矿物原位微区地球化学分析的研究进展及其地质应用

地球化学分析从分子级角度揭示元素及其同位素的迁移、富集和分散规律。随着近年来科技的发展,原位微区地球化学分析在地学领域得到了广泛而灵活的运用。通过运用激光剥蚀等离子质谱、二次离子探针等分析技术来对岩石中的矿物进行原位微区元素和同位素分析,能为示踪岩浆源区和沉积物源的物质组成、揭示岩石成因机制及探明和恢复古海洋环境等提供更精细的数据支撑。

微区原位地球化学分析技术与应用——以古城地区碳酸盐岩储层成岩演化为例

为了明确古城地区奥陶系碳酸盐岩储层的孔隙成因、恢复储层的成岩演化过程,在精细岩相学研究基础上,综合应用微区原位地球化学分析技术,针对不同期次、不同组构的碳酸盐岩成岩作用产物,开展了微区稳定碳、氧、锶、硅同位素及常量、微量、稀土元素分析,并探讨了碳酸盐岩储层的成岩流体性质及其对储层孔隙的影响。结果表明:不同期次成岩产物具有不同的地球化学特征,指示了古城地区奥陶系储层经历了准同生期海源流体、浅埋藏期继承性海水、中深埋藏期地层卤水及外源热液流体的地质作用;流体性质直接影响储层孔隙演化,其中外源酸性流体产生的溶蚀孔洞可有效改善储集性能。研究成果可为古城地区碳酸盐岩储层发育规律研究提供实验技术支撑。

南海不同沉积环境黄铁矿的矿物学及原位微区地球化学研究

黄铁矿是沉积物和沉积岩中的常见矿物,其地球化学特征能够明确指示周围的沉积环境。然而,黄铁矿地球化学特征的差异性及形成过程中的控制因素尚不清楚。本研究利用扫描电镜和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱对南海不同沉积环境黄铁矿形貌和原位微区主微量元素特征进行了研究。结果表明,SH-CL38站位黄铁矿含量与δ^(34)S值呈镜像关系,代表了正常海洋沉积环境下形成的黄铁矿受有机碎屑硫酸盐还原作用的控制;而F站位碳酸盐颗粒极低的δ^(13)C值(-45.55‰)表明该站位发育甲烷渗漏,黄铁矿的形成与硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化过程有关。2个站位黄铁矿微区的地球化学分布明显存在差异:SH-CL38站位黄铁矿的Mn、Co、Ni、Mo和Sb含量相对于F站位含量高,可能是铁锰(氢)氧化物的还原性溶解导致的;而F站位黄铁矿的Cu、V、As和Cd含量相对于SH-CL38站位高,可能是受到有机质矿化作用的影响。黄铁矿颗粒的Ca和Mg含量表明F站位的甲烷渗漏条件下由于优先沉淀了低Mg高Ca的自生方解石,导致后期沉淀的黄铁矿具有高Mg低Ca特征。2种不同沉积环境中黄铁矿的形貌特征和微量元素含量的差异表明黄铁矿的矿物学和地球化学特征可以用来识别甲烷渗漏。

矿物微区原位分析与同位素地球化学分析技术在地学中的应用

微区原位分析以高空间分辨率和微量分析为核心,结合同位素地球化学的分析技术,满足了地质过程描述中对时间、物质来源、成因环境的识别需求。该文介绍了微区原位分析技术特点及同位素地球化学应用的基本原理。以锆石UPb定年为例,回顾UPb同位素测年的技术发展,介绍了SHRIMP技术的发展。在此基础上,结合地学研究的需求,提出了未来微区分析技术的发展趋势。

黔北务正道地区铝土矿鲕状矿石中鲕粒的微区元素地球化学特征及其成矿意义

铝土矿矿床中普遍含有不同比例的鲕状矿石,但目前对这些鲕粒的成因及其与成矿作用相互关系的了解相对有限。对贵州务正道地区铝土矿矿床中典型鲕状矿石中鲕粒进行了微区原位主量元素电子探针分析(EPMA)和激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)主量和微量元素分析,并与共存基质的元素组成进行了对比。研究表明,鲕粒的形成时间晚于基质,地表化学风化作用本身并不能导致铝土矿的形成;鲕粒的形成发生于强氧化和高酸度的环境,其成因被解释为在海进过程中在地层中一定的深度条件下形成了以黄铁矿为主的硫化物矿物,随后的海退作用过程导致硫化物蚀变并形成强酸环境,使得成矿元素Al相对于杂质元素(Si、Fe)发生相对富集,且该过程具有多期次振荡重复的特点。铝土矿形成是热带湿热气候条件下周期性海进-海退循环与长期的大陆古隆起区平坦海岸地形相互耦合的结果。

