Ученые Института земной коры СО РАН (Иркутск) обнаружили уникальный образец апатита из Слюдянки и совместно с российскими и зарубежными коллегами доказали, что он может использоваться в качестве эталонного материала для элементного микроанализа. Этот минерал способен многое рассказать об истории Земли, также он важен для поиска месторождений ниобия и редкоземельных элементов. Результаты работы опубликованы в Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy.
Кристаллы апатита SlyudAP (слева) и его фрагментов, подготовленные для локального анализа (справа). Фото предоставлено Артемом Мальцевым
«Апатит — это минерал, который встречается в самых разных горных породах: магматических, метаморфических, осадочных. Он удивителен тем, что его кристаллическая решетка может вмещать в себя огромное количество примесных элементов: от редкоземельных до летучих компонентов. С геохимической точки зрения, изучая состав апатита, мы можем понять, как формировалась горная порода, при каких температурах и давлениях это происходило, какие в ней циркулировали флюиды. Кроме того, апатит важен с практической точки зрения: он часто сопровождает месторождения редких металлов, в частности ниобия и редкоземельных элементов, которые сегодня критически важны для зеленых технологий, электроники и оборонной промышленности. По составу апатита можно судить о потенциале рудного тела», — рассказывает старший научный сотрудник ИЗК СО РАН кандидат химических наук Артём Сергеевич Мальцев.
В современной геохимии для анализа апатита используют в основном масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС). Метод позволяет буквально «выжигать» минерал размером в сотню микрон и определять его элементный состав. Это точечно, быстро и не требует сложной пробоподготовки. Однако существует проблема: для получения точных количественных результатов ученым нужен стандарт — образец с заранее известным составом, с которым можно сравнивать полученные измерения. Если стандарт не подходит по свойствам (матрице), получается систематическая ошибка.
«Многие геохимики сегодня используют в качестве стандарта синтетические стекла, например NIST SRM 610. Это удобно, но у стекла и природного апатита разная матрица, что приводит к ошибкам в 5—10%. Чтобы этого избежать, нужен подходящий по матрице стандарт, то есть такой же апатит, но с гарантированной однородностью. Наш слюдянский апатит (SlyudAP) как раз и должен стать таким стандартом», — комментирует Артём Мальцев.
Для исследования ученые отобрали семь крупных кристаллов апатита из Слюдянки из коллекции ИЗК СО РАН, собранной еще 1980-х годах сотрудником института Леонидом Зиновьевичем Резницким. Только один из образцов оказался однородным. Чтобы проверить, можно ли применять этот кристалл в качестве стандарта, его разделили на фрагменты и разослали их в несколько лабораторий. Каждый фрагмент изучали разными аналитическими методами, в том числе лазерной абляцией, масс-спектрометрией растворов, рентгенофлуоресцентным анализом, сканирующей электронной микроскопией. Такой подход позволил получить максимально точные данные по составу и, что важно, доказать, что все фрагменты идентичны.
SlyudAP представляет собой кристалл ювелирного качества с высокими концентрациями стронция, тория и мышьяка, а также промежуточными концентрациями редкоземельных элементов. «Главное достоинство этого образца апатита — уникальная гомогенность. В мире существуют эталонные образцы апатита, например мексиканский Durango, но у Durango часто встречаются зональность и неоднородности по содержанию редких элементов. SlyudAP на удивление стабилен: на картах распределения элементов, которые мы построили с помощью лазерной абляции, нет пятен или зон обогащения. Вариации содержания большинства элементов не превышают 2—5%, что для природного минерала является отличным показателем», — отмечает Артём Мальцев.
В исследовании принимали участие несколько организаций. Основные работы проводились в Институте земной коры СО РАН. Именно здесь был подобран материал, разработана концепция исследования и выполнены ключевые анализы методами рентгенофлуоресцентного анализа и масс-спектрометрии. Ученые Геологического института РАН (Москва) сделали независимый анализ растворов на масс-спектрометре, что позволило подтвердить данные, полученные иркутскими коллегами. Сотрудники Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (Москва) выполнили высокодетальную съемку на электронном микроскопе, которая доказала однородность на микроуровне. В Институте геологии и геохронологии докембрия РАН (Санкт-Петербург) получили уникальные данные по изотопному составу урана и свинца методом ID-TIMS. Зарубежные исследователи участвовали в межлабораторных сличениях, подтвердив, что метод работает стабильно в разных условиях на разных приборах.
«Исследования будут продолжены. Во-первых, мы собираемся развивать использование слюдянского апатита в качестве геохронологического стандарта. Дело в том, что этот минерал часто применяют для определения возраста пород по уран-свинцовому методу. Сейчас мы провели предварительные измерения и получили возраст апатита — 467 миллионов лет. В будущем мы хотим уточнить эти данные, чтобы его можно было использовать как стандарт и для элементного состава, и для определения возраста, — говорит Артём Мальцев. — Во-вторых, мы будем предлагать наш образец геохимикам. Любая лаборатория, которая занимается анализом апатита, сможет использовать его для проверки правильности своих измерений. Это вторичный стандарт, который повышает надежность данных, особенно когда речь идет о поиске редкоземельных металлов или реконструкции сложных геологических процессов. Образцы уже доступны для научного сообщества».
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-77-30006).
Автор: Диана Хомякова
Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
