AS期刊：离子探针原位研究铁陨石中的陨碳铁和石墨的碳同位素

近日，中国科学院紫金山天文台李晔副研究员和中国科学院地质与地球物理研究所唐国强高级工程师合作运用SIMS高精度碳同位素分析技术，对铁陨石中的石墨和碳化铁进行了分析，利用新获得的碳同位素数据对铁陨石中含碳矿物形成过程提出了初步地解释。研究成果发表于国际光谱学专业期刊《Atomic Spectroscopy》“Microanalytical Techniques for Extraterrestrial Samples (Part II)”专辑上（In Situ SIMS Carbon Isotopic Analysis of Carbon-bearing Minerals in Nantan and Aletai Iron Meteorites: Implications on Genesis, At. Spectrosc., 2022, 43(4), 328−335. https://doi.org/10.46770/AS.2022.028）。李晔副研究员和唐国强高级工程师为论文的共同通讯作者。

一般认为，在地球核幔分异的过程中，铁镍金属会偕同少量碳、硅等轻元素“下沉”形成地核。因此，了解还原条件下含碳矿物的（如陨碳铁、碳单质）碳同位素组成将加深我们对行星形成、分异和演化过程的认知。然而，令人遗憾的是，以陨碳铁为代表的含碳矿物极少出现在地球的天然样品中。铁陨石来自（部分）分异型小行星母体的核部，可能含有碳化铁 [碳铁矿（Fe₂₃C₆）或陨碳铁（Fe₃C）]和/或石墨，是研究还原条件下含碳矿物之间碳同位素的分馏行为的重要对象。前人主要通过钻取或者手工挑选的方法分离铁陨石中的碳化铁或者石墨，从而进一步获得分选矿物（粉末）的碳同位素分析结果。二次离子质谱（离子探针）是一种重要的微区分析技术，具有微米级别的空间分辨率，是获取矿物微区元素和同位素组成的重要技术手段。本次研究针对IAB群南丹铁陨石和IIIE群阿勒泰铁陨石中的石墨和碳化铁进行了碳同位素分析。

在碳同位素分析过程中，复合分子离子¹²C¹H^-与¹³C^-质量接近，并且¹²C¹H^-信号强度较高，极易干扰微弱的¹³C^-离子的测量。为了避免¹²C¹H^-的干扰，保证碳同位素分析的可靠性，本次研究将仪器的质量分辨率设置为6000；为了降低接收器的电流噪声，保证微弱¹³C^-信号的分析精度，本次研究在¹³C^-接收器放大电路中使用1*10¹²欧姆电阻。共分三组进行了离子探针测试分析，陨碳铁标样Disko δ¹³C重现性为0.72‰（N=7, 2SD），另两组中石墨标样Graphite-1 δ¹³C重现性分别为0.30‰（N=6, 2SD）和0.54‰（N=5, 2SD）。

图1  IAB群南丹铁陨石中复杂石墨包体的代表性背散射图像。（a）复杂石墨包体的整体照片；右上角小图中，核部、幔部和边部标为不同颜色。（b）石墨、陨硫铁和磷酸盐在包体核部中不均匀分布，相互共生；（c）包体核-幔-边部的高倍数放大图；（d）包体边部石墨和陨碳铁、陨磷铁镍石共生。ap：磷灰石；coh：陨碳铁；sch：陨磷铁镍石；w：风化产物；tr：陨硫铁；kam：铁纹石；GNC：石墨包体核部；GNM：石墨包体幔部；GNR：石墨包体边部。

本研究主要结论和观点如下：（1）阿勒泰铁陨石中的主要含碳矿物为碳铁矿，其δ¹³C值（-14.80 ± 2.31‰）与其他IIIE群铁陨石明显不同（−1.9 ± 6.4‰）。这意味着阿勒泰铁陨石母体具有完全不同的碳同位素组成，或者经历了不一样的母体过程（如CO₂或CH₄的去气）；（2）南丹铁陨石中含有直径达1厘米的复杂石墨包体（图1）。不同于前人获得的较为均一的碳同位素结果，本次研究运用离子探针对石墨的不同部位进行分析，发现石墨包体幔部（−4.78至−14.65‰）和边部的δ¹³C值（−12.65 ± 2.90‰; 2SD, N = 50）明显比核部（−7.17 ± 2.42‰）偏低，说明石墨包体很可能经历了多阶段的熔体结晶过程（图2）；（3）前人获得的IAB群铁陨石石墨和陨碳铁的碳同位素平衡温度为~600–650 °C，认为陨碳铁析出于维斯台登结构形成的亚固相阶段。不同于前人研究，南丹铁陨石石墨包体边部的陨碳铁的与共生石墨的碳同位素分馏达6.9 ± 2.7 ‰，对应平衡温度为~950–1310 °C，说明陨碳铁很可能结晶于金属熔体。考虑到地球岩浆洋的温度更高（~2000-2500 °C），核幔分离过程所引起的碳同位素分馏可能小于7‰。

图2  IAB群南丹铁陨石复杂石墨包体（核部、幔部和边部）和陨碳铁碳同位素组成。

综上，该研究对地外样品中的石墨以及罕见矿物碳化铁进行了原位微区离子探针的碳同位素研究，为含碳矿物的碳同位素研究提供了技术保障，并且运用新获得的数据对铁陨石中含碳矿物形成过程提出了初步解释。未来，微区原位离子探针碳同位素分析技术可以进一步运用到地幔样品、珍贵的深空探测返回样品以及其他地外样品中，这将帮助我们进一步认识太阳系形成和演化过程。

[主要参考文献]

[原文]

Ye Li*, Guo-Qiang Tang*, Weibiao Hsu, and Yunhua Wu, Atomic Spectroscopy, 2022, 43(4), 328−335. https://doi.org/10.46770/AS.2022.028

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通信作者简介

李晔，副研究员，从2021年至今在中国科学院紫金山天文台担任副研究员。擅长运用岩石学、矿物学、元素地球化学和同位素地球化学分析方法对各类陨石进行研究，探索太阳系早期热演化和冲击变质过程。目前以第一作者/通讯作者身份在国际学术期刊Science Advances， JGR-Planets，American Mineralogist，Meteoritics & Planetary Sciences等杂志发表多篇论文。

通信作者简介

唐国强，中国科学院地质与地球物理研究所高级工程师，主要从事微区原位地球化学分析与应用研究工作。他使用二次离子质谱仪器（离子探针）建立了多种稳定同位素分析方法，研制了多个微区同位素分析标准物质，以合作者身份发表多篇SCI论文。

国际SCI期刊Atomic Spectroscopy (AS) 由Dr. Walter Slavin于1962年创办，2020年1月转至中国团队全权负责，由Atomic Spectroscopy Press Limited, Hongkong, P.R. China出版发行，2021年影响因子为3.014。AS密切关注原子光谱(AAS, AFS, ICP-OES, ICP-MS, GD-MS, TIMS, SIMS, AMS, LIBS, XRF, SEM-EDS, EPMA,NAA, SR-based techniques等）新方法及其在各学科领域中新应用、仪器/部件研发、元素同位素样品前处理技术、标准物质开发等。AS编委会由来自10多个国家的60余位知名学者组成，中国科学院地质地球所李献华院士担任主编，中国地质大学（武汉）郭伟教授任执行主编，厦门大学杭纬教授、中国地质大学（武汉）胡兆初教授、德国Justus Liebig University Giessen大学Michael Dürr教授任副主编。AS期刊主页: www.at-spectrosc.com。

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