MAT-271型質(zhì)譜計(jì)測(cè)流體化學(xué)組成實(shí)驗(yàn)方法—分步加熱質(zhì)譜法

高磊 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院

MAT-271型質(zhì)譜計(jì)測(cè)流體化學(xué)組成實(shí)驗(yàn)方法—分步加熱質(zhì)譜法

高磊 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院

分步加熱質(zhì)譜法是目前廣泛用于地幔熱流組成測(cè)定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，該方法克服了樣品釋出流體組分間相互反應(yīng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響等，本文介紹了分步加熱質(zhì)譜法的儀器（MAT-271型質(zhì)譜計(jì)）工作原理，從樣品選取與處理，結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)方法，流體來(lái)源及對(duì)環(huán)境影響等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。該實(shí)驗(yàn)精度要求很高，最后得到的組分較為全面。但其測(cè)定結(jié)果常受到各種因素的制約，如樣品大小的選取、氣體來(lái)源的多樣性、樣品分析前處理不當(dāng)。

MAT-271 分步加熱質(zhì)譜法 流體組成 賓川巖漿巖

引言

流體化學(xué)組成分析采用改進(jìn)的在線真空分步加熱質(zhì)譜法完成。該方法克服了樣品釋出流體組分間相互反應(yīng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，通過(guò)控制加熱溫度有效地分離巖漿礦物中不同賦存狀態(tài)的流體揮發(fā)份，并可恢復(fù)高溫條件下與巖漿平衡的流體揮發(fā)份組成，并對(duì)含C、H、O、S和N的揮發(fā)份進(jìn)行精確測(cè)定。近年被廣泛用于各種巖石及包裹體流體組成的測(cè)定。

一、實(shí)驗(yàn)儀器及檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

MAT271氣體同位素質(zhì)譜儀是美國(guó)菲尼根瑪特公司（Finnigan MAT）研制的磁質(zhì)譜儀，電離源為電子轟擊型（EI），檢測(cè)器是法拉第杯，常規(guī)濃度檢測(cè)范圍0.0001～100%。該儀器適用于氣體組分及同位素定性和定量分析的儀器。它具有靈敏度高、線性范圍好的特點(diǎn)。由于該儀器在測(cè)試氣體組分及同位素方面的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)其在功能及操作性上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，擴(kuò)展了該儀器的功能，并使其更容易進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 質(zhì)譜原理圖

質(zhì)譜儀分離不同組分的原理不同于色譜儀。色譜是通過(guò)色譜柱中的固定相對(duì)不同組分的分配系數(shù)不同將其分離，而質(zhì)譜儀是利用不同組分在質(zhì)譜離子源中被電離成的離子的質(zhì)荷比 (M/Z)不同，通過(guò)磁場(chǎng)掃描將其分離，如圖1。不同組分在離子源被電離失去一個(gè)電子，帶一個(gè)正電荷，經(jīng)加速電壓U加速后獲得一定動(dòng)能進(jìn)入磁場(chǎng)。帶電離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，半徑與磁場(chǎng)強(qiáng)度和離子的質(zhì)荷比有關(guān)(M/Z=H2r2/2U)。通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變不同離子的運(yùn)動(dòng)半徑，使不同組分的離子依次從質(zhì)譜儀的出口狹縫S2飛出，由接收器檢測(cè)。

二、樣品與實(shí)驗(yàn)方法

（一）樣品及處理

本文選擇云南賓川、麗江等地區(qū)，玄武巖樣品，將所有的樣品切開(kāi)后，并選擇出樣品內(nèi)部新鮮無(wú)蝕變并且具有代表性的部位，對(duì)所采集的樣品在偏光顯微鏡下作了詳細(xì)的巖石學(xué)、巖相學(xué)分析。并從樣品中選擇了去除斑晶后的基質(zhì)樣品進(jìn)行流體組成的分析測(cè)試。

