工程实施的标准配置之一[6，7]。

随钻流体实时分析更能准确获得地表以下、地下较深处的地球内部信息，特别是在非取芯钻井过程中[6，7,29，30]。在龙门山断裂带钻探过程中，随钻实时流体分析第一时间获得了地下深部主断层的流体响应特征，证实与主断层井段变化趋势吻合。在中国大陆科钻工程中，随钻实时流体分析获得了幔源性氦异常，并后期计算其在异常中的比例。美国圣安德列斯钻探的随钻实时流体分析成功辨别了沉积和花岗岩井段，获得了岩性和流体组分相关性参数，判断了多处流体侵入区域[6，7,29]。随钻实时流体分析也第一次在大洋钻探中使用，对比了实时分析和后期采样分析结果，辨别了可能流体迁移机理和海洋深度[30]。

图3 现场流体实时分析结果

4.2 现场地质实验离线分析技术

现场地质实验离线分析针对的对象类型可以更广泛，应该可以包含所有需要分析检测的对象，把分析检测手段和设备放置在现场，其目的更多的是降低分析检测的强度，缩短野外工作周期，减少野外样品采集量，获得有针对性的样品，为野外现场工作提供直接的决策性数据指导，可极大提高现场工作的效率[9,31，32]。

现场地质实验离线分析是在现场采集样品，采样后直接在野外现场利用仪器设备分析检测获得定性或定量的信息，较传统分析流程，其加快了分析速度，即把分析仪器设备移至现场开展实验室分析检测[12,15]。比如，已有研究人员建立了一套现场离线的微珠比色、微量滴定及蛋薄膜比色快速分析方法系统，适合野外地质样品中金的检测[33]。能量色散X射线荧光光谱法(ED-XRF)是野外勘查与找矿现场常用的分析仪器，适合进行现场离线分析需要，研究人员已在条件恶劣的高海拔野外现场测定了多金属矿中的铜、铅、锌等组分，为多金属矿石样品的现场分析提供快速、准确的解决方案，在内蒙和新疆两地覆盖区的钻探现场对覆盖层和基岩样品进行了贱金属分析，获得了钻孔As含量明显升高的结果，而As对Au的指示意义非常明显，同时，研究人员采取与S-930螯合树脂富集薄样法相结合方法，利用ED-XRF野外现场快速分析水体中8种浓度在10μg/L以上的重金属，为野外现场进行环境监测、水质调查提供技术手段[11,20, 28,32]。建立了适用于野外钾盐钻探现场快速分析泥浆清液K，Br，Sr元素的EDXRF方法，并实际应用于江陵凹陷野外钾盐科探井钻探过程现场，为钾盐钻井决策提供支撑[34，35]。

5 数据处理和质量保证

野外现场地质实验分析技术作为分析化学的一部分，分析检测数据的处理也是极其重要，还是需要分析技术所常用的准确度和精确度，将现场分析数据的误差和偏差控制在容忍允许范围之内，达到可接受和利用的程度[1,12,15,36-38]。但由于现场地质实验分析对象本身更多地处于活动之中，例如现场实时分析的分析对象处于工艺过程中，测量误差同样不可避免，甚至远大于实验室分析检测，因此现场分析对准确度和精确度的要求也不应该等同于实验室分析检测，可以稍低，但也应该采取一定措施保障分析检测数据质量，例如选择合适的野外地质实验分析方法，采用易得的校准物质进行监控等。在随钻流体实时分析过程中，采用大气作为其中校准气体之一，主要进行大气主要组分氮、氧和氩的校准，室内和野外校准过程中测量相对标准偏差相差不大，甚至在主要组分中，野外校准的相对标准偏差反而较好，可能是野外现场空气扰动较少、而城市室内空气扰动复杂较多的缘故。

现场地质实验分析数据较多采用相对量的概念，其分析检测的数据绝对量由于检测条件、检测仪器和校准样品等诸多因素影响，不可能完全按照实验室分析过程的严格条件进行而获得，而且在分析检测前的样品前处理或者预处理没有那么充分，分析检测的选择性和灵敏度受到约束，也影响分析数据绝对量[1，2]。

但是，现场地质实验分析的数据质量同样需要引起重视，例如现场地质实验分析过程中分析对象的真实性、代表性，包括分析对象的响应时间，将不可避免会影响野外现场地质实验分析的检测结果。虽然，野外现场地质实验分析仪器的性能要求可以稍低，但分析仪器的长时间稳定性必须好，能够经受振动、噪声、潮湿、高温和腐蚀性等恶劣工作环境的影响，同时具有自动校准或者仅需要少量校准物质即可进行仪器校准和性能恢复的功能，例如野外环境监测的测汞仪、测氡仪就具有类似的自动校准和长时间稳定性的功能，测汞仪本身带有的自校准功能能在一定时间间隔内自动校准曲线，测氡仪校准后具有的长时间稳定性，可保证长达数月测量准确性[11,31]。众所周知，我国青藏高原作为第三极，环境恶劣，交通不便，野外地质工作流程长，野外现场地质实验分析体现出十分必要性也具有现实意义。已有分析工作者采用便携式XRF在高原野外现场分析铜矿区样品，发现样品以Cu、Zn、As、Ba、Ni、Co等组分为主，而且野外现场分析结果与室内实验室结果差异很小或基本无差异，在已知矿区圈定的异常范围、强度和显示的异常浓集中心均相差无几。表明了其可在野外现场提供快速分析结果，缩短工作周期，指导下一步找矿工作[10，11,32]。

6 结语和展望

由于全球性的竞争日渐激烈，以及对资源勘查、生态环境保护的更加重视，发展无污染或低污染的绿色分析技术，包括野外现场地质实验分析技术，成为当今国内外实验测试技术发展的趋势。

对野外现场地质实验分析的要求不再局限于测定物质的元素组成和含量，而是要进行形态分析、微区表面分析、微观结构分析及对化学和生物特性做出瞬时追踪、无损和在线监测等分析及过程控制，这些新要求和发展趋势需要加快研发更多现场地质实验分析技术。

随着超微电子技术、高能量电池和低能耗检测器的发展普及，野外现场地质实验分析仪器继续朝着微型化、非破坏性、高灵敏度、智能化发展。同时，随着新的仪器技术的发展，如激光诱导击穿光谱技术(LIBS)等的应用[39]，野外现场地质实验分析必将更加便捷和准确。分析检测平台的发展是满足各类分析仪器设备的紧凑型物理空间的需要，同时也是分析仪器设备野外使用性能的保证，满足社会化物流方式的移动分析检测实验室将是重要发展趋势。

野外现场地质实验分析还需要继续发展简便、易学、易操作的分析方法，另外，分析周期短，分析速度快，野外长时稳定好，校准方法简单和校准物质需求少的分析方法是需求方向。

最后，野外现场地质实验分析由于所处的周围环境较差，通常需要自动化的分析检测仪器。另外，由于周围环境可能对人具有危害性或者不适合长期有人值守，需要利用各种现代通讯网络技术进行远程控制和技术支持。

致谢

非常感谢编辑部和审稿专家的仔细审阅。多谢国家地质实验测试中心钻探流体现场分析工作团队和学生们在野外的艰苦工作和大力支持。

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