铬族元素同位素分析与天体化学应用 ——以钨、铬同位素为例

论文摘要

铬族元素包括铬、钼、钨三种过渡金属元素,它们都是难熔元素,在天体化学中各自有着重要的应用:铬同位素体系同时包含了53Mn-53Cr灭绝核素定年体系（半衰期3.70百万年）和54Cr核合成异常体系;钼的七个同位素可以很好地制约p-过程、s-过程和r-过程核合成异常物质在早期太阳系星云中的混合情况;钨同位素则以182Hf-182W灭绝核素定年体系在研究早期太阳系演化中不可或缺。近十几年来,随着高灵敏度多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）和热电离质谱（TIMS）的广泛应用,多种元素（特别是金属元素）的同位素测量分析方法取得重大突破。根据同位素中的质量分馏处理方式不同,多接受质谱测量可以分为非质量相关分馏分析和稳定同位素分析。铬族元素在天体化学中的分析应用首先以非质量相关分馏研究为主,它包含了灭绝核素衰变、宇宙辐射效应和核合成异常导致的同位素变化。其中,铁陨石中的钨同位素研究,需要综合考虑以上三种同位素变化的影响,具有典型性和代表性:铁陨石中的钨同位素研究可以帮助理解行星和小行星的形成、分异过程及其发生的时间和机理。现代太阳系中,广泛分布的钨元素的一个稳定同位素182W部分是由182Hf在太阳系早期衰变而来（半衰期8.9百万年）。铪是亲石元素,钨是中等亲铁元素,因此在早期行星和小行星的金属一硅酸盐相分异过程中,铪留在硅酸盐相;而钨大部分进入了金属相。如果陨石母体的金属—硅酸盐分异发生在182Hf完全衰变之前,最终金属和硅酸盐相中的钨同位素比值即会存在显著差异,金属相相对182W亏损,硅酸盐相相对182W富集。然而,铁陨石中的182Hf-182W体系会受到宇宙辐射效应影响:钨同位素暴露在宇宙射线中会发生中子捕获反应,使182W比值逐渐降低,进而影响182Hf-182W体系在铁陨石研究中的应用,因此我们需要找到合适的方法来定量校正宇宙射线对天体样品中钨同位素的辐射效应。近期研究显示,具有亲铁性的铂同位素具有较大的热中子捕获面积,可以用来指示热中子捕获反应发生的程度。锇和铂一样,都是较强亲铁元素,因此在铁陨石中的含量较高,另外,锇比铂更不容易受核合成异常影响,因此锇同位素可能是更优秀的钨同位素宇宙射线辐射效应的指示剂。本论文通过深入讨论钨、锇同位素宇宙辐射效应的原理,首先提出使用189Os/192Os对190Os进行质量分馏校正以避免化学组分变化对钨—锇同位素校正关系的影响,并分别重现了高精度钨、锇同位素测量方法,对多个化学族的铁陨石进行了测量。充分考虑核合成异常和183W非质量相关分馏的影响后,我们首次通过ⅡD、Ⅲ和ⅣB三族铁陨石的数据使用拟合得出了钨、锇同位素指标的内部校正斜率,这个值也与热中子捕获模型所得到的校正斜率一致。最终我们使用这个统一的钨一锇同位素宇宙辐射效应校正斜率来校正已有的ⅡD、ⅡAB、ⅢAB、ⅣA和Ⅳ族铁陨石数据,从而得到更加精确的每族钨同位素初始值。这些铁陨石的形成年龄基本与前人工作一致,但IED族铁陨石显示出更晚形成的特征,表明ⅡD族铁陨石的铂同位素可能受到了核合成异常影响。相比于前人认为的这些分异铁陨石族母体形成于两个时间段的结论,我们认为铁陨石母体的形成也可能是连续发生的。近年来,铬族元素的稳定同位素分析也在不断发展,在天体化学中拥有巨大的潜力,特别是地月样品的铬稳定同位素分析,可以帮助制约月球形成过程和氧逸度情况。铬族元素的稳定同位素分析都需要使用双稀释剂方法,它具有不受仪器质量分馏、提纯过程中的质量分馏影响的优点。为了更好地理解双稀释剂方法的原理和不同双稀释剂校正效果,本论文工作中我们首先探究了双稀释剂的原理和计算方法,从理论上证明了双稀释剂质量分馏误差不会影响计算结果,并模拟了钨、铬同位素的最优双稀释剂组成。在铬族元素中,铬的质量数最小,在电感耦合等离子质谱分析中常常受到同质异位素原子或分子的干扰,因此相对钼、钨稳定同位素测量更具有难度。为此我们简化了双稀释剂校正流程,进一步探究各种干扰对铬稳定同位素计算结果的影响。