硅酸锆铀铅材料的制备及其在SIMS铀铅测定中的应用研究

论文摘要

基于二次离子质谱具有极高的微区空间分辨能力和灵敏度,SIMS锆石铀铅定年法成为矿物定年的重要方法之一。除SIMS仪器测试参数以及铀、铅自身的电离能差异之外,不同锆石中微量元素组成的差异以及晶体结构差异等也同样可引起铀、铅二次离子强度比值与其在样品中含量比值的差异,这导致即使采用了标样比对法,也可能因为基体效应而影响年龄测试结果。因此,针对基体效应问题,本文通过制备不同组成的硅酸锆铀铅材料,从元素组成、含量等方面探讨了基体效应对SIMS铀铅同位素二次离子强度的影响。采用高温熔融工艺和溶胶-凝胶工艺制备了两种类型的硅酸锆铀铅材料:硼酸盐-硅酸锆熔融铀铅材料和溶胶-凝胶硅酸锆铀铅材料。1)高温熔融法的最佳工艺条件是硅酸锆:硼酸盐助熔剂=3:7（m/m）、1050℃1100℃搅拌熔融30 min。通过LA-ICP-MS的测试结果表明,高温熔融材料中铀铅的均一性优于0.5%,铅同位素比值均一性优于0.2%;2)溶胶-凝胶法制备系列硅酸锆铀铅材料时,温度对硅酸锆合成速率的影响占主要因素。通过掺杂适量稀土元素钇,在1350℃合成条件下,铅的回收率在9095%范围内。同时,LA-ICP-MS的测试结果表明,溶胶-凝胶硅酸锆材料中铀铅元素均一性均优于5%,铅同位素均一性优于0.6%。为了反映样品中铀铅二次离子强度比值与铀铅含量比值间差异程度,本文采用α值进行表示,即206Pb/238U=α(206Pb+/238U+。通过对系列铀浓度的硼酸盐-硅酸锆熔融材料和溶胶-凝胶硅酸锆材料（U:100010000μg/g、Pb:2502500μg/g）的研究,发现相同基体以及测试条件下,系列材料中α值为某一恒定值,不随铀铅含量的变化而变化,为判断高铀锆石铀铅年龄的准确度提供了理论依据;通过对硼酸盐-硅酸锆熔融铀铅材料以及溶胶-凝胶硅酸锆铀铅材料研究表明,α值受基体组分的影响较大,受基体结构的影响次之。在一定范围内溶胶-凝胶硅酸锆铀铅材料的制备温度及掺杂元素含量与其α值正相关,为进一步制备α值与天然锆石接近的人工硅酸锆材料提供依据,同时也为提高SIMS锆石铀铅定年的准确性及锆石标样的选择提供更合理的参考依据。以“连山关”铀矿床沥青铀矿样品和八氧化三铀为铀、铅同位素源,钇为掺杂元素,通过溶胶-凝胶工艺制备了系列不同铀铅同位素组成的硅酸锆材料。在相同SIMS测试条件下,人工制备的硅酸锆铀铅材料α值与天然锆石标样的α值间为常数关系,C=（<sup>α天然）/（α合成）。实验分别采用标准锆石样品（Plesovice）与人工硅酸锆铀铅材料进行同等条件下的SIMS测试,获得天然锆石α值与人工硅酸锆材料α值间的系数C。对天然锆石Mud Tank的SIMS测试结果表明,以溶胶-凝胶硅酸锆铀铅材料作为参考物和以标准锆石样品（Plesovice）作为参考物的206Pb/238U测定结果基本一致。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 缩略词
• 1 引言
•   1.1 锆石铀铅定年方法概况
•   1.2 SIMS工作原理
•   1.3 SIMS基体效应
•     1.3.1 SIMS基体效应定义
•     1.3.2 基体效应对离子强度影响
•   1.4 SIMS锆石标样
•     1.4.1 天然锆石标样
•     1.4.2 人工制备标样
•     1.4.3 元素及同位素均一性表征
•   1.5 硅酸锆铀铅材料的制备依据
•   1.6 硅酸锆铀铅材料制备的关键问题及工艺选择
•     1.6.1 关键问题
•     1.6.2 制备工艺的选择
•   1.7 本文主要工作
• 2 硅酸锆铀铅熔融材料的制备及表征
•   2.1 研究背景与目的
•   2.2 实验试剂与设备
•     2.2.1 试剂
•     2.2.2 制备设备
•     2.2.3 表征及测试设备
•   2.3 实验步骤
•   2.4 原料配比对材料均一性的影响
•     2.4.1 助熔剂与硅酸锆的比例对熔融体均一性的影响
