廣州地化所二次離子質譜(SIMS)實驗室成功開發锆石水含量和氧同位素同時測定新方法

  

  水,是生命之源,也是地球演化至关重要的介质。名义无水矿物中的水含量对岩石矿物的物理化学性质有深刻影响,是一个重要的地球化学指标,氧同位素对矿物本身以及水的来源也具有重要指示意义。这两个指标的同时测试不但能拓展仪器功能,使得大型SIMS这种贵重仪器的使用效率提升一倍,更重要的是避免了地质样品广泛存在的不均匀性导致数据解耦,保证了实验数据正确的科学解释。虽然SIMS被广泛应用于名义上无水矿物的水含量分析,但此前仅限于小型SIMS如CAMECA IMS 3-7f系列或者NanoSIMS。因为水在真空中极难去除,只有极高的真空才能将水的背景值降低到10ppm以下。这类仪器腔体小,较易获得高真空,但无法获得高精度氧同位素信息。大型SIMS具有同时测量矿物水含量和氧同位素的能力,但腔体大,真空度难以跟小型SIMS相比。之前国际上利用大型高精度SIMS测试水含量的背景值高达40ppm,难以满足低水含量样品测试要求。

  锆石作爲地球科學研究中應用最廣泛的一種名義上的無水礦物,可以進行U-Pb定年、Li-O-Hf同位素體系和Ti溫度計等研究,已經形成了一門專門的學科-锆石學。研究表明結晶锆石中含有一定量的水,其水含量的多少對地球動力學過程研究有重要的意義。锆石水含量的SIMS測試除了面臨儀器背景值高的困難以外,還面臨著锆石水含量標准物質缺乏的難題。因此要成功實現同時測試锆石中水含量和氧同位素,標准樣品的開發與降低儀器背景值兩個方面缺一不可。

  针对以上问题,中國科學院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室夏小平研究員领导的研究团队与中国科学技术大学和南京大学的合作者一道利用CAMECA IMS 1280-HR型二次离子质谱仪开展了该方法研究。他们首先经过大量的对比研究和条件实验,找到了一种熔点在90-110°C,Brinell硬度约为20的不释气锡铋合金取代在高真空环境中会释气破坏真空的环氧树脂制靶。得到的合金靶可以跟树脂靶一样打磨抛光,克服了其他金属靶,例如铟靶,需要事先打磨抛光样品的缺陷,从而使得小颗粒样品制样成为可能。该方法得到的样品靶面平整度可以媲美传统的环氧树脂靶,保证了氧同位素的分析精度。他们又自主研制了一套适用于SIMS样品室冷却系统的液氮自动加注装置,克服了仪器本身需要频繁加注液氮(约4小时一次)的不足,使仪器样品分析室可以长期稳定地保持2×10-9torr以下的高真空,從而在國際上首次將大型高精度SIMS測量水含量的背景值降到了10ppm以下。在此基礎上,他們將20顆寶石級的锆石顆粒(圖1),包含一些經常使用的U-Pb定年以及氧同位素測試標樣,在中國科學技術大學地球與空間科學學院進行FTIR測試,驗證其水含量的均一性,最終成功挑選出8顆水含量均一锆石碎片進行下一步的SIMS測試。

  紅外光譜測試結果顯示分析的锆石碎片只遭受了低程度的放射性破壞,均爲非退變質锆石(圖2),水含量較爲均一。經過多次重複SIMS測試,锆石顆粒比值大部分的內部精度好于0.3‰,且外部精度好于5%(2SD),具有較高的精度以及重現性(圖3),部分內部精度交差的分析點呈現出離群特性,可能是樣品內部的微小的富水包體影響所致。同時得到的锆石樣品的氧同位素數據與常規的二次離子質譜測試氧同位素具有基本相當的分析精度,其內外精度均好于0.4‰(2SD)。FTIR測試得到的水含量與SIMS測試的比值線性擬合建立了二次離子質譜測試锆石水含量的校正曲線,得到的擬合相關系數R2=0.996,顯示兩者之間具有極好的線性關系(圖2)。

  该成果以封面文章发表于Journal of Analytical atomic spectrometry(2019,v34, p1037-1296)上,被审稿人认为是目前最好的名义上无水矿物的水含量数据。并获授权国际发明專利一项“一种基于大型二次离子质谱对锆石中水含量和氧同位素进行同时分析的方法”(專利号201711103811.4)。

  論文信息:Xiaoping Xia, Zexian Cui, Wancai Li, Wanfeng Zhang, Qing Yang, Hejiu Hui and Chunkit Lai. Zircon water content: reference material development and simultaneous measurement of oxygen isotopes by SIMS.

  原文鏈接:

  http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/JA/C9JA00073A#!divAbstract

    实验中用到的宝石级锆石样品

锆石紅外光譜圖

 

  

SIMS測試锆石水含量的校正曲線

 

SIMS測試結果 

   期刊封面(JAAS封面文章)

(同位素地球化學國家重點實驗室供稿)

附件: