JAAS：多微束分析技术快速精准识别月壤矿物——以嫦娥五号样品为例

月壤矿物蕴含着月球岩石形成时的物理化学条件与时间信息，对揭示月球的地质演化具有重要意义。月壤通常为细粒碎屑，粒径分布从数微米至数百微米，快速、准确识别其中的矿物种类，对于进一步研究其地球化学、同位素组成和挥发分等至关重要。近年来，基于扫描电镜（SEM）发展起来的自动矿物识别（AMI）技术，能够在微米尺度快速可视化矿物分布与粒径。然而，该方法基于能谱仪（EDS）谱峰的自动分类来识别矿物，其可靠性尚未得到系统验证，潜在影响着珍贵月壤样品的矿物识别。另一方面，AMI方法还受限于元素特征X射线的激发体积效应：同一工作电压下，电子束在不同矿物激发的X射线体积各异，导致小尺寸矿物的识别精度显著下降。因此，有必要对AMI方法的分析条件和可靠性进行系统评估，以实现对月壤矿物的快速、准确识别。

此外，其他用于矿物鉴别的微束方法包括电子探针（EPMA）、拉曼光谱（RS）和透射电镜（TEM），这些分析方法各有优势，服务于不同的矿物鉴定需求。然而，由于月壤矿物的尺寸从微米级到纳米级不等且物相结构复杂，识别结果受仪器分辨率和分析条件的显著制约，其快速准确的鉴别仍面临挑战。因此，如何构建一套兼顾速度与准确度的多尺度（微米—亚微米—纳米）矿物识别流程，也成为行星矿物学研究的迫切需求。

针对以上问题，中国科学院地质与地球物理研究所唐旭等引入蒙特卡洛模拟方法优化AMI分析条件，并利用SEM、EPMA、RS和TEM对嫦娥五号月壤玄武岩碎屑进行了系统矿物识别研究。如图1a-图1c所示，蒙特卡洛模拟方法描绘出不同加速电压（5、10、15、20 kV）下各种矿物中的电子散射作用体积。由于月球矿物主量元素含有Fe（Ec: 7.11 keV，Kα: 6.4 keV）和Ni（Ec: 8.33 keV，Kα: 7.47 keV），根据经验公式，加速电压为重元素临界激发能Ec的2~3倍，因此进行月壤矿物分析时优选20 kV。蒙特卡洛模拟显示，20 kV加速电压下出射的特征X射线的水平宽度（代表EDS的横向分辨率）分别为：铁纹石~2.25 μm、钛铁矿~3.3 μm、陨硫铁~3.33 μm、橄榄石~3.9 μm、辉石~4.41 μm、磷灰石~4.7 μm、斜长石~5.43 μm，即元素组成越重的矿物，其X射线作用体积越小，而轻元素矿物则具有更大的体积。为了验证其可靠性，进一步对辉石、钛铁矿、斜长石和陨硫铁进行了SEM-EDS线扫描分析（图1e-i）。结果表明，实际矿物中激发的特征X射线体积与蒙特卡罗模拟结果基本一致。因此，蒙特卡洛模拟可用于指导AMI分析的工作条件（如加速电压、EDS步径）。例如，相同的加速电压和EDS步径（如2R1）下微小包裹体C在A相（如斜长石）中被识别，但在B相（如钛铁矿）中则可能被忽略（图1d）。因而，利用AMI鉴别特定矿物时，可根据该矿物的X射线横向宽度来设置EDS步径（如长石EDS步径~5.4 μm，辉石为~4.4 μm，钛铁矿和陨硫铁为~3 μm；铁镍金属为~2 μm；含锆矿物为~1 μm）。某些情况下，甚至建议将EDS步径设置为X射线横向宽度的1/2或2/3，如果筛选目标不包括微小尺寸矿物，则增大EDS步径以提高识别效率。

图1 （a-c）不同加速电压下电子散射的蒙特卡洛模拟结果。蓝色轨迹表示电子穿透的总体积，红色轨迹表示出射的特征X射线体积；（d）电子束在A和B相激发产生的X射线体积的截面示意图；（e-i）月壤矿物的背散射电子像和能谱线扫描分析

将EDS扫描步径设为1 μm，利用AMI方法对300-1200 μm的玄武岩岩屑进行矿物鉴别，识别出长石、辉石、橄榄石、钛铁矿、Fe1-xS化合物、SiO2相、磷灰石、尖晶石和含锆矿物等（图2）。其中一颗~1.6 μm的含锆矿物准确识别（图2e），而当EDS步径设为3 μm时，AMI扫描岩屑未检测出该含锆矿物。进一步利用电子探针和拉曼光谱对玄武岩中不同灰度衬度的矿物进行系统分析，基于主微量成分和拉曼谱峰鉴别的矿物种类与AMI方法识别的结果一致，表明AMI方法鉴别矿物具有高度准确性和可靠性。

图2 月壤玄武岩的背散射图像（a, d, g）、矿物分布图（b, e, h）及矿物含量图（面积百分比）（c, f, i）

最后，综合评估了SEM-AMI、EPMA、RS和TEM四种微束技术在月壤矿物识别中的优势和适用性。优先推荐SEM-AMI方法进行矿物识别，不但能可视化矿物分布图和粒径，还能为其他原位微束实验提供精确的矿物定位。对于AMI方法无法识别的同质多象结构（SiO2）和成分近似矿物（Fe1-xS），采用拉曼光谱法识别出石英/方石英、陨硫铁/磁黄铁矿。对于超出AMI、EPMA和RS分辨极限的亚微米和纳米级矿物，利用TEM方法解析矿物结构和矿物界面关系（如镍黄铁矿包裹体，纳米钛铁矿，见图3）。这项研究构建的AMI-RS-TEM技术路线，为兼顾矿物的快速筛查与精准鉴定提供了关键路径。

图3 亚微米和纳米矿物的透射电镜分析。（a-f）陨硫铁和镍黄铁包裹体的成分和电子衍射分析；（g-o）单斜辉石—钛铁矿包裹体的成分、电子衍射和界面高分辨像

综上，该研究引入蒙特卡罗模拟优化了AMI方法的分析条件，联合 EPMA和RS技术充分证实了AMI矿物识别方法的可靠性，综合评估各类微束分析技术，确立了兼顾快速与精准识别月壤矿物的AMI-RS-TEM技术路线（图4）。不仅为多尺度月壤矿物的高效识别提供了有力支撑，同时也为地球及其他珍贵地外样品（如小行星物质、陨石等）中细粒矿物的快速精准识别提供了方法学基础，对进一步的行星科学、资源勘探及地质学研究具有重要意义。

图4 面向月壤矿物识别的AMI-RS-TEM技术路线

研究成果作为封面论文发表于国际分析化学和原子光谱学专业期刊JAAS（唐旭*，谷立新，张迪，李晓光，贾丽辉，王丽，田恒次，蔡书慧，杨蔚，李秋立，李金华*. Optimized multi-microbeam analytical techniques for rapid and accurate identification of lunar minerals: insights from Chang'e-5 basaltic clasts [J].Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2026, 41: 88–100. DOI：10.1039/D5JA00092K.）。研究受国家自然科学基金项目（42203025和 42241101）和所实验技术创新基金项目（TEC202304）的资助。

期刊封面（Front cover）