海底热液硫化物230Th-U定年的铀与钍分离

摘要

该方案描述了一种通过铁共沉淀和萃取色谱法纯化和分离海底热液硫化物样品中铀（U）和钍（Th）核素的方法，用于²³⁰Th-U不平衡定年。

摘要

海底热液硫化物的年龄是估算热液矿床规模的重要指标。样品中的铀和钍同位素可用于²³⁰Th-U定年。本文介绍了一种用于纯化和分离海底热液硫化物样品中铀和钍同位素的方法。采用该技术处理后，分离出的铀和钍组分可满足多接收电感耦合等离子体质谱法（MC-ICPMS）的测量要求。通过测定现今²³⁰Th/²³⁸U和²³⁴U/²³⁸U的活度比值，可计算出热液硫化物样品的年龄。本实验需在超净实验室中进行，使用洁净的试剂和耗材以减少样品处理过程中的污染。实验过程中还需使用天平、加热板和离心机。硫化物样品需研磨成粉末用于分析，样品用量少于0.2 g。简要步骤如下：称量样品，溶解后加入²²⁹Th-²³³U-²³⁶U双稀释剂溶液，铁共沉淀后通过阴离子交换树脂萃取柱进行分离。采用MC-ICPMS对硫化物样品进行²³⁰Th-U定年时，约消耗50 ng铀。

引言

海底热液硫化物一直是铁、铜、锌和铅等金属的稳定来源，也被视为具有经济价值的银和金资源。这些矿床的位置和规模记录了海底热液喷口活动的历史。对热液硫化物进行定年，可为硫化物矿床的形成与改造机制、海底热液活动历史以及大型硫化物矿体的生长速率提供重要信息^1,2,3。²³⁸U-²³⁴U-²³⁰Th不平衡定年法是一种有效的同位素测年方法，适用于热液硫化物^{4,5,6,7,8,9,10,11,12}，该方法需要对U和Th同位素进行纯化与分离。本文描述了一种通过MC-ICPMS对硫化物样品进行U和Th同位....

方案

1. 样品、试剂和容器的准备

1. 使用喷雾酒精或超纯水清洁通风橱、加热板和天平室实验台，以备化学实验使用。
2. 在样品处理前，准备亚沸酸（2 M HCl、8 M HCl、7 M HNO₃ 和 14 M HNO₃）、洁净的烧杯及所有所需装置。
   注意：本研究中涉及的硫化物样品采自南大西洋新发现的热液区域。本流程中使用约 60 mg 粉末样品。样品收集于玻璃小瓶中，并存放在样品储存柜内。

2. 称量样品

1. 准备已清洗的 30 mL 全氟烷氧基（PFA）烧杯。在烧杯外壁标注两次标签（以防止擦除）。
2. 称量空烧杯。
   注意：所用天平精度为 ±0.0001 g，前提是所有容器均已完全去除静电。
3. 读取重量并记录。
4. 将样品倒入烧杯中。盖上盖子后称量样品。
   注意：样品重量取决于 ²³⁰Th 含量。²³⁰Th 水平随样品中铀（U）浓度和样品年龄而变化。通常情况下，样品中总铀含量达到 100 ng 即可满足分析需求。
5. 用瓶子加入少量（约 1 mL）超纯水，冲洗内壁并小心摇动烧杯。
   注意：加入足量超纯水以完全浸没所有样品。

3. 溶解并加标样品

....

结果

采用此方法，可将海底热液硫化物样品完全溶解。根据该方案，使用8 M HCl从热液硫化物样品中淋洗出Th组分，同时使用0.1 M HNO₃淋洗U组分。U和Th组分溶解于2% HNO₃（+0.1% HF）溶液中（见图2），并储存于2 mL容量的小瓶中。随后通过MC-ICPMS对混合溶液进行分析。

利用多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS），可精确测定海底热液硫化物中铀（U）和钍（Th）同位素比值及其年龄。年龄通过迭代法计算得出¹³。测试结果列于表2中。铀含量范围为178.0至5,118.2 ng·g^-1，钍含量范围为603至7,212 pg·g^-1。五个样品的年龄分别为567 ± 52、1,585 ± 27、3,345 ± 132、14,211 ± 727和21,936 .......

讨论

为确保本方案的成功实施，必须遵循一些关键步骤。所有操作均需在通风良好且空气洁净的化学实验室内通风橱中进行。本过程中所用试剂需预先纯化，仪器使用前应彻底清洗。在配制7 M HNO₃溶液时，应确保样品完全溶解，随后将该溶液上样至已用7 M HNO₃预处理的树脂柱中。若样品中存在任何不溶物，则在干燥后需重新溶解。此外，建议采取以下重要步骤：（i）在样品处理过程中避免相邻样品之间的交叉污染；（ii）每次洗脱步骤均需待液体完全排尽后再进行下一步操作；（iii）从柱子预处理到收集钍（Th）和铀（U）组分的全过程应在2小时内完成，否则强酸容易导致树脂降解。

该技术的主要局限性与样品中²³⁸U和²³²Th的浓度有关。最好选择U > 50 ppb且Th < 10 ppb的样品。所使用的AG 1-X8树脂在流程中可用UTEVA树脂替代。

通过该方法，对来自南大西洋的五个海底热液硫化物样品进行了测定。其年龄为距今 567 ± 52 至 21,93.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
AG 1-X8 阴离子交换树脂	BIO-RAD	140-1441	分离稀有元素
氨水溶液	Kanto Chemical CO., INC.	1336-21-6	试剂
玻璃小瓶	BOTEX	无	样品采集
盐酸	国药集团化学试剂有限公司	7647-01-0	试剂
氢氟酸	EMD Millipore CO.	7664-39-5	试剂
Neptune Plus	Thermo Fisher Scientific CO.	无	仪器
硝酸	国药集团化学试剂有限公司	7697-37-2	试剂
高氯酸	Kanto Chemical CO., INC.	32059-1B	试剂
超纯水	Merck Millipore	无	由 Mill-Q Advantage 系统制备
擦拭纸	Kimberley-Clark	0123-12	擦拭与清洁
2 ml 小瓶	Nelgene	5000-0020	样品采集
229Th-233U-236U 示踪剂	无	无	试剂
7 ml PFA 烧杯	Savillex	200-007-20	样品处理
10 ml 离心管	Nelgene	3110-1000	样品处理
30 ml PFA 烧杯	Savillex	200-007-20	样品处理