•     2.4.2 助熔剂配比对熔融效果的影响
•     2.4.3 熔融时间对铀铅均一性的影响
•     2.4.4 电子探针微区表征熔融材料均一性
•     2.4.5 LA-MC-ICP-MS法对熔融材料均一性表征
•   2.5 本章小结
• 3 溶胶-凝胶法制备硅酸锆铀铅材料
•   3.1 正硅酸乙酯-硝酸氧锆制备铀铅硅酸锆机理
•   3.2 实验试剂与设备
•     3.2.1 试剂
•     3.2.2 制备设备
•     3.2.3 表征及测试设备
•   3.3 正硅酸乙酯-硝酸氧锆制备硅酸锆实验步骤
•   3.4 工艺条件对制备材料的影响
•     3.4.1 催化方式的选择
•     3.4.2 凝胶的干燥
•     3.4.3 凝胶的热预处理
•     3.4.4 制备温度及时间对产物影响
•     3.4.5 制备温度、铅物理丢失以及硅酸锆产率的关系
•     3.4.6 不同的掺杂组分对硅酸锆制备的影响
•     3.4.7 综合比较结果
• 206Pb/²³⁸U比值硅酸锆材料的制备'>  3.5 系列²⁰⁶Pb/²³⁸U比值硅酸锆材料的制备
• 206Pb/²³⁸U比值的材料制备原理'>    3.5.1 系列²⁰⁶Pb/²³⁸U比值的材料制备原理
•     3.5.2 铀矿石标本选择及系列铀铅溶液的制备
•     3.5.3 系列硅酸锆铀铅材料的制备及表征结果
• 206Pb/²³⁸U比值测定及对应表观年龄'>    3.5.4²⁰⁶Pb/²³⁸U比值测定及对应表观年龄
•   3.6 本章小结
• 4 基体对SIMS铀、铅二次离子强度的影响
•   4.1 研究背景与目的
•   4.2 硼酸盐熔融材料中铀铅含量与铀铅二次离子强度的关系
•     4.2.1 系列铀、铅含量硼酸盐-硅酸锆熔融材料的制备
•     4.2.2 硼酸盐-硅酸锆熔融材料中不同铀铅比值对α值的影响
•     4.2.3 硼酸盐基体中铀铅含量对α值的影响
•   4.3 硅酸锆材料中铀铅含量与铀铅二次离子强度的关系
•     4.3.1 不同条件对应的材料中铀铅含量与二次离子强度的关系
•     4.3.2 不同温度下掺杂元素对铀-铅二次离子强度的影响
•     4.3.3 不同温度下稀土钇对铀铅二次离子强度的影响
•     4.3.4 三种稀土对铀铅二次离子强度的影响
•   4.4 硅酸盐玻璃（NIST610）铀铅α值
•   4.5 样品靶件空间基体效应对铀铅二次离子强度的影响研究
•     4.5.1 空间基体效应
•     4.5.2 空间基体效应样品靶的制备
•     4.5.3 空间基体效应讨论
•   4.6 本章小结
• 5 硅酸锆铀铅材料在SIMS铀铅测定中的应用
•   5.1 应用依据
•   5.2 实际样品的测定
•   5.3 本章小结
• 6 结论
•   6.1 全文总结
•   6.2 创新点
•   6.3 不足之处
• 参考文献
• 致谢
• 附录1
•   部分SIMS测试数据
• 附录2
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它科研成果
• 附录3
•   SIMS锆石样品测量流程
•     1.SIMS样品制靶操作
•     2.图像表征
•     3.分析测试参数优化
•     4.数据处理
• 附录4
•   个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李伯平

导师: 郭冬发,崔建勇

关键词: 锆石,铀铅定年,参考物质,二次离子质谱,基体效应

来源: 核工业北京地质研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 核工业北京地质研究院

基金: 中核集团",龙腾2020",科技创新计划项目《高分辨微区分析技术研究》

分类号: P597

总页数: 127

文件大小: 5109K

下载量: 37