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LA-ICP-MS原位分析白钨矿稀土元素
郝宇杰1,2, 商青青1, 任云生1,2,3, 刘小禾1, 陈聪4     
1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
2. 自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室, 长春 130061;
3. 防灾科技学院, 北京 101601;
4. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 沈阳 110034
摘要: 白钨矿是各类矿床中较为常见的副矿物,通过分析白钨矿的稀土元素质量分数及其标准化配分模式图,可为矿床成矿流体特征及演化提供重要的判别依据。本文对东北地区羊鼻山矽卡岩型矿床和杨金沟热液脉型矿床两个典型钨矿床的白钨矿样品中的稀土元素进行了激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)原位分析。其中:羊鼻山矽卡岩型矿床白钨矿LA-ICP-MS分析方法所获得的稀土元素配分曲线模式与前人用传统的溶液-ICP-MS分析方法所获得的结果完全吻合,表明采用剥蚀束斑44 μm和剥蚀频率7 Hz的193 nm ArF激光器,NIST 610作外部标样,Ca作内标元素,对基体效应影响最小,所获数据可靠,方法可行;而杨金沟热液脉型矿床白钨矿溶液-ICP-MS分析方法与LA-ICP-MS分析法所获得结果既具有相似性又具有差异性。原因在于羊鼻山白钨矿的成因类型为矽卡岩型、粒度较小且形成时间短,因此不同矿物颗粒间、同一矿物不同部位间稀土元素的配分模式一致;而杨金沟白钨矿的成因类型属于热液脉型、粒度较大、沉淀结晶时间长,因此同一矿物不同部位的稀土元素的配分模式因成矿流体早晚阶段不同而不同。基于以上对比研究发现,无论是在取样和测试过程方面,还是数据准确度方面,相比传统溶液-ICP-MS分析法,LA-ICP-MS原位分析法均具有明显的优势,主要表现在样品形式简单、粒度和质量分数要求低、测试周期短、费用低且结果精确度高;同时其可对不同成矿阶段或白钨矿不同部位成分进行精细测定,从而得出不同成矿阶段或白钨矿不同部位的稀土元素质量分数,以及在更高的空间分辨率下获得更详细准确的数据信息。此外,对白钨矿(尤其是无明显环带者)进行LA-ICP-MS原位分析时,既可采用电子探针微量分析(EPMA)准确测定Ca的质量分数,也可直接采用标准化学式计算Ca的质量分数,分析所得数据同样可以获得合理的地质解释。
关键词: 白钨矿    稀土元素    LA-ICP-MS    羊鼻山矽卡岩型矿床    杨金沟热液脉型矿床    
In Situ Analysis of Rare Earth Element Composition of Scheelite by LA-ICP-MS
Hao Yujie1,2, Shang Qingqing1, Ren Yunsheng1,2,3, Liu Xiaohe1, Chen Cong4     
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. Key Laboratory of Mineral Resources Evaluation in Northeast Asia, Ministry of Natural Resources, Changchun 130061, China;
3. Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China;
4. Shenyang Center, China Geological Survey, Shenyang 110034, China
Abstract: Scheelite is a common accessory mineral in all kinds of deposits. The analysis of its rare earth element (REE) and the standardized distribution patterns can provide important discrimination basis for the evolution of ore-forming fluids. Laser ablation-inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) in situ analysis of REE in scheelite was conducted by taking the samples from the two typical deposits in Northeast China, Yangjingou hydrothermal vein deposit and Yangbishan Skarn deposit. The REE distribution curves obtained by LA-ICP-MS of Yangbishan scheelite is completely consistent with the results obtained by the traditional solution-ICP-MS analysis, which show that using 193 nm ArF laser with denudation frequency of 7 Hz and denudation spot of 44 μm, the NIST 610 as the external standard and Ca as the internal standard element, the method is proved to be feasible with the least effective matrix and the reliable obtained data. The results of Yangjingou scheelite solution-ICP-MS and LA-ICP-MS analysis have similarities and differences, while the REE distribution patterns in different mineral particles and different parts of the same mineral of Yangbishan scheelite is consistent. The result is that Yangbishan scheelite is of skarn-type with small size, and short-term formation; while Yangbishan scheelite is of hydrothermal vein type with large grain size, and long-term precipitation and crystallization. Based on the above comparative study, the LA-ICP-MS in situ analysis method has obvious advantages over traditional solution-ICP-MS analysis method, in aspect of sampling, testing process, and data accuracy. The advantages mainly display in that the simple sample form, low requirements in particle size and content, short test period, low cost, and high precision results, at the same time the contents of REE are obtained under the fine determination for different ore-forming stages or in a different part of scheelite, more detailed and accurate data information can be obtained at a higher spatial resolution. In addition, in the process of LA-ICP-MS in situ analysis of scheelite (especially those without obvious zonation), the content of Ca can be accurately determined by electron probe microanalysis (EPMA) or directly calculated by standard chemical formula. The data obtained from the analysis also can be reasonably geologically interpreted.
Key words: the scheelite    rare-earth element    LA-ICP-MS    Yangbishan Skarn deposit    Yangjingou hydrothermal vein deposit    

