Micro-XRF沉积物岩心扫描仪:环境与地球科学的重要的新工具

伊恩Croudace和盖罗斯韦尔

南安普敦国家海洋学中心,S014 3,英国。电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

无损、高分辨率、沉积物岩心扫描仪将x射线荧光(光谱仪)光谱法现在广泛使用在地球与环境科学学科,彻底改变了沉积物的分析。这些强大的工具允许核心分析迅速,几乎没有样品制备。他们可以记录along-core变化对许多元素周期表中的元素从艾尔U和检测限制到几可以实现ppm有利条件取决于收购停留时间。

从多样化的海洋和湖泊沉积物环境调查,因为他们经常保持良好的记录有关过去的过程,如气候变化、极端事件(例如,洪水、风暴、泥石流、地震、火山、海啸等)以及污染物的输入。时间信息也可以获得基本概要文件在某些情况下通过识别已知年龄的高分辨率脉冲事件(例如,火山灰层,风暴潮,地震)。其他元素变化可以提供洞察气候变化振荡,泥沙来源和海洋发行量。

在1990年代,扩大兴趣过去气候变化和不断增长的科学核心集合在存储库要求快速多传感器扫描仪开发从沉积物中提取高分辨率资料。仪器提供决议有1厘米,研究者只能现实解读核心纪念和年代际时间尺度。很明显,决议至少0.1毫米被要求调查叠层湖和海洋沉积物中的变化将能够识别事件年时间表(例如,引用1和2)。因为他们发达,这些仪器已成为宝贵的地球科学家和高效的工具,它们允许非破坏性核心调查继续以前所未有的速度和分辨率。

主要核心之一的起源扫描仪,Itrax,始于2001年,当时这篇文章的作者在南安普敦海洋学中心为基础,SOC(现在国家海洋学中心),构思需要新型沉积物岩心扫描仪。²他们设想一个集成的无损仪器,将提供高分辨率的元素分析以及光学和X-radiographic成像。虽然两个核心扫描仪时既不存在系统提供了这样一个重要的组合。这些早期的核心扫描仪中最引人注目的是大脑皮层荷兰海洋研究所研制的1990年代末,¹进化,成为商业化的Avaatech核心扫描仪(www.avaatech.com)。

SOC的概念扫描仪需要协作风险在2002年与光谱仪仪器设计师和专家的安排是由瑞典公司考克斯分析系统(www.coxsys.se)。考克斯哥德堡的分析系统被认为是关键的合作伙伴产生的风险,因为他们以前成功的光谱仪显微镜,虽然主要是针对取证市场。SOC-Cox合作证明高度富有成果,2003年4月原型Itrax仪器送到南安普敦海洋学中心。它提供了非接触式的调查等核心,包括创新高通量x射线源,x射线毛细管波导,移式硅漂移探测器(SDD),光学和影像学相机,和一个超高精度示例驱动平台。科学界的仪器是2003年在南安普顿举行的一次会议上沉积物岩心分析的新技术那是在2006年出版了一本书。³另外两个关键的制造商也在会议上展示了他们的工具和能力。目前Itrax和Avaatech仪器的主要核心x射线扫描仪和安装在近似等于数字领先国际科研机构在美国,欧洲和亚洲。bdapp官方下载安卓版

收藏的核心

沉积物岩心收集,通常在相当大的成本,从困难的位置(海洋、封闭式海域、大湖)。一系列的设备被用于提取这些核心如重力式取样管、液压活塞式取样管到巨大的活塞式取样管。考虑到成本和后勤困难收集的核心,国际研究小组合作最大化的科学价值和确保严格管理的核心材料。内核通常纵向分割成1米长度或业者u渠moisture-sealed之前和存储在寒冷条件下在国家核心存储库(例如,www.boscorf.org)。最初的非破坏性的调查是一个关键阶段之前任何进一步抽样进行破坏性的。这种直接业者必须获得准确的数据在一系列重要参数如古温度和沉积物的年龄。

