MAT-271型质谱计测流体化学组成实验方法—分步加热质谱法

高磊 兰州资源环境职业技术学院

MAT-271型质谱计测流体化学组成实验方法—分步加热质谱法

高磊 兰州资源环境职业技术学院

分步加热质谱法是目前广泛用于地幔热流组成测定的实验技术，该方法克服了样品释出流体组分间相互反应对测试数据的影响等，本文介绍了分步加热质谱法的仪器（MAT-271型质谱计）工作原理，从样品选取与处理，结果分析，实验方法，流体来源及对环境影响等方面进行了系统的阐述。该实验精度要求很高，最后得到的组分较为全面。但其测定结果常受到各种因素的制约，如样品大小的选取、气体来源的多样性、样品分析前处理不当。

MAT-271 分步加热质谱法 流体组成 宾川岩浆岩

引言

流体化学组成分析采用改进的在线真空分步加热质谱法完成。该方法克服了样品释出流体组分间相互反应对测试数据的影响，通过控制加热温度有效地分离岩浆矿物中不同赋存状态的流体挥发份，并可恢复高温条件下与岩浆平衡的流体挥发份组成，并对含C、H、O、S和N的挥发份进行精确测定。近年被广泛用于各种岩石及包裹体流体组成的测定。

一、实验仪器及检测原理简介

MAT271气体同位素质谱仪是美国菲尼根玛特公司（Finnigan MAT）研制的磁质谱仪，电离源为电子轰击型（EI），检测器是法拉第杯，常规浓度检测范围0.0001～100%。该仪器适用于气体组分及同位素定性和定量分析的仪器。它具有灵敏度高、线性范围好的特点。由于该仪器在测试气体组分及同位素方面的优越性，国内外专家对其在功能及操作性上进行了一系列的改进，扩展了该仪器的功能，并使其更容易进行数据处理。

图1 质谱原理图

质谱仪分离不同组分的原理不同于色谱仪。色谱是通过色谱柱中的固定相对不同组分的分配系数不同将其分离，而质谱仪是利用不同组分在质谱离子源中被电离成的离子的质荷比 (M/Z)不同，通过磁场扫描将其分离，如图1。不同组分在离子源被电离失去一个电子，带一个正电荷，经加速电压U加速后获得一定动能进入磁场。带电离子在磁场中做圆周运动，半径与磁场强度和离子的质荷比有关(M/Z=H2r2/2U)。通过改变磁场强度来改变不同离子的运动半径，使不同组分的离子依次从质谱仪的出口狭缝S2飞出，由接收器检测。

二、样品与实验方法

（一）样品及处理

本文选择云南宾川、丽江等地区，玄武岩样品，将所有的样品切开后，并选择出样品内部新鲜无蚀变并且具有代表性的部位，对所采集的样品在偏光显微镜下作了详细的岩石学、岩相学分析。并从样品中选择了去除斑晶后的基质样品进行流体组成的分析测试。

通过偏光显微镜对样品薄片进行岩性判定，选择新鲜的样品去除表层部分后，将所取的干净样品在无污染环境下把样品破碎至60～80目，在双目显微镜下手工剔除橄榄石斑晶和辉石斑晶以及其他杂质，然后保留纯度较高的选出的基质颗粒。对所选出的基质样品首先用0.3mol/L的盐酸浸泡24小时，再将浸泡后的样品放入超声波震荡器中清洗，以除去样品中蚀变部分及次生碳酸盐以及残余的盐酸组分，然后用蒸馏水反复的清洗样品至中性，再利用分析纯的二氯甲烷有机溶剂溶掉样品表面的有机质污染，再用超声波震荡器震荡来清洗掉二氯甲烷溶剂，最后将清洗干净的样品放入进110℃的烘箱中进行恒温烘干工作，之后密封保存样品来进行流体实验的分析测试工作。

（二）实验方法--流体组分分析

流体化学组成分析采用改进的在线真空分步加热质谱法完成。在实验样品阶段性受热时，使用液氮将实验样品中释放出来的流体组分封存在冷阱管之中，从而可以有效地阻止已经释放而出的流体组份间因高温，而重新反应生成新的流体组份，通过控制加热温度有效地分离岩浆矿物中不同赋存状态的流体挥发份，并可恢复高温条件下与岩浆平衡的流体挥发份组成，并对含C、H、O、S和N的挥发份进行精确测定。流体组分提取装置如（图2），由升温炉、石英样品管、液氮冷阱、酒精液氮冷阱组成，装置与MAT-271型质谱计通过阀门连接。

