原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法与流程

1.本发明涉及年代学测试技术领域，尤其是涉及一种原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法。


背景技术：

2.年代学测试是地球科学研究及生产过程中重要的工作手段，其中原地生成宇宙成因核素测年是一种用于测定沉积物或岩石的暴露地表年龄的方法，原地生成宇宙成因核素(如3he、
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be、
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al、
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cl等)是银河系宇宙射线次级粒子与地表物质的构成原子反应所形成的核素，其含量是随着样品的暴露时间的增加而增加的。因此，通过测定样品中的核素浓度，利用函数对应关系，即可求得时间，获取沉积物或岩石的暴露地表的年龄。其中，石英中的o、si原子受到次生宇宙射线的轰击，形成
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be、
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al两种核素，且由于石英为常见造岩矿物，分布广泛，易于采集，因此在众多核素应用的实例中，最为成熟的是
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be、
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al年代学的理论研究及其相关地质应用，这也是石英常作为原地宇宙核素测年样品的原因。
3.然而原地宇宙核素测年样品中的
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al含量会对测年结果产生影响，为了保证测年结果的准确性，样品中的
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al含量需要降低至200ppm以下。通常样品中绝大部分的
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al都来源于长石等杂质，因此将样品中的杂质和石英分离以获得纯净的石英是原地生成宇宙成因核素测年实验的首要步骤。请参阅图1，其为传统的石英提纯方法的流程示意图，传统的石英提纯方法的步骤如下：
4.(1)破碎及筛分：将样品破碎、粉碎后过筛，取250～500μm粒径的样品颗粒；
5.(2)盐酸/过氧化氢溶液蚀刻：用体积比1:1的盐酸溶液及0.03％的过氧化氢的混合溶液对样品颗粒进行蚀刻。用2l的玻璃烧杯，根据所处理的样品量加入超纯水，然后依次加入盐酸及过氧化氢溶液，最后加入样品；之后将烧杯置于加热板上加热至65～75℃亚沸至少12小时；之后用超纯水冲洗3～4次，直到样品无明显异味为止。之后将样品冲洗进小玻璃烧杯中置入烘箱中烘干，温度为60～70℃；
6.(3)氢氟酸和硝酸蚀刻：将样品倒入4l大小的塑料广口瓶，加入1％氢氟酸和1％硝酸，广口瓶放在水温为90～95℃左右的恒温水浴池，用频率在40～45khz超声波震荡9小时，之后用超纯水清洗3～4次冲洗进玻璃烧杯中置入烘箱中烘干，温度为60～70℃。
7.可用于原地宇宙核素测年的样品包括有石英、石英质砾岩颗粒和花岗质等，传统的石英提存方法主要是针对石英和石英质砾岩颗粒样品提出的，此类样品杂质相对较少，易于提纯。但对于花岗质样品，由于此类样品中包括较多长石以及云母类含铁矿物等杂质，上述传统的石英提纯方法难以将花岗质样品中的石英和长石以及云母类含铁矿物等杂质分离，因此去除花岗岩质样品中的长石和含铁矿物杂质以提纯石英，是利用花岗岩质样品开展原地生成宇宙成因核素测年实验首要解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种原地生成宇宙成因核素
