1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геохимия
  4. T. 68, № 11, 2023

Геохимия, 2023, T. 68, № 11, стр. 1161-1174

Изотопный (δ13С, δ18О) анализ малых количеств карбонатов в силикатных породах методом CF IRMS

Е. О. Дубинина a, *, Ю. Н. Чижова a, С. А. Коссова a

a Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук
119017 Москва, Старомонетный пер., 35, Россия

* E-mail: elenadelta@gmail.com

Поступила в редакцию 23.03.2023
После доработки 15.05.2023
Принята к публикации 22.05.2023

Аннотация

Проведено экспериментальное изучение основных факторов, влияющих на точность изотопного анализа кислорода и углерода карбонатов, диспергированных в силикатном матриксе. Искусственные 1, 2, 5 и 10%-ные смеси кварца с разными по изотопным параметрам карбонатами (КН-2, Ко, МСА-8) анализировались методом изотопной масс-спектрометрии в постоянном потоке гелия (CF IRMS). Установлено, что помимо влияния приборной нелинейности анализа малых количеств газа образца, на результаты влияют два фактора – следовые количества СО2, постоянно присутствующие в системе (эффект бланка) и присутствие химически нейтральных частиц силиката (эффект матрикса). Эффект бланка зависит от изотопных параметров образца и практически не влияет на оценку содержания карбоната в породе. Эффект матрикса, напротив, сильно сказывается на оценке содержания карбоната в породе, а изотопный сдвиг, им вызываемый, всегда направлен в сторону обеднения образца тяжелыми изотопами 13С и 18О. Показано, что данный эффект связан с процессами, протекающими в зоне интерфейса “СО2–кислота–поверхность кварца”, которые сопровождаются кинетическим фракционированием изотопов углерода и кислорода. Оба эффекта зависят от количества силикатного матрикса в системе и должны проявляться при анализе пород, бедных карбонатами. При содержании карбонатов в породе около 1–2%, отклонения от истинных значений δ13С и δ18О могут достигать первых промилле, а оценки содержаний карбоната в породе, проведенные методом калибровки хроматографического пика, могут быть занижены на 20–40%.

Ключевые слова: рассеянные карбонаты, изотопный состав кислорода, изотопный состав углерода, масс-спектрометрический анализ в постоянном потоке гелия, силикатная матрица

Список литературы

  1. Дубинина Е.О., Носова А.А., Авдеенко А.С. и др. (2010) Изотопная (Sr, Nd, O) систематика высоко-Sr-Ba гранитоидов позднемиоценовых интрузивов района Кавказских Минеральных Вод. Петрология. 18(3), 227-256.

  2. Дубинина Е.О., Филимонова Л.Г., Коссова С.А. (2019) Изотопные (δ34S, δ13C, δ18O) характеристики вкрапленной минерализации магматических пород Дукатского рудного поля (Северо-Восток России). Геология рудных месторождений. 61(1), 39-51.

  3. Al-Aasm I.S., Taylor, B.E., South B. (1990) Stable isotope analysis of multiple carbonate samples using selective acid extraction. Chem. Geol. (Isot. Geosci. Sect.). 80, 119-125.

  4. Alt J.C., Shanks W.C. III. (2006) Stable isotope compositions of serpentinite seamounts in the Mariana forearc: Serpentinization processes, fluid sources and sulfur metasomatism. Earth and Planetary Science Letters. 242, 272-285.

  5. Bastrikov V., Steen-Larsen H., Masson-Delmotte V., Gribanov K., Cattani O., Jouzel J., Zakharov V. (2014) Continuous measurements of atmospheric water vapour isotopes in western Siberia (Kourovka). Atmospheric Measurement Techniques. 7. https://doi.org/10.5194/amt-7-1763-2014

  6. Baudrand M., Aloisi G., Lécuyer C., Martineau F., Fourel F., Escarguel G., Blanc-Valleron M.-M., Rouchy J.-M., Grossi V. (2012) Semi-automatic determination of the carbon and oxygen stable isotope compositions of calcite and dolomite in natural mixtures. Applied Geochemistry. 27, 257-265.

