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科研進展

SIMS測試鋯石氫同位素組成和水含量的分析方法以及標準物質的開發

文章來源：廣州地球化學研究所 | 發布時間：2022-02-18

文章來源：廣州地球化學研究所 | 發布時間：2022-02-18 | 【打印】【關閉】

確定水的含量和同位素組成對理解行星體的形成和演化具有重要意義。鋯石是一種普遍存在于各類巖石中具有穩定的物理化學性質的副礦物，耐高溫（1000℃）、耐機械磨蝕和化學腐蝕，且具有較低的擴散系數，因此被廣泛應用于U–Pb定年、Li–O–Hf同位素體系以及Ti溫度計等多種地球化學研究。此前，本研究課題組成功開發出利用二次離子質譜儀（Secondary ion mass spectroscopy, SIMS）同時測試鋯石中水含量和氧同位素組成的分析方法 (Xia et al., 2019)，并證實了鋯石中水含量可用于反演巖漿水含量 (Meng et al., 2021; Xia et al., 2021)，發現了華北克拉通的俯沖起始（～25億年）前后TTG巖石中鋯石水含量有明顯的變化 (Cui et al., 2022)。然而，由于巖漿以及鋯石中的水含量可能隨著巖漿演化過程中發生釋氣或者巖漿混合等過程而發生變化，示蹤這些過程具有重要的研究意義。同時測試鋯石的氫同位素和水含量可以幫助示蹤這些過程，但微區分析技術和標準物質的缺乏阻礙了這些研究。針對以上問題，廣州地球化學研究所同位素國家重點實驗室夏小平研究員帶領的課題組開發了SIMS超低背景下鋯石氫同位素和水含量同時測試技術，并研制了國際上第一套鋯石氫同位素參考物質(D15395和D15814)。

本次研究中采用中國科學院廣州地球化學研究所SIMS實驗室的CAMECA IMS 1280-HR的跳峰模式測量樣品的¹⁶OD和¹⁶O¹H信號對潛在的參考物質（巨晶鋯石顆粒D15395（圖1）和D15814以及常用微區分析標樣Temora 2）的氫同位素和水含量進行均一性測試。結果顯示，巨晶顆粒D15395和D15814的氫同位素的測試外部精度（1SD）分別為16‰和22‰（圖2A和2B），與理論計算精度以及測量內部誤差和相當（圖3），表明就氫同位素而言，兩個樣品在微米取樣水平上具有足夠的均一性。然而，鋯石Temora 2的外部精度（83‰，1SD）差得多（圖2C），且氫同位素與H2O含量之間存在明顯的負相關性，不適合用作氫同位素的參考物質（圖4）。此外，三個樣品的氫同位素和H₂O含量也使用熱裂解/元素分析-質譜系統（TC/EA-MS）進行了測量，其中均質樣品D15395和D15814的δD值分別為-87±9‰和-68±2‰（1SD），H₂O含量分別為~478 ppm和~332 ppm。最后，通過對比TC/EA-MS和SIMS（通過FTIR測定標準校準）獲得的H₂O含量，它們在10%的誤差范圍內一致（圖5），證明了鋯石的SIMS H₂O含量校準曲線（圖6）和之前使用的FTIR吸收系數是可靠性。

該成果受到國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”專項項目的資助，發表于Atomic Spectroscopy。

論文信息：Zexian Cui, Xiao-Ping Xia, Qing Yang, Bing Gong, Wan-Feng Zhang, Yan-Qiang Zhang, and Chun-Kit Lai. SIMS Zircon Hydrogen Isotope and H2O Content Analyses and Reference Material Development.

論文鏈接

圖1. 鋯石巨晶D15395。

圖2. 本研究中SIMS測量的δD的重現性。誤差條表示±1SE（標準誤差）。實線和陰影帶分別表示平均值和外部重現性（1SD）。

圖3. 理論不確定度和單點測量不確定度與¹⁶OD信號強度的關系。灰色區域表示理論誤差的95%置信限。

圖4. 鋯石Temora 2的H₂O含量與校正后的δD值（SIMS測量）。不確定度條為±1SE（標準誤差）。

圖5. 通過TC/EA-MS測量的δD（A）和H2O含量（B）與校正后的SIMS值（使用D15395進行儀器質量分餾校正）的比較。（A）和（B）中的黑色實線表示兩中測量手段的比值為1:1，而陰影區域分別表示10‰和10%的不確定度范圍。

圖6. SIMS分析鋯石的H₂O含量校準曲線。錯誤條代表1SD。請注意，SA01-A和SA01-B的誤差條小于符號大小。

相關文獻：

Cui, Z., Xia, X.-P., Huang, X.-L., Xu, J., Yang, Q., Zhang, W.-F., Zhang, L., Lai, C.-K. and Wang, X. (2022) Meso- to Neoarchean geodynamic transition of the North China Craton indicated by H2O-in-zircon for TTG suite. Precambrian Research 371, 106574.

Meng, J., Xia, X., Ma, L., Jiang, Z., Xu, J., Cui, Z., Yang, Q., Zhang, W. and Zhang, L. (2021) A H2O-in-zircon perspective on the heterogeneous water content of crust-derived magmas in southern Tibet. Science China Earth Sciences.

Xia, X.-P., Cui, Z.-X., Li, W., Zhang, W.-F., Yang, Q., Hui, H. and Lai, C.-K. (2019) Zircon water content: reference material development and simultaneous measurement of oxygen isotopes by SIMS. Journal of Analytical Atomic Spectrometry 34, 1088-1097.

Xia, X.-P., Meng, J., Ma, L., Spencer, C.J., Cui, Z., Zhang, W.-F., Yang, Q. and Zhang, L. (2021) Tracing magma water evolution by H2O-in-zircon: A case study in the Gangdese batholith in Tibet. Lithos 404-405, 106445.