勘查技术与工程专业实验教学过程简析

马成有 来雅文 陆继龙

摘要：从专业意义、目标、特点出发，探讨了勘查技术与工程专业（地质分析方向）实验教学的重要性。基于研究对象的确定、样品采集、预处理及样品加工分析等一系列过程研究，预测实验关键环节、质量控制方法及未来专业的发展趋势，提出实验教学平台软件、硬件都要同步发展。

关键词：地质分析 实验教学 优化设计

中图分类号：P621  文献标识码：A  文章编号：1009—5349（2019）18—0036—02

勘查技术与工程专业，研究人类赖以生存的自然资源和自然环境，涉及社会经济建设的方方面面，某些国家已经将勘查技术与工程专业提升到关系国家安全和可持续发展的重要战略地位。

一、意义、目标、特点

作为勘查技术与工程专业的一个主要研究方向——地质分析，其重要性不言而喻。地质分析源于岩矿分析，作为现代地学的重要组成部分，是地球化学、岩石学、矿物学和环境与生态学强有力的技术支撑。地质分析不同于传统意义上的化学分析。首先，研究对象特殊。地球时空范围内的各种形式的样品，如气体（空气、工业废气等）、液体（地表水、地下水、工业废水、垃圾渗滤液）、固体（岩石、矿物、矿石、生物体）、古生物化石等，都是地质分析的对象，样品种类繁多。其次，样品成分复杂。地质分析所采集的样品是天然样品，种类繁多，各样品所具有的物理性质、化学性质是千差万别的，化学成分相当复杂。同一元素在不同性质的样品中，赋存状态不同，含量差别也大。再次，分析方法具多样性，尤其是新技术、新仪器不断被开发、利用，能达到理想的实验目的。最后，对分析结果也有更高要求。地质样品中的元素含量很低，一般在10—6μg/g以下，更有微量元素达到10—12μg/g以下或更低。严格控制实验过程中的每个环节，按原则、规则操作，并且不只是对含量、检出限有更高的要求，地质分析还要研究地质样品元素的形态、价态、同位素，等等。为了达成目标，针对不同类型的地质样品，甚至是不同地区的同类地质样品，都应有针对性地设计实验设计方案，确保分析结果的准确。

二、优化设计具体内容

1.确定研究对象

以研究微量元素形态、含量，营养元素形态、含量，持久性有机污染物含量为目标，设计勘查技术与工程专业（地质分析方向）的实验教学内容，具体如：岩石、矿物、土壤、水系沉积物中微量元素的形态、含量分析，河流底泥微量元素及营重金属元素形态、含量分析，河流、湖泊等水体中微量元素及有机污染物成分含量分析，气体成分分析，如土壤汞气测量、大气中污染物的测量。随着科研水平的提高，研究范围也随之扩大，研究对象变得更为复杂，如南极冰芯、深海沉积物，甚至是外太空如月球上的岩石、土壤等极端环境下的固、液、气和微生物、生物等样品，都是其研究的对象。

2.样品采集及预处理

样品采集是地质分析工作获取一手资料的最重要的一步，是基础。样品采集前应对样品所在的研究区进行踏勘，了解研究区域的地质概况、自然地理交通、环境生态，为采集做好准备工作。根据目的要求，并结合实际情况，事先确定好采样点布局，做到心中有数。根据采集的具体物质，综合考虑采集方案，標注注意事项。例如，水样的采集：采样器要清洁无污染，使用前最好用HCl清洗，采样瓶为无色聚乙烯塑料瓶，要保证清洁，使用前用待采水样清洗三次。进行阳离子分析的水样，需要酸化，保证阳离子不沉淀，不被瓶壁吸附，用盐酸或是硝酸要视分析元素而定;进行阴离子分析的水样直接装瓶，回实验室立即分析。