Palaeolimnologists收集了数百米的湖泊沉积物和已成为高分辨率光谱仪的重要用户核心扫描仪。湖泊沉积物经常组织精细,季节性层包含有价值的代理记录过去的气候,见表1。大湖的显著增加钻井,从赤道到两极,杰出的长期记录(由国际大陆科学钻探计划,www.icdp-online.org)意味着核心x射线扫描仪的需求大。

表1。说明为什么沉积物是重要的。选择湖泊持有特殊气候记录(光谱仪的核心扫描仪是调查的核心材料)中起着至关重要的作用。马:10⁶年;卡:10³年。
贝加尔湖20 - 25几百万年历史上从未被冻结成冰的和正在进行的古气候研究很重要,因为它提供了前所未有的机会来恢复一个相对较高的纬度记录从一个孤立intra-continental设置海洋的影响。贝加尔湖的沉积记录非常长和连续沉积率不同从1厘米/ 1 m /肯塔基州肯塔基州。贝加尔湖记录因此提供了激动人心的机会来研究古气候变化对各种时间尺度和决议。(引自贝加尔湖钻井项目,www.icdp-online.org。)

的实用角度分析沉积物

沉积物岩心,在实践中,当收集,可以不同直径12厘米,从几厘米到数百米的长度。长芯通常是减少到1米或1.5米长度之前存储在寒冷条件下防止干燥,直到他们了。传统上,在1980 - 1990年代沉积物的分析是通过多种调查内容涉及中等分辨率的扫描仪(多传感器核心伐木工,MSCL)规模和破坏性的业者在厘米。MSCLs不提供基本数据等信息,在需要时,往往是通过分析使wavelength-dispersive光谱仪(WD-XRF)光谱或电感耦合plasma-optical发射光谱法(ICP-OES)。半岛综合体育官方APP下载德甲尽管准确和敏感,这种分析方法是缓慢而可能需要大约两周的艰苦的努力过程,分析一米的核心。

Itrax(参见图1)代表一个非常成功的范例现代光谱仪的核心扫描仪和能够执行200µm分辨率扫描1 m的核心为主要元素在大约六个小时;5000 x射线光谱被收集。使用的分析停留时间是由操作员根据元素的精度要求。如果需要微量元素数据分析时间将延长三至六倍。Itrax还获得光学和影像学图像,具有巨大的价值和提供额外的洞察力,帮助解释核心数据。高分辨率的射线图像,~ 20µm的最大单个像素的分辨率,可以揭示个体层沉积(薄片),谷物、气泡等,协助元素资料的解释。年融积雪的射线照片也允许计数(季节性对联),然后让年度沉积物堆积速率的变化有待确定。

样品通常是衡量纵向分裂核心覆盖2µm光谱仪测量期间抑制干燥的电影。核心可以分析,只要1.8,如果被收购微量元素数据,总的分析乘以可能只要24 - 48小时。的梁尺寸x射线毛细管波导安装Itrax可以是100µm×2厘米(适合完美层湖沉积物)或200µm×2厘米(对于一般应用程序)。这个矩形的x射线光谱仪激发样品,也通过样例射线照相的相机。射线照相“切片”佐来生成一个16位数字射线图像;有一个最大20µm像素的分辨率。

传统的光谱仪vs Itrax

现代x射线荧光分析系统(WD-XRF和能量色散光谱仪(ED-XRF)已经提供快速、非破坏性和清洁形式的分析,可以经常提供元素的浓度数据准确性高、重现性好。在传统的光谱仪系统将真空,元素从Na U可以方便地测量固体和液体的精密在很多情况下优于±0.5%。检测的限制可以低至0.1 ppm的一些元素,但更通常低ppm范围环境/地质材料。几乎任何样本类型可以运行(压粉、眼镜、陶瓷、金属、岩石、煤、塑料、石油等)。传统的实验室系统是专为小样本,可以准备在理想的条件。沉积物中包含的核心当然是不理想的,因为他们经常长,湿和一般组织层不同厚度和晶粒尺寸。核心扫描仪是专门设计的能够应对挑战的无损分析沉积物相对几乎毫无准备,自然状态。也可以利用的快速分析能力核心扫描仪通过“containerising”部署在航船。