0 引言

白钨矿是各类矿床中较为常见的副矿物,主要产于与酸性岩浆岩有关的高温热液矿床中, 例如矽卡岩矿床、石英岩中的石英脉及伟晶岩中,有时中低温热液中也有产出[1-4]。它常具有较高质量分数的稀土元素和Sr元素,可以有效地用于矿床成因的地球化学示踪和同位素定年[5-9],也可通过分析白钨矿稀土元素来判断成矿流体的性质与来源[2-4, 10-12]。然而,在自然界中,白钨矿常与其他矿物(如石英等)密切共生,按照常规稀土元素分析方法,首先需将样品破碎到一定粒度,然后挑选白钨矿单矿物,再分别用酸溶法和碱溶法将其溶解,最后运用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)或电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)等仪器对溶液进行测定[6, 13]。该方法具有很大的局限性,主要体现在:1)流程复杂、周期长、费用高,需要经历单矿物挑选、溶样、提纯、测定,少则数周,多则数月,每件样品费用近千元;2)对白钨矿的粒度和质量分数有较高要求,如果样品中白钨矿粒度较小,质量分数较低,则很难挑选出足够质量的白钨矿,此外,由于分选工作主要依赖人工在双目镜下来完成,粒度过小则不易分选或易混入其他杂质;3)白钨矿是一种难溶的矿物,溶解过程漫长且难以彻底溶解,容易造成误差;4)白钨矿作为矿床中常见的副矿物,可能在不同阶段形成,或者随着成矿过程中物理化学条件的变化,白钨矿核部与边部稀土元素会存在差异,而传统的溶液-ICP-MS法测得的数据为均一化稀土元素质量分数。

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)是20世纪80年代中期以后发展最快的原位微区分析技术,是固体样品微量元素直接分析最有应用前景的方法之一。LA-ICP-MS具有制样流程简单、干扰少、空白低和灵敏度高等特点,并且有着较好的空间分辨率,在硅酸盐矿物[14-15]、流体包裹体[16-17]中主量、微量元素分析以及单颗粒锆石U-Pb定年研究[4, 18]等领域等到了广泛应用。近年来,有一些学者[8, 19-23]利用LA-ICP-MS对白钨矿进行原位微量元素的测定,并取得了一定进展,但缺乏系统对比研究。本文选取东北地区典型钨矿床杨金沟热液脉型钨矿和羊鼻山矽卡岩型钨矿的白钨矿样品,通过对其进行LA-ICP-MS原位分析和溶液-ICP-MS分析对比,以及通过电子探针微量分析(EPMA)确定白钨矿Ca的质量分数和白钨矿的标准化学式CaWO4中Ca的质量分数进行内标对比,论证该方法可在微观尺度上对不同成矿阶段或白钨矿不同部位成分进行原位精细测定稀土元素质量分数,并获得准确的稀土元素标准化配分曲线,从而为白钨矿稀土元素的测定和研究提供了更为快捷、有效的测试手段。

1 样品采集与测试方法 1.1 样品采集及处理

本文研究的白钨矿样品采自东北地区2个典型钨矿床,即热液脉型(石英脉型)的杨金沟钨矿床和矽卡岩型的羊鼻山钨矿床。前人对这两个钨矿床进行了详实的研究,确定了不同矿床的矿物生成顺序及矿石组构特征,并对挑选出白钨矿进行全溶,然后再通过溶液-ICP-MS获得其稀土元素的组成,据此讨论了矿床成因及流体性质[2-4, 9]。其中:杨金沟钨矿床的热液成矿期可划分为3个阶段,白钨矿主要产出于早期石英-粗粒黄铁矿-粗粒毒砂-粗粒白钨矿阶段(图 1ab)和中期石英-多金属硫化物-细粒白钨矿阶段(图 1c);羊鼻山钨矿床的热液成矿阶段可划分为2期5个阶段,白钨矿主要出产于矽卡岩期晚期氧化物阶段,矿物共生组合为磁黄铁矿-白钨矿-透闪石等矽卡岩矿物(图 1def)[2-4, 9]。本次测试的样品分别取自杨金沟矿床早期含钨石英脉中的粗粒白钨矿以及羊鼻山矿床矽卡岩期晚期氧化物阶段含钨矽卡岩中的白钨矿。