第五代SHRIMP锆石微区原位氧同位素分析测试方法

氧同位素分析能够为岩石、热液及矿床形成演化提供重要的成因信息,是岩石学与矿床学研究的强有力工具。二次离子质谱仪(SIMS)以其独特的微区原位优势,广泛应用于锆石等矿物氧同位素分析,往代型号SHRIMP存在三维机械样品台在移动过程中发热甚至放气破坏样品腔真空的风险。为了维持样品腔稳定的高真空,保证氧同位素测试精度,本次研究首次利用升级压电陶瓷驱动高真空样品台的第五代高灵敏度、高分辨率二次离子质谱仪(SHRIMPⅤ),建立了氧同位素微区原位分析测试方法。在一次离子强度为3nA,电子枪能量为−1.9keV,束斑大小为25μm,入射狭缝宽度为120μm,^(18)O−和^(16)O−两个接收器狭缝宽度均为300μm的条件下,用锆石标样Temora 2和Qinghu对系统进行调试,获得^(16)O信号强度约为1.2×10^(9)cps,并对标样R33、FC1和Tanz进行了测试。结果表明,标样氧同位素δ^(18)O分析结果与其参考值在误差范围内一致,δ^(18)O单点内在分析精度优于0.30‰(2SE),外在精度优于0.50‰(2SD),测试精度整体与国内外原有SHRIMP相当,验证了仪器准确度、精密度和稳定性。升级高真空样品台后,SHRIMPⅤ样品腔真空度优于2.5×10^(−8)torr(原有SHRIMP为4.0×10^(−8)torr),进一步提高了极限真空及重复定位能力和分辨力,更有利于氧等稳定同位素分析,并为今后传统无水矿物水含量的测试提供了可能。

川西北地区中二叠统栖霞组白云岩成储成藏史的微区地球化学约束及意义

四川盆地中二叠统栖霞组白云岩勘探取得重大突破,已成为勘探研究的焦点,但存在储层厚度薄、非均质性强、分布规律和成藏主控因素不清等问题。通过川西北地区7个典型剖面及10口井200m岩心的取样观察和镜下薄片观察、微区碳氧稳定同位素分析、微区稀土元素分析、碳酸盐矿物激光原位U—Pb定年、团簇同位素测温和包裹体均一温度测试等地球化学手段,约束了栖霞组白云岩的成储成藏史。取得以下3点认识:(1)川西北地区栖霞组白云岩包括块状白云岩、斑状白云岩和灰质斑状白云岩,各类白云岩中识别出石灰岩围岩、他形晶白云石、自形晶白云石、细晶白云石胶结物、鞍状白云石和块状方解石6种结构组分。(2)他形晶白云石和自形晶白云石均为准同生期—浅埋藏期白云石化(细晶白云石胶结物沉淀之前)叠加印支期的中埋藏深度(埋深2~3km)重结晶作用(白云石增生环带,并伴随鞍状白云石、块晶方解石的沉淀)成因。其中他形晶白云石起始于颗粒滩灰岩的交代作用,由他形晶白云石构成的块状白云岩储集空间以溶蚀孔洞为主;自形晶白云石起始于大气淡水岩溶缝洞系统中充填的细粒灰岩白云石化,由自形晶白云石和他形晶白云石构成的斑状白云岩储集空间以自形晶晶间孔为主。二者储集空间本质均来自早表生期大气淡水的岩溶作用,因此古地貌高地为白云岩储层有利勘探区。(3)川西北地区栖霞组主成藏事件发生在以富含烃类包裹体块晶方解石胶结年龄(229Ma±16Ma和229.3Ma±3.4Ma)为代表的印支期,并经历了燕山期—喜马拉雅期差异成藏作用,即逆冲推覆带油气藏遭到破坏,逆冲隐伏带和前陆凹陷带重新形成气藏。这些认识不但对四川盆地栖霞组白云岩储层勘探具重要的指导意义,而且为成储和成藏研究开辟了新途径。