Itrax设计与几个创新有效地研究沉积物的环境(见表2),包括水冷3 kW x光管(钼和铬阳极选项)耦合flat-beam, x射线毛细管波导,SDD检测器来确保良好的能量分辨率高count-rates 20μm分辨率数字x光射线照相机(16位),看到的,例如,图2和一个超高精密电动交通系统示例。

表2。比较Itrax核心扫描仪和传统WD-XRF。

应用领域和案例研究

一些典型的应用领域列于表3和图3 - 5。

表3。一些应用领域的例子。

案例研究I-Mediterranean腐泥的沉积物作为过去气候变化的指标

地中海是一个至关重要的海洋学家的研究区域,因为它拥有一个敏感的记录过去的气候。其体积小和部分隔离从全球海洋意味着过去的记录改变气候放大,可以用来理解全球变化。

气候变化周期在过去的10000年,除了记录在地中海沉积物和被称为研究的结果数百米的空心沉淀物收集在不同的位置由国际海洋探险。这些周期性变化的证据记录在核心视觉的黑暗,富含有机物沉积物称为腐泥形成时期的湿润气候。腐泥代表浮游植物水华的残余沉积在应对提供的增强营养增加径流从尼罗河。典型的深海沉积物中含有极少的有机碳,因此腐泥层,含有高碳,脱颖而出显然从封闭奶油色泥。

腐泥是地球化学独特和包含增强的碳浓度和redox-sensitive元素如年代、铁、莫和V,见图3。英航等其他元素,铜、镍、铅和锌也丰富和core-scanner-derived基本概要文件提供了几个重要的见解的方向运动的元素在成岩作用过程中,氧化腐泥煤和过程导致的狭窄区域不寻常的元素铜等丰富功能。

案例研究II-coastal污染/环境取证

河口和沿海湾经常和长的工业化遗产网站(如河流塞汶河,默西河和亨伯在英国,毕尔巴鄂和奥古斯塔湾,西西里)。建立记录等领域的污染是必要的从不同的法律立场(国家和国际法规)和正在进行的工作显示了可以识别个人污染者通过仔细多方面的调查,包括使用核心扫描仪。

新港深(Severn河口)是一个面积有100年以上工业历史和潜艇核心被发现含有变量数量(温和的)从不同来源的污染如煤炭开采/加工、铅锌冶炼厂、钢铁厂、焚化炉、造纸厂、核电站等(见图4)。快速、非破坏性新港深海底沉积物岩心扫描,连同其他调查,允许建立清晰的记录改变重金属等污染物的输入。

总结和未来的发展

几十年来海洋学家调查海洋核心使用各种中低分辨率(centimetre-scale)扫描工具。这些设备持续作为海洋社区普通扫描仪,但“工具箱”已被新一代明显增强,高效、高分辨率x射线扫描仪核心。从出版物的显著增加,从2003年起(图6),很明显,综合的、多传感器核心x射线扫描仪快速带来了革命性的变化,非破坏性,高分辨率分析沉积物为所有用户社区。快速获取数据生成服务科学研究更具体的指导。也有相当大的需求越来越丰富,从湖中科学界需要数百米的核心为射线照相和基本配置文件被扫描。需要增加的性能和能力是幸运的,当前仪器平台有助于增强通过添加新的传感器,通过增加灵敏度低z元素和通过提供加速岩心分析的潜力。

引用

1. J.H.F. Jansen,中华民国Van der Gaast, b . Koster和A.J. Vaars“皮层,船上XRF-scanner分裂沉积物元素分析”,海洋地质151年,143 - 153 (1998)。https://doi.org/10.1016/s0025 - 3227 (98) 00074 - 7
2. I.W. Croudace, a . Rindby和R.G. Rothwell Itrax:描述和评估一个新的多功能x射线核心扫描仪”,沉积物岩心分析的新技术,由R.G. Rothwell Ed。伦敦地质学会特殊出版267年,51 - 63页。(2006)。https://doi.org/10.1144/GSL.SP.2006.267.01.04
3. R.G.罗斯韦尔(主编),沉积物岩心分析的新技术。伦敦地质学会特殊出版267 (2006)。