應(yīng)用分享 I 資源所發(fā)現(xiàn)新礦物“白鴿礦”-XPS

一、引言

新礦物研究，是地球科學領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)性研究工作。新礦物的發(fā)現(xiàn)不僅可以增加自然界的礦物種類，同時也可以為人類認識和利用自然界礦物提供新的參考。截至2022年3月，全球已累計發(fā)現(xiàn)新礦物5794種。新礦物的發(fā)現(xiàn)數(shù)量、研究深度及分析技術(shù)水平展現(xiàn)了一個國家基礎(chǔ)科技的軟實力與硬實力，是國家綜合實力的體現(xiàn)。近年來，我國加大了對新礦物研究的支持力度，我國新礦物事業(yè)迎來了難得的發(fā)展契機。中國地質(zhì)調(diào)查局礦產(chǎn)資源研究所李以科研究團隊長期致力于戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)成礦作用與資源評價研究工作。

二、成果介紹

12月2日，由中國地質(zhì)調(diào)查局礦產(chǎn)資源研究所（以下簡稱“資源所”）李以科研究團隊發(fā)現(xiàn)并申報的新礦物“白鴿礦”，獲得國際礦物學協(xié)會-新礦物命名及分類委員會（IMA-CNMNC）高票通過，批準號IMA 2021-002a。新礦物英文名稱“Nioboixiolite-(□)”，為紀念在白云鄂博地區(qū)發(fā)現(xiàn)鈮鐵礦并開啟鈮資源調(diào)查研究的白鴿研究員（1930-2020），申報者將新礦物中文名稱確定為“白鴿礦”，目前其標型樣品存放于中國地質(zhì)博物館，編號M16118。

圖1 白鴿礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖

白鴿礦發(fā)現(xiàn)于白云鄂博稀土-鈮-鐵床隱伏碳酸巖體中，是在白云鄂博礦床發(fā)現(xiàn)的第16個新礦物。它是一種黑色不透明的鈮鉭氧化物。

一直以來，白云鄂博被認為是極度富釷（Th）貧鈾（U）和極度富鈮（Nb）貧鉭（Ta）的碳酸巖型稀土-鈮-鐵礦床，本次發(fā)現(xiàn)的白鴿礦中UO2、Ta2O5含量分別達到20.21%、13.75%，這些成分含量不同尋常，可能經(jīng)歷了特殊的成礦過程。對白鴿礦礦物學深入研究，為理解白云鄂博鈮、釷元素超常富集機制提供了新的視角。該新礦物的發(fā)現(xiàn)不僅豐富了白云鄂博富鈮礦物的種類，為鈮礦的開發(fā)提供了重要啟示，同時為找尋更加珍貴的鈾、鉭資源提供了新方向。[1]

三、礦物的XPS測試

按照IMA-CNMNC規(guī)定，礦物種主要以其化學組成和結(jié)晶學性質(zhì)為基礎(chǔ)加以確定，如果發(fā)現(xiàn)一個礦物，其化學性質(zhì)和結(jié)晶學性質(zhì)與任何已存在的礦物種明顯不同，則存在著該礦物為新種的可能性。

為了確定礦物的化學組成和結(jié)晶結(jié)構(gòu)特征，進行了紅外光譜、電子探針、掃描電鏡、單晶X射線衍射和X射線光電子能譜測試等。新礦物一般呈現(xiàn)化學成分具有新穎性的微量微小特征，所以礦物顆粒的化學態(tài)精確測試成了新礦物研究的困難事，這是因為常規(guī)XPS的X射線束斑尺寸太大（直徑400微米或700微米X 300微米），不可避免會測試到礦物顆粒周圍的信號，對礦物顆粒的化學態(tài)和含量的判定帶來較大誤差。這次發(fā)現(xiàn)的白鴿礦的礦石的粒度較小，約200微米，測試上如果差之毫厘極，結(jié)果可能就是天壤之別。為了礦物顆粒的精確測試，李以科研究員跑了很多實驗室，測試結(jié)果都不理想。結(jié)果在PHI CHINA實驗室，利用PHI XPS的微區(qū)測試定位功能—SXI影像對礦物進行精確定位(圖2所示)，然后采用直徑100 微米的X射線束斑，終于圓滿完成了白鴿礦的化學態(tài)和組分精測（如圖3所示），為新礦石的認證之路取得了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

圖2. 礦物顆粒的SXI影像（左）和SEM影像（右）

圖3. 礦物顆粒的XPS測試結(jié)果

X射線光電子能譜(XPS)作為重要的表面分析技術(shù)，可以對樣品表面組分和化學態(tài)進行定性和定量分析，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學研究中。特別是XPS空間分辨能力的提升，微區(qū)XPS技術(shù)可以實現(xiàn)對樣品表面的組分和化學態(tài)的局域化分布信息的獲取，為礦物、微電子、半導(dǎo)體和新能源中的微區(qū)研究提供重要的實驗數(shù)據(jù)。

-轉(zhuǎn)載于《PHI表面分析 UPN》文章