离子探针微区分析技术及其在地球科学中的应用进展

离子探针可在低至微米至纳米级尺度微区原位直接分析元素含量和同位素比值,随着仪器性能的改进、数量的增加、分析方法的发展,在地球科学研究中发挥越来越广的作用。本文回顾了离子探针发展历史,简述了离子探针的工作原理,主要综述了近十年来离子探针仪器性能和分析技术上的进展,包括微量元素分析、稳定同位素分析、同位素体系定年分析及图像分析,并总结了离子探针分析在太阳系外物质、太阳系星云演化、月球形成与演化、地球早期演化、地球古环境研究等方面应用的最新研究进展。

牙形石SHRIMP微区原位氧同位素分析方法

氧同位素温度计已被用于古温度变化研究多年。生物化石磷酸盐中的氧同位素组成对古气候环境变化响应灵敏,牙形石在古生代到中生代的古海洋地层中广泛存在,并具有较为重要的地层学意义,是研究古温度变化的最佳样品之一。SHRIMP具备高分辨、高灵敏、高精度和微量及原位微区分析的特点,可以进行20μm范围内的原位(in-situ)同位素分析。本文介绍了作者利用SHRIMP IIe-MC建立的牙形石微区原位氧同位素分析方法,这是国内关于该方法的首次报导。本文对磷灰石标准样Durango进行了测定,连续七昼夜获得的253次测定结果,平均值为δ18 Oapatite=9.78‰±0.29‰,与该标准参考值δ18 Oapatite=9.81‰±0.25‰(Williams,未刊资料)一致。作者并以二叠系—三叠系界线上下海水温度变化研究为示范,对采自西藏文布当桑二叠系—三叠系剖面上的49个层位中的237件牙形石样品进行了914个氧同位素分析,为研究二叠系—三叠系界线上发生的生物灭绝事件前后的海水温度变化提供了可靠详实的数据。

锆石铀-铅定年激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱原位微区分析进展

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术是目前最常用的锆石U-Pb同位素年龄测定方法之一。该方法能够对单颗粒锆石内部年龄差异实现快速、准确的原位微区分析。文章总结了近年来激光剥蚀系统、ICP-MS技术以及LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法、相关应用实例研究的进展和现状。系统评述了激光发生器,剥蚀池,剥蚀参数(激光波长、脉冲宽度、剥蚀气体、孔径大小)以及四极杆和扇形磁场质谱仪对锆石U-Pb年龄数据的精度和准确度的影响。详细介绍了基于锆石年龄标准样品、标准溶液及其他标样的外标定量校准方法,单个U/Pb比值计算方法,普通铅校正方法以及同位素年龄与微量元素同时测定的方法。目前LA-ICP-MS锆石U-Pb定年技术主要应用于碎屑锆石的沉积物源区示踪和岩浆事件的年代学约束研究。

X射线荧光光谱原位微区分析的地学应用评介

原位微区分析是微观物质研究的重要手段,是现代分析技术的重要发展方向。以扫描核探针(SNM)、同步辐射X射线微探针(SR-XRMP)、二次离子质谱(SIMS)和激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)为主的微区痕量分析技术是一类新的微区分析手段,它从根本上解决了以电子探针分析技术(EMPA)和各类电镜(扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、分析电子显微镜(AEM))为主的电子微束技术(发展较早,已相当成熟)难以分析痕量元素的弱点,使原位微区分析成为一种能测定包括主、次、痕量元素和同位素在内的完整分析体系。文章收集了20世纪80年代以来原位微区X射线荧光分析地质应用探索的文献,首先介绍了相关专著、XRF专著中的相关内容及这方面的重要评述,随后从SR-XRMP、SNM、微束X射线荧光光谱(M-XRF)和多功能X射线荧光光谱仪器等方面评介其地学应用,涉及矿物微区元素分布、地质包裹体、陨石分析、从海洋矿物层状结构和韵律特征进行的成因矿物学研究及海洋环境变化、通过石笋类环带结构和湖泊沉积进行的古环境古气候研究的时间分辨率提高到季节尺度、恐龙蛋化石的铂族元素分布研究生物绝灭事件等。最后从技术特点和应用领域讨论了原位微区XRF分析的分类问题。引文187篇。

微区原位Sm-Nd同位素体系分析技术及其地质应用

微区地球化学是近年来迅速发展的地球化学分支。系统介绍了矿物微区原位Sm-Nd同位素分析技术的发展过程与现状,重点总结了目前主要的适用测试对象(如磷灰石、榍石、独居石和褐帘石等)和质谱测量过程中同量异位素干扰(包括144Sm对144Nd,130Ba16O对146Nd等)的校正方法,并展示了应用微区原位Sm-Nd分析进行年代学和造山带隆升-剥蚀定量研究的部分成果,这些应用实例充分显示了该方法在地球科学研究中所具有的重要意义。