实验证明本方法不仅具有较高的测试精度,同时也可以排除不同样品中可能存在的同质异位素干扰对测量的影响。本论文工作成功分析了多种国际岩石学标样的铬同位素组成。这为研究地月和行星间铬族元素稳定同位素分馏打下了基础。综上所述,包括非质量相关分馏和稳定同位素分馏在内的铬族元素高精度同位素分析可以帮助理解多种重要的天体、地球演化过程。本论文以铬族钨、铬同位素为例,深入地讨论这两种高精度同位素分析方法的步骤、计算方法和应用。不仅可以帮助理解这些同位素所指示的自然界过程,还可以作为其他同位素体系科学工作者优化高精度同位素分析方法的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1. 铬族元素简介
•   1.2. 非质量相关分馏与稳定同位素研究
•   1.3. 钨同位素在天体化学中的应用
•     1.3.1. 铪钨灭绝核素定年体系
•     1.3.2. 后期增生与造月大碰撞
•     1.3.3. NC、CC陨石分族与木星形成
•   1.4. 铬族元素稳定同位素分析方法
•     1.4.1. 铬稳定同位素应用
•     1.4.2. 铬稳定同位素分析方法
•   1.5. 拟解决的科学问题
•   1.6. 研究内容、难点及论文工作量
•     1.6.1. 研究内容
•     1.6.2. 研究难点
•     1.6.3. 论文工作量
• 第2章 铬族元素非质量相关分馏—铁陨石中的钨同位素研究
•   2.1. 引言
•     2.1.1. 铁陨石及其演化历史
• 182Hf-¹⁸²W体系的影响'>    2.1.2. 宇宙射线对¹⁸²Hf-¹⁸²W体系的影响
•     2.1.3. 铂、锇同位素校正钨同位素辐射效应
•     2.1.4. 核合成同位素异常
•     2.1.5. 钨、锇同位素异常
•   2.2. 高精度钨同位素分析方法
•     2.2.1. 钨同位素提纯分析原理
•     2.2.2. 钨分析实验流程
•     2.2.3. 分析结果及讨论
•     2.2.4. 钨在离子交换柱上的稳定同位素分馏
•     2.2.5. 锇同位素提纯流程
•     2.2.6. 锇同位素质谱分析
•     2.2.7. 铁陨石的锇同位素分析
•   2.3. 铁陨石钨、锇数据与讨论
•     2.3.1. 质量分馏校正对非质量相关分馏差异的影响
•     2.3.2. 铁陨石钨同位素差异分析
•     2.3.3. 锇同位素差异成因与辐射效应指标
•     2.3.4. 钨-锇宇宙辐射效应校正
•     2.3.5. 数据比较与讨论
•     2.3.6. 铁陨石母体的热演化模型
•   2.4. 小结
• 第3章 铬族元素质量相关分馏—铬稳定同位素分析方法
•   3.1. 引言
•     3.1.1. 质量分馏原理和定律
•     3.1.2. 双稀释剂方法原理
•   3.2. 双稀释剂校正、样品同位素组成及误差优化的理论计算
•     3.2.1. 双稀释剂方程
•     3.2.2. 双稀释剂的校正
•     3.2.3. 计算样品同位素组成
•     3.2.4. 基于不同双稀释剂成分的误差优化
•   3.3. 基于双稀释剂的铬高精度稳定同位素测量方法及应用
•     3.3.1. 分析流程
•     3.3.2. 数据处理
•     3.3.3. 结果与讨论
•     3.3.4. 小结
• 第4章 总结与展望
•   4.1. 总结
•   4.2. 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张群

导师: 秦礼萍

关键词: 钨同位素,锇同位素,铬同位素,宇宙辐射效应,双稀释剂

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P148

总页数: 117

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