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打造地质分析利器

2021-07-08 10:21:39    来源: 中国自然资源报    作者:赵宁

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多接收器高灵敏度、高分辨率二次离子探针质谱仪

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刘敦一研究员在SHRIMP上开展定年分析工作

通过年轮,我们可以判断出树木的年龄;通过牙齿,我们可以判断马、象和鲸等动物的年龄;就连人类本身,也可以通过骨骼发育情况,来推断出个体年龄;那么,常常数以亿计的岩石年龄,是不是也可以通过精密仪器准确探知呢?科研人员又是如何以此推动地质科学发展的?日前,记者来到位于北京北郊的北京离子探针中心一探究竟。

助推重大地学研究成果问世

北京离子探针中心成立于2001年,依托中国地质科学院地质研究所建设而成,主要从事微区地质年代学、地球化学和宇宙年代学研究、测试服务和科学仪器自主研发。

锆石,是自然界中常见的一种副矿物,因其稳定性好,而成为同位素地质年代学最重要的定年矿物。已测定出的最古老的锆石形成于43亿年以前。

“过去,科学家通过化学方法将锆石熔掉,提取其中的铅、铀,并在质谱仪上进行同位素分析,最终计算出它的形成时间。”北京离子探针中心研究员刘敦一说,“但是由于锆石形成很不均匀,具有多阶段成矿的特点,一颗直径0.1~0.2毫米的锆石,可能是多个年代形成的,所以这种化学方法具有一定的误差和局限性,地学界亟需一种微区分析的方法。”

作为当代优秀的锆石年代学及质谱专家、中国同位素地质方面的学术带头人,刘敦一在国际上具有重要的影响力。正是在他的推动下,我国引进了首台高灵敏度、高分辨率二次离子探针质谱仪(SHRIMPⅡ)。2005年,北京离子探针中心又购置了第二台多接收器高灵敏度、高分辨率二次离子探针质谱仪(SHRIMPⅡe-MC)。

在实验室,北京离子探针中心副主任王晨向记者展示了一份待分析的锆石样品。

只见直径不足3厘米的样品靶上,排列着几条细线,仿佛一份未完成的“刺绣”。然而仔细一看,那一条条的细线竟是由几十颗锆石颗粒排列而成。

“应用离子探针质谱仪对样品开展分析之前,需要一系列精细的准备工作。”王晨告诉记者,技术人员先是将野外采集来的岩石样品进行粉碎,从中分选出几十颗至数百颗用于分析的矿物颗粒,通常是锆石,然后将它们依照一定规则用双面胶带排列固定,并用模具注入环氧树脂,经过抽真空、烘干、切割、打磨和抛光等一系列程序后,最终制成薄圆盘状的树脂样品靶。样品靶还要在光学显微镜和扫描电子显微镜下进行透反射光和阴极发光照相,以确定锆石样品颗粒表面和内部结构的大致情况,用作SHRIMP II上机测试选取分析点的参考。整个过程下来大概需要一周的时间。

那么,离子探针质谱仪是如何给锆石测定年龄的呢?

王晨介绍,样品靶放入SHRIMP II仪器后,SHRIMP II的氧离子源产生阴离子束轰击样品表面,将锆石中的铀、铅等原子电离成阳离子并激发出来,通过分析这些阳离子的同位素比值,以获得年龄。

这种方法有个很大的好处,就是可以对样品作微区(分析束斑约20微米)分析而基本不破坏样品,尤其适合一些珍贵样品的分析和研究。而对于一些结构较为复杂的样品,可获得矿物内部年龄分布的精细信息,这对了解具有复杂历史的矿物形成过程及由此反映出的相关地质事件十分重要。

多年来,北京离子探针中心以两台SHRIMP仪器为基础,聚焦地壳形成与演化重大科学前沿问题,探索早期地壳形成及显生宙演化,特别是在以华北克拉通为代表的早期陆壳形成演化和以中亚造山带为代表的洋壳与陆壳演化方面取得了一系列重大成果,并开展了月球与行星学研究,获得重要新发现。

例如:中心与美国、澳大利亚合作,测定并发现了世界上第一颗年龄大于43亿年又具有37亿年变质增生壳的最老锆石,这一成果对地球早期历史研究作出了突破性贡献;突破性地测出了我国大别山超高压岩石变质演化的3个阶段并获得准确时间,同时计算出超高压岩石由深部返回地表的折返速率;参与的“中国最古老大陆的时代和演化”项目获2018年度国家自然科学二等奖,发现和确定大量始太古代—新太古代早期陆壳物质,系统揭示了华北克拉通太古宙地壳形成演化历史,获得多项有全球意义的重要发现和重大突破;在鞍山首次发现38亿年的岩石和3个时代为31亿~38亿年的杂岩体,该项突破是地球早期历史研究的重大成果,对于中国早前寒武纪研究具有里程碑意义。