a.早期团块状粗粒白钨矿在钨灯照射下发淡蓝色荧光,手标本;b.早期粗粒白钨矿与绢云母化和绿帘石化伴生,薄片(+);c.中期细粒白钨矿在石英脉内或与变质岩的接触带上呈稀疏浸染状,手标本;d.白钨矿呈稀疏浸染状,手标本;e.白钨矿与磁黄铁矿共生,光片(-);f.白钨矿与透闪石共生,薄片(+)。Sch.白钨矿;Qtz.石英;Hbl.角闪石;Po.磁黄铁矿;Tr.透闪石。 图 1 杨金沟钨矿床(a、b、c)和羊鼻山钨矿床(d、e、f)的钨矿石手标本和显微镜下照片 Fig. 1 Hand specimens and microphotographs of the scheelite ores from Yangjingou deposit(a、b、c) and Yangbishan deposit(d、e、f)

将所选样品磨成光片和电子探针片,在镜下观察其矿物特征,选择晶形较大、裂隙及包裹体较少的白钨矿进行LA-ICP-MS原位稀土元素质量分数分析。在背散射照片中,白钨矿样品均未发现明显的环带结构。

1.2 元素LA-ICP-MS微区分析

本文微区元素质量分数的测定在吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室利用LA-ICP-MS完成。测试和数据处理的主要流程及参数为:1)激光剥蚀系统为德国COMPEx公司生产的GeoLasPro型193 nm ArF准分子激光器,与激光器联用的是美国Agilent 7900型ICP-MS仪器;2)实验采用He作为剥蚀物质的载气,仪器采用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST 610进行最佳化设置;3)采用NIST 610外部校正法及Ca元素作内标进行白钨矿原位微区分析,其中杨金沟白钨矿CaO质量分数采用电子探针获得的CaO质量分数,而羊鼻山白钨矿CaO采用理论值(白钨矿CaWO4中WO3和CaO理论质量分数分别为80.6%及19.4%);4)激光束斑直径为44 μm、剥蚀频率为7 Hz,采样方式为单点剥蚀,选用1个质量峰1点的跳峰方式进行各个数据的采集,各元素的积分时间为6 ms;5)用Glitter软件处理原始数据,并计算样品稀土元素质量分数。杨金沟白钨矿内标元素Ca质量分数的电子探针微量分析(EPMA)在吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成,仪器型号为JXA-8230。

分析测试样品前,先用标准调谐液通过蠕动泵、雾化室进样方式进行仪器日常维护及P/A因子校正;在此基础上,再通过与激光剥蚀系统联用,用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST 610进行仪器调谐,使仪器的灵敏度和稳定性等测试参数最佳化。分析过程中,在采用NITS 612作为未知样监控数据质量的前提下,每4个样品点测试1个标准样品NIST 610和1个监控样品NIST 612。每个分析点的气体背景采集时间为20 s,信号采集时间为40 s,冲洗时间为30 s。具体LA-ICP-MS仪器工作参数如表 1所示。

表 1 LA-ICP-MS仪器工作参数 Table 1 Working parameters of LA-ICP-MS instrument
ICP-MS工作参数 激光剥蚀系统工作参数
工作参数 设定值 工作参数 设定值
射频(RF)功率/W 1 550 波长/mm 193
等离子氩气流量/(L/min) 15 能量密度/(J/cm2) 7
氩气压力/kPa 700 频率/Hz 7
积分时间/ms 6 斑束直径/μm 44
分析时间/s 90(背景采集20 s;信号采集40 s) 剥蚀池载气He流量/(L/min) 0.5
2 LA-ICP-MS分析结果 2.1 质量监控样品分析

