鐵隕石與巖石的元素對(duì)比分析

魏 亦，王 瑩,紀(jì)博睿，姜 楠，田錦陽(yáng)，魏艷梅

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

隕石是從行星際空間到達(dá)地球的固體物質(zhì)，是太陽(yáng)星云早期演化的產(chǎn)物，也是唯一與原始地球相近的地外物質(zhì)，因此，它是研究宇宙地質(zhì)的寶貴材料。隨著隕石分類的發(fā)展，估算地球整體成分所選用的隕石的成分?jǐn)?shù)據(jù)不同，估算結(jié)果也在變化，隕石化學(xué)成分的測(cè)定是隕石研究工作之一。這項(xiàng)工作對(duì)于揭示太陽(yáng)系的化學(xué)成分、形成與演化以及化學(xué)元素分布等方面能提供重要的科學(xué)信息[1-4]。在鐵隕石的研究中，化學(xué)成分的分析是最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的工作，分析方法包括電子探針、離子探針、拉曼光譜、紅外光譜等分析技術(shù)。鐵隕石和巖石都含有較豐富的稀土元素，稀土元素具有特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的物理、化學(xué)、磁、光、電學(xué)性能，對(duì)人類的宇宙探索具有重要的研究意義[5-8]。本文采用微波消解法處理樣品，ICP-MS法和XRF法對(duì)鐵隕石與巖石的元素進(jìn)行對(duì)比分析，并通過(guò)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)[9-15]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1.2 試劑

硝酸(優(yōu)級(jí)純)、鹽酸(優(yōu)級(jí)純)、氫氟酸(優(yōu)級(jí)純)、硼酸、乙醇。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液1：Sc、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Yb、Th的標(biāo)準(zhǔn)溶液均為10 μg·mL-1。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液2：Mg、Al、Ba、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Se、Cd、Cs、U的標(biāo)準(zhǔn)溶液均為10 μg·mL-1。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液3：Ru、Pd、Sn、Sb、Hf、Ir、Pt的標(biāo)準(zhǔn)溶液均為10 μg·mL-1。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液4：Ti、Ge、Zr、Ta、W、Mo、Nb、Re的標(biāo)準(zhǔn)溶液均為10 μg·mL-1。

用2%硝酸對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液進(jìn)行逐級(jí)稀釋，配置混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，混合標(biāo)準(zhǔn)溶液1：各元素的濃度分別為0，10，50，100，500 μg·L-1。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液2：各元素的濃度分別為0，10，50，100，500 μg·L-1。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液3：各元素的濃度分別為0，25，50，100，200 μg·L-1。

混合標(biāo)準(zhǔn)溶液4：各元素的濃度分別為0，50，100，200，500 μg·L-1。

樣品來(lái)源：1號(hào)樣(巖石，內(nèi)蒙白旗)；2號(hào)樣(巖石，新疆羅布泊)；3號(hào)樣(鐵隕石，岫巖隕石坑)；4號(hào)樣(鐵隕石，內(nèi)蒙錫林)；5號(hào)樣(鐵隕石，新疆羅布泊)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 XRF法

將5個(gè)樣品分別放到振動(dòng)研磨機(jī)研成粉末，放在100℃的烘箱中烘烤4個(gè)小時(shí)，酒精擦拭好壓片機(jī)模具，準(zhǔn)確稱取2.0000 g樣品在瑪瑙研缽中研磨，然后放入模具中攤平，用烘干的硼酸填滿空隙后進(jìn)行壓片，40 t壓力下保持1 min，將壓好的樣品貼上標(biāo)簽，待XRF測(cè)定樣品的元素含量。

1.2.2 ICP-MS法

分析天平準(zhǔn)確稱取研磨好的5個(gè)樣品，每個(gè)樣品0.1000g，稱3份，放到聚四氟乙烯的微波消解罐中，加入6mL硝酸，2mL鹽酸，3mL氫氟酸，然后，按照微波消解儀的工作參數(shù)進(jìn)行操作(微波消解參數(shù)如表2)。消解結(jié)束后，放到150 ℃加熱板上進(jìn)行趕酸，待樣品剩1mL時(shí)停止加熱，冷卻，用2%的硝酸定容到50mL容量瓶中，最后，用ICP-MS進(jìn)行樣品元素含量的測(cè)定。

