混合气等离子体改进飞秒激光非基体匹配副矿物U-Pb定年方法研究

Laser ablation inductively coupled plasma (LA-ICP-MS/MC-ICP-MS) as a powerful analytical technique has been widly used for U-Pb dating of accessory U-bearing minerals. Due to lack of mineral standards, element fractionation and matrix effect on the result should not be ignored, which has consider to be one of the most hot topics in analytical geochemistry. It is more significance in theory and practice. The aim of this project is to improve the laser ablation process and the ionization process of the aerosol in the plasma by femtosecond laser ablation system in conbination with mixed gas plasma technique, so as to reduce the element fractionation and suppress matrix effect in LA-ICP-MS/MC-ICP-MS, and finally establish non-matrix-matched method for U-Pb dating of accessory U-bearing minerals at high spatial resolution by mixed gas plasma fs-LA-ICP-MS. The mechanism of element fractionation and matrix effect in mixed gas plasma are also be studied in this proposal. It is foreseeable that this study will greatly broaden our field of work and provide strong technical support for further research on geological problems and promote more innovative research achievements in the field of geoscience.

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）作为强有力的微区原位分析技术之一，被广泛应用于含U副矿物U-Pb定年分析中。由于各种矿物分析标样严重缺乏，如何克服基体效应及元素分馏对测定结果的影响一直是该技术的研究热点和难点，具有重要的理论和实践意义。本项目采用飞秒激光剥蚀系统结合混合气等离子体技术的办法来改善激光剥蚀过程以及气溶胶在等离子体中的激发电离过程产生的元素分馏，达到抑制基体效应的效果，最终实现高空间分辨率非基体匹配副矿物 U-Pb 定年准确分析。本项目也将探讨混合气等离子体中元素的离子化行为，探究基体效应的产生及作用机理。可以预见，本研究将极大的拓宽我们的工作领域，为更多地质问题的深入研究提供强有力的技术支撑，促进我国在地球科学等领域取得更多创新性研究成果。

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱已广泛应用元素含量和同位素组成分析，但基体效应和灵敏度仍然是制约该技术准确分析的主要因素。我们研究发现有机活性基体虽然增加部分含碳多原子离子的质谱背景信号，但却能显著抑制含Ar和含Cl等多原子离子的产生，同时能明显改善非质谱抑制效应。有机活性基体导致的元素有不同程度的灵敏度增大，而增敏程度不仅受观测元素的第一电离能控制，还受有机活性基体性质、碳引入量以及ICP-MS操作参数控制。我们认为元素的增敏机理是并不是单一机制，而是多种机制协同工作。我们的研究还发现2% (v/v)乙醇/水蒸气混合等离子体联用屏蔽炬技术能有效改善高空间分辨率（10-16μm）锆石U-Pb定年分析的精密度、准确度以及不确定度。我们还研究了飞秒激光联用混合气等离子体对基体效应的影响。结果表明该联合技术对多数基体效应无显著抑制作用，但在采用NIST610作外标校正的情况下，独居石（44069）和磷钇矿（BS-1和MG-1）能获得准确的年龄。同时实验也证实激光剥蚀条件（激光束斑大小、剥蚀频率、能量密度以及剥蚀方式）等对剥蚀过程中的激光剥蚀行为和同位素分馏虽有影响，但是其影响程度不足于通过优化激光剥蚀参数达到抑制不同矿物之间的基体效应的目的。分析其主要原因是由于飞秒激光脉冲宽度窄，激光与样品相互作用时间短，剥蚀点位的热效应很快就消失，水蒸气与剥蚀点位的气溶胶物质发生反应的时间短，导致发生的某种物理化学反应不完全。通过上述实验结果，可以推断飞秒激光较纳秒激光虽然激光剥蚀点位置的同位素热分馏效应得到了有效改善，但飞秒激光系统中基体差异较大的矿物剥蚀行为仍然迥异，还存在因不同剥蚀速率产生的同位素分馏，目前来看这是飞秒激光系统中最主要的同位素分馏来源。