一种用于矿物中微量元素多尺度赋存状态分析方法

技术领域

本发明涉及矿产资源勘查与矿物加工技术领域，具体为一种用于矿物中微量元素多尺度赋存状态分析方法。

背景技术

关键金属具有“稀”、“伴”、“细”的特点，通常以极细小矿物、类质同象、吸附离子等形态赋存在矿石矿物中。厘清关键金属元素在矿石矿物中的赋存状态不仅可为矿床成因研究提供重要数据，而且是提高关键金属元素高效清洁利用水平的重要基础。

关键金属元素在矿石中含量极低，通常属于微量元素的范畴。而目前对于微量元素在天然矿物岩石中的赋存状态的鉴定多采用电子探针、二次离子质谱、激光剥蚀-电感耦合等离子质谱等单一微区分析方法。如果微量元素的赋存尺度在微米至亚微米范围内，这些方法可以有效查明的赋存状态。然而，当关键金属元素在纳米至原子尺度以极细小矿物、类质同象、吸附离子等赋存时，上述单一常规方法就难以实现对关键金属元素赋存状态的鉴定。例如，我国白云鄂博矿的铌资源量巨大，但因其赋存矿物颗粒极其细小，传统分析方案无法准确判别其纳米至原子尺度的赋存状态，进而阻碍其高效利用，面临资源量巨大却无法有效利用的尴尬局面。这种亟待突破的技术瓶颈使我国的铌钽资源对外依存度高，几乎全部依赖进口，铌资源对外依存度高达99.5%。

针对这些缺陷，所以我们设计一种用于矿物中微量元素多尺度赋存状态分析方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于矿物中微量元素多尺度赋存状态分析方法，该方法能够从厘米至原子尺度鉴别微量元素在天然矿物岩石中的赋存状态；为我国对外依存度高的关键金属元素的赋存状态提供可靠的鉴定方法，为提升诸多难选难提取的关键金属矿产资源的开发利用水平提供重要技术支撑。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于矿物中微量元素多尺度赋存状态分析方法，包括以下步骤：

S1、目标样品的选择与分析；

S2、微区元素组成分析样品的制备；

S3、目标样品的微区形貌、元素组成与物相分析，获得微米尺度元素赋存状态信息，并圈定进一步工作区域；

S4、在步骤S3中圈定的目标区域进行超薄切片、离子减薄或利用聚焦离子束进行微米尺度加工；

S5、对上一步骤聚焦离子束加工的样品进行纳米级X射线断层扫描分析，获得微量元素在亚微米至纳米尺度的赋存组构信息，并圈定进一步工作的区域；

S6、对步骤S5中圈定的目标区域进行精细的纳米尺度加工，获得可用于透射电子显微镜观察的样品；

S7、利用透射电子显微镜对步骤S4或S6加工获得的样品进行观察分析，获得原子尺度的微量元素赋存信息。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S1具体包括如下步骤：通过肉眼和显微镜鉴定矿物岩石基本分类；根据矿物岩石类型借助相应化学分析方法确定目标样品的微量元素种类与含量；在完成全岩化学分析后，选择含有感兴趣的微量元素并具有代表性的矿物岩石作为目标样品；采用原位化学分析目标样品中感兴趣微量元素在厘米-毫米尺度的赋存位点，选择感兴趣的位置进行下一步微米尺度分析的制样工作。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中所采用的微区形貌分析方法包括但不限于如下可用于样品表面形貌分析的显微设备：光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中所采用的微区元素组成分析方法为X射线荧光光谱、电子探针、电子能谱、激光剥蚀-电感耦合等离子质谱、二次离子质谱方法中的一种或任意组合进行分析。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中所采用的微区物相分析方法包括但不限于如下可用于样品物相鉴定设备：微区X射线衍射、拉曼光谱和显微傅里叶变换红外光谱中的一种或任意组合进行分析，微区束斑通常小于100微米。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中所采用的对目标区域微米级加工包括但不限于如下可用于样品微米级制透射电镜观察样品的设备：超薄切片、离子减薄和聚焦离子束加工。

作为本发明进一步的方案：所述在步骤S4中聚焦离子束加工的样品为包含兴趣研究区域的三维块体，通常为立方体，尺寸为20-50微米，根据实际样品情况改变三维块体的长、宽、高。

