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科研进展

SIMS测试锆石氢同位素组成和水含量的分析方法以及标准物质的开发

文章来源：广州地球化学研究所 | 发布时间：2022-02-18

文章来源：广州地球化学研究所 | 发布时间：2022-02-18 | 【打印】【关闭】

确定水的含量和同位素组成对理解行星体的形成和演化具有重要意义。锆石是一种普遍存在于各类岩石中具有稳定的物理化学性质的副矿物，耐高温（1000℃）、耐机械磨蚀和化学腐蚀，且具有较低的扩散系数，因此被广泛应用于U–Pb定年、Li–O–Hf同位素体系以及Ti温度计等多种地球化学研究。此前，本研究课题组成功开发出利用二次离子质谱仪（Secondary ion mass spectroscopy, SIMS）同时测试锆石中水含量和氧同位素组成的分析方法 (Xia et al., 2019)，并证实了锆石中水含量可用于反演岩浆水含量 (Meng et al., 2021; Xia et al., 2021)，发现了华北克拉通的俯冲起始（～25亿年）前后TTG岩石中锆石水含量有明显的变化 (Cui et al., 2022)。然而，由于岩浆以及锆石中的水含量可能随着岩浆演化过程中发生释气或者岩浆混合等过程而发生变化，示踪这些过程具有重要的研究意义。同时测试锆石的氢同位素和水含量可以帮助示踪这些过程，但微区分析技术和标准物质的缺乏阻碍了这些研究。针对以上问题，广州地球化学研究所同位素国家重点实验室夏小平研究员带领的课题组开发了SIMS超低背景下锆石氢同位素和水含量同时测试技术，并研制了国际上第一套锆石氢同位素参考物质(D15395和D15814)。

本次研究中采用金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所SIMS实验室的CAMECA IMS 1280-HR的跳峰模式测量样品的¹⁶OD和¹⁶O¹H信号对潜在的参考物质（巨晶锆石颗粒D15395（图1）和D15814以及常用微区分析标样Temora 2）的氢同位素和水含量进行均一性测试。结果显示，巨晶颗粒D15395和D15814的氢同位素的测试外部精度（1SD）分别为16‰和22‰（图2A和2B），与理论计算精度以及测量内部误差和相当（图3），表明就氢同位素而言，两个样品在微米取样水平上具有足够的均一性。然而，锆石Temora 2的外部精度（83‰，1SD）差得多（图2C），且氢同位素与H2O含量之间存在明显的负相关性，不适合用作氢同位素的参考物质（图4）。此外，三个样品的氢同位素和H₂O含量也使用热裂解/元素分析-质谱系统（TC/EA-MS）进行了测量，其中均质样品D15395和D15814的δD值分别为-87±9‰和-68±2‰（1SD），H₂O含量分别为~478 ppm和~332 ppm。最后，通过对比TC/EA-MS和SIMS（通过FTIR测定标准校准）获得的H₂O含量，它们在10%的误差范围内一致（图5），证明了锆石的SIMS H₂O含量校准曲线（图6）和之前使用的FTIR吸收系数是可靠性。

该成果受到国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”专项项目的资助，发表于Atomic Spectroscopy。

论文信息：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.

论文链接

图1. 锆石巨晶D15395。

图2. 本研究中SIMS测量的δD的重现性。误差条表示±1SE（标准误差）。实线和阴影带分别表示平均值和外部重现性（1SD）。

图3. 理论不确定度和单点测量不确定度与¹⁶OD信号强度的关系。灰色区域表示理论误差的95%置信限。

图4. 锆石Temora 2的H₂O含量与校正后的δD值（SIMS测量）。不确定度条为±1SE（标准误差）。

图5. 通过TC/EA-MS测量的δD（A）和H2O含量（B）与校正后的SIMS值（使用D15395进行仪器质量分馏校正）的比较。（A）和（B）中的黑色实线表示两中测量手段的比值为1:1，而阴影区域分别表示10‰和10%的不确定度范围。

图6. SIMS分析锆石的H₂O含量校准曲线。错误条代表1SD。请注意，SA01-A和SA01-B的误差条小于符号大小。