原位微区同位素分析在花岗岩成因研究中的应用

花岗岩及其伴生的镁铁质岩石是构成大陆地壳的重要组成部分,是大陆形成演化的标志物。花岗岩的成因研究,包括花岗岩的岩浆源区及成岩过程,蕴含着大陆地壳生长、岩石圈演化等重要信息。随着二次离子质谱仪(SIMS)和激光多接收电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)的问世,原位微区(in-situ)元素和同位素分析方法开发以及应用使花岗岩成因研究,尤其是花岗岩的岩浆源区和成岩过程等方面得到长足的进展。在仔细阅读相关文献的基础上,结合笔者近年来相关研究工作,综述花岗岩成因研究中原位微区同位素源区示踪和成岩过程的最新进展,以期推动我国花岗岩及原位微区同位素分析方法等相关研究。

原位微区分析标准样品制备技术的研究进展

对原位微区分析标准样品制备技术(熔融玻璃法、粉末压片法、压制烧结法、直接采用天然均匀矿物法及人工晶体合成法等)的研究进展进行了综述,分析了各种方法的优缺点并介绍了各自的应用领域,尤其是深空探索领域,并对陶瓷制备技术在微区分析标准样品研制中的应用前景进行了展望(引用文献53篇)。

原位微区X射线荧光分析在矿物学研究中的应用

从新疆采集了13件岩矿石样品,用于研究蚀变过程中矿物的元素含量变化特征。成都理工大学研制的IED-6000型原位微区X射线荧光分析仪被应用于获得蚀变过程中矿物的化学和物理数据。这种无损的微区X射线荧光分析仪主要是以低功耗X光管和电致冷Si-PIN半导体探测器为基础,采用毛细管X射线透镜实现微区测量的功能,并且能够集成到任何显微镜上进行测量,焦斑长轴直径约110μm。通过微区X射线荧光测量,将黝铜矿更正为黄铁矿,提高了矿物鉴定的效率及准确性;在蚀变剖面研究中,矿化岩石样品的长石颗粒都富含Cu和Zn元素,可以作为找矿直接指示元素。Cr,Mn和Co等元素含量与矿化程度呈负相关。

粤西庙山铜多金属矿床硫化物原位微区分析及S同位素对矿床成因的制约

庙山铜多金属矿床是在粤西阳春盆地内新近发现的一处铜多金属矿床。矿体主要呈似层状和透镜状产于泥盆系的陆源碎屑岩和含泥质的碳酸盐岩中。本文以矿石矿物黄铁矿和闪锌矿为研究对象,采用LA-ICPMS原位微区分析新技术对其微量元素特征进行研究。结果表明,庙山铜多金属矿床中黄铁矿以富Se、Te和As,贫Ni元素为特征,其Co/Ni和S/Se比值特征指示其成因与岩浆热液型矿床密切相关;闪锌矿的微量元素组成指示其主要形成于中高温环境,以富Mn、In、Se,贫Ga、Ge、Tl等元素为特征,总体与国外一些典型的矽卡岩型矿床(如Baita Bihor、Majdanpek、Ocna de Fier和Valea Seaca)相似。同时,闪锌矿的部分微量元素比值(如Zn/Cd、Ga/In等)以及相关的微量元素图解(如Ge-In,Ge-Se等)均表明庙山矿床的成因类型与矽卡岩型矿床一致。硫同位素测试结果表明,矿石的δ^(34)S值较为集中(-0.4‰^+2‰),平均0.69‰,具有较为明显的塔式分布特征,反映成矿物质具有岩浆来源的特征。以地质现象为基础,结合硫化物原位微区分析和硫同位素数据,我们认为庙山铜多金属矿床属于与岩浆热液有关的矽卡岩型矿床。

微区原位普通铅同位素分析技术及其地质应用进展

应用激光剥蚀—多接收器电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)和二次离子质谱(SIMS)等分析技术进行微区原位普通Pb同位素分析是微区地球化学研究的重要内容之一。综述了矿物、熔体包裹体和沉积结核的微区原位普通Pb同位素分析技术及其地质应用的新进展。这些研究资料表明该分析技术在岩浆岩成因、沉积物物源示踪、地幔地球化学、古海洋学以及矿床学等的研究中提供了常规的全岩Pb同位素分析方法难以获得的重要信息,充分展示了该分析技术在地球科学研究中的应用前景。

