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天然和实验火成岩系统物质主量与微量元素的LA-ICP-MS分析

2018.11.28

相比其他许多原位技术，LA-ICP-MS 技术的精度相同或更高，且速度更快。在地球科学中的应用主要集中在研究天然和实验地质材料的组成上，包括分析全岩硅酸盐玻璃、无助焊剂压制粉末薄片或材料的熔融片、原位探测单个矿物、捕虏晶、流体和熔体包裹体、实验产物和富铁的微金块，以及复杂（多相）材料的多维化学填图等。

1 引言

矿物的主量和微量元素组成能够给全球的各种地球系统过程提供颇有价值的信息，包括不同地幔岩浆房的熔融、地壳的生长和演化以及经济上可开采矿床的形成等。我们总结了主量和微量元素LA-ICP-MS 分析中需要考虑的一些主要问题，重点是这些技术在火成岩和实验岩石学领域中取得的进展。

2 使用LA-ICP-MS 技术分析地质材料的方法和挑战

2.1 外部校准

对于LA-ICP-MS 分析的外部校准，当元素种类数大于40 时，只有少数物质才能提供具有足够精度的参考值。其中最重要的是由美国国家标准与技术研究所（NIST SRM）生产的系列合成玻璃，其掺杂有不同浓度的微量元素（例如NIST SRM 612）（图1），并允许使用LA-ICP-MS 技术对超过60 种元素进行精确分析。
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图1　一张加上标注的元素周期表

2.2 激光诱导元素分馏（LIEF）

激光诱导元素分馏（LIEF）通常被归因于元素原子质量、第一电离势、冷凝温度和地球化学行为（即亲石性、亲铜性或亲铁性）的差异。
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图2　激光诱导元素分馏平均值

2.3 基体匹配和内部校准

对LA-ICP-MS 数据进行非基体匹配校准时，要求对LIEF 值的范围（即第2 组和第16 组元素的LIEF 值之间的总范围）或LIEF 本身的分布在外部标准参考物质和未知样品之间的微小差异进行严格评估。

2.4 干扰的校正

对干扰可以测量和校正；可以通过使用可调扇形场设备来增加质量分辨率以减少干扰；或者使用位于具有低分辨率的现代离子光学器件和质量分析仪之间的碰撞/ 反应池来使其变弱。

3 LA-ICP-MS 技术的应用

3.1 硅酸盐玻璃和熔体包裹体

海底火山玻璃对地球化学家而言是无价之宝，由于其均匀性允许使用如LA-ICP-MS 这样的原位技术进行分析。

3.2 全岩分析

另外一种用于全岩研究的方法就是将样品完全熔化。这可以采用在使用或不使用硼酸锂助熔剂的情况下，将粉末状岩石样品制成玻璃的办法来实现。这种样品制备方法使其能够采用LA-ICP-MS 技术进行后续的分析。

3.3 矿物和配分相关系数分析

LA-ICP-MS 技术的一个主要优点是能够通过处理
最少的样品就能分析单个的矿物，而且在数据处理过程中可以选择有代表性的烧蚀信号间隔。

3.4 化学制图

通过LA-ICP-MS 技术可以在微米尺度上对单个矿物和矿物组合进行化学制图。对矿物颗粒的平行线扫描数据可以综合起来生成二维化学成分图，而在表面上不断向前进行重复扫描可以获得三维化学成分图。

3.5 LA-ICP-MS 和实验岩石学

通过提供直径从几微米到几百微米的光斑大小，LA-ICP-MS 使实验岩石学家可以用跟传统的主要元素EμmA分析相同的方式对微量元素浓度进行实验平衡校准。
图3　利用LA-ICP-MS 技术对硫化矿物进行激光成像的能力演示
图3　利用LA-ICP-MS技术对硫化物矿物进行激光成像的能力演示

4 未来的发展

化学制图的最新进展表明，该技术的科学影响，特别是在解决与火成岩成岩过程有关的问题时，仍将会继续增长。然而，对地质材料中主量和微量元素的分布进行对用户友好的、完全定量的激光成像仍然未能实现。未来进一步对于天然和实验火成岩系统的研究都具有重要价值，包括各种原位成像技术（例如SIMS、EMPA 和LA-ICP-MS）之间的完全集成。

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