打造高效共享的科技创新平台

“高效、开放、共享”是北京离子探针中心自成立以来始终坚持的运行机制,对中心的发展起到了关键性的作用。

在实验室的桌子上,摆放着一张SHRIMP机时安排工作表,记者看到,上面密密麻麻写满了预约使用信息,就连周六周日也已经被占据。

北京离子探针中心主任王涛介绍,中心成立20年来,一直保持核心仪器年均有效机时260昼夜以上,对外共享率达到70%以上,为国内外同类仪器机时和共享率之最,有力推动和加速了我国一流研究成果数量的快速增长。

按照科技部颁布的《国家大型科学仪器中心管理暂行办法》中有关大型仪器运行效率的规定,优秀的标准是1600小时/年。“北京离子探针中心的SHRIMP几乎是每天24小时、每周7天不间断地运行,尤其是SHRIMP II年分析机时保持在5500小时以上,是科技部要求的优秀标准的3.5倍,是世界上运行效率最高的一台离子探针质谱仪。”王涛说。

“大型科学仪器设备的高效运行,满足了国内专家学者的更多科研需求,也为国内重大科研项目提供了有力支撑,使国家的投资效益得到了充分发挥。”王涛表示,此外,中心面向世界开放,加速了自身的国际化进程,实验室科研水平迅速提高,中心在短期内发展成为集实验、科研和技术创新为一体的世界级综合性科技平台。

2005年,中心成功开发了“大型科学装备远程共享示范研究—离子探针示范系统”,并陆续在国内外十余个科研机构建立了工作站,形成了国际离子探针远程共享网络。该系统实现了在互联网公共网络环境下,实时远程控制离子探针质谱仪器,在线获取实验数据,从而满足了多国多个科学家异地实时共享同一台仪器开展协同实验的需求,极大提高了离子探针的开放和共享效率,获得了国内外用户的一致好评,取得了显著的社会效益和经济效益。

“共享是学科与学科、单位与单位、科学家与科学家之间共同发展的体现,也很好地解决了我国目前优质大型科学仪器设备资源分布不均、使用效率不高的问题。”王涛说。

多年来,北京离子探针中心坚定不移地走大型仪器共建共享之路,仪器运行效率和科研成果产出率都进入了国际先进行列。“十三五”期间,中心成果获国家自然科学奖二等奖1项,国土资源科学技术奖一等奖3项、二等奖2项;支撑服务国家各级各类科研项目500余项,国内外学者依托在中心获得的实验数据发表论文520余篇,其中SCI论文276篇。

瞄准学科前沿,强化技术创新

技术创新是中心持续发展、不断进步的关键。近年来,北京离子探针中心在大型质谱仪器研发和仪器远程控制技术方面取得了突出成绩。

2019年12月5日,中心主持的国家重大科学仪器设备开发专项“同位素地质学专用飞行时间二次离子质谱科学仪器”通过了科技部组织的综合验收。项目成功研制了两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的飞行时间二次离子质谱科学仪器,这是我国首次自主研发该类仪器,一次离子束和质量分辨率等多项指标在国际上处于领先水平。

“‘十一五’以来,中心陆续研制出一批具有自主知识产权的质谱仪器核心部件和整机,凝聚和造就了一支研发队伍,为今后大型高端质谱仪器的自主研发奠定了基础。”王涛表示,下一步,中心将继续探索相关技术成果转化的创新机制,最终实现产业化和市场化。

随着科技的不断进步,地球科学的关注点正在从行星地球本身,延伸到太阳系的各种星体,地球科学工作者的舞台已扩展到整个太阳系。

记者了解到,不久之后,北京离子探针中心将新增两块牌子:“行星科学研究中心”和“中国国际月球与行星科学研究中心”。“未来,中心将加强月球及行星科学等新的学科生长点研究,攻坚地球科学中的重大前沿问题。”王涛说。

“‘十四五’期间,中心将继续聚焦国家发展战略和自然资源改革发展重大需求,开拓测试、数据、研究三位一体的集成性研究,做好新形势下的技术支撑和服务工作。”王涛表示。

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