月球陨石Dhofar1442岩相学和地球化学特征研究——以及Cr同位素组成的高精度测定方法

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本论文主要包括两个方面的研究工作,(1)月球陨石Dhofar1442的岩相学和地球化学特征研究;(2)建立铬(Cr)同位素的热电离质谱高精度测定实验方法。  月球一直是行星科学和深空探测的研究热点和前沿,是了解地球和其他类地行星早期演化的窗口。除了阿波罗(Apollo)和月神(Luna)计划返回的月岩和月壤,月球陨石是目前人类获得的唯一来自月球的样品。月球陨石相比于集中在月球近边采集的样品具有更广泛的代表性,是对阿波罗(Apollo)数据的重要补充,可提供月球表面不同区域的矿物组成、岩石类型、冲击变质程度以及化学成分等重要信息。  月球陨石Dhofar1442是一块富集碎屑的月球表土角砾岩。岩相学观察表明,在其玻璃质基质中存在大量的晶屑、玻屑和岩屑,以及气孔和玻璃小球(spherules)。晶屑包括辉石、长石、橄榄石和少量的石英、氧化物以及陨硫铁和Fe,Ni金属,钾长石、锆石和磷酸盐的含量极低。岩屑类型主要为玄武岩屑、辉长岩屑、冲击熔融角砾和演化程度较高的花岗斑岩碎屑等。此外,该样品的风化程度较低。  Dhofar1442薄片中的玄武岩屑属于超低钛(VLT)玄武岩,稀土元素(REE)配分模式显示正Eu异常,与绝大部分月海玄武岩不同,仅类似于Luna24采集的部分VLT玄武岩和月球陨石Kalahari009。因此推测其源区初始物质是在岩浆洋发生长石分异结晶之前就开始结晶进而下沉堆晶在岩浆洋底部,并在月幔倒转过程中不均匀分布在整个月幔,成为亏损不相容元素的VLT月海玄武岩的源区。冲击熔体和冲击玻璃的成分可反映其所在区域月壳的性质。微量元素分析表明,Dhofar1442冲击熔融角砾的原岩可能来自于斜长岩质高地地体或月海玄武岩区域,或是两者混合之后的产物;Dhofar1442来源区域原岩不存在高钛(HT)玄武岩、富镁岩套以及富KREEP成分的岩石。  前人的研究结果表明Dhofar1442非常富集KREEP成分,这和本文的研究结果不符,应该是样品的不均一性造成的。本论文研究的样品中含有的所有角砾和岩屑都不含有KREEP成分,因此不赞同Dhofar1442来自月球风暴洋克里普地体(PKT)内部的结论。结合Dhofar1442部分样品富集KREEP成分、全月表TiO2(wt%)、FeO(wt%)以及Th含量的分布情况,以及本论文的研究结果,推测Dhofar1442很有可能来自PKT的边缘和外围。如果考虑Dhofar1442的锆石年龄分布特征与Apollo14样品的锆石U-Th-Pb年龄相似,可以将其来源地限制在PKT的东南边缘。  原始球粒陨石和分异陨石相对于地球具有54Cr同位素异常,53Mn-53Cr短周期同位素体系可用于对早期太阳系事件的高精度定年,因此研究陨石的铬同位素组成不仅可以得到同位素异常的来源,还可利用短周期灭绝核素同位素体系定年探讨太阳系的早期演化机制。陨石铬同位素研究的前提是建立高精度的铬同位素组成测定方法,包括:铬元素化学分离纯化流程,和热电离质谱(TIMS)测定铬同位素组成。  本文利用铬同位素国家标样(GSB)对铬同位素组成的TIMS测试条件进行了较为系统的条件实验。确定了以钨(W)作为灯丝材质;激发剂配比为3~5μl硅胶(4%)+1μl硼酸(0.5M)时能够获得较强而稳定的52Cr+信号;灯丝温度控制在1200-1260℃时,铬同位素的分馏程度较低,以此确定了样品铬同位素比值测定时的灯丝温度条件;优化条件下对标准样品GSB进行铬同位素比值的多次测定,53Cr/52Cr和54Cr/52Cr比值的外部精度(2sd)分别可达14和10 ppm。采用指数校正法对所有铬同位素比值进行仪器分馏的内部校正;测定结果在经过校正之后,标样的ε53Cr和ε54Cr异常值之间存在线性残余质量分馏效应,需要依据标准样品的测定结果对实际样品测定值进行二次校正。  铬的化学分离纯化流程至少需要两阶段分离。本论文通过条件实验确定了分离铬的第一阶段流程。条件实验包括:分别采用盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)作为淋洗液的对比,淋洗液酸浓度的对比以及树脂用量对铬分离效果的影响等。根据条件实验结果,确定第一阶段以1M盐酸(HCl)作为淋洗液,可将铬与大部分基体元素相分离,并且具有良好的重现性,铬一柱回收率大于80%。在第二阶段分离流程中,传统分离方法铬回收率始终偏低,仅为50%左右。条件实验结果表明,蒸干过程对第二阶段铬回收率造成了非常大的影响,但由于进行第二阶段铬纯化步骤之前必须蒸干第一阶段的铬收集液,该步骤不能省略。尝试向铬第一阶段收集液中加入抗坏血酸,铬全流程回收率可提高至90%,并与钛,钒等干扰元素相分离,达到了进一步分离纯化铬的目的。
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