离子探针分析基体效应研究-以橄榄石Li同位素为例

国内的大型离子探针设备资源已经处于国际领先水平，但应用领域还相对有限，这主要是因为离子探针测试中存在显著的基体效应。利用离子探针进行精确的同位素分析必须用化学成分相同、且拟分析元素或同位素组成均一的样品作为标准物质，来校正未知样品的元素含量和同位素比值，因此标准物质是否存在是制约离子探针分析方法的瓶颈。本项目以国际上对于离子探针测试橄榄石Li同位素的基体效应认识的巨大分歧出发，计划人工合成Li同位素均一但是Fe-Mg比例不同的橄榄石玻璃，通过对其Li同位素湿化学法独立定值和离子探针测试比较，认识化学成分变化对离子探针同位素分析的基体效应影响，通过与天然橄榄石晶体标样对比，探明具有相同化学成分的无长程晶体结构的玻璃和有晶体结构的矿物之间是否存在同位素分馏差异和其规律，为人工合成矿物玻璃能否作为微区同位素标准物质给出实验依据。

大型离子探针作为最重要的微区同位素分析技术平台，成为解决许多重大科学问题的核心技术支撑，受到国内外学术界的高度重视。然而这种微区分析仪器功效的发挥具有极大的瓶颈问题，即“基体效应”的存在，需要用基体组成相同的标准物质进行外部校正，以获得可靠的微区同位素分析结果，而高质量同位素微区分析标准物质非常匮乏。本项目针对离子探针Li同位素分析进行基体效应研究，从两方面入手研发橄榄石等矿物的标准物质，一是天然样品中寻找Li同位素均一的样品，二是人工合成橄榄石玻璃或晶体，同时在橄榄石Li同位素的地质应用上面开展研究，主要工作有：.1. 天然标准样品的研发：研发标准样品第一步是标的样品的获得，以实验室进行的橄榄石O同位素工作中注意观察氧同位素均一的样品，作为Li同位素标样研究的潜在对象。对氧同位素均一Fo值为70-92的20余个橄榄石样品进行了Li同位素均一性检验分析，最终发现吉林省南部靖宇地区第四纪碱性玄武岩中的四个橄榄岩地幔包体中的橄榄石、斜方辉石和单斜辉石具有均一的Li同位素组成，橄榄石Fo值为89.6-91.5，另外新疆和甘肃交界处的峡东超镁铁杂岩体中的纯橄岩中的橄榄石Fo值为94.2，具有均一的Li同位素组成。共进行了1400多电子探针分析和700多个离子探针分析以为验证这均一性。在法国Nancy实验进行了湿化学法Li同位素和含量的定值分析。5个橄榄石的Li同位素仪器分馏拟合出大概Fo值变化1可引起Li同位素1‰的变化，证明了橄榄石Li同位素分析基体效应的严重性。. 2. 高温实验研究：根据项目的计划，首先尝试了高温合成Fo比例不同的铁-镁橄榄石玻璃，设计了一个简易石墨+钼管装置组合，保证实验在还原条件下进行。结果发现Fa橄榄石熔体粘度很低，熔体外溢，需要进一步改进。我们合成了单斜辉石和斜方辉石矿物成分的玻璃，发现实验装置可以作为一种无添加合成硅酸盐成分玻璃的有效方法，可以作为快速分析全岩主微量元素含量的新方法。. 3. Li同位素应用研究：.在对Li同位素标样研发的过程中，对一些实际样品进行的筛选工作转换为实际的地质应用研究，发现了地幔Li同位素的不均一性。. 项目发表SCI论文4篇，国内核心期刊论文2篇。该项目成功研发了三种主要地幔矿物的Li同位素标准样品，为地幔Li同位素研究奠定了基础。探索了熔融矿物成分玻璃的条件，为进一步的工作积累了经验。