表2 微波消解工作參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 ICP-MS對(duì)樣品中元素含量的測(cè)定

用ICP-MS對(duì)樣品中各元素進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3～表6。

表3 ICP-MS元素含量分析1 μg·g-1

表4 ICP-MS元素含量分析2 μg·g-1

表5 ICP-MS元素含量分析3 μg·g-1

表6 ICP-MS元素含量分析4 μg·g-1

由表3～表6可以看出，巖石和鐵隕石，由很多共同的元素來(lái)構(gòu)成，鐵隕石的主要元素是Fe元素，Co、Mn、Ni、Mg、Ba元素含量稍微少一些；巖石的主要成分是Si元素、其次還有Mg、Al、Ba、Ca元素。除了常見(jiàn)的金屬，兩者中還含有一些珍貴的元素，比如Zr、Ti、W。不同隕石所含的常量元素種類及含量差別不大，巖石的個(gè)別元素相差大一點(diǎn)；鐵隕石和巖石中的稀土元素含量都很豐富。三種鐵隕石中的Y元素含量差不多，2號(hào)巖石中沒(méi)有，1號(hào)巖石中的Y元素是鐵隕石的8倍；對(duì)于Sc、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Tm、Yb這幾個(gè)元素，都是1號(hào)巖石所含的量略多于鐵隕石，而2號(hào)巖石略少于鐵隕石；鐵隕石中含有Mo元素，巖石中沒(méi)有；3號(hào)鐵隕石和4號(hào)鐵隕石中的Sn元素較多，是巖石的40倍以上，但5號(hào)鐵隕石含的較少；5號(hào)鐵隕石的Sb含量較其他4中樣品多；巖石中Nb、Pr元素的含量多于鐵隕石；除了4號(hào)鐵隕石的La元素稍微少一點(diǎn)，剩下4種樣品的含量差不多；2號(hào)巖石和3號(hào)鐵隕石中W的含量很大，可以達(dá)到其它幾個(gè)樣品的10倍以上。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入了HF，HF與樣品中的Si反應(yīng)生成SiF4氣體，趕酸過(guò)程中氣體逸出，使Si元素的測(cè)量結(jié)果變小，所以，采用XRF法對(duì)樣品進(jìn)一步測(cè)定。

2.2 XRF對(duì)樣品中Si等元素及化合物的測(cè)定

用XRF對(duì)樣品中Si等元素及化合物進(jìn)行測(cè)定，見(jiàn)表7，僅列出百分含量較多的幾種元素和化合物。

5號(hào)鐵隕石中Fe2O3的含量占83.71%，3號(hào)鐵隕石和4號(hào)鐵隕石的含量超過(guò)了96%，2號(hào)巖石中SiO2的含量達(dá)到了74.02%，1號(hào)巖石稍微少一點(diǎn)，達(dá)到了45.64%；其他含量較多的元素有Mg、Al、Ca，其相應(yīng)的化合物含量相對(duì)也較多。

表7 XRF百分含量分析 %

2.3 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

以5號(hào)鐵隕石為例，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表8～表11，該方法回收率在92 %～109 %之間。

表8 元素加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果1

表9 元素回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果2

表9(續(xù))

表10 元素加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果3

表11 元素加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果4

3 結(jié)論

通過(guò)微波消解法處理樣品，ICP-MS和XRF法對(duì)鐵隕石和巖石的元素含量對(duì)比分析，并對(duì)該方法做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，回收率在92 %～109 %之間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出鐵隕石含有的主要是Fe元素，巖石的主要成分是Si元素，兩者有很多相同的元素，含量間略有差異；微量元素主要是Sc、Y、La、Er、Pr、Nd、Dy、W、Sn、Sb在含量上有一定的差異，綜合對(duì)比鐵隕石和巖石的稀土元素含量都較豐富，具有很高的研究和發(fā)展前景；三種鐵隕石而言，5號(hào)鐵隕石來(lái)自羅布泊的鐵隕石稀土元素含量最多，在該地發(fā)現(xiàn)了隕石富集區(qū)，最具研究?jī)r(jià)值。隕石是人類唯一獲得的來(lái)自地球之外的巖石樣品，通過(guò)對(duì)巖石和隕石的對(duì)比分析，可以提供地球形成和演化歷史的重要信息。