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Analysis of the Yuntaishan Geology by Laser-induced Breakdown Spectroscopy

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Academic year: 2021

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(1)

第 28卷 第 5期 

2008年 1O月 

应 

用 

激 

光 

APPLIED LAsER  Vo1.28,No.5  O ctober 2OO8 

云 台 山地 质 的激光 诱 导击 穿 光谱 研究 *

 

刘林 美 ,

  林 兆祥  ,

  李捷 ,

  张文 艳 

 中南 民族 大学 激 光 光谱 支 验 室 .湖 北 武 汉 43007,

1;

  华 中 科 技 大学 煤 燃 烧 国家 重 点 实 验 室 ,湖 北 武 汉 430074)

 

提 要

利 用 高 能 量 Nd:

YAG 脉 冲 激光 器 1

06

4n

m 光 束 聚 焦 待 测 样 品 表面 产 生 等 离 子体 ,

并 用光 谱 仪 和 I

CCD来 探 测 其 光 谱 信 

号 。采 用 激 光 击 穿 光谱 (MBS)技 术 对 云 台 山 的泉 水 、

岩 石 和 土 壤进 行 了定 性 研 究 。对 比分 析 泉 水 和 纯 净 水 的光 谱 图 ,得 出 泉 

水 中 含有 ca和 Mg元 素 。通 过 比较茱 萸峰 岩 石 和 潭 瀑 峡 岩石 的实 验 结 果 ,

可 知 两 种 岩石 的成 分 存 在 较 大差 异 ,

潭 瀑 峡 岩 石 所 

含成 分 相 对 较 多 。 同时 还 对 云 台 山茱 萸 峰 土 壤 和 中南 民 族 大 学 附 近 的 土 壤 进 行 了 对 比分 析 ,发 现 中南 民 族 大 学 电 信学 院 附 

近 的 土壤 中含 有 Zn、Cu、Hg,

而 在 茱 萸 峰 的 土壤 中发 现 一 种植 物 生 长 必 需 的 微 量矿 质 元 素 Ni

 

关 键 词  激 光 诱 导 击 穿 光谱 ;

  定性 分 析 ;

  地 质 

Analysis of the Yuntaishan Geology by Laser-induced Breakdown Spectroscopy  I iu Linmei . Lin Zhaoxiang , 1.i Jie ,  Zhang W enyan 

 Labor

at

or

y 

for

 Las

er

 

Sp (t

rl

nl

 Re

se

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ch,Sout

h-

Ce

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 Uni

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Nat

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es,Wuhan,Hubei

 430074,Chi

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a[(

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on。

Hu

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Uni

ve

rs

y o

f Sci

enc

 

and Te

chnol

ogy,

Wuhan.Hub

ei

 

430074,

Chi

na)

 

Abstract  The plasm a w as generated by focusing a pulsed N d:YA G laser at 1064nm on the surface of sample and detected by an  echelle spectrograph and an intensified charge coupled device(ICCD). T he qualitative analysis of the spring rock and soil were  perform ed using laser induced breakdown spectroscopy(LIBS). T he Ca and M g elem ents w ere found to be in spring com paring  the spectra of spring and purified water. M easured the spectra of Zhuyufeng rock and Tanpuxia rock indicated a significant  difference between the concentrations of tWO rocks.There were more compositions in Tanpuxia rock than that of Zhuyufeng  rock. Furthermore, the experim ents of Zhuyufeng soil and the soil near the Southern Central U niversity for Nationalities  (SCU EC )w ere carried on. The result dem onstrated that Ni elem ent that is needfull tO plant was included in Zhuym cng soil,  and Zn、Cu and H g were found in the soil near SCU EC 。  Key words  Laser—induced breakdow n spectroscopy;  qualitative analysis;  geology 

  引 言 

云 台山世界地 质公园 位于河南 省焦作 市修武 县 

境 内 ,

区 内地 质作 用 复杂 多 样 ,

地 质 遗 迹 丰 富多彩 。

 

公 园地 区经 历 了 25亿 年 以上的 漫长地质 演化历 史 ,

 

不 同阶段特 色鲜 明 的地质 发 展 演化 .