分步加热法能够有效地控制加热的温度，有效地将地幔岩浆内不同赋存状态的流体挥发份进行分离，分析不同温度段流体的化学组成特征，并恢复了在高温条件下与岩浆相平衡的流体组成。通过这种实验方法测得的CH4、CO、CO2、和H2的相对实验误差＜0.1%，H2O含量相对实验误差范围＜5%[2]。

三、流体组成特征

（一）流体化学组成

根据前人的研究可以得知：流体挥发份相在分段加热中具有阶段性释出的特点，从而将岩石样品中流体的释放温度大致分为：低温释气段（约200℃～600℃），中温释气段（约600℃～800℃）以及高温释气段（约800℃～1100℃）。各个阶段释出的气体组分和气量都有所不同，其中H2O是流体组份中的主要组成，其它的组成气体可以是CO2、N2、O2、CO、C2H6、H2以及CH4等。

（二）挥发份相释气特征

根据作图2得知，宾川地区的岩石样品在在分步加热实验中不同的温度段所释放出的不同挥发份相见表3。在分步加热的过程中宾川玄武岩的基质样品，其流体组分随着温度的升高而呈现出不同的释放特征：600℃-700℃时总释气量达到一个峰值（图2-a），其中H2O是主要的挥发份相，平均含量7974.92mm³/g，主要在500℃-900℃之间的温度段时释出，并在600℃-700℃时达到释放量的最高值。去H2O后的释气特征图（图2-b）从图中可以看到，各温度段的流体组分表现出一定的规律性：玄武岩基质样品出现了两个释气峰，第一个出现在200℃-400℃时，峰值较小；另一个释气峰出现在400℃-800℃时，峰值较明显，玄武岩基质样品中，其最大峰值出现在800-1000℃时。

图2 宾川玄武岩不同温度段释气特征图

（三）流体挥发份组成特征

宾川地区玄武岩样品基质中，如图3所示，H2O是主要的挥发份相，在玄武岩样品基质中H2O的平均含量为7974.92 mm³/g（98%）。玄武岩样品基质的去H2O流体组份中，玄武岩样品基质的流体组份平均主要为：CO2（52.10 mm³/g）、H2（51.96 mm³/g）、N2（24.79 mm³/g）、O2（6.47 mm³/g）。

图3 玄武岩基质中的挥发份组份图与基质中去H2O挥发份组份图

四、流体挥发份的来源及对环境的影响

分步加热实验过程中，岩矿样品释放出的流体组份主要有6个可能的来源：

1.在矿物的结晶形成过程之时所获得的挥发份组份；2.早期已经吸附于矿物的表面以及裂隙中的挥发份组份；3.位于矿物的晶格缺陷位置或者空隙之中的流体组份； 4.在矿物经历演化的过程中，再次捕获的具有放射性成因的挥发份组份；5.分步加热的高温阶段，因反应而新生成的挥发份组份；6.矿物形成的后期，因为交代或者蚀变所产生的流体组份[1-2,4-5]。其中，1、3、4和6中的挥发份组份主要与岩浆作用有关，其余(2)和(5)中的流体组份可能会对实验测定结果的精度产生影响。

五、总结与展望

分步加热质谱法是目前广泛用于地幔热流组成测定的实验技术，可对不同量级的流体组分进行高密度分析。该技术有效地排出了样品释出流体组分间的相互反应，通过控制加热温度可分离不同赋存状态的流体组分。但此方法必须进行严格的样品前处理，去除样品表面吸附的大气来源挥发份及次生碳酸盐等，样品加热过程中采用液氮冷阱可阻止了样品释出挥发份在高温条件下相互反应，因此分步加热过程中样品释出的流体挥发份主要来源于矿物结晶时捕获的岩浆挥发份，以及后期作用过程中捕获的后期流体挥发份，如后期交代作用流体或蚀变作用流体，二者可能分别保存于矿物原始流体包裹体、矿物晶格缺陷与空隙和次生流体包裹体中。但也正由于样品加热过程液氮将实验样品中释放出来的流体组分封存在冷阱管之中，以及测量时应用酒精液氮冷阱(-60℃)除去生成组份中的H2O，在用热水解冻是难免造成细微的误差，流体组分与H2O残留在仪器通道中。因此有待于进一步改进。

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