鐵隕石與巖石的元素對比分析

魏 亦，王 瑩,紀博睿，姜 楠，田錦陽，魏艷梅

(沈陽師范大學 化學化工學院，遼寧 沈陽 110034)

隕石是從行星際空間到達地球的固體物質，是太陽星云早期演化的產物，也是唯一與原始地球相近的地外物質，因此，它是研究宇宙地質的寶貴材料。隨著隕石分類的發展，估算地球整體成分所選用的隕石的成分數據不同，估算結果也在變化，隕石化學成分的測定是隕石研究工作之一。這項工作對于揭示太陽系的化學成分、形成與演化以及化學元素分布等方面能提供重要的科學信息[1-4]。在鐵隕石的研究中，化學成分的分析是最基礎和關鍵的工作，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。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結構及優異的物理、化學、磁、光、電學性能，對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法對鐵隕石與巖石的元素進行對比分析，并通過加標回收實驗對數據進行檢驗[9-15]。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

表1 實驗儀器

1.1.2 試劑

硝酸(優級純)、鹽酸(優級純)、氫氟酸(優級純)、硼酸、乙醇。

標準儲備液1：Sc、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Yb、Th的標準溶液均為10 μg·mL-1。

標準儲備液2：Mg、Al、Ba、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Se、Cd、Cs、U的標準溶液均為10 μg·mL-1。

標準儲備液3：Ru、Pd、Sn、Sb、Hf、Ir、Pt的標準溶液均為10 μg·mL-1。

標準儲備液4：Ti、Ge、Zr、Ta、W、Mo、Nb、Re的標準溶液均為10 μg·mL-1。

用2%硝酸對各標準儲備液進行逐級稀釋，配置混合標準溶液，混合標準溶液1：各元素的濃度分別為0，10，50，100，500 μg·L-1。

混合標準溶液2：各元素的濃度分別為0，10，50，100，500 μg·L-1。

混合標準溶液3：各元素的濃度分別為0，25，50，100，200 μg·L-1。

混合標準溶液4：各元素的濃度分別為0，50，100，200，500 μg·L-1。

樣品來源：1號樣(巖石，內蒙白旗)；2號樣(巖石，新疆羅布泊)；3號樣(鐵隕石，岫巖隕石坑)；4號樣(鐵隕石，內蒙錫林)；5號樣(鐵隕石，新疆羅布泊)。

1.2 實驗方法

1.2.1 XRF法

將5個樣品分別放到振動研磨機研成粉末，放在100℃的烘箱中烘烤4個小時，酒精擦拭好壓片機模具，準確稱取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行壓片，40 t壓力下保持1 min，將壓好的樣品貼上標簽，待XRF測定樣品的元素含量。

1.2.2 ICP-MS法

分析天平準確稱取研磨好的5個樣品，每個樣品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進行操作(微波消解參數如表2)。消解結束后，放到150 ℃加熱板上進行趕酸，待樣品剩1mL時停止加熱，冷卻，用2%的硝酸定容到50mL容量瓶中，最后，用ICP-MS進行樣品元素含量的測定。

表2 微波消解工作參數

2 結果與討論

2.1 ICP-MS對樣品中元素含量的測定

用ICP-MS對樣品中各元素進行測定，結果見表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構成，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，巖石的個別元素相差大一點；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號巖石中沒有，1號巖石中的Y元素是鐵隕石的8倍；對于Sc、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Tm、Yb這幾個元素，都是1號巖石所含的量略多于鐵隕石，而2號巖石略少于鐵隕石；鐵隕石中含有Mo元素，巖石中沒有；3號鐵隕石和4號鐵隕石中的Sn元素較多，是巖石的40倍以上，但5號鐵隕石含的較少；5號鐵隕石的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號鐵隕石的La元素稍微少一點，剩下4種樣品的含量差不多；2號巖石和3號鐵隕石中W的含量很大，可以達到其它幾個樣品的10倍以上。

實驗過程中加入了HF，HF與樣品中的Si反應生成SiF4氣體，趕酸過程中氣體逸出，使Si元素的測量結果變小，所以，采用XRF法對樣品進一步測定。

2.2 XRF對樣品中Si等元素及化合物的測定

用XRF對樣品中Si等元素及化合物進行測定，見表7，僅列出百分含量較多的幾種元素和化合物。

5號鐵隕石中Fe2O3的含量占83.71%，3號鐵隕石和4號鐵隕石的含量超過了96%，2號巖石中SiO2的含量達到了74.02%，1號巖石稍微少一點，達到了45.64%；其他含量較多的元素有Mg、Al、Ca，其相應的化合物含量相對也較多。

表7 XRF百分含量分析 %

2.3 加標回收實驗

以5號鐵隕石為例，進行加標回收實驗，結果見表8～表11，該方法回收率在92 %～109 %之間。

表8 元素加標回收實驗結果1

表9 元素回收率實驗結果2

表9(續)

表10 元素加標回收實驗結果3

表11 元素加標回收實驗結果4

3 結論

通過微波消解法處理樣品，ICP-MS和XRF法對鐵隕石和巖石的元素含量對比分析，并對該方法做加標回收實驗，回收率在92 %～109 %之間。根據實驗數據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展前景；三種鐵隕石而言，5號鐵隕石來自羅布泊的鐵隕石稀土元素含量最多，在該地發現了隕石富集區，最具研究價值。隕石是人類唯一獲得的來自地球之外的巖石樣品，通過對巖石和隕石的對比分析，可以提供地球形成和演化歷史的重要信息。