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「技术」【系列成果】重点研发计划“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”新进展


【系列成果】重点研发计划“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”新进展
「技术」【系列成果】重点研发计划“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”新进展
本文插图

矿床 ， 尤其是大型矿床 ， 往往是复杂地质过程多期次综合作用的结果 。 现代矿床学研究需要对矿床形成不同期次的复杂产物进行精细分析 ， 以精确限定成矿物质来源 ， 准确厘定成矿时间与期次 ， 查明成矿元素的赋存方式 ， 详细刻画元素迁移-富集-沉淀机理 ， 从而精准重建成矿过程 。 ——“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”项目任务书
我国现有的分析技术已无法满足现代矿床学精细研究的要求 ， 因此科技部2019年设立了以中科院地质与地球物理研究所李献华院士为负责人的国家重点研发计划项目“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术” ， 以升级或变革现有面向矿床学研究的微区原位分析技术 。
项目自启动以来 ， 中国科学院地质与地球物理研究所联合中国科学院地球化学研究所、中国科学院广州地球化学研究所、中国科技大学、清华大学和中山大学等研究机构的科研人员协同创新 ， 开展联合技术攻关 ， 取得一些重要进展 。
在刚出版的Surface and Interface Analysis最新一期“SIMS Research in China”(中国离子探针研究)专辑上 ， 该项目成员发表了6篇研究论文（均为专项第一资助） ， 集中报道了该项目成员在SIMS微区分析标准物质研发、小束斑锆石定年、低水含量分析、微弱信号提取以及离子图像识别等新技术研发中取得的多项研究成果 。
一、大型SIMS水含量和氧同位素的同时分析
水等挥发分与成矿作用息息相关 ， 也是地球和行星科学研究的前沿和热点 。 除了定年和稳定同位素分析 ， SIMS进行水含量分析由于具有同时获得氧同位素组成的优点受到了越来越多的重视 。
但是对水含量非常低的名义上无水矿物如橄榄石等进行水含量分析 ， 要求分析系统具有极低的背景值 。 目前国际上利用大型SIMS对名义上无水矿物水含量分析进行了一些尝试 ， 但获得的水背景值过高（20-40 ppmw） ， 难以满足橄榄石等水含量分析的要求 。
项目组自主开发了自动化液氮加注系统以及合金超高真空制靶技术 ， 在提高了仪器自动化水平的同时极大的降低了分析系统内的水背景值 ， 并通过优化SIMS分析条件 ， 将分析系统的水背景值降至1.2 ppmw以下 。
在此基础上 ， 项目组通过系统的FTIR分析 ， 建立了一套适用于大型SIMS水含量分析的橄榄石标样 ， 实现了大型SIMS水含量和氧同位素的同时分析 。 该项研究成果被该期杂志以封面文章的形式突出报道(图1） 。
「技术」【系列成果】重点研发计划“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”新进展
本文插图

图1 该期杂志封面页
二、高空间分辨率(2-3 μm)离子探针定年
年代学是矿床学等地球科学研究的核心内容之一 ， 而锆石U-Pb定年是SIMS在地球科学领域最重要的应用 。 目前常规的SIMS锆石U-Pb定年一般在10-30 μm的空间分辨尺度上进行 ， 精度可以达到～1%水平 。 对于内部结构复杂或颗粒细小的锆石 ， 10-30 μm空间分辨率并不能满足当前研究的需求 。
项目组通过对SIMS双等离子体源等关键部件的改进(图2) ， 在延长其在高功率条件下稳定工作时间的同时 ， 将O-离子束的最大束流提高了50%以上 。 在此基础上 ， 使用高斯照明模式获得了强度为200 pA ， 直径为2-3 μm的一次离子束 。 通过对91500、Temora、Plesovice及Qinghu几种常用的锆石U-Pb年龄标准进行分析 ， 证明经过改进的IMS-1280HR SIMS可以在2-3 μm尺度上进行U-Pb定年 ， 且基本不损失或仅损失较小的分析精度(1%-2%) ， 从而大大提高了锆石U-Pb定年的空间分辨率 ， 进一步拓展了定年的对象 。
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