火星和月球内部的水含量以及来源是比较行星学研究的热点,前者对矿物、熔体的物理化学性质和过程有显著的影响,后者与这些星体的成因密切相关。对于火星和月球而言,主要有两条途径获得其内部的水含量,一是分析含水矿物(主要为磷灰石)的水含量,基于矿物/熔体分配系数计算出母岩浆的水含量;另一种途径是直接测定早期结晶矿物中包裹的岩浆包裹体,但需要校正岩浆上侵过程中的去气丢失。为此,需要建立满足低水含量和高空间分辨要求,针对磷灰石、硅酸盐玻璃水含量和H同位素的分析技术。
地质地球所纳米离子探针实验室胡森副研究员及其合作者,利用Cameca NanoSIMS 50L型纳米离子探针分析平台,成功实现了三种分析模式(跳峰同位素模式、多接收同位素模式和多接收元素模式)的水含量和H同位素分析方法,能够满足不同研究目的的分析要求。他们通过特殊的样品制备、分析束流、驻留时间等条件测试,将H本底降至5-10ppm以内。采用该分析技术,水含量的分析精度优于6.9% (2SD),H同位素的分析精度优于45‰(2SD)。他们还发现,虽然磷灰石和硅酸盐玻璃的水含量与OH/O比值有完全不同的相关性(图1c),但是它们的水含量与H/O比值具有完全一致的相关性(图1a,b)。这一发现对克服离子探针分析所存在的标准样品瓶颈提供很大帮助,即样品水含量不超过1 wt%时,可以采用磷灰石和硅酸盐玻璃的校正曲线。该方法不仅为火星和月球内部水含量研究提供了重要的技术支撑,而且还可应用于地球样品水含量的测量。
图1:三种水含量和H同位素分析模式的水含量校正曲线
(a)跳峰同位素模式;(b)多接收同位素模式;(c)多接收元素模式
该研究成果近期发表在国际知名质谱分析期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry(Hu et al. Measurements of water content and D/H ratio in apatite and silicate glasses using a NanoSIMS 50L. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2015, 30(4): 967-978)。
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