花岗质年代学样品的提纯方法，能够在较短时间内有效完成对花岗岩样品的石英提纯。
9.本发明是通过以下技术方案实现的：一种原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法，包括步骤：
10.s1：破碎花岗质样品并过筛，得到细小粒径的样品颗粒；
11.s2：将步骤s1获得的样品颗粒通过氢氟酸溶液浸泡，得到长石与石英分离的样品颗粒；
12.s3：对步骤s2获得的样品颗粒进行重液分离，得到初步去除长石的样品颗粒；
13.s4：将步骤s3获得的样品颗粒通过王水溶液浸泡，得到去除含铁矿物的样品颗粒；
14.s5：将步骤s4获得的样品颗粒通过氢氟酸和硝酸溶液浸泡，得到去除残余长石的样品颗粒；
15.s6：对步骤s5获得的样品颗粒进行
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al含量测试，若测得样品颗粒中
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al含量小于200ppm，则完成提纯；若测得样品颗粒中
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al含量大于等于200ppm，则返回步骤s5。
16.相对于现有技术，本发明提供一种原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法，针对花岗质样品的岩性，先后通过更高浓度的氢氟酸溶液、氢氟酸和硝酸溶液进行长石和石英的溶解分离，这是由于花岗质样品中的长石含量高，通过高浓度的氢氟酸溶液可以将长石溶解，但同时氢氟酸溶液同样可以溶解石英，如果要将花岗质样品中的长石消除至
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al含量达标，需要较长的溶解时间，这将导致石英的过量损失，因此本发明先通过高浓度的氢氟酸溶液浸泡破碎的花岗质样品颗粒，以大量去除花岗质样品中的长石；然后通过较高浓度的氢氟酸和硝酸溶液再次浸泡花岗质样品颗粒，以去除花岗质样品中残余的长石，从而能够使花岗质样品中的长石更快更易于消除的同时保证了石英余量。同时，花岗质样品中还含有需要去除的云母等含铁矿物杂质，由此本发明通过王水溶液对花岗质样品浸泡，能够对此类杂质进行去除。
17.进一步地，所述步骤s2中的氢氟酸溶液的浓度为8％。
18.进一步地，所述步骤s5中的氢氟酸和硝酸溶液的浓度为5％。
19.进一步地，所述步骤s2进一步包括步骤：
20.将所述步骤s1获得的样品颗粒与氢氟酸溶液混合，并在恒温条件下通过超声波持续振荡，得到长石与石英分离的样品颗粒。
21.进一步地，所述步骤s5进一步包括步骤：
22.将所述步骤s4获得的样品颗粒与氢氟酸和硝酸溶液混合，并在恒温条件下通过超声波持续振荡，得到去除残余长石的样品颗粒。
23.进一步地，所述步骤s3进一步包括步骤：
24.通过稀释多钨酸钠溶液(spt，比重2.60g/cm3)对所述步骤s2获得的样品颗粒进行重液分离，获取溶液底部的样品颗粒，得到初步去除长石的样品颗粒。
25.进一步地，所述步骤s4中的王水溶液为混合的浓度为10％的盐酸溶液和浓度为10％的硝酸溶液。
26.进一步地，所述步骤s4进一步包括步骤：将所述步骤s3获得的样品颗粒与王水溶液混合，并在恒温条件下通过超声波持续振荡。
27.进一步地，所述步骤s6进一步包括步骤：
28.取部分步骤s5获得的样品颗粒、浓度为40％的氢氟酸溶液以及硫酸与超纯水体积
比为1:1的硫酸溶液混合后，加热消解样品颗粒中的石英；
29.将消解完成并冷却后的溶液与浓度为2％的硝酸溶液混合，测量
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al含量。
30.进一步地，所述恒温条件的温度设定为50℃。
31.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
32.图1为背景技术中的传统的石英提纯方法的流程示意图；
33.图2为实施例的原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法示意图。