  7. Bottinga, Y. (1968) Calculation of fractionation factors for carbon and oxygen isotopic exchange in the system calcite-carbon dioxide-water. J. Phys. Chem. 72, 800-808.

  8. Brand W. (1996) High precision isotope ratio monitoring techniques in mass spectrometry. Journal of mass spectrometry. 31(3), 225-35.

  9. Brand W.A. (2004) Mass Spectrometer Hardware for Analyzing Stable Isotope Ratios. In Handbook of Stable Isotope. Analytical Techniques (Eds. de Groot P.A.). Amsterdam: Elsevier, 835-858.

  10. Breitenbach S.F.M., Bernasconi S.M. (2011) Carbon and oxygen isotope analysis of small carbonate samples (20 to 100 μg) with a Gas-Bench II preparation device. Rapid Commun. Mass Spectrom. 25(13), 1910-1914.

  11. Burman J., Gustafsson O., Segl M., Schmitz B. (2005) A simplified method of preparing phosphoric acid for stable isotope analyses of carbonates. Rapid Commun. Mass Spectrom. 19(21), 3086-3088.

  12. Chacko T., Deines P. (2008) Theoretical calculation of oxygen isotope fractionation factors in carbonate systems. Geochim. Cosmoch. Acta. 72(15), 3642-3660.

  13. Du Y., Song H. (2020) Refined protocol for δ13C analysis of calcite and dolomite in carbonate mixture samples. Rapid Commun Mass Spectrom. 34(10). https://doi.org/10.1002/rcm.8743

  14. ESRL Global Monitoring Division (NOAA ESRL GMD), https://www.esrl.noaa.gov/gmd/

  15. Fiebig J., Schöne B., Oschmann W. (2005) High-precision oxygen and carbon isotope analysis of very small (10–30 µg) amounts of carbonates using continuous flow isotope ratio mass spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 19(16), 2355-2358.

  16. Finnigan Gasbench II Operating Manual. (2004) Thermo Electron Corporation: Bremen, Germany.

  17. Galimov E.M. (1991) Isotope fractionation related to kimberlite magmatism and diamond formation. Geochim. Cosmoch. Acta. 55, 1697-1708.

  18. Giuliani A., Phillips D., Kamenetsky V.S., Fiorentini M.L., Farquhar J., Kendrick M.A. (2014) Stable isotope (C, O, S) compositions of volatile-rich minerals in kimberlites: A review. Chemical Geology. 374-375, 61-83.

  19. Gruber N., Keeling C.D., Bacastow R.B., Guenther P.R., Lueker T.J., Wahlen M., Meijer H.A.J., Mook W.G., Stocker T.F. (1999) Spatiotemporal patterns of carbon-13 in the global surface oceans and the oceanic Suess effect. Global Biogeochem. Cycles. 13(2), 307-335.

  20. Jacob H., Sonntag C. (1991) An 8-year record of the seasonal variation of 2H and 18O in atmospheric water vapour and precipitation at Heidelberg, Germany. Tellus B. 43, 291-300.

  21. Liu X., Deng W., Wei G. (2018) Carbon and oxygen isotopic analyses of calcite in calcite-dolomite mixtures: Optimization of selective acid extraction. Rapid Commun Mass Spectrom. 33. https://doi.org/10.1002/rcm.8365

  22. McCrea J.M. (1950) On the Isotopic Chemistry of Carbonates and a Paleotemperature Scale. Journal of Chemical Physics. 18, 849-857.

  23. Nelson S.T. (2000) Sample vial influences on the accuracy and precision of carbon and oxygen isotope ratio analysis in continuous flow mass spectrometric applications. Rapid Commun Mass Spectrom. 14(4), 293-297.

  24. Paul D., Skrzypek G., Fórizs I. (2007) Normalization of measured stable isotopic compositions to isotope reference scales – a review. Rapid Commun Mass Spectrom. 21(18), 3006-3014.

