一探亿年|地质科学与探索未知世界的电子探针技术 ——访中国地质科学院矿产资源研究所陈振宇研究员

地球诞生至今，数十亿年演变间蕴藏下浩瀚信息。生命和物种形同过客，不断在岩石和矿物中留下信息，这些信息都吸引着地质学家们不断探索、认识地球的组成和结构，揭开地球及其生物界演变规律。地质科学的快速发展，离不开先进科学仪器技术的助力，电子探针 (EPMA)便是其中一类高端的“常规武器”。

近日，仪器信息网走进中国地质调查局所属的中国地质科学院矿产资源研究所，采访了在矿物学和电子探针技术两方面都有深入研究的陈振宇研究员。矿产资源研究所是我国专门从事矿产资源基础研究与应用的公益类科研机构，承担了大量包括战略性关键金属矿产资源在内的矿产资源基础研究与应用方面的重大科研和地质调查项目。陈老师详细分享了他眼中的地质科学，以及促进了地质科学数十年发展的电子探针技术。

与“矿物学”和“电子探针”结缘

陈振宇回顾道，进入“矿物学”领域要从上大学开始说起。1995年，陈振宇考入中国地质大学（北京），本科学习的专业是无机非金属材料（宝石学），宝石学是矿物学的一个分支，矿物学则属于地质科学的一个分支学科。进入“电子探针”领域则始于1999年在中国地质科学院的硕士研究生阶段，在这里，陈振宇师从我国电子探针领域著名的先驱级人物——周剑雄研究员。同时，陈振宇也成为周老师正式招收的唯一的亲传弟子（当时，地科院招生名额很少，甚至很多知名老师直到退休都没能带学生），硕士毕业后就留在电子探针实验室工作直到现在。

中国地质科学院矿产资源研究所陈振宇研究员

工作两年后，陈振宇继续攻读在职博士，博士导师是我国著名的矿床地质学家陈毓川院士和王登红研究员，博士期间主要研究内容是中国大陆科学钻探工程（CCSD）钻孔岩心以及苏鲁超高压变质岩的矿物学研究；随后又到北京大学地空学院跟随张立飞教授做博士后，主要工作是新疆西天山超高压变质岩的矿物学研究。虽然在变质岩矿物学方面也取得了一些成果和新认识，但考虑到变质岩矿物学研究在矿产资源研究所属于“非主流”方向，大概十年前就开始转向与花岗岩和伟晶岩有关的矿床矿物学研究。

目前，陈振宇主要从事两方面工作：一是矿床矿物学研究，研究内容主要是通过对矿物的详细研究来揭示矿床的成因、寻找可能具有找矿指示意义的信息，以及考察评价矿床的综合利用价值。这些工作，都离不开包括电子探针、扫描电镜、透射电镜等等这些微束分析仪器和技术，这就涉及到另一方面的工作，即微束分析技术的应用及其标准化研究。微束分析技术通过对矿物的显微形貌、结构和成分的分析研究，来揭示矿物的成因机理、形成时的物理化学条件、元素的赋存状态等等，在地质科学中起着非常重要的作用，极大地推动了地质科学的发展。微束分析技术在钢铁、材料、生物等很多领域也发挥重要作用，为了让全国范围甚至全球范围不同厂家、不同实验室的微束分析结果具有更好的可比性和科学性，就需要对微束分析技术及其相关的参考物质进行标准化。在周剑雄老师的引领下，陈振宇从参加工作开始就参与到了微束分析的标准化工作中。目前已负责编写了多项电子探针/扫描电镜相关的国家标准，参与研制了多个电子探针/扫描电镜的标准样品（标准物质）。

地质科学：将今论古、见微知著

将今论古、见微知著，野外调研是基础

地质科学一个很重要的特点是“将今论古、见微知著”。一方面，地质科学涉及到几十亿年的地质演化历史，但地质工作者只能从现今看到的地质现象和采集到的地质样品来研究地质历史上发生的地质事件；另一方面，在野外地质调查研究的基础上，通常还需要在实验室内从细小矿物的尺度甚至是更显微的尺度去研究一块岩石、一个岩体、一个矿床、甚至一个地体的成因和演化过程。矿物是组成岩石和矿床的基本单元，绝大多数矿床的有用组分都赋存在特定的矿物里面。所以，矿产资源研究工作者，需要对矿床中的矿物开展详细的研究工作，主要研究内容包括成因矿物学、找矿矿物学和工艺矿物学等。成因矿物学即研究矿物的成因机制、矿物形成时的物理化学条件等等；找矿矿物学主要研究矿床的一些指示性矿物学特征，并利用这些指示性特征来进一步找矿；工艺矿物学则主要是研究成矿元素的赋存状态、矿石矿物的分选条件等等。

野外地质调研实拍（陈老师供图）

与其他科研领域相比，除了“将今论古、见微知著”，地质科学还有一个很重要的特点是要开展详细的野外调查工作。陈振宇表示，其室内研究工作都是建立在野外调研的基础上的，没有扎实的野外基础，室内研究工作做的再细致，也是空中楼阁。

中国地质科学：近十年蓬勃发展，与国外尚有差距

由于担任中国地质学会矿物学专业委员会秘书长、中国矿物岩石地球化学学会新矿物及矿物命名专业委员会秘书，陈振宇有机会在去年参加了由中国科学院和国家自然科学基金委员会联合组织编写的“地质学学科发展战略”。

据此次战略研究报告，我国目前的地质科学研究在有些方面，如古生物学、地层学、沉积学、黄土沉积与全球变化、石笋与全球古季风演变、青藏高原隆升、碰撞与成矿规律、华北克拉通破坏、中亚造山带、前寒武纪地质等等处于世界领先地位。另外，从文献计量学角度，最近十年，是我国地质科学蓬勃发展的阶段。2010-2019年我国发表地质相关论文总量位居世界第二，其中2018-2019年已经跃居世界第一。

但同时，战略研究报告也指出，我国地质科学与国外还存在不少差距，主要表现在以下四个方面：一是学科质量上的差距，二是地质思维上的差距、三是地质观测、探测和分析技术上的差距、四是地质学领军人物上的差距。

电子探针：地质科学的“常规武器”

“见微知著”背后的科学仪器

陈振宇表示，“见微知著”是地质科学的主要工作之一，所以在地质科学研究过程中利用到的科学仪器种类也比较多。简单划分可分为物理分析和化学分析两大类，常用仪器包括电子探针、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪、红外光谱仪、拉曼光谱仪，以及各种质谱仪等等。

JSM-IT500 扫描电子显微镜

资源所实验室使用的几代日本电子电子探针产品，上至下、左至右：JSM-35（840）、JXA-733、JXA-8800R、JXA-8230、JXA-iHP200F

资源所目前主要有矿物微区物质组分与结构实验室、同位素地球化学实验室、成矿模拟实验室三个地质实验平台，基本配置了以上提及的仪器品类。以使用率比较高的电子探针为例，资源所在近五十年以来，一共安装了日本电子的五代产品，亲历了日本电子在电子探针产品型号的不断迭代升级，也见证了电子探针技术近五十年的快速发展。五代产品依次为：约1975年购置首台JSM-35（840）、1982年购置JXA-733系列、1999年购置JXA-8800系列、2010年购置JXA-8230系列、2020年购置JXA-iHP200F系列。

地质科学的“常规武器”：电子探针技术

科学的进步在很大程度上依赖于科学仪器技术的发展。大致上世纪六七十年代，矿物学迎来快速发展，其中一个很重要的原因，就是当时电子探针等微束分析技术的发展，并得到很好的利用。

电子探针最早诞生于上世纪50年代末，至上世纪七八十年代便已发展得比较成熟。电子探针的主要功能是用于研究固体物质表面或近表面范围内的元素组成及分布、显微形貌和结构。和其他仪器技术相比，电子探针的主要优势至少有几个方面：一是方便快捷而且相对便宜；二是应用范围广，可以应用于各种固态物质和材料；三是分析方式多样，可以进行点分析、线分析、面分析，获得样品在某一个点的，某一条线的或某一个区域的元素成分变化；四是微区、微量，可以获得微米级范围的元素成分特征，并且能够跟显微形貌和结构相对应；五是分析过程几乎不损坏样品。

电子探针进行元素面扫描图像案例

地质历史演化过程中的很多信息都记录在矿物这个微小的介质中，电子探针等微束分析技术的应用，使得地质科学可以从更微观的角度去解码矿物中记录的各种信息，从而研究岩石、矿床的成因和地质演化过程，做到真正的“见微知著”。通过微束分析技术的应用，也获得了很多新的找矿信息，可以更方便地找到更多的矿床；另外，也为矿床的开采和利用提供了重要的数据。

国内电子探针应用现状：约60%应用于地质科学

据介绍，国内所有电子探针仪器中，大概有60%左右是应用在地质科学领域，不少地质类高校学院或研究所都拥有两三台电子探针，这也从另一个方面说明了电子探针在地质科学中的重要性。电子探针在地质科学中的应用面非常广，主要包括矿物学、岩石学和矿床学的应用研究，其中又可以细分很多具体的方面，比如前面提到的成因矿物学、找矿矿物学、工艺矿物学等等。除了地质科学领域，电子探针还主要应用于冶金行业、新材料研发领域（如航空发动机、锂电、汽车等痕量元素检测或轻元素分析等）

经过60多年的发展，电子探针分析技术日趋完善。地质科学方面，电子探针初期主要是做矿物的主量元素分析，但目前已经拓延了更多的应用，包括应用于矿物的微量元素分析，还包括用来做一些矿物的地质年龄测定。以往地质测年，主要是用同位素方法测量，电子探针则是通过测母体和子体元素的含量，精确到一定程度，就可以推算地质形成年龄。以往，轻元素定量分析是电子探针的一个弱项，但近些年，随着分光晶体的改进，已经可以开展系列定量分析工作，许多相关团队研究都取得了很好的进展。

近年来，国内很多电子探针实验室在微量元素分析、副矿物化学测年、变价元素分析及轻元素分析方面都开展了很好的工作，涌现出了一些年轻的技术研发和应用专家。但同时也看到，有些实验室由于各种原因，仪器购置后并没有得到很好的开发利用。

陈振宇负责的电子探针实验室是国内开放程度和利用率最高的电子探针实验室之一，除了为本单位和其他科研院所和高校提供高效高质的技术服务之外，近年来也在金红石、石英的微量元素分析、晶质铀矿的化学定年、含轻元素Be矿物的定量分析及稀土矿物分析等方面开展了卓有成效的工作。

近几年，国内电子探针的购置数量以每年十几台的数量在持续稳定增长，总的来说，电子探针现在已经成为地质科学、材料科学中比较高端的“常规武器”。

电子探针的标准现状、未来技术趋势

标准化现状：我国微束分析标准化工作走在国际前列

作为全国微束分析标准化技术委员会副主任委员，陈振宇也分享了以电子探针为代表的我国微束分析标准化情况。全国微束分析标准化技术委员会TC38（前身为全国电子探针分析标准样品标准化技术委员会）成立于1984年，从“TC38”这个数字就可以看出，此标委会是国内成立比较早的一个技术委员会。在标委会人员的共同努力下，于1992年在国际标准化组织ISO下面成立了国际微束分析标准化技术委员会TC202，并由中国担任秘书国和委员会主席，这也说明我国的微束分析标准化工作已走在国际前列。

目前全国微束分析标准化技术委员会（包括表面分析分技术委员会）制订的国家标准有100项左右，每年都会开展一些新的标准制订或老标准的修订工作，每年也都会举行一次全国性的微束分析标准的宣贯会议。陈振宇表示，近些年标委会吸收了不少年轻有为并对标准化工作热心的专家，也使得微束分析的标准化工作注入了新的活力。未来在国际标准的制订中，相信也会有更多的中国专家更深入地参与进来，更好地提高我国在微束分析国际标准中的地位。

技术发展：场发射电子探针应用、微量元素分析等

陈振宇认为，近年来，场发射电子探针越来越普及，但目前场发射电子探针最突出的优点（高空间分辨率和低电压下稳定大束流）还没有被很好的开发利用起来，这可能是未来技术发展的一个方向；另外，微量元素分析、副矿物化学测年、变价元素分析、轻元素分析及稀土元素分析方面虽然取得了一些进展，但仍然还有较大的改进和提高空间；还有软X射线分析谱仪的开发和应用，可能会让电子探针开启一些新的测试模式，包括元素的价态分析等。

利用软X射线对玄武岩矿物中Fe-L元素进行面分布分析和化学状态分析

陈振宇老师谈电子探针技术发展

关于发展建议，一方面是继续深入研究微量元素分析、副矿物化学测年、变价元素分析、稀土元素方向及轻元素分析等方面的新技术，并尽可能使新技术规范化、标准化，研发相应的标准样品；另一方面是很多实验室应该更好地掌握常规的、日常的分析方法，要把仪器充分运转起来，发挥应有的作用（国内目前大概有两百多台电子探针，但整体利用情况并不是很好）。

后记

近十年来，国内电子探针市场规模得到快速发展，当前市场保有量约200多台，而据悉，日本全国在多年前电子探针保有数量已超千台。与此同时，在透射电镜尤其是高端球差校正等方面，无论是增长还是保有，中国市场近年来已远超日本。各种类型的扫描电子显微镜数量更是达到惊人的五六千台之多，而扫描电镜在元素定量分析能力方面的短缺已开始为许多实验室的深刻认识，这就促使了许多实验室开始有了引进电子探针仪的想法，2021年度预计将有25个用户购买电子探针，个别单位甚至将拥有4台电子探针。这反映出电子探针的巨大增长潜力之余，更反映出电子探针在地质、冶金、新材料等基础技术领域的应用发展获得了更多的关注与重视。