形 成 了基 底 与 

盖 层 ,

特 别 是 巨 厚 的 潮 坪 — — 浅 海 相 、

碳 酸 盐 台地 相 

陆 源 碎 屑 — — 碳 酸 盐 岩 沉 积 地 层 ,

奠 定 造 就 了 云 台 

山地 质地貌 景观 的物质基 础 。如 典型 的沉积地层 剖 

面及沉积遗 迹 、

古 生物景 观及化 石产地 、地质地貌 景 

观 、

水体景 观和地 质灾害 遗迹景 观等 ,

构 成 了云台 山 

地质公 同的宝贵 资源“ 。

 

激 光 诱 导 击 穿 光 谱 (La

nduc

d Br

akdown 

Spe

os

opy,

简称 I

3BS)由于 具有 高灵 敏度 、可同时 

测量多种元素等特点 ,

越来越广泛地应 用于各个领域 

中口

  j

。一束 高能量 脉 冲激光 经透 镜 之后 聚 焦在样 

品的表面 ,

作用 点处的样品吸收激光 能量被击穿形 成 

等离子体并发生 能级跃 迁 ,

在 等离 子体 冷却 阶段 ,等 

离子体 由高能级 向低能级跃迁 ,

发射 出能代表 元素特 

性的原子 (

离子 )

谱线 ,以进行定性乃至定量分析 。

 

Br

ec

h和 Cr

os

 在 1962年 首 次 报 道 I

 I

BS技 

术并 将其 实 现 。在 随 后 的 三 十年 中 ,随着 LI

BS技 

术在 气体  、

固体。

]、液体[

一中测 量分 析所 含元素 的 

不断深 入研究 ,

LI

BS作 为一项 分析技 术不 仅在实 验 

室 ,

同时在 工业领 域 也 引起研 究 人 员 的兴 趣 并获 得 

基金 项 目 :国家 自然 科 学 基 金项 目(项 目编号 :50646037),湖北 省教 学 科 研 项 目(项 目编 号 :

20060198)

 

一通 讯作 者 :林 兆 祥 ,副 教 授 .

电 话 027~67843003,E—

mai

n—zhaox@ scuec.edu.c

n 

收 稿 Et

期 :

2008—

06—

03

 

— 386 ~ - 

(2)

广 泛 的 应 用 。本 文 主 要 采 用 LI

BS方 法 对 云 台 山 的 

泉水 、

岩 石 、土壤 进 行 定 性 研 究 ,为将 I

 

BS方 法 引 

入地 质结 构研究 提供 实验 依据 。

 

  实 验 简 介 

激 光 诱 导 击 穿 光 谱 实 验 装 置 如 图 1所 示 ,

包 括 

激光器 、

光谱 仪 、

CCD(

增 强 型 电荷耦 合 器件 ,

nt

en—

 

ted

 Char

ge

 Coupl

ed Devi

e,简 称 I

CCD)、DG535

 

数 字脉 冲信 号发 生器 、衰减 片 、

反 射镜 、

聚焦 透镜 、

样 

品池 、

旋 转平 台、收光器 、

光纤 、

计 算机 等 。激发光 源 

为 Nd:

YAG脉 冲激 光 器 ,工作 波长 为 1064

 nm,脉 

宽 为 10

 ns,

工 作频 率 0.625

 Hz。激 光 光 束 先 经 过 

衰 减 片 衰 减 为 1

40

 mJ,再 由反 射 镜 反 射 后 经 透 镜 

(焦距 195mm)聚焦 在样 品上 ,

样 品聚 焦点 处 功率 密 

度 约 10

 W/cm。

量 级 。激光 与 样 品作 用 后产 生 等 离 

子 体 ,

其 发射 光谱信 号经 收光 器收 集后 ,由光 纤传 导 

进 人 中阶梯光 栅光谱 仪 。光谱 仪 的光 谱 范 围 为 200

 

900

 

nm,

分 辨率 X/AX=4000。光 谱仪 的 出 口安装 

CCD探 测 器 ,其 光 谱 范 围 1

85— 850

 nm,1024× 

1024像 素 。实验 前 先 利 用 标 准 汞 灯 的发 射 谱 线 对 

光谱 仪进行 波 长定标 ,然 后 采用 氘 灯 和 卤素灯 对 其 

进行 光 强 定 标 。 I

CCD 的 参 数 设 置 为 曝 光 时 间 

0.05

 S、增益 50(范 围 0~255)。其 中 岩石 与 泉水 的 

延 时 时间为 1.0

 s,

土壤 的延 时 时间为 2.0 S。I

C—

 