同步辐射微区X射线荧光光谱法原位分析蚯蚓中K,Ca,Cu,Zn和Pb

为了研究重金属元素在蚯蚓体内的富集和存储机制,使用同步辐射微区X射线荧光光谱法(μ-SRXRF)研究了K,Ca,Cu,Zn和Pb元素在生长于南京栖霞山铅锌矿区附近菜园土壤的蚯蚓体内的分布特征,发现Pb主要富集在蚯蚓后部消化道周围的区域,Zn,Cu在蚯蚓后部的分布规律与Pb类似,推测后部消化道周围区域的分布是蚯蚓为了阻断毒性重金属元素威胁而特有的富集和存储方式。5种元素的相关性表明,Pb和Zn相关性最高,存储方式最为相似,Pb与K和Ca在蚯蚓后部的分布呈显著正相关,说明毒性元素Pb在蚯蚓体内的富集和存储过程可能伴随着其它元素的吸收。本研究表明,μ-SRXRF在原位微区分析蚯蚓样品的元素空间分布方面具有很大优势,而进一步开展土壤及蚯蚓中Pb的形态研究,是研究重金属胁迫下蚯蚓解毒机制的重要前提。

石英和锆石Ti温度计在地学中的应用及其Ti含量的微区分析技术进展

石英和锆石Ti温度计在地球科学研究领域具有广泛的应用,本文系统回顾了石英和锆石Ti温度(压力)计发展史,并综述了其在地学中的典型应用实例。当前主要有3个石英Ti温度计和2个锆石Ti温度计计算公式,这些公式的使用范围和适用的地质情况已有统一的认识。石英和锆石Ti温度计应用的前提是Ti含量的准确测定。本文综述了现有Ti元素含量微区分析技术(电子探针、离子探针和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱),重点讨论了激光剥蚀电感耦合等离子质谱在石英和锆石Ti分析的技术难点,包括不可控的剥蚀行为、多原子离子团干扰、缺乏基体匹配的标准物质等。最后展望了该技术未来发展趋势,特别是采用飞秒激光、高灵敏度/高分辨SF-ICP-MS、三重四级杆ICP-MS等仪器,有望实现低含量(<5.0×10^(-6))Ti的准确测定,这为石英和锆石Ti温度计的广泛应用提供有力保障。

新疆库尔尕生铅锌矿床成矿作用:来自石英和闪锌矿原位微区成分的约束

库尔尕生铅锌矿床位于新疆西天山赛里木地区,是一个形成于板内伸展环境中的热液脉型铅锌矿床。矿体呈脉状、网脉状以及透镜状赋存于上泥盆统托斯库尔他乌组上亚组中,并受控于3条近平行展布的NW向断裂带。成矿过程可分为无矿石英阶段(Ⅰ)、石英–多金属硫化物阶段(Ⅱ)(主成矿阶段)和方解石阶段(Ⅲ)3个阶段。笔者利用LA-ICP-MS方法对不同成矿阶段石英和闪锌矿进行了原位微区分析。结果表明:①库尔尕生铅锌矿床Ⅰ阶段和Ⅱ阶段石英中含有多种微量元素,主要富集Al、K、Na和Li。Al、K、Na、Li的质量分数分别为547.56×10^(-6)~4355.49×10^(-6)、9.41×10^(-6)~626.66×10^(-6)、23.78×10^(-6)~994.40×10^(-6)以及43.37×10^(-6)~265.52×10^(-6),Al与Li+Na+K之间呈显著的线性正相关关系;Ti、Ge含量较低,分别为3.17×10^(-6)~14.05×10^(-6)、1.77×10^(-6)~6.50×10^(-6),反映成矿温度较低。从Ⅰ阶段到Ⅱ阶段,石英中Ti含量在逐渐降低,指示成矿流体温度在逐渐降低;Al含量也在降低,反映成矿流体的pH值在逐渐升高。与世界典型的斑岩型和浅成低温热液型铅锌矿床相比,库尔尕生铅锌矿床的石英微量元素特征更类似于浅成低温热液型矿床。②闪锌矿中Mn、In、Fe、Ga、Ge等微量元素的含量和比值表明矿石形成于中低温环境,进一步利用闪锌矿GGIMFis温度计限定成矿温度为122~178℃。Ga/In值与lnw(Ga)-lnw(In)特征反映闪锌矿的形成与沉积作用有关。综合围岩地层的微量元素特征及前人Pb同位素研究,推测库尔尕生铅锌矿床部分成矿物质来源于围岩地层。