多角度非偏振透射傅里叶变换红外光谱技术定量测定磷灰石中CO2含量的创新方法及其地质应用

针对磷灰石中CO2定量分析技术繁琐、样品要求高的难题，研究人员开发了一种基于多角度非偏振透射FTIR（傅里叶变换红外光谱）的创新方法。通过17次随机取向的Durango磷灰石碎片实验，证实该方法可精确测定CO2含量（误差<10%），且分析次数与精度呈非线性正相关。该技术为地外样品微区碳循环研究提供了高效解决方案，发表于《Solid Earth Sciences》。

　　

【研究背景】

磷灰石作为太阳系岩石中广泛存在的矿物，其挥发分（F、OH、Cl、CO₂）如同地球化学"黑匣子"，记录着行星演化关键信息。然而，相比水（H₂O）的成熟分析体系，磷灰石中CO₂的定量始终面临技术瓶颈——传统体相分析需毫克级样品（对珍贵地外样本不现实），而现有微区技术如二次离子质谱（SIMS）和核反应分析（NRA）存在设备昂贵、检测限高（>1000 ppm）等缺陷。即便新兴的偏振FTIR技术，也因需精确晶体定向而难以推广。这种技术空缺严重制约了我们对地外碳循环、岩浆演化和生命宜居性等重大科学问题的认知。

【技术方法】

研究团队以墨西哥Durango地区标准磷灰石（已知CO₂含量277±44 ppm）为模型，通过机械破碎制备20个随机取向薄片（53-99 μm），采用Nicolet iN10 MX显微镜收集非偏振透射FTIR光谱（1300-1600 cm^-1波段，分辨率4 cm^-1）。创新性采用PeakFit V4.12软件的Best-fit算法校正基线，并基于Clark等建立的校准系数（α=0.0756 ppm·cm²）计算CO₂含量，通过蒙特卡洛模拟评估分析次数与精度的关系。

【研究结果】

1. 1.

   基准值确立

   通过整合历史数据（排除含包裹体干扰结果），确定Durango磷灰石CO₂参考值为277±44 ppm，与体相化学分析和偏振FTIR结果一致。

2. 2.

   非偏振FTIR验证

   17组有效数据显示：

   • •

     总吸光度A_total（=3×单次测量A）变异系数达2.8倍（1845-5208 cm^-2），证实晶体取向完全随机

   • •

     平均CO₂含量303±76 ppm，与基准值仅偏差9%，且94%数据落在2σ置信区间

3. 3.

   分析次数-精度模型

   百万次蒙特卡洛模拟揭示：

   • •

     单次分析误差高达48%（95%置信度）

   • •

     3次分析可将误差压缩至26%，满足常规研究需求

   • •

     10次分析实现<10%超高精度，超越多数微区技术

【结论与意义】

该研究突破性地证明：通过3-5次非偏振FTIR测量即可获得磷灰石CO₂的可靠数据（误差<26%），且无需晶体定向或复杂制样。这一"用户友好型"技术具有三重革新价值：

1. 1.

   方法学上，首次将各向异性校正简化为统计分析，为挥发分测量提供新范式；

2. 2.

   应用层面，使月球/火星样品等微米级磷灰石的碳循环研究成为可能；

3. 3.

   科学价值上，为揭示早期太阳系C-H-O流体行为提供关键工具。

正如研究者Xi Liu团队强调，该方法可推广至其他含碳酸盐矿物（如云母、角闪石）的挥发分分析，但需注意完全随机取样是精度保障的前提。这项发表于《Solid Earth Sciences》的工作，为行星科学和地质流体研究架设了新的技术桥梁。