JAAS封面文章：XPS助力卡林型金矿中“不可见金”定量表征研究取得突破

图1. 《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》封面文章

卡林型金矿（Carlin-type gold deposit)，于20世纪60年代初期在美国西部内华达州的卡林镇被发现，从而得名，其显著特征是金在载金矿物（主要为含砷黄铁矿）中常以晶格金（Au⁺）和纳米级包体金（Au⁰）的形式赋存，因金无法直接通过光学显微镜观察而被称为“不可见金”。“不可见金”赋存状态的研究对卡林型金矿的选冶及其微观成因机制有重要的指示意义，然而“不可见金”的定量表征仍然存在较大难点。中国科学院地球化学研究所万泉研究员及其团队采用逐级酸蚀与XPS分析相结合的手段建立了卡林型金矿中金赋存状态的定量表征方法，首次通过XPS分析成功获得了“不可见金”的量化分布规律，相关研究成果以封面文章形式发表于《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》期刊。

图2. 期刊首页截图及摘要译文

黄铁矿表面通常覆有厚达几百纳米的贫金层（该层主要为FeS₂），通过EPMA（电子探针）测试可得到S、As、Au元素分布，如图4，可见Au含量较低且主要存在于黄铁矿中贫金层下的富As区域。

图4. 黄铁矿中微量Au的确认及其在富As环带中的分布

地质矿产领域中，黄铁矿中Au化学状态的研究对卡林型金矿的选冶及其微观成因机制有重要的指示意义。一般情况下，表面贫金层厚度远大于XPS的检测深度（~10 nm），且其中金含量远低于XPS的元素检出限（~0.1 at%），因此直接测试几乎得不到有效的Au信号，无法进行价态分析。中科院地化所矿床室万泉研究员及其团队以贵州贞丰水银洞金矿样品为例，采用非氧化性酸简单有效地去除了屏蔽XPS金信号的贫金层（位于含砷黄铁矿最外层）以及干扰XPS金信号的含镁矿物（如白云石），首次采用XPS获得了“不可见金”的一系列重要定量数据。

图5.酸蚀前样品Py0 (a)和酸蚀后样品Py1 (b)上三个不同位置获得的Au 4f XPS谱图

图5(a)中未经酸蚀处理的黄铁矿的Au 4f谱图中存在显著的Mg 2s信号干扰且Au信号极弱，导致Au 4f信号几乎被Mg 2s掩盖。酸蚀后样品中绝大多数含Mg矿物被去除，Au 4f谱峰表现出良好的信噪比（图5(b)）。根据Au⁰ 4f7/2的结合能位置可推测出本样品中纳米金颗粒的粒径绝大多数小于6 nm，最小可达到1-2 nm。根据Au 4f谱图分峰拟合的结果可估算出Au⁰和Au⁺在样品中的百分占比（图6），其中Au⁰的百分比变化范围可从31.2%至59.8%，Au的物种和含量在同一样品的不同深度之间有轻微的分布不均。

图6. 利用 Py1-Py4的Au 4f XPS光谱分峰拟合估算的Au⁺和Au⁰的百分占比

该工作获得了卡林型金矿中“不可见金”具有合理统计意义的化学状态，有助于卡林型金矿成矿作用的研究，并且该工作建立的分析方法有望应用于分析低品位金矿石以及其他地质样品。

中国科学院地球化学研究所万泉研究员表示：由于样品中金含量低、分布不均且谱峰间存在互相干扰，因此利用XPS表面敏感的特征结合合理的样品表面前处理方法才能得到较好的测试结果，借助岛津XPS仪器高功率的特性，改进测试条件得到了信噪比较好的谱峰数据，成功实现了金价态的定量分析，使得卡林型金矿的研究领域取得了突破性进展，期待今后能与岛津共同开发其他地质相关样品的表征研究。