Специалисты Института земной коры Сибирского отделения Российской академии наук (Иркутск) идентифицировали необычный образец апатита, найденный в Слюдянке. В сотрудничестве с российскими и международными исследователями они подтвердили, что данный материал пригоден для использования в качестве стандарта при проведении элементного микроанализа. Этот минерал обладает ценной информацией об истории развития Земли и может быть полезен при поиске месторождений ниобия и редкоземельных элементов. Результаты работы опубликованы в Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy .
«Апатит — минерал, который можно найти в разнообразных горных породах: магматических, метаморфических и осадочных. Его особенность заключается в способности кристаллической решетки включать в себя значительное количество примесей, начиная от редкоземельных элементов и заканчивая летучими соединениями. С геохимической точки зрения, анализ состава апатита позволяет понять процессы формирования горных пород, условия температуры и давления, а также циркулирующие в них флюиды. Помимо этого, апатит имеет и практическое значение: он нередко сопутствует месторождениям редких металлов, в частности ниобия и редкоземельных элементов, которые в настоящее время играют ключевую роль в развитии «зеленых» технологий, электроники и оборонной промышленности. По составу апатита можно оценить потенциал рудного тела», — поясняет старший научный сотрудник Института земных наук им. А.А. Трофимова СО РАН, кандидат химических наук Артём Сергеевич Мальцев.
В современной геохимии для анализа апатита чаще всего применяют масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС). Данная методика позволяет «выжигать» минерал, размер которого составляет около ста микрон, и определять его элементный состав. Процедура отличается локальностью, быстротой и не требует трудоемкой подготовки образца. Тем не менее, для получения достоверных количественных данных исследователям необходим стандарт – образец, характеристики которого точно известны и с которым можно сопоставить полученные результаты. Несоответствие свойств стандарта (матрицы) приводит к возникновению систематической ошибки.
«В настоящее время многие геохимики предпочитают использовать синтетические стекла, такие как NIST SRM 610, в качестве эталона. Это решение является практичным, однако стекло и природный апатит обладают различной структурой, что может вызывать погрешности в 5–10%. Для исключения подобных ошибок необходим стандарт, схожий по структуре с исследуемым образцом, то есть апатит с заведомо выровненной однородностью. По словам Артёма Мальцева, слюдянский апатит (SlyudAP) предназначен для выполнения этой роли.
В рамках исследования было отобрано семь крупных кристаллов апатита из Слюдянки, взятых из коллекции Института Земных наук СО РАН. Эта коллекция была собрана еще в 1980-х годах Леонидом Зиновьевичем Резницким, сотрудником института. Однородным оказался лишь один из отобранных образцов. Для оценки пригодности этого кристалла в качестве стандарта, он был разделен на части и отправлен в ряд лабораторий. Анализ фрагментов проводился с использованием различных методик, включая лазерную абляцию, масс-спектрометрию растворов, рентгенофлуоресцентный анализ и сканирующую электронную микроскопию. Примененный подход позволил добиться высокой точности данных о составе и подтвердить идентичность всех фрагментов.
SlyudAP – это кристалл ювелирного качества, характеризующийся повышенным содержанием стронция, тория и мышьяка, а также умеренным количеством редкоземельных элементов. По словам Артёма Мальцева, ключевым преимуществом этого образца апатита является его исключительная однородность. Хотя в мире известны эталонные образцы апатита, такие как мексиканский Durango, у Durango нередко наблюдаются зональность и неоднородности в распределении редких элементов. SlyudAP отличается удивительной стабильностью: при построении карт распределения элементов методом лазерной абляции не было выявлено областей обогащения или пятен. Изменения концентрации большинства элементов не превышают 2–5%, что является выдающимся показателем для природного минерала.
В исследовании задействовано несколько организаций. Наибольший объем работ был выполнен в Институте земной коры СО РАН. Здесь был подобран материал, сформулирована концепция исследования и проведены основные анализы с использованием рентгенофлуоресцентного анализа и масс-спектрометрии. Ученые Геологического института РАН (Москва) провели независимый анализ растворов методом масс-спектрометрии, что позволило удостоверить результаты, полученные иркутскими коллегами. Сотрудники Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (Москва) осуществили высокодетальную съемку с использованием электронного микроскопа, что продемонстрировало однородность на микроуровне. В Институте геологии и геохронологии докембрия РАН (Санкт-Петербург) были получены уникальные данные об изотопном составе урана и свинца с помощью метода ID-TIMS. Иностранные исследователи принимали участие в межлабораторных сопоставлениях, что подтвердило стабильность работы метода в различных условиях и на разных приборах.
«Планируется продолжение исследований. В первую очередь, мы намерены расширить применение слюдянского апатита в качестве геохронологического эталона. Этот минерал широко используется для определения возраста горных пород методом уран-свинцового датирования. На данный момент мы провели первоначальные измерения и установили возраст апатита – 467 миллионов лет. В дальнейшем мы рассчитываем уточнить эти показатели, чтобы он мог служить эталоном как для определения элементного состава, так и для датирования, — отметил Артём Мальцев. — Во-вторых, мы будем предоставлять наш образец геохимикам. Любая лаборатория, занимающаяся анализом апатита, сможет использовать его для контроля точности своих измерений. Это вторичный стандарт, повышающий достоверность результатов, особенно при изучении редкоземельных металлов или восстановлении сложных геологических процессов. Образцы уже доступны для научного сообщества».
Работа была проведена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 25-77-30006).
Автор: Диана Хомякова
Материалы и изображения предоставлены Управлением по популяризации и пропаганде научных достижений СО РАН