通過(guò)偏光顯微鏡對(duì)樣品薄片進(jìn)行巖性判定，選擇新鮮的樣品去除表層部分后，將所取的干凈樣品在無(wú)污染環(huán)境下把樣品破碎至60～80目，在雙目顯微鏡下手工剔除橄欖石斑晶和輝石斑晶以及其他雜質(zhì)，然后保留純度較高的選出的基質(zhì)顆粒。對(duì)所選出的基質(zhì)樣品首先用0.3mol/L的鹽酸浸泡24小時(shí)，再將浸泡后的樣品放入超聲波震蕩器中清洗，以除去樣品中蝕變部分及次生碳酸鹽以及殘余的鹽酸組分，然后用蒸餾水反復(fù)的清洗樣品至中性，再利用分析純的二氯甲烷有機(jī)溶劑溶掉樣品表面的有機(jī)質(zhì)污染，再用超聲波震蕩器震蕩來(lái)清洗掉二氯甲烷溶劑，最后將清洗干凈的樣品放入進(jìn)110℃的烘箱中進(jìn)行恒溫烘干工作，之后密封保存樣品來(lái)進(jìn)行流體實(shí)驗(yàn)的分析測(cè)試工作。

（二）實(shí)驗(yàn)方法--流體組分分析

流體化學(xué)組成分析采用改進(jìn)的在線真空分步加熱質(zhì)譜法完成。在實(shí)驗(yàn)樣品階段性受熱時(shí)，使用液氮將實(shí)驗(yàn)樣品中釋放出來(lái)的流體組分封存在冷阱管之中，從而可以有效地阻止已經(jīng)釋放而出的流體組份間因高溫，而重新反應(yīng)生成新的流體組份，通過(guò)控制加熱溫度有效地分離巖漿礦物中不同賦存狀態(tài)的流體揮發(fā)份，并可恢復(fù)高溫條件下與巖漿平衡的流體揮發(fā)份組成，并對(duì)含C、H、O、S和N的揮發(fā)份進(jìn)行精確測(cè)定。流體組分提取裝置如（圖2），由升溫爐、石英樣品管、液氮冷阱、酒精液氮冷阱組成，裝置與MAT-271型質(zhì)譜計(jì)通過(guò)閥門連接。

分步加熱法能夠有效地控制加熱的溫度，有效地將地幔巖漿內(nèi)不同賦存狀態(tài)的流體揮發(fā)份進(jìn)行分離，分析不同溫度段流體的化學(xué)組成特征，并恢復(fù)了在高溫條件下與巖漿相平衡的流體組成。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的CH4、CO、CO2、和H2的相對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差＜0.1%，H2O含量相對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差范圍＜5%[2]。

三、流體組成特征

（一）流體化學(xué)組成

根據(jù)前人的研究可以得知：流體揮發(fā)份相在分段加熱中具有階段性釋出的特點(diǎn)，從而將巖石樣品中流體的釋放溫度大致分為：低溫釋氣段（約200℃～600℃），中溫釋氣段（約600℃～800℃）以及高溫釋氣段（約800℃～1100℃）。各個(gè)階段釋出的氣體組分和氣量都有所不同，其中H2O是流體組份中的主要組成，其它的組成氣體可以是CO2、N2、O2、CO、C2H6、H2以及CH4等。

