[发明专利]基于不同酸化温度的混合碳酸盐岩中方解石及白云石中CO2

说明书

本发明涉及碳酸盐同位素测试方法领域，具体涉及基于不同酸化温度的混合碳酸盐岩中方解石及白云石CO₂的高效提取方法。该方法包括以下步骤：(1)设置磷酸浴盆温度为50℃，然后将混合碳酸盐岩样品投入恒温磷酸浴盆，设定反应时间为10min，将反应后产生的CO₂经提纯后收集并作为方解石反应产物；(2)在10min反应完成的同时，将恒温磷酸浴盆中进口阀门、出口阀门关闭，迅速将酸浴盆水浴温度调至90℃；(3)净化CO₂提纯收集管线；(4)混合碳酸盐岩中白云石CO₂的提取。本发明是对传统混合碳酸盐样品CO₂气体提取方法的优化，能够大大提高气体分离效率和试验精度，并且建立了完整的方解石与白云石CO₂分离提取流程，并将气体混染比例控制在合理范围内。

技术领域

本发明涉及碳酸盐同位素测试方法领域，具体涉及基于不同酸化温度的混合碳酸盐岩中方解石及白云石中CO₂的高效提取方法。

背景技术

碳酸盐岩是地球表面重要的沉积岩类型之一，与碎屑岩经过风化、剥蚀、搬运最终堆积在水体内不同，碳酸盐岩直接从水体中沉淀出来。因此，碳酸盐岩自身记录有沉积时期水体重要的物理化学信息，碳酸盐岩也成为地质学家研究地质历史时期地球古环境与古气候的重要载体。而碳、氧同位素分析则是开展这一研究的必要方法，通过磷酸溶解碳酸盐岩，提纯并收集生成的CO₂气体并放入稳定同位素质谱仪中，即可获得碳酸盐岩矿物的碳、氧同位素组成。

磷酸法是分析碳酸盐岩矿物碳、氧同位素组成的经典方法，其分析流程目前主要包括离线法(传统手工进样)与在线法(机器自动进样)两种。相比于在线法，离线法因为反应条件的选择多样性、反应装置的高气密性与低廉的成本优势在各实验室广泛使用。离线法由美国科学家McCrea在1950年首创，随后几十年该实验基本沿袭了他的步骤：(1)将碳酸盐样品与100％磷酸置于Y型玻璃管的两臂，Y型玻璃管与真空阀门组合后接入真空系统进行抽真空步骤；(2)待真空度满足后，将反应装置从真空系统转移到恒温水浴盆中，待温度平衡后，斜置反应装置，令样品与磷酸接触反应；(3)反应完成后，将反应装置接入CO₂纯化系统进行CO₂的纯化与收集；(4)将收集的CO₂送入质谱仪进行碳、氧同位素测定。

然而，复杂的沉积环境与成岩过程往往导致碳酸盐岩中存在多种共生矿物，如方解石和白云石。此时，倘若使用传统的磷酸法只能获取混合矿物的 CO₂气体，其碳、氧同位素组成也不具有研究价值。基于方解石和白云石与磷酸反应速率的差异，Epstein等人在1964年第一次使用选择磷酸法从混合碳酸盐样品中分离方解石和白云石的CO₂气体，并分析各自的同位素组成。经过众多科学家的多年实验，这一方法基本被固定为以下步骤：(1)混合碳酸盐样品(方解石+白云石)在25℃下与磷酸反应至少2h，该阶段收集到的CO₂用于分析方解石碳、氧同位素的组成；(2)混合样品接着与磷酸反应24h，此阶段生成的CO₂气体认为是方解石与白云石反应共同生成的气体，将其舍弃；(3)在25℃下或者将水浴装置升温到50℃，反应继续进行，该阶段收集到的CO₂用于分析白云石的碳、氧同位素的组成。值得注意的是，选择磷酸法所使用的反应装置与传统磷酸法完全相同，但是选择磷酸法3步中的任意1步都相当于按照传统磷酸法中的流程全部进行一遍。

Liu等人2018年针对这一方法进行了优化，将传统选择磷酸法的3步缩减到2步，去掉了原方法中第2步舍弃混合气体环节。为了兼顾反应效率与降低混染气体比例，首先固定了样品粒度分布在75-80微米；其次，针对方解石含量50％，30-50％和30％三种情况，将传统选择磷酸法的第1步分别调整为在50℃下反应10-15分钟，50℃下反应6分钟和25℃下反应45分钟。其实验结果显示，可以从混合样品中提取出方解石的CO₂气体，同时大部分情况下提取出的方解石CO₂碳、氧同位素值与真实值基本吻合，显示该优化方法的成功。