本次采用NIST 612作为监控样品,共测定10次,具体分析数据见表 2。从分析数据可以看出:NIST 612的所有稀土元素测定值与推荐值的相对误差较小(表 2图 2),介于-5.10%~4.43%之间,平均为-0.80%;相对标准偏差(RSD)也很小,介于0.38%~1.70%之间,平均为0.87%(表 2)。由此可见,本次实验过程拥有良好的精确度和准确度,测试结果具有准确性和可靠性。

图 2 LA-ICP-MS测定NIST 612中稀土元素质量分数与标准值对比图 Fig. 2 Comparison diagram of contents determined by LA-ICP-MS and standard values of REE in NIST 612
表 2 LA-ICP-MS测定NIST 612中稀土元素质量分数 Table 2 Contents of REE determined by LA-ICP-MS in NIST 612
监控标样 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y
612-1 37.65 38.26 36.14 36.10 37.38 36.63 36.27 37.70 35.10 38.20 36.14 35.75 38.91 35.99 37.88
612-2 37.93 38.50 36.44 35.41 37.98 36.88 35.90 37.63 35.83 38.56 35.95 36.43 40.09 36.66 38.20
612-3 37.54 38.26 36.04 35.28 37.26 36.81 35.66 37.55 34.88 38.15 36.15 35.94 39.76 36.45 37.66
612-4 37.61 37.64 36.22 34.78 37.24 36.65 35.67 37.69 34.77 37.89 35.81 35.78 38.86 36.61 38.08
612-5 37.70 37.55 36.24 36.12 39.18 36.23 35.91 37.76 35.45 38.27 36.14 35.93 39.54 36.99 37.91
612-6 37.10 37.79 36.32 34.86 37.53 36.68 35.69 37.53 34.46 37.88 35.53 35.64 39.07 36.23 37.58
612-7 37.41 38.20 36.03 36.08 37.68 36.60 36.10 37.93 34.75 38.43 36.34 35.88 40.36 36.52 37.63
612-8 37.74 37.87 36.53 35.56 38.15 36.92 35.63 37.91 35.96 38.55 36.77 36.24 39.98 36.69 37.77
612-9 37.62 37.87 36.21 35.33 36.86 36.43 36.00 37.82 34.96 37.94 35.70 35.78 39.37 36.25 38.12
612-10 37.66 38.03 36.00 35.75 37.68 36.81 35.36 37.88 35.04 38.15 36.09 35.78 39.69 36.31 38.07
NIST 612平均值 37.60 38.00 36.22 35.53 37.69 36.66 35.82 37.74 35.12 38.20 36.06 35.92 39.56 36.47 37.89
NIST 612标准值 36.00 38.40 37.90 35.50 37.70 35.60 37.30 37.60 35.50 38.30 38.00 36.80 39.20 37.00 38.30
相对误差/% 4.43 -1.05 -4.44 0.08 -0.02 2.99 -3.97 0.37 -1.07 -0.26 -5.10 -2.40 0.93 -1.43 -1.07
RSD/% 0.58 0.80 0.49 1.38 1.70 0.58 0.74 0.38 1.38 0.67 0.96 0.68 1.29 0.79 0.59
注:稀土元素质量分数单位为10-6
2.2 实际样品分析

对杨金沟和羊鼻山白钨矿样品进行LA-ICP-MS分析的同时,又对其进行了背散射、单偏光反射、二次电子成像和阴极发光(CL)图像分析(图 3),分析数据见表 3。结果显示:杨金沟白钨矿具有较为明显的不均一性,在CL图像中表现为具有一定程度的明暗变化,尤其在二次电子图像中可见核部与边部明显不同,暗示白钨矿核部和边部元素质量分数具有差异性(图 3abc);相反羊鼻山白钨矿无论在二次电子图像还是CL图像上均表现出均一性,暗示在同一颗粒白钨矿中元素质量分数具有较好的均一性(图 3def)。

a.杨金沟白钨矿背散射照片及打点位置;b.杨金沟白钨矿二次电子照片;c.杨金沟白钨矿CL图像;d.羊鼻山白钨矿单偏光反射照片及打点位置;e.羊鼻山白钨矿二次电子照片;f.羊鼻山白钨矿CL图像。 图 3 杨金沟白钨矿和羊鼻山白钨矿背散射照片、单偏光反射照片、打点位置、二次电子照片及CL图像 Fig. 3 Backscattering photograph, single polarization reflection photograph, dot positions, secondary electronic photograph, CL image of the Yangjingou scheelite and the Yangbishan scheelite
表 3 东北地区2个典型钨矿床白钨矿LA-ICP-MS稀土元素分析结果及相关参数 Table 3 Contents and correlation parameters of REE determined by LA-ICP-MS in two typical tungsten deposits in Northeast China

从白钨矿稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(图 4)和白钨矿LREE-MREE-HREE图解(图 5)上可以看出,不同矿区白钨矿样品的稀土元素组成存在差异。杨金沟矿区白钨矿的32个样品分析点由于打点位置不同而可分为核部和边部两组(图 3a)。位于边部的15个样品分析点(YJG-1-1—YJG-1-15)均表现为稀土元素质量分数较高、轻稀土元素富集,而重稀土元素亏损较强的“右倾”模式,并具有相对较弱的正铕异常、弱的正铈异常(图 4a图 5a)。具体数据为:稀土元素总量(w(ΣREE))为(226.30~ 622.20) ×10-6;轻稀土元素总量(w(ΣLREE))为(184.67~560.83)×10-6,重稀土元素总量(w(ΣHREE))为(41.63~90.74) ×10-6,LREE/HREE为3.17~9.14,(La/Yb)N为2.50~10.57,δEu为1.52~6.15,δCe为1.06~1.15(表 3)。位于核部的17个样品分析点(YJG-1-16—YJG-1-32)均表现为稀土质量分数相对较低、轻稀土元素富集,而重稀土元素轻微亏损的“U型”模式,并具有相对较强的正铕异常,弱的负铈、正铈异常(图 4a图 5a)。具体数据为:w(ΣREE)为(80.26~389.09)× 10-6w(ΣLREE)为(67.63~350.57)×10-6w(ΣHREE)为(11.77~49.69)×10-6,LREE/HREE为4.79~9.10,(La/Yb)N为3.08~7.40,δEu为3.26~8.27,δCe为0.82~1.09(表 3)。

a.杨金沟白钨矿;b.羊鼻山白钨矿。球粒陨石标准化数值引自文献[24]。杨金沟白钨矿溶液-ICP-MS数据引自文献[2-3];羊鼻山白钨矿溶液-ICP-MS数据引自文献[4]。 图 4 杨金沟和羊鼻山矿区的白钨矿中稀土元素球粒陨石标准化图解 Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns of the scheelite from Yangjingou and Yangbishan deposits
a.杨金沟白钨矿;b.羊鼻山白钨矿。 图 5 杨金沟和羊鼻山矿区的白钨矿LREE-MREE-HREE图解 Fig. 5 LREE-MREE-HREE diagrams of the scheelite from Yangjingou and Yangbishan deposits

羊鼻山矿区白钨矿的10个样品分析点(图 3d)则均有相同的稀土元素配分模式,即轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的“右倾”模式,具有弱的负铕异常,无明显铈异常(图 4b图 5b)。具体数据为:w(ΣREE)为(134.55~189.00)×10-6w(ΣLREE)为(119.55~171.79)×10-6w(ΣHREE)为(14.17~ 17.22)×10-6,LREE/HREE为7.97~10.12,(La/Yb)N为16.57~32.81,δEu为0.51~0.55,δCe为1.04~1.10(表 3)。

本次实验所选取样品在背散射照射下均未发现明显的环带结构,但通过对其矿物不同部位的LA-ICP-MS分析发现,杨金沟矿区白钨矿同一矿物的不同部位稀土元素的质量分数会有较大的变化(图 4a图 5a),而羊鼻山矿区白钨矿不同颗粒、同一颗粒不同部位稀土元素的质量分数具有一致性(图 4b图 5b)。

3 讨论 3.1 白钨矿LA-ICP-MS分析法的可行性

讨论白钨矿LA-ICP-MS分析方法结果的前提是需确定该方法是可行、可靠及准确的。LA-ICP-MS测定矿物微量元素组成通常需要满足两个条件:1)与待测样品基体匹配的外部标样,用来计算微量元素的质量分数,因为激光诱导的剥蚀过程所产生的分馏与基体有关[25-27],所以标样需要与样品具有相同或者相似的基体;2)待测样品中具有与外部标样质量分数相同或者相近的内标元素,用来校正仪器灵敏度漂移、基体效应、待测样品和外部标样的剥蚀量差别等[28]。由于缺乏能被普遍应用于LA-ICP-MS分析的白钨矿标准物质,本次选取了NIST 610作为外部标样。由于白钨矿化学式为CaWO4,而NIST 610为人工合成的玻璃,主要成分为SiO2,所以基体效应无法避免,但分析方法的改善可以最大限度地减少基体效应的影响,如采用样品和标样质量分数相近的Ca作为内标元素校正,采用元素分馏效应较小的193 nm波长的准分子激光器,以及使用较大激光剥蚀束斑和较低的激光剥蚀频率等[22]

由于基体效应的大小可直接影响测试结果的准确度,而本次通过对羊鼻山白钨矿LA-ICP-MS分析所获得的稀土元素配分曲线模式与前人用传统方法溶液-ICP-MS获得的结果完全吻合(图 4)。这也证明了用剥蚀束斑44 μm和剥蚀频率7 Hz的193 nm ArF激光器、采用NIST 610作外部标样以及Ca作内标元素,基体效应影响最小,获得的数据可靠、方法可行。

3.2 白钨矿LA-ICP-MS分析法的优点

通过对两个矿区白钨矿稀土元素进行测试分析(表 3),我们发现杨金沟白钨矿溶液-ICP-MS与LA-ICP-MS分析方法获得结果既具有相似性又具有差异性(图 45),具体表现为溶液-ICP-MS获得稀土元素配分曲线具有轻稀土元素和中稀土元素轻微富集,而重稀土元素轻微亏损,以及正铕异常的平坦型模式(图 4a图 5a);而LA-ICP-MS分析法获得结果则与打点位置不同分为明显的两种配分模式,即位于边部的15个样品分析点均表现为稀土质量分数相对较高、轻稀土元素富集,而重稀土元素亏损较强的右倾模式,并具有相对较弱的正铕异常、弱的正铈异常;位于核部的17个样品分析点均表现为稀土质量分数相对较低、轻稀土元素富集,而重稀土元素轻微亏损的“U”型模式,并具有相对较强的正铕异常,弱的负铈、正铈异常(图 4a图 5a)。然而羊鼻山白钨矿溶液-ICP-MS分析法所得的稀土元素组成及相关参数与LA-ICP-MS分析法所得结果都相符,均具有轻稀土元素富集、重稀土元素亏损、负铕异常的右倾模式(图 4b图 5b)。为何不同矿区不同方法的结果存在明显差异呢?究其原因:杨金沟矿床和羊鼻山矿床成因类型不同,杨金沟矿床属热液脉型钨矿床,而羊鼻山矿床成因类型为矽卡岩型,并且不同成因的白钨矿富集稀土元素程度不同,稀土元素配分曲线模式不同。白钨矿在热液脉型矿床成矿阶段早期到晚期均可形成,物理化学条件变化较大,而在矽卡岩矿床主要形成于2期5个阶段中的氧化物阶段,物理化学条件变化较小。热液脉型白钨矿颗粒大、矽卡岩型白钨矿颗粒小;粒度较大的白钨矿沉淀结晶时间长,核部稀土元素富集程度与早期成矿流体相关,反之边部与晚期成矿流体相关;粒度较小的白钨矿沉淀结晶时间短,核部和边部稀土元素富集程度一致。由此可见,羊鼻山白钨矿成因类型为矽卡岩型、粒度较小且形成时间短,因此不同矿物颗粒间、同矿物不同部位间稀土元素的标准化配分曲线模式一致;而杨金沟白钨矿成因属于热液脉型、粒度较大、沉淀结晶时间长,因此同一矿物不同部位的稀土元素的标准化配分曲线模式与成矿流体早晚阶段不同而不同。

相比于溶液-ICP-MS分析方法只能获得所溶样品的的平均质量分数,而利用LA-ICP-MS可以在较高空间分辨率条件下对白钨矿中的稀土元素进行原位定量分析。这一方面可以得出更为精确可靠的结果,另一方面通过获得不同成矿阶段形成的白钨矿的稀土元素特征,进而获得更详细的地质信息,如成矿流体性质的演化等。