CD 出 口信 号 由数 据 线 传 输 到 计 算 机 中记 录 存 储 ,

 

然 后利 用软 件进 行 处 理 分析 。需 要 指 出 的是 ,

实 验 

中 固体样 品 放置在 样 品池 中 ,

再 把 样 品池 放 在 旋 转 

台上 ,而液体 样 品则 放置 在专 用 的液体 样 品池 中 。

 

图 1

  LI

BS实 验 装 置 图 

实验 所用 的样 品如 下 (1)云 台山潭 瀑峡 泉水 、

蒸 

馏水 ;(

2)云 台山潭 瀑 峡 的 岩石 、云 台 山茱 萸 峰 顶 的 

岩石 ;(

3)云 台山茱 萸 峰 顶 的 土壤 、中南 民族 大 学 电 

信学 院附 近 的土壤 。

 

其 中 由于 土壤 是 粉 状样 品 ,

实 验 之前 进 行 了简 

单 处理 。取样 品若 干 ,

先用烤 箱烘 干 ,

然后 用压片 机 

压 片 。 压 片 时 使 用 压 力 为 1

0 吨 ,压 片 时 间 为 5

 

mi

n,

每 片 约 为 1.5

 

g,

样 品 厚 度 2

 mm,

直 径 13

 mm 。

 

而 泉水 与岩石 不需 要预 处理 。

 

3 实 验 结 果 及 分 析 

3.1 泉 水 的 LI

BS研 究 

图 2(

a)和 图 2(

b)所 示 的 分 别 是 采 用 LI

BS方 法 

对 云 台山不 老泉 的泉 水和 纯净 的蒸 馏 水进 行实 验得 

出的光谱 图。通过 图 2(a

)的光谱 图定性分析 ,

并查原 

子 光谱标准 与技 术数据库 ],

可 知光谱 图 中各 峰值对 

应 的 元 素 分 别 为 Mg(279.55nm)、Ca(

393.36nm、

 

396.85nm)、H (656.27nm )、N (742.36nm 、744.23nm 、

 

746.83r

im )、

0 (777.19nm 、777.42nm、777.54nm、821.7nm 、

 

844.63nm)。为 了更好 地 得 出云 台 山不 老 泉 泉水 中 

所 含的矿质元 素 ,

在 相 同 的设 置 情况 下 ,

利用 蒸 馏水 

做 了一 组对 比实验 ,

其 结果 如 图 2(b)所 示 。通 过 比 

较 图 2(

a)和 图 2(b)可 以 看 出 ,Mg 279.55nm 和 

Ca

 

393.36nm均是 泉水 的谱 线 ,

这 同时 也说 明了 泉水 

中含有 Mg元 素和 Ca元素 。其 中 N元素 主要 是因为 

在大气环 境下做实验 空气 的击穿所 得到 的谱线 。

 

8 0000  60000  40000  20O00  -20000  2O0  300  400  500  600  700  800  900  wavelength(nm)  200  300  400  5O0  6O0  700  800  900  wavelength(nm) 

图 2

  LI

 ̄x

S光 谱 图 

一 387  0   D   0   0   0   0   0  

 

 

咖 

 

0   8   6   4   2   2   ∞ [ ]ou 

(3)

3.2 岩 石 的 LI

BS研 究 

以云台 山茱萸峰 山顶海拔 13

08米处 的岩石为对 

象 ,

采用 UBS方 法进 行 测量 。

分 析岩 石 中的元 素 成 

分 。同样通过查标准原 子谱 线库 ,

得到各峰值 谱线所 

对应的元素分别 为 Fe、

Mg、

Ca,

具体 如 图 3所示 。 由 

冈可知 ,

所得到 的谱线 比较少 ,也就 是说 这里 岩石 成 

分 比较 单 一 。

 

1 80000  1 80000  1 40000  1 20000  1 000O0  凹  80000  u   60000  4 0000  20000  0  .20000  Ca(31 7 84 nrn)  C a(31 0 08nm  C a聘 8:  9(279 55nm  CaO 70 7nm) 

 

 

 

  m

 

 

59 93nm )

 

 

... .  一 . 

 

.   . . . “ ~   a(396 82 nm)  24o  26o  280  30o  020  34o  wavelength/nm 

图 3

  I

 

BS测 量茱 萸 峰 岩 百 的光谱 图 

为了更好地研究 云台山的地质成分 ,

还对采集 的 

潭 瀑 峡 岩 石 进 行 实 验 。 在 相 同 的 实 验 条 件 下 进 行 实 

验 ,

并对其 光谱 图进 行定 性分 析 。

得 到 了其元 素和 对 

应的谱线 见表 1所示 。通过 比较可 以看出 ,

云 台山潭 

瀑峡岩石中所 含的元素 比较丰富 ,

这与茱 萸峰岩石 存 

在较 大的区别 。

 

表 l 云 台 山潭 瀑峡 岩 石 的 Ll

BS定性 分 析元 素 谱线 表 

388 

3.3 采 用 LI

BS对 土 壤 的研 究 

以茱萸 峰 的土 壤为样 品 ,

研 究其 中所 含 的元 素 ,

 

采用 LI

BS方 法进行 测量 ,

得 到土壤 的全谱 图如 图 4

 

所 示 。

 

1 6O0000  {4O0000  1 200000  1 00 O000  善 800000  u  600000  400800  20O000  —200000  2 O0  300  400  5O0  6O0  700  800  ge0  wavelength/nm 

图 4

  I

JBS测 量 茱 萸 峰 土壤 的光 谱 图 

其 中强度 最大 的那 条谱 线 为 Mg(279.55nm),

 

强度大 也就说 明 了 该土 壤 中 Mg的 含量 比较 高 ,而 

由于 Fe原 子 含 有 多 个 跃 迁 能级 ,

可 产 生 多种 频 率 

的辐射光 子 ,

所 以 Fe的谱 线 比较 丰富 。为 了更 好 

地 得到该 土壤 中含有 的其他 元 素 ,

通 过查 标 准原 子 

谱 线库 ,

得到各 峰值谱线 所对应 的元 素如表 2所示 。

 

表 2 云 台 山茱 萸 峰 土 壤 的 LIBS定 性 分 析 元 素 谱 线 表 

元 素 

波 长 (r

im)

 

248.31  249.89  250.35  253.89  254.18  254.49  256.24  256.68  257.42  257.78  258.24  259.14  Fe  259.82  260.69  262.16  262.55  266.66  271.17  271.42  273.07  274.66  275.56  278.36  358.12  373.49  374.93  382.03  406.35  439.49  440.45  279.55  280.26  285.21  292.87  293.66  338.76  M g  5l7.29  518.36  315.91  317.96  370.62  373.71  393.33  396.81  422.66  428.94  430.24  430.78  445.43  457.18  Ca  558.9  612.26  616.24  643.91  646.25  714.84  720.24  245.88  251.92  262.81  263.11  308.22  324.1 8  AI  361.86  394.34  396.16  454.97  634.63  Si  250.7  251.44  2j1.6】 252.41  252。86  390.55  257.61  273.68  283.55  298.47  305  322.92  Cr  323.43  351.09  356.53  360.88  381.57  Cd  267.69  325.28  326.16  441.49  268.46  304.74  306.62  323.64  323.89  324.85  M n  327.86  328.75  333.5  344.05  357.02 

(4)

 

通过采集 到的全谱 图,

我们 可以判断该 土壤 中主 

要含有 十七种元 素 。为 了更好地 研 究该 土 壤 我们 在 

相 同的条件 下用 中南 民族 大学 电 信学 院附 近 的土 壤 

做实验进行 对 比研究 得 到 中南 民族大 学 电信 学 院附 

近 的土壤 中的元 素 如表 3所 示 。通 过 两个 样 品 的 比 

较我们可 以发 现 ,

中南 民族大 学电信 学院附 近 的土 壤 

中比茱萸峰 土壤多含有 Zn、

Cu、Hg三 种元 素 ,

我们 推 

测这些元 素主要是人们 的生活污染 对土壤 所造 成的 。

 