（二）揮發(fā)份相釋氣特征

根據(jù)作圖2得知，賓川地區(qū)的巖石樣品在在分步加熱實(shí)驗(yàn)中不同的溫度段所釋放出的不同揮發(fā)份相見(jiàn)表3。在分步加熱的過(guò)程中賓川玄武巖的基質(zhì)樣品，其流體組分隨著溫度的升高而呈現(xiàn)出不同的釋放特征：600℃-700℃時(shí)總釋氣量達(dá)到一個(gè)峰值（圖2-a），其中H2O是主要的揮發(fā)份相，平均含量7974.92mm3/g，主要在500℃-900℃之間的溫度段時(shí)釋出，并在600℃-700℃時(shí)達(dá)到釋放量的最高值。去H2O后的釋氣特征圖（圖2-b）從圖中可以看到，各溫度段的流體組分表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：玄武巖基質(zhì)樣品出現(xiàn)了兩個(gè)釋氣峰，第一個(gè)出現(xiàn)在200℃-400℃時(shí)，峰值較小；另一個(gè)釋氣峰出現(xiàn)在400℃-800℃時(shí)，峰值較明顯，玄武巖基質(zhì)樣品中，其最大峰值出現(xiàn)在800-1000℃時(shí)。

圖2 賓川玄武巖不同溫度段釋氣特征圖

（三）流體揮發(fā)份組成特征

賓川地區(qū)玄武巖樣品基質(zhì)中，如圖3所示，H2O是主要的揮發(fā)份相，在玄武巖樣品基質(zhì)中H2O的平均含量為7974.92 mm3/g（98%）。玄武巖樣品基質(zhì)的去H2O流體組份中，玄武巖樣品基質(zhì)的流體組份平均主要為：CO2（52.10 mm3/g）、H2（51.96 mm3/g）、N2（24.79 mm3/g）、O2（6.47 mm3/g）。

圖3 玄武巖基質(zhì)中的揮發(fā)份組份圖與基質(zhì)中去H2O揮發(fā)份組份圖

四、流體揮發(fā)份的來(lái)源及對(duì)環(huán)境的影響

分步加熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，巖礦樣品釋放出的流體組份主要有6個(gè)可能的來(lái)源：

1.在礦物的結(jié)晶形成過(guò)程之時(shí)所獲得的揮發(fā)份組份；2.早期已經(jīng)吸附于礦物的表面以及裂隙中的揮發(fā)份組份；3.位于礦物的晶格缺陷位置或者空隙之中的流體組份； 4.在礦物經(jīng)歷演化的過(guò)程中，再次捕獲的具有放射性成因的揮發(fā)份組份；5.分步加熱的高溫階段，因反應(yīng)而新生成的揮發(fā)份組份；6.礦物形成的后期，因?yàn)榻淮蛘呶g變所產(chǎn)生的流體組份[1-2,4-5]。其中，1、3、4和6中的揮發(fā)份組份主要與巖漿作用有關(guān)，其余(2)和(5)中的流體組份可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。

五、總結(jié)與展望

分步加熱質(zhì)譜法是目前廣泛用于地幔熱流組成測(cè)定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可對(duì)不同量級(jí)的流體組分進(jìn)行高密度分析。該技術(shù)有效地排出了樣品釋出流體組分間的相互反應(yīng)，通過(guò)控制加熱溫度可分離不同賦存狀態(tài)的流體組分。但此方法必須進(jìn)行嚴(yán)格的樣品前處理，去除樣品表面吸附的大氣來(lái)源揮發(fā)份及次生碳酸鹽等，樣品加熱過(guò)程中采用液氮冷阱可阻止了樣品釋出揮發(fā)份在高溫條件下相互反應(yīng)，因此分步加熱過(guò)程中樣品釋出的流體揮發(fā)份主要來(lái)源于礦物結(jié)晶時(shí)捕獲的巖漿揮發(fā)份，以及后期作用過(guò)程中捕獲的后期流體揮發(fā)份，如后期交代作用流體或蝕變作用流體，二者可能分別保存于礦物原始流體包裹體、礦物晶格缺陷與空隙和次生流體包裹體中。但也正由于樣品加熱過(guò)程液氮將實(shí)驗(yàn)樣品中釋放出來(lái)的流體組分封存在冷阱管之中，以及測(cè)量時(shí)應(yīng)用酒精液氮冷阱(-60℃)除去生成組份中的H2O，在用熱水解凍是難免造成細(xì)微的誤差，流體組分與H2O殘留在儀器通道中。因此有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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