本发明的有益效果：该方法能够从厘米至原子尺度鉴别微量元素在天然矿物岩石中的赋存状态；为我国对外依存度高的关键金属元素的赋存状态提供可靠的鉴定方法，为提升诸多难选难提取的关键金属矿产资源的开发利用水平提供重要技术支撑。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明采用扫描电镜-能谱面扫描获得的黄铁矿中金、银、碲分布图；

图2为本发明采用纳米X射线断层扫描分析获得的黄铁矿中金、银、碲矿物三维分布图；

图3为本发明采用聚焦离子束切割加工的透射电子显微镜分析用薄片；

图4为本发明采用高分辨透射电子显微镜获得的单质金原子图像。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，一种用于矿物中微量元素多尺度赋存状态分析方法，包括以下步骤：

S1、目标样品的选择与分析；

具体包括如下步骤：通过肉眼和显微镜鉴定矿物岩石基本分类；根据矿物岩石类型借助相应化学分析方法确定目标样品的微量元素种类与含量；在完成全岩化学分析后，选择含有感兴趣的微量元素并具有代表性的矿物岩石作为目标样品；采用原位化学分析目标样品中感兴趣微量元素在厘米-毫米尺度的赋存位点，选择感兴趣的位置进行下一步微米尺度分析的制样工作；

S2、微区元素组成分析样品的制备；

S3、目标样品的微区形貌、元素组成与物相分析，获得微米尺度元素赋存状态信息，并圈定进一步工作区域；

所采用的微区形貌分析方法包括但不限于如下可用于样品表面形貌分析的显微设备：光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜；

所采用的微区元素组成分析方法为X射线荧光光谱、电子探针、电子能谱、激光剥蚀-电感耦合等离子质谱、二次离子质谱方法中的一种或任意组合进行分析；

所采用的微区物相分析方法包括但不限于如下可用于样品物相鉴定设备：微区X射线衍射、拉曼光谱和显微傅里叶变换红外光谱中的一种或任意组合进行分析，微区束斑通常小于100微米；

首先采用光学显微镜初步判定步骤S2中所切样品的表面形貌和微米尺度下矿物的分布特征，初步选定用于研究的黄铁矿样品区域。进一步采用扫描电镜-能谱对选定的黄铁矿区域进行化学成分分析，获得微米尺度元素赋存分布信息，并圈定进一步工作区域；

S4、在步骤S3中圈定的目标区域进行超薄切片、离子减薄或利用聚焦离子束进行微米尺度加工；

所采用的对目标区域微米级加工包括但不限于如下可用于样品微米级制透射电镜观察样品的设备：超薄切片、离子减薄和聚焦离子束加工；

聚焦离子束加工的样品为包含兴趣研究区域的三维块体，通常为立方体，尺寸为20-50微米，根据实际样品情况改变三维块体的长、宽、高；

S5、对上一步骤聚焦离子束加工的样品进行纳米级X射线断层扫描分析，获得微量元素在亚微米至纳米尺度的赋存组构信息，并圈定进一步工作的区域；

对步骤S4获得的微米级立方体块体样品进行纳米X射线断层扫描分析，获得尺寸在70nm以上矿物的三维分布特征，并选定用于进一步研究的切片区域；

S6、对步骤S5中圈定的目标区域进行精细的纳米尺度加工，获得可用于透射电子显微镜观察的样品；

进行完步骤S5的实验后，对微米立方块体样品进行聚焦离子束纳米级精细加工，制备获得透射电子显微镜分析用薄片；

S7、利用透射电子显微镜对步骤S4或S6加工获得的样品进行观察分析，获得原子尺度的微量元素赋存信息；

对步骤S6获得的薄片进行透射电子显微镜分析，以获得金与其载体矿物黄铁矿的晶体学取向关系及晶格尺度原子像。

综上所述，该方法能够从厘米至原子尺度鉴别微量元素在天然矿物岩石中的赋存状态；为我国对外依存度高的关键金属元素的赋存状态提供可靠的鉴定方法，为提升诸多难选难提取的关键金属矿产资源的开发利用水平提供重要技术支撑。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。