具体实施方式
34.请参阅图2，其为本实施例的原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法示意图。该方法包括步骤：
35.s1：破碎花岗质样品并过筛，得到细小粒径的样品颗粒；
36.具体地，对花岗质样品的破碎可以通过粉碎机压碎。
37.将花岗质样品充分破碎后，可通过过滤筛，如铁筛，筛出细小粒径的样品颗粒，舍弃过滤筛内的长石和云母晶体较大的颗粒。在一具体实施例中，将破碎的花岗质样品倒入粒径为250μm和550μm的过滤筛，筛出粒径为250～550μm的样品颗粒。
38.在一优选实施例中，可使用纯水对得到的细小粒径的样品颗粒进行清洗，去除样品颗粒表面附着的植物根系、风化土和颗粒粉末等，清洗完毕后可放入烘箱进行干燥。
39.s2：将步骤s1获得的样品颗粒通过氢氟酸溶液浸泡，得到长石与石英分离的样品颗粒；
40.经过步骤s1获得的样品颗粒中，仍有较多长石与石英紧密胶结的颗粒，因此需要进一步分离。氢氟酸能够同时溶解长石和石英，而对长石的溶解速率更高，因此可利用氢氟酸浸泡步骤s1获得的样品颗粒，以分离胶结的长石与石英。
41.具体地，氢氟酸溶液的浓度配置为8％。步骤s2进一步包括步骤：将样品颗粒与氢氟酸溶液混合，并在恒温条件下通过超声波持续振荡；间断更换氢氟酸溶液，直至长石与石英完全分离，得到长石与石英分离的样品颗粒。
42.在一具体实施例中，配置浓度为8％的氢氟酸溶液，取50g样品和500ml的8％氢氟酸溶液加至1l的聚氯乙烯广口瓶中，并将该广口瓶封口后通过超声波恒温浴池持续振荡，超声波恒温浴池的温度设定为50℃。
43.在一具体实施例中，以每3天1次的频率更换超声波恒温浴池中的广口瓶中的氢氟酸溶液。
44.在一优选实施例中，将步骤s2获得的样品颗粒通过超纯水冲洗，直至附着于石英表面的氢氟酸溶液完全去除。
45.s3：重液分离步骤s2获得的样品颗粒中的长石和石英，得到初步去除长石的样品颗粒；
46.由于石英密度为2.63～2.67g/cm3，长石密度不超过2.55g/cm3，石英密度比长石密度大，因此可利用重液分离将样品颗粒中的长石和石英物理分离。
47.在一具体实施中，通过稀释多钨酸钠溶液(spt，比重2.60g/cm3)对样品颗粒中的
石英和长石进行重液分离，获取溶液底部的包含石英的样品颗粒。
48.在一优选实施例中，通过超纯水冲洗步骤s3获得的样品颗粒，去除附着在样品颗粒表面的重液溶液。
49.s4：将步骤s3获得的样品颗粒通过王水溶液浸泡，得到去除含铁矿物的样品颗粒；
50.经过步骤s3得到的样品颗粒中仍残留有密度较大的含铁矿物杂质，如云母等，因此需要通过王水溶液对样品颗粒进一步提纯。
51.具体地，王水溶液为混合的浓度为10％的盐酸溶液和浓度为10％的硝酸溶液，步骤s3进一步包括步骤：将步骤s3获得的样品颗粒与王水溶液混合，并在恒温条件下通过超声波持续振荡。
52.在一具体实施例中，将50g步骤s3获得的样品颗粒与250ml王水溶液加至1l聚氯乙烯广口瓶中，并将该广口瓶封口后通过超声波恒温浴池持续震荡，超声波恒温浴池的温度设为50℃；根据样品颗粒中的黑云母含量，对样品颗粒浸泡1～2周。
53.在一优选实施例中，通过超纯水冲洗步骤s4获得的样品颗粒，去除附着在样品颗粒表面的王水溶液。
54.s5：将步骤s4获得的样品颗粒通过氢氟酸和硝酸溶液浸泡，得到去除残余长石的样品颗粒；
55.由于经过步骤s2～s4后，虽已将的样品颗粒中大部分的长石和含铁矿物杂质分离去除，但仍可能具有少量长石等杂质残留，因此需要再次进行氢氟酸和硝酸溶液浸泡，以溶解样品颗粒中的长石，刻蚀样品颗粒中的石英，。
56.具体地，氢氟酸和硝酸溶液的浓度为5％。步骤s5进一步包括步骤：将浓度为5％氢氟酸和硝酸溶液与步骤s4获得的样品颗粒混合，并在恒温条件下通过超声波持续振荡。
57.在一具体实施例中，将50g步骤s4获得的样品颗粒与5％氢氟酸和硝酸溶液加至1l聚氯乙烯广口瓶中，并将该广口瓶封口后放入超声波恒温浴池持续震荡，直至样品中长石矿物被完全消解，超声波恒温浴池的温度设为50℃。
58.在一优选实施例中，通过超纯水冲洗步骤s5获得的样品颗粒，去除附着在样品颗粒表面的氢氟酸和硝酸溶液。