而在茱 萸峰的土壤 中我 们发现多 了一种 Ni元 素 。Ni

 

是一种微量元 素 ,

是植物生 长必需 的矿质元 素 。

 

表 3 中南 民 族 大 学 电 信 学 院 附 近 的 

土壤 的 LI

BS定 性 分 析 元 素 谱 线表 

元 素 

波 长 (nm)

 

Na  K  Fe  Ir  Sr  279.5  280.3  279.07  279.79  285.19  517.27  516.73  518.36  315.89  317.93  373.69  393.37  396.85  431.86  442.54  443.50  445.48  558.87  643.91  589.0  589.6  256.80  265.25  266.04  308.22  309.27  394.4  396.1  766.49  769.90  238.2  240.49  241.33  261.t9  271.44  274.93  275.57  298.36  374.55  374.95  375.82  404.58  430.79  432.58  438.35  440.48  670.776  319.09  320.0  324.20  334.94  364.27  365.3  368.52  376.13  500.72  506.466  266.48  269.23  407.77  460.7  243.5  250.69  251.43  251.61  413.1  261.8  262.57  371.99  373.49  406.36  407.17  336.12  337.279  498.1  499.11  252.41  39O.55 

4  结 论 

本 文采 用 I

 

BS方 法对 与 云 台 山地质 密 切相 关 

的泉水 、

岩石 和 土壤进 行 了测量 ,

通 过定性 分析得 出 

了泉水 、

岩石 和 土壤 中所 含 的 元 素 成分 。 目前 的工 

作 为用 LI

BS方法 分析 地质 成 分 的研 究 提 供 了实 验 

依据 ,为全面 利 用 LI

BS检 测 技术 在 地 质 科 学 领 域 

的应 用 开辟新 的 思路 。

 

参 考 文 献 

1]樊 克 锋 .河 南 焦 作 云 台 山世 界 地 质 公 园资 源 特 色 及 综 合 

评 价 E

].资 源 调 查 与 环 境 ,2

04,25

(3):2

25

— 23

0.

 

E2]J.Gruber。J.Hei

z,H.St

ras

ser,D.Baue

rl

e,N.Ra

 

m aseder. Rapid in-situ analysis of tiquid steel by laser  induced breakdown spectroscopy. Spectrochim ica Acta  Part B, 200l,56: 685  693. 

[3]B Sai

l,J

.一L.La

cour,P.Mauchi

en,P.Fi

chet,S.Mau 

rice,G . M anh S. Comparative study of different m ethodol—  ogles for quantitative rock analysis by Laserlnduced Break—  down Spectroscopy  in a sim ulated  M artian atmosphere.  Spectrochim ica Aeta Part B ,2006,61:301— 313. 

4] J

.E. Ca

nz

a,B.T. Fi

he

,G.D. Yode

,D.W.

 

H ahn. Sam pling statistics and considerations for single-  shot analysis using laser-induced breakdown spectrosco—  PY. Spectrochim ica A cta Part B, 2002,57: 779— 790. 

[5]F.Brech,I

 .Cr

oss.Opt

cal

 

mi

croemi

ssi

on 

ti

mul

at

ed 

by 

a ruby laser. A pplied Spectroscopy,1 962, 16:59.  r6] Y. E.Gainala,M .M .Omar. Study of the electron ki—  netic processes in laser—。induced breakdown of electroneg—-  ative gases over an extended wavelength range. Radia—  tion Physics and Chem istry, 2001,62:361— 370. 

[7]F.Capi

el

i,F.Col

ao,M.R.Pr

ovenz

ano,et

.Det

er

 

mination of heavy metals in soils by laser induced break—  dow n spectroscopy. Geoderm a,2002, 106:45  62. 

E83

 G.Ar

a,A.Ci

uc

ci

,V.Pal

es

chi

,e

c.Tr

ac

 el

ment

 ana

y—

 

sis in water by the laser-induced breakdown spectroscopy  technique.Applied Spectroscopy,1997,51:1102— 1105. 

[9]ht

tp:

//physi

cs.ni

st

.gov.

 

一 389 —  

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