海水U、Th长寿命核素的MC-ICP-MS测量方法及台湾海峡Th的地球化学行为研究

摘要

本文在参考国内外相关文献的基础上，通过前期准备、实验设计、仪器调试、方法验证、样品测量、数据比较与分析等一系列过程，成功摸索出用高精密度的高分辨率多接收器电感耦合等离子体质谱技术(HR MC-ICP-MS)测定海水中U、Th同位素含量及比值的方法，并将该方法应用于采自2013年春季的台湾海峡C断面海水样品，进而分析该海域Th的地球化学行为。
　　关于海水中U、Th同位素的富集，本研究大胆尝试Mg(OH)2共沉淀法。通过一系列体积梯度的条件实验，得到NH3·H2O加入量与海水（已事先酸化至pH=2）体积的最佳比例关系为0.14mol∶1 L，此时Mg(OH)2沉淀载带海水中U的效率约为50％，而载带Th的效率约为100％。
　　用已知同位素含量及比值的CRM-145 U标准溶液(235U/238U=0.007253，234U/238U=0.0000554)从质量分馏系数、法拉第杯与电子倍增器之间的增益、丰度灵敏度、拖尾影响、本底、记忆效应等方面调试MC-ICP-MS。几次不同时间段的测量结果表明，235U/238U和234U/238U的精密度基本介于0.2～0.8％之间，准确度小于0.25％，满足样品测量要求。
　　测得了台湾海峡C断面表层和C11剖面水体的U、Th同位素含量和比值。由铀盐关系可知该海域U具有高度保守性。端元模型分析表明，影响该海域U分布的主要因素是海水混合作用，除此之外，河流输入、大气沉降及沉积物间隙水等的影响均不足10％，但其影响程度的相对大小与端元值的选取密切相关。232Th含量高于开阔大洋约两个量级，230Th含量与开阔大洋基本一致，排除水团影响后河流或大气沉降等的陆源影响占主导。
　　依据C11剖面Th的分布，以300 m为界，将水体分为上下两层。上层水体的232Th陆源输入通量为77.70 g/(m2·a)，下层水体为38.01 g/(m2·a)。上层水体的230Th陆源输入份额及速率分别为84.81％和0.123 dpm/(m3·a)，下层水体的230Th陆源输入份额及速率分别为57.02％和0.038 dpm/(m3·a)。C11剖面各层位的水体累积清除停留时间均不足10a。运用一维可逆稳态模型，发现下层水体的收支基本平衡，颗粒态230Th占总态的比例约44％;而上层水体存在明显的过剩现象，很可能的原因是大气沉降的作用，同时沉积物间隙水也可能通过浓度差向上覆水体扩散。目前仍缺少模型模拟所需的参数支持，尚需在台湾海峡及邻近海域进一步开展颗粒物的沉降速率、Th的吸附解吸及固液相分配等的横向研究，以明确U和Th在该海域的地球化学行为。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 海洋中U、Th放射性核素的地球化学行为

1．2．1 U及其地球化学行为

1．2．2 Th及其地球化学行为

1．3 U、Th放射性同位素在海洋学上的应用

1．3．1 234U／238U不平衡及其在河海界面的应用

1．3．2 234Th／238U在真光层的颗粒动力学

1．3．3 230Th／234U估算深层水体的颗粒沉降通量

1．3．4 232Th-230Th用于示踪进入海洋的陆源通量

1．3．5 231Pa／230Th在海洋学上的应用

1．4 海洋U、Th测量方法

1．4．1 α能谱法

1．4．2 γ能谱法

1．4．3 TIMS测量

1．4．4 MC-ICP-MS测量

1．4．5 各测量方法的综合比较

1．5 本研究目标与创新

第二章 Mg(OH)2共沉淀条件实验

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 主要实验耗材

2．2．2 NH3·H2O的纯化

2．2．3 Mg(OH)2共沉淀

2．2．4 ICP-MS测量

2．3 实验结果

2．3．1 NH3·H2O的纯化效率

2．3．2 共沉淀效率

2．4 结论

第三章 MC-ICP-MS的调试

3．1 引言

3．2 基本构造

3．3 测量程序

3．3．1 工作参数的选择

3．3．2 目标核素的接收杯位置

3．4 仪器分析影响因素

3．4．1 质量分馏系数的校正

3．4．2 法拉第杯与电子倍增器之间的增益校正

3．4．3 丰度灵敏度、拖尾影响

3．4．4 背景值

3．4．5 记忆效应

3．5 U标的同位素比值测量

3．6 误差分析

3．7 结论

第四章 台湾海峡水体U、Th的MC-ICP-MS测量及Th的地球化学行为

4．1 引言

4．2 样品采集和处理

4．2．1 样品的采集

4．2．2 样品的处理流程

4．2．3 MC-ICP-MS测量

4．2．4 数据处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 水文特征

4．3．2 研究海区U的分布

4．3．3 研究海区Th的分布

4．3．4 本研究海区Th的地球化学行为

4．4 结论

第五章 结论、不足与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

附录：在学期间的主要工作

致谢