59.s6：对步骤s5获得的样品颗粒进行
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al含量测试，若测得样品颗粒中
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al含量小于200ppm，则完成提纯；若测得样品颗粒中
27
al含量大于等于200ppm，则返回执行步骤s5。
60.具体地，步骤s6进一步包括步骤：取部分步骤s5获得的样品颗粒、氢氟酸溶液以及硫酸溶液混合后，加热消解样品颗粒中的石英；消解完成并冷却后，将消解后的溶液与硝酸溶液混合，测量
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al含量。其中，氢氟酸溶液的浓度配置为40％，硫酸溶液的硫酸与超纯水体积比为1:1，硝酸的浓度配置为2％。
61.在一具体实施例中，将0.5g步骤s5获得的样品颗粒、5ml浓度为40％的氢氟酸溶液以及5～7滴1:1硫酸溶液加入15ml的特氟龙消解罐，并置于电热板上持续加热以消解样品颗粒中的石英，电热板的加热温度设为115～130℃；若经过一段时间加热后的小液滴中仍有石英残渣，则再次加入2～3ml浓度为40％的氢氟酸溶液和5滴1:1硫酸溶液，并持续加热，直至石英完全消解；消解完成并冷却后，加入浓度为2％的硝酸溶液溶解所获得的小液滴后，转移至15ml离心管中，并多次清洗特氟龙消解罐，使离心管定容至10ml，加盖保存，测量
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al含量。
62.将本实施例的原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法与背景技术中的传统的石英提纯方法进行对比实验：该对比实验中采集了3种华南地区较为典型的细粒/粗粒黑云母花岗岩样品，样品编号分别为nzs-2、nzs-4和nzs-5。
63.使用传统的石英提纯方法进行花岗岩样品提纯后，样品中的长石和黑云母无法完全去除，这些矿物呈粒径极小的颗粒状与石英矿物混杂或附着于石英表面，如表1所示，对于三种花岗岩样品nzs-2、nzs-4、nzs-5，传统的石英提纯方法提纯后的样品中的
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al质量分数分别为10572.688ppm、6414.461ppm、268.785ppm，均低于原地成因宇宙核素测试要求的200ppm。
64.而使用本实施例的原地生成宇宙成因核素花岗质年代学样品的提纯方法进行花岗岩样品提纯后，石英表面未见有明显的长石与云母矿物，如表1所示，对于三种花岗岩样品nzs-2、nzs-4、nzs-5，本实施例的方法提纯后的样品中的
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al质量分数分别为88.785ppm、102.096ppm、141.689ppm，均高于原地成因宇宙核素测试要求的200ppm。
65.表1
[0066][0067]
相对于现有技术，本发明针对花岗质样品的岩性，先后通过更高浓度的氢氟酸溶液、氢氟酸和硝酸溶液进行长石和石英的溶解分离，这是由于花岗质样品中的长石含量高，通过高浓度的氢氟酸溶液可以将长石溶解，但同时氢氟酸溶液同样可以溶解石英，如果要将花岗质样品中的长石消除至
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al含量达标，需要较长的溶解时间，这将导致石英的过量损失，因此本发明先通过高浓度的氢氟酸溶液浸泡破碎的花岗质样品颗粒，以大量去除花岗质样品中的长石；然后通过较高浓度的氢氟酸和硝酸溶液再次浸泡花岗质样品颗粒，以去除花岗质样品中残余的长石，从而能够使花岗质样品中的长石更快更易于消除的同时保证了石英余量。同时，花岗质样品中还含有需要去除的云母等含铁矿物杂质，由此本发明通过王水溶液对花岗质样品浸泡，能够对此类杂质进行去除。
[0068]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。