电子探针与扫描电镜实验室原创技术方法介绍

导语：

中国科学院地质与地球物理研究所公共技术中心前身是1999年成立的“中国科学院地质与地球物理研究所公共支撑系统”，在中国科学院的大力支持下，经过20多年的发展，我所公共技术中心已发展为我国地球与行星科学领域具有国际先进水平的综合性技术支撑服务平台。为进一步促进交流合作和大型仪器开放共享，科技平台处策划了原创技术方法专题，详细介绍各仪器平台研发的技术方法。

本期介绍电子探针与扫描电镜实验室的原创技术方法。

电子探针同步测定

尖晶石主、微量元素

与Fe3+/∑Fe比值

尖晶石是地球上镁铁-超镁铁质岩中重要的副矿物，同时也广泛发育在月球、火星及其他天体陨石样品中，是揭秘岩石成因和地球化学过程的关键矿物。通常，尖晶石微量元素和Fe3+/∑Fe比值要分别使用LA-ICP-MS和穆斯堡尔谱分析，且空间分辨率较低，无法精确获得微细颗粒或者具有复杂成分环带的尖晶石的成分信息。此外，目前尖晶石标样严重缺失，特别是兼具主量、微量元素和铁价态的尖晶石标样。微量元素和铁价态分析是当前电子探针显微分析的国际前沿技术，面临着检出限高、分析精度差以及缺少监控标样等一系列难题。

本实验室在研发了兼具主量、微量元素和Fe3+/∑Fe的尖晶石标样基础上，建立了电子探针同测试尖晶石主、微量元素与Fe3+/∑Fe比值的分析方法。与常规电子探针分析方法相比，新方法具有3个显著优势：

1.将微量元素检出限降至16-55ppm，降低了15-30倍；

2.将微量元素分析精度控制在±6%(1σ)以内，提高了3-10倍；

3.同时测定Fe3+/∑Fe比值，分析精度0.04(2σ)，优于现有其他矿物铁价态的测试准确度。

综上所述，该方法可为地球和行星样品中的尖晶石提供高精度的成分信息，为行星氧逸度、物质源区和岩浆演化等关键科学问题研究提供重要的技术支撑。

代表性成果：

JiaLihui,etal.,Simultaneousin-situdeterminationofmajor,traceelementsandFe3+/∑,2022,43:42−52

新方法应用——岩浆铜镍硫化物矿床

尖晶石Fe3+/∑Fe比值可有效监测岩浆氧逸度演化，可作为评估岩浆铜镍硫化物成矿的指标之一。

代表性成果：

JiaLihui,etal.,Oxygen-fugacityevolutionofmagmaticNi-CusulfidedepositinEastKunlun:,2022,107:1968−1981

单颗粒月壤全岩成分

快速自动分析

嫦娥五号月壤具有细小、珍贵、颗粒多、成分复杂等特点，平均粒径不足50微米。获取如此细小颗粒的全岩成分，是对微束分析技术的一次挑战。传统方法通常运用电子探针分析获取矿物平均成分，用面积法统计矿物含量，再结合矿物密度，计算出月壤的全岩成分。然而，月壤矿物（如橄榄石和辉石）普遍发育显著的成分环带，为矿物平均成分统计带来很大的不确定性。

因此，传统方法不仅效率低，误差也大。

针对这一问题，本实验室建立了基于SEM-EDS和大数据分析技术，实现了单颗粒月球样品全岩主量元素快速自动分析。

该方法具有以下显著优势：

1、本研究相对于常规面积法而言，相对误差缩小2-3倍，更准。

2、本方法全流程使用python语言自动分析计算了实际的像素点百分比、平均值及实时密度，更加高效便捷。

代表性成果：

JiangyanYuan,etalAutomaticBulkcompositionAnalysisofLunarBasalts::370-378.