  25. Paul D., Skrzypek G. (2007) Assessment of carbonate-phosphoric acid analytical technique performed using GasBench II in continuous flow isotope ratio mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry. 262, 180–186.

  26. Paul D., Skrzypek G. (2006) Flushing time and storage effects on the accuracy and precision of carbon and oxygen isotope ratios of sample using the Gasbench II technique. Rapid Commun. Mass Spectrom. 20, 2033-2040.

  27. Révész K., Landwehr J. (2002) δ13C and δ18O isotopic composition of CaCO3 measured by continuous flow isotope ratio mass spectrometry: Statiscal evaluation and verification by application to Devils Hole core DH-11 calcite. Rapid Commun Mass Spectrom. 16, 1012-2114.

  28. Rosenbaum J.M., Sheppard S.M. (1986) An isotopic study of siderites, dolomites and ankerites at high temperatures. Geochim. Cosmoch. Acta. 50, 1147-1150.

  29. Skrzypek G., Paul D. (2006) Delta13C analyses of calcium carbonate: Comparison between the GasBench and elemental analyzer techniques. Rapid Commun Mass Spectrom. 20, 2915-20.

  30. Spötl C., Vennemann T. (2003) Continuous-flow isotope ratio mass spectrometric analysis of carbonate minerals. Rapid Commun Mass Spectrom. 17, 1004-1006.

  31. Sreenivasan S., Bera M.K., Samanta A. (2023) A simple but improved protocol for measuring carbon and oxygen isotope ratios of calcite in calcite-dolomite mixtures. Applied Geochemistry. 150, 105600. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105600

  32. Velivetskaya T., Ignatiev A., Gorbarenko S. (2009) Carbon and oxygen isotope microanalysis of carbonate. Rapid Commun Mass Spectrom. 23, 2391-2397.

  33. Wachter E.A., Hayes J.M. (1985) Exchange of oxygen isotopes in carbon dioxide-phosphoric acid systems. Isot Geosci. 52, 365-374.

  34. Walters L.J., Claypool G.E., Choquette P.W. (1972) Reaction rates and δ18O variation for the carbonate-phosphoric acid preparation method. Geochim. Cosmochim. Acta. 36, 129-140.

  35. Werner R.A., Brand W.A. (2001) Referencing strategies and techniques in stable isotope ratio analysis. Rapid Commun Mass Spectrom. 15(7), 501-519.

  36. Yong D., Song H. (2020) Refined protocol for the δ13C analysis of calcite and dolomite in carbonate mixture samples. Rapid Commun Mass Spectrom. 34. https://doi.org/10.1002/rcm.8743

  37. Zha X.-P., Gong B., Zheng Y.-F., ChenY.-X. (2017) Precise carbon isotopic ratio analyses of micro amounts of carbonate and non - carbonate in basalt using continuous – flow isotope ratio mass spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 32, 48-56.

  38. Zha X.-P., Zhao Y.-Y., Zheng Y.-F. (2010) An online method combining a Gasbench-II with continuous flow isotope ratio mass spectrometry to determine the content and isotopic compositions of minor amount of carbonate in silicate rocks. Rapid Commun Mass Spectrom. 24, 2217-2226.

  39. Zhao Z.-F., Zheng Y.-F., Wei C.-S., Gong B. (2001) Carbon concentration and isotope composition of granites from Southeast China. Physics and Chemistry of the Earth Parts A/B/C. 26, 821-833.

  40. Zheng Y.-F., Gong B., Li Y., Wang Z., Fu B. (2000) Carbon concentrations and isotopic ratios of eclogites from the Dabie and Sulu terranes in China. Chemical Geology. 168, 291-305.

  41. Zheng Y.-F., Gong B., Zhao Z.-F., Fu B., Li Y.-L. (2003) Two types of gneisses associated with eclogite at Shuanghe in the Dabie terrane: Carbon isotope, zircon U-Pb dating and oxygen isotope. Lithos. 70, 321-343.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал