大型离子探针测试锆石中水含量方法开发、参考物质研制及其对增生型造山带岩浆岩的应用

The amount of water in nominally anhydrous mineral (NAMs) has received great interest as NAMs may hold most of the Earth's water budget, their water content has significant effect on mineral and rock properties such as mechanical strength and electrical conductivity. As one of NAMs and a common accessory mineral, zircon is ideal for U-Pb dating and Hf-O isotope study due to its chemical and physical robustness. In contrast, the water content in zircon has received relatively little attention because of lacking in situ micro analytical method. Large magnetic sector ion microprobe is a very powerful analytical tool and can precisely measure most of the elements in nature including water content (in form of H or OH). Our country has become one of best equipped countries by large magnetic sector ion microprobe. However, these equipment are mainly limited for U-Pb dating and lithium, oxygen isotope studies. More attentions need to paid to new analytical method development. This project aims to (1) develop a suite of nature or synthesized zircon water content reference materials and calibrate their water content values by TC/EA-MS or other independent method at first; (2) establish an analytical procedure for precise measurement of water content in zircon by large magnetic sector ion microprobe. We will also apply the method to zircons from igneous rocks in Altai area of the Central Asia Orogenic Belt (CAOB), a typical accretionary orogen, in order to explore the zircon water distribution patterns in igneous rocks from different tectonic settings in this kind of orogen and possibly to pave a new avenue for petrogenesis and geochemistry studies on igneous rocks.

名义上无水矿物含有微量水，是地球上最大的水储库，对岩石、矿物和熔体的物理化学性质有显著影响，受到了地球科学界的广泛关注。作为名义上无水矿物和各类岩石中常见的副矿物，锆石具有稳定的物理性质，是理想的U-Pb定年和Hf-O同位素研究对象，但受制于原位微区分析手段匮乏，锆石中水含量研究才刚刚起步。大型离子探针分析功能十分强大，能高精度地分析自然界中绝大多数元素。我国是拥有大型离子探针设备最多的国家之一，但应用上还主要集中在锆石U-Pb年代学和O同位素测试等有限领域，新方法开发还没有受到足够的重视。本项目计划研制一套天然或人工合成的锆石水含量参考物质,通过高温热转化元素分析质谱法等方法标定其水含量，然后建立大型离子探针高精度原位微区锆石水含量分析方法，并对阿勒泰增生型造山带中不同演化阶段不同构造背景岩浆岩中的锆石进行水含量分析，探明这些岩石中锆石水含量的分布规律，以期为岩石地球化学研究提供新思路。

名义上无水矿物中微量的氢可以占据其晶格缺陷位置从而含有一定量以OH-形式存在的结构水。尽管这些矿物中水含量很低，但却可以改变矿物岩石以至地球壳幔圈层的物理化学性质。作为一种名义上的无水矿物，锆石的水含量研究具有独特优势，主要体现在其具有比橄榄石、辉石、长石等其他名义上无水矿物具有更稳定的物理化学性质，不受后期地质过程影响，能够更好地保存其形成时的水含量。更重要的是，锆石能同时给出U-Pb年龄和Hf-O同位素等其他重要的地球化学信息。本项目主要研究了以下三个方面内容：(1)通过红外光谱等方法筛选水含量均匀的天然锆石晶体并标定其水含量，成功研制了一套锆石水含量参考物质；(2) 以锡铋合金建立一种全新的SIMS制靶技术，解决了国际通用的环氧树脂制靶由于释气而影响仪器真空状态这一长期困扰大型离子探针水分析的技术瓶颈。合金靶可以跟树脂靶一样嵌入矿物后打磨抛光，克服了其他金属靶（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分析成为可能。结合自主研制的一套适用于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高真空，从而在世界上首次成功将大型离子探针测试水含量背景值降低到10ppm以下，建立了大型离子探针同时测试锆石水含量和氧同位素的分析流程，并可以进一步优化至1.3ppm，可以分析橄榄石的水含量；(3)测试了一系列不同构造背景下玄武岩巨晶锆石以及阿尔泰增生型造山带、云南哀牢山以及澳大利亚新英格兰造山带花岗质岩浆锆石的水含量，发现（a）玄武岩及金伯利岩巨晶锆石的H/Ce*比值可以作为其源区水化状态的地球化学指标,（b）U-Pb-Hf-O完全均匀同一个手标本标准锆石Temora 2具有两组不同的水含量，为地壳深部铁镁质岩浆去气现象提供了直接证据。