以上是从数据结果的精确可靠性分析了LA-ICP-MS相比溶液-ICP-MS的优越性。此外,在测试样品要求、测试流程、周期和费用等方面,LA-ICP-MS也具有诸多优点。传统的溶液-ICP-MS分析法对样品白钨矿有着诸多的要求和限制:粒度和质量分数要求高;易混入其他杂质;溶解过程漫长且难以彻底溶解,易造成误差;样品均一化处理,忽略了矿物本身核部与边部稀土元素的差异;单个样品测试费用高;周期长,需要经过单矿物挑选、溶样、提纯和测定等繁琐流程,耗时较长。LA-ICP-MS原位分析法克服了溶液-ICP-MS分析方法在取样、测试过程中的种种弊端,具有以下优点:样品要求低,可直接测定光片或电子探针片中的白钨矿,且白钨矿粒径仅需大于30 μm即可,尤其对于那些作为副矿物产出的白钨矿同样可测定;测试流程简单、快捷,通过激光剥蚀光片或电子探针样品即可获得合格数据;可在微观尺度上获得不同部位高精度的分析数据;单点测试费用低,不仅节省单矿物挑选费用且大大节省了时间。

3.3 内标元素Ca质量分数的确定

本文采用Ca元素作为LA-ICP-MS分析方法的内标元素,但Ca元素质量分数的确定通常有两种方式:一种是利用EPMA测定,另一种是直接利用白钨矿标准化学式中Ca的质量分数,即其理论值(CaO在CaWO4中占19.4%)。其中第一种方法要求在LA-ICP-MS测试之前必须用EPMA准确测定Ca的质量分数,过程繁琐,优点则是Ca质量分数的准确性也会影响微量元素质量分数的准确性,获得的白钨矿稀土元素质量分数值是准确的,基于此可获得不同矿物、不同部位稀土元素质量分数的真实数据。后一种方法,则是采用白钨矿中CaO的理论值,因此获得白钨矿稀土元素质量分数值具有一定误差,不能真实体现不同矿物、不同部位稀土元素质量分数的高低,但能真实反映每个分析点内的不同稀土元素之间的相对大小,即元素质量分数的比值、稀土元素配分曲线模式均是准确的,如LREE/HREE、(La/Yb)NδEu。在白钨矿稀土元素研究中,铕异常大小以及不同稀土元素标准化配分曲线模式对成矿流体特征与演化研究至关重要[4, 8, 23],而非稀土元素质量分数的高低。也就是说,采用白钨矿中CaO的理论值同样可以准确体现出每个分析点内的铕异常大小以及不同稀土元素配分模式;而通过不同分析点之间的比较,也可在一定程度上获得所研究矿床的成矿流体特征与演化信息。并且本次发现EPMA所测定的杨金沟白钨矿CaO质量分数(18.5%~19.7%,平均值19.2%)与标准化学式中CaO质量分数(19.4%)相差小于1%,内标元素质量分数较小的变化所引起的误差在微量元素质量分数测定误差范围之内(约10%),可以忽略不计。

综上所述,对白钨矿(尤其是无明显环带者)进行LA-ICP-MS原位分析时,可采用EPMA准确测定Ca的质量分数,但也可直接采用标准化学式中Ca的质量分数,分析数据同样可以获得合理的地质解释。

4 结论

1) 羊鼻山白钨矿溶液-ICP-MS分析法所得的稀土元素组成及相关参数与LA-ICP-MS分析法所得结果相符,体现了LA-ICP-MS分析方法的准确性和可行性。也就是说,采用剥蚀束斑44 μm和剥蚀频率7 Hz的193 nm ArF激光器,以及采用NIST 610作外部标样,Ca作内标元素,基体效应影响最小,所获数据可靠、方法可行。

2) 杨金沟白钨矿成因属于热液脉型、粒度较大、沉淀结晶时间长,因此同一矿物不同部位的稀土元素的配分模式与成矿流体早晚阶段不同而不同。杨金沟白钨矿溶液-ICP-MS与LA-ICP-MS分析方法获得的结果既具有相似性又具有差异性,这体现了LA-ICP-MS分析法的高精度性及优越性。

3) 无论是在取样和测试过程方面,还是数据准确度方面,相比传统的溶液-ICP-MS分析法,LA-ICP-MS原位分析法在对白钨矿进行稀土元素分析时均具有明显的优势。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20190111
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郝宇杰, 商青青, 任云生, 刘小禾, 陈聪
Hao Yujie, Shang Qingqing, Ren Yunsheng, Liu Xiaohe, Chen Cong
LA-ICP-MS原位分析白钨矿稀土元素
In Situ Analysis of Rare Earth Element Composition of Scheelite by LA-ICP-MS
吉林大学学报(地球科学版), 2020, 50(4): 1029-1041
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2020, 50(4): 1029-1041.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20190111

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收稿日期: 2019-05-16

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