利用LIBS和SEM-EDX自动化矿物学技术对大规模地质样本进行相关成像分析

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Correlative imaging of large-scale geological samples using LIBS and SEM-EDX automated mineralogy

激光诱导击穿光谱（LIBS）与能谱显微镜（EDX）结合用于大型地质样品中轻元素和痕量元素的高效空间分辨分析，验证了LIBS在检测Li、Be、B、F等轻元素及Ge、Ga、Cu等痕量元素中的有效性，并建立了与EDX矿物分类的协同机制。

　　在现代地质学研究中，元素分析技术正变得越来越重要，特别是在对岩石和矿石的形成与演化过程进行深入探讨时。对于大型地质样品，尤其是那些含有稀有元素的矿物，如锂（Li）、铍（Be）、硼（B）和氟（F）等轻元素以及痕量元素（如锗、镓、铜、钛、锶、钡）的元素分布进行精确映射，是一项具有挑战性的任务。近年来，随着对锂和稀有元素矿床的关注增加，对这些元素的可靠检测和空间分布研究的需求也日益增长。为了满足这一需求，研究者们正在探索多种分析方法，其中激光诱导击穿光谱（LIBS）结合先进的数据处理技术，成为了一种有潜力的解决方案。

LIBS是一种基于激光诱导等离子体（LIP）特征辐射的光谱分析技术，其核心原理是通过高能激光脉冲照射样品，使样品局部迅速加热、蒸发和电离，从而产生等离子体。通过分析等离子体的特征光谱，可以实现对样品中元素的定性和定量分析。与传统的光谱分析方法相比，LIBS的主要优势在于它能够在各种物质状态下进行实时、原位的分析，同时能够检测周期表中大多数元素，且对样品的预处理要求较低。此外，LIBS的设备设计可以是台式或便携式，分析速度较快，因此在多个领域，如冶金、法医学、生物研究、外太空探索以及地质学中得到了广泛应用。

在地质学应用中，LIBS主要用于矿物分类、土壤分析以及矿石分析等任务，其在元素分析方面的应用可以是半定量或定量的。这些分析结果对于工业应用和现场质量控制具有重要意义，例如在锂、铍、金和稀土元素（REE）的检测中。LIBS不仅能够提供元素分布的定性信息，还能够揭示这些元素在矿物和相形成过程中的来源，为理解地质演化过程提供支持。然而，LIBS在检测轻元素（如氢、锂、铍、硼）方面仍存在一定的局限性，尤其是在标准分析条件下，这些元素的浓度通常较低，使得它们的检测和定量变得困难。

为了克服这些限制，研究者们开始将LIBS与能量色散X射线光谱（EDX）等其他技术相结合，以提高分析的准确性和可靠性。EDX是一种成熟的技术，能够提供高空间分辨率的化学成分信息，通常在纳米到微米级别，具体取决于加速电压和分析材料。EDX的检测能力在某些情况下能够达到较低的浓度水平，例如在使用无窗探测器的情况下，可以检测到铍、硼甚至锂。然而，EDX在检测轻元素时通常需要特定的信号处理器设置和较低的计数率，这与需要在合理时间内完成大区域元素映射的要求不一致。因此，将LIBS与EDX结合，可以弥补彼此的不足，实现对轻元素和痕量元素的更全面检测。

本研究分析了四块大型地质样品，其尺寸可达8×8厘米，采用了LIBS与EDX相结合的方法。尽管研究只能在一块样品上进行展示，但使用四块样品强调了研究方法的可重复性和普遍适用性。这些样品代表了具有明确定义的、相对较小的矿物颗粒，进一步拓展了LIBS在矿物学研究中的应用范围。通过LIBS，我们能够获得样品中选定元素的空间分布信息，同时观察自然过程对元素分布的影响。而EDX则主要用于矿物的准确识别和相图的绘制，其高空间分辨率和精确度在矿物分析中具有重要价值。

在LIBS分析过程中，我们采用了k-means聚类算法对获取的高光谱图像进行处理，以确定不同矿物及其在样品中的分布。此外，我们还结合了TIMA（Tescan Integrated Mineral Analyzer）系统中的SEM-EDS测量，该系统能够提供准确且高分辨率的样品相图，得益于先进的图像分割算法和用户监督的矿物相分类。这种结合使得LIBS和EDS的优势得以互补，不仅能够实现对多种元素的检测，还能够提高矿物识别的准确性。

通过这些方法的结合，我们能够对样品中的元素分布进行交叉相关分析，从而识别特定矿物以及在岩石样品中留下的自然过程痕迹。这种方法的应用对于理解岩石的形成机制、矿石的演化过程以及矿物的分布特征具有重要意义。同时，它也为矿产勘探、工业应用和现场质量控制提供了新的工具和手段。通过LIBS和EDS的协同工作，研究者们能够更全面地了解地质样品的化学成分和矿物结构，为未来的地质研究和资源开发提供科学依据。