3.地质样品元素形态分析

元素形态决定了其在生命和环境过程中表现出不同的行为;不同的元素形态由于具有不同的物理化学性质和生物活性，在生命和环境中发挥着不同的作用。元素总量的相关信息已经不能满足科学研究的需要。

例如：对土壤中微量元素的形态一般采用A.Tessier等人提出的理论，分为可交换态、铁锰氧化物态、碳酸盐结合态、有机结合态和残渣态五个形态。各形态分离采取的是五步连续提取法，对各形态提取液处理、定容后，采用原子吸收光谱仪定量测定。

土壤中营养元素主要有碳、氮、磷。土壤中的碳主要分为有机碳与无机碳。测定土壤中的有机碳，可用过量的重铬酸钾—硫酸溶液与土壤中的有机碳发生氧化还原反应，再用标准还原剂（硫酸亚铁）滴定剩余的重铬酸钾，从而可得有机碳含量。当然还有其他方法，如灼烧法等。土壤中无机碳的测定方法很多，总结起来主要有滴定法、EDTA滴定法、电感耦合等离子体发射光谱法等。土壤中总氮的测定方法，可用凯氏定氮法，也可采用有总氮模块的总碳分析仪测定。土壤中有机氮的测定采用元素分析仪测定，在催化剂的条件下，将有机态氮燃烧为元素氮和氮的氧化物，再在含有元素铜的还原柱中将氮氧化合物还原为氮气，由热导检测器检测。土壤中无机氮的测定可用一定浓度的氯化钾浸取液提取出铵态氮、硝态态、亚硝态氮，然后用分光光度法测定。土壤中磷的形态主要分为可交换态磷，钙结合磷，铁结合磷，铁、铝结合磷，闭蓄态磷，残渣态磷六个形态，采用强度不同的浸取剂对各形态连续提取的分离方法，形态定量分析采用磷钼蓝分光光度法。

当然还有水体，植物、动物等生物样品中微量元素和营养元素的形态分析。不论何种样品，形态分析中最关键的是采样及样品制备，在采样及制备过程中要保证形态不发生变化，要避免过程中出现交叉污染。总之，针对不同的样品，根据分析目的的不同，选择合适的处理方法，原则就是不损失、不破坏、不干扰待分析成分。

三、质量控制

分析结果有效性的保证体现在两个方面：一个是精密度，另一个就是准确度。精密度要靠平行样来体现，三个以上平行样的分析结果的标准偏差较小，满足一定的要求，就可以说精密度较好，这是保证分析结果的必要条件。准确度要靠国家标样来检查，同样条件下处理待测样品和标准样品，对标准样品的测定值和真值做t检验，在一定置信度条件下，如果t计算>t表，则认为分析结果的准确度是有保证的，如果t计算

四、数据分析处理

数据分析处理是重要一个环节。目前关于数据分析处理的软件、数学方法都很多，最常见的有Excel。Excel看似简单，实则功能强大，用好Excel，可以解决我们常见的数据处理问题。还有一些专业的数据处理软件，如SPSS、SAS、Origin等。另外还有最小二乘法、因子分析;神经网络、遗传算法等数学模型也可用于数据分析处理。

五、未来发展方向

同位素比和年代学测定，更是地质分析现今的研究热点。微区原位分析和元素微区分布特征、自动化、多元素同时测定都已成为地质分析重要的研究内容，无污染的“绿色分析技术”将成为未来地质分析发展的方向。

加强地质分析实验教学平台的硬件条件建设，发挥专业培养作用和展示专业特色及魅力。因此，设计与优化好勘查技术与工程（地质分析）专业实验教学的具体内容是必需的、必要的，二者要协调统一，同步发展。

参考文献：

[1]蒋敬业，程建萍，祁士华，等.应用地球化学（修订版）[M].武汉：中国地质大学出版社，2006.

[2]张本仁，傅家谟.地球化学进展[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]倪师军，张成江，李泽琴，等.地球化学原理与应用[M].北京：地质出版社，2008.

责任编辑：孙瑶