月球玻璃珠微量

Na、K、P、S、Cr和Ni的

高精度电子探针分析技术

月球玻璃珠是月壤的重要组成部分，根据成因可分为火山玻璃珠和冲击玻璃珠，其主量元素为Si、Al、Ca、Mg和Fe，但可含有Na、K、P、S、Cr和Ni等微量元素，约几十至几千ppm，这些微量元素对确定月球玻璃珠类型、约束月岩起源年代、表征挥发过程和研究月球岩浆演化历史有重要意义。常规电子探针分析方法元素检测限为几百ppm,无法满足这些微量元素的测试需求。

针对以上问题，本实验室采用双束流分析的方法分别测试主量与微量元素，通过优化束流条件、合理规划谱仪、校正谱峰干扰等途径建立电子探针高精度测试月球玻璃珠微量Na、K、P、S、Cr和Ni的分析方法。

该方法可将这些微量元素的检测限降低至17-96ppm(3σ)，分析精度优于10%，并可同时获得月球玻璃珠主量及微量元素，提高分析效率。目前，该方法已被用于嫦娥五号月球玻璃珠的成分分析。

代表性成果：

Zhangetal.,High-precisionMeasurementofTraceLevelNa,K,P,S,Cr,,43(1):28-41.

俯冲带超临界多相

流体包裹体定量分析技术

流体是地球不同圈层间物质和能量传输的重要“媒介”和“载体”。按其地球化学性质，可以进一步分为富水流体、含水熔体以及超临界流体。其中，超临界流体（Supercriticalfluid）是一类形成于高温-高压环境下，具有相对低粘度、高活动性和超强元素迁移能力的流体。这种超常规物理化学性质使其在触发中-深源地震和火山作用、促进俯冲带元素迁移、物质循环和金属元素富集成矿，以及影响地球宜居性演化方面均发挥着重要作用。然而，目前矿物中超临界流体的微区识别及定量分析仍存在极大的挑战。

针对上述问题，本实验室通过显微原位拉曼光谱三维扫描与建模技术，对碧溪岭超高压脉体中绿辉石和石榴石的多相流体包裹体进行三维建模研究，重建了被捕获流体的成分，确定了深俯冲过程中释放的超临界流体的定量组成，讨论了超临界流体在俯冲带深部碳硫循环过程中所发挥的巨大作用。

通过对这些包裹体的三维激光拉曼建模和成分定量计算，研究团队恢复了多相流体包裹体所记录的原始成脉流体成分。结果显示，该流体主要包含约22wt.%的SiO2、13wt.%的CaO和41wt.%的水，以及大量的碳和硫等挥发性元素（7wt.%SO3和6wt.%CO2）和其他金属元素。

代表性成果：

Jin,D.,,D.-,Y.-,,,(2023)."Supercriticalfluidindeepsubductionzonesasrevealedbymultiphasefluidinclusionsinanultrahigh-pressuremetamorphicvein."ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences120(20):e2219083120.

电子探针高精度测定

斜长石微量元素技术

月球背面是我国深空探测的主要战略方向，可研究太阳系早期撞击历史和月球地质演化等科学问题。由斜长石组成的高地斜长岩对于研究月球早期岩浆洋演化和初始月壳成分意义重大。然而，前人对这类斜长石的微量元素研究较为薄弱。由于月壤样品大多为微米级矿物颗粒，且斜长石往往具有复杂精细的成分环带，传统微量元素分析方法均属有损分析，且分辨率无法满足月壤的测试需求。电子探针斜长石微量元素分析面临检出限高、分析精度差以及缺少监控标样等一系列难题，是当前电子探针显微分析的国际前沿技术。

针对上述问题，本实验室在研发了MGP-1斜长石标样基础上，建立了电子探针微量元素分析方法。与常规方法相比，该方法具有以下显著优势：

1.将微量元素检出限降至11-46ppm(3σ)；

2.将微量元素分析精度控制在10%(2σ)以内；

该技术为高地斜长岩的研究提供有效的技术支撑，在研究月球物质组成、早期岩浆洋演化和初始月壳成分等重大科学问题上扮演着关键的角色。该方法还可以应用于斑岩型Cu-Au矿床和岩浆型Cu-Ni-Co矿床具有复杂微细成分环带的斜长石样品。