Preparazione di pirite Autigenesi da sedimenti di metano-cuscinetto per In Situ l'analisi di isotopi di zolfo utilizzando SIMS

Riepilogo

Analisi della composizione isotopica dello zolfo (δ³⁴S) di pirite da sedimenti di metano-cuscinetto hanno messo a fuoco tipicamente sui campioni di massa. Qui, abbiamo applicato la spettroscopia di massa di ioni secondari per analizzare i valori δ³⁴S di varie generazioni di pirite per capire la storia diagenetica di pyritization.

Abstract

Composizioni di isotopo di zolfo diversi di Autigenesi pirite solitamente sono conseguenza dell'ossidazione anaerobica solfato-driven del metano (SO₄- AOM) e organiclastic solfato riduzione (OSR) nei sedimenti marini. Tuttavia, sequenza dipanarsi il complesso pyritization è una sfida a causa della coesistenza di diverse fasi in sequenza formata pirite. Questo manoscritto descrive una procedura di preparazione del campione che consente l'utilizzo della spettroscopia di massa a ioni secondari (SIMS) per ottenere in situ δ³⁴S valori di varie generazioni di pirite. Questo permette ai ricercatori di vincolare così come₄- AOM colpisce pyritization nei sedimenti di metano-cuscinetto. Analisi SIMS ha rivelato una gamma estrema nei valori di δ³⁴S, che vanno dalla -41.6 a + 114.8‰, che è molto più ampia rispetto alla gamma di δ³⁴S valori ottenuti con l'analisi di isotopi dello zolfo tradizionale alla rinfusa dei campioni stessi. Pirite nel sedimento superficiale è costituito principalmente da ³⁴framboids S-vuotati, suggerendo la formazione iniziale diagenetica di OSR. Più in profondità nel sedimento, pirite più si presenta come overgrowths e cristalli euedrali, che mostrano valori molto più alti SIMS δ³⁴S rispetto al framboids. Tali pirite di S-arricchita di ³⁴è relativo a una maggiore SO₄- AOM presso la zona di transizione di solfato-metano, estendendolo OSR. Ad alta definizione in situ SIMS zolfo isotopo analisi permettono per la ricostruzione dei processi pyritization, che non possono essere risolti mediante analisi dell'isotopo di massa dello zolfo.

Introduzione

Le emissioni di metano da sedimenti sono comuni lungo i margini continentali^1,2. Tuttavia, la maggior parte del metano nelle aree di infiltrazione diffusivo è ossidato a scapito di solfato entro i sedimenti, un processo noto come SO₄- AOM (equazione 1)^3,4. La produzione di solfuro durante questo processo comunemente provoca la precipitazione di pirite. Inoltre, OSR guida anche la formazione di pirite liberando solfuro (equazione 2)⁵.

CH₄ +₄così^{2 –} → HS^– + HCO₃^– + H₂O (1)

2ch^{così₄2 –} → H₂S +₂O + 2HCO₃^– (2)

Si è constatato che il solfuro Autigenesi di solfato-metano valori di transizione fuso (SMTZ) rivela alta δ³⁴S, che è stata suggerita per essere causato da una maggiore SO₄- AOM nelle aree di infiltrazione^{6,7, 8}. Al contrario, pirite indotta da OSR comunemente Visualizza inferiore δ³⁴S valori⁹. Tuttavia, è difficile da identificare pirite diverse generazioni indotte da questi processi (cioè, OSR e SO₄- AOM) se solo una misurazione di isotopo di massa dello zolfo è usata, poiché successivamente formata interfingering generazioni di pirite sono caratterizzate da composizioni isotopiche differenti. Pertanto, per migliorare la nostra comprensione del reale mineralizzante processi^10,11,12è necessaria su microscala in situ analisi di isotopi dello zolfo. Come una tecnica versatile per l'analisi in situ dell'isotopo, SIMS richiede solo pochi nanogrammi di campione, che ha scatenato la sua designazione come una tecnica non distruttiva. Un fascio di ioni primari sputa il bersaglio, causando l'emissione di ioni secondari che vengono successivamente trasportati in uno spettrometro di massa per la misura¹³. In un precoce in situ zolfo analisi isotopica applicazione di SIMS, Pimminger et al. analizzato correttamente i valori δ³⁴S a galena utilizzando un 10-30 µm-diametro larghezza¹⁴. Questo approccio è stato sempre più applicato per la microanalisi delle composizioni isotopiche dello zolfo in solfuri, con miglioramenti significativi in entrambi misurazione precisione e risoluzione^{11,12,13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}. pirite con vari attributi morfologici e zolfo distinte isotopo stabile modelli è stata segnalata da seep e ambienti non-seep^21,22,23,24. Tuttavia, al meglio della nostra conoscenza, prima del nostro recente SIMS Studio⁶, solo uno studio ha utilizzato l' in situ analisi isotopica di pirite da seep ambienti di zolfo e ha rivelato la variabilità di isotopo grande zolfo pirite biogenica²⁵.

In questo studio, abbiamo applicato SIMS per analizzare i valori δ³⁴S di diverse generazioni di pirite Autigenesi da un sito di infiltrazione nel mare di Cina del sud, che ha permesso per la discriminazione di Microscala di OSR - e SO₄- AOM-derivato pirite.

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Protocollo

1. raccolta di campioni da un nucleo di sedimenti

Nota: il nucleo HS148 è stato ottenuto da un sito vicino l'idrato del gas foratura di zona in zona Shenhu, mare di Cina del sud, durante una crociera di Nicola di Haiyang della R/V nel 2006.

1. Tagliare il nucleo di pistone (qui, HS148) in sezioni ad intervalli di 0,7 m dall'alto verso il basso (a bordo della nave) e trasferire le sezioni in una camera fredda (4 ° C) per deposito dopo il recupero.
2. Trasferire le sezioni principali in una camera fredda (4 ° C) in laboratorio terrestri per deposito dopo la crociera. Prendere le sezioni fuori dalla stanza fredda e utilizzare una sega per tagliarle a metà nel senso della lunghezza.
3. Pulire la superficie del sedimento e raccogliere una serie di campioni di sedimento (15 cm di lunghezza; 1/4 del nucleo di sedimento) su tutta la lunghezza con un coltello. Imballare i campioni bagnati singolarmente in sacchetti di plastica con cerniera e con l'etichetta con un pennarello.
4. Inserire i campioni di sedimento umido (~ 30 g) in bicchieri pre-puliti e asciugarli a 40 ° C in un forno di essiccazione per 24 h. Dopo l'essiccazione, separare i sedimenti in due aliquote: una per la raccolta degli aggregati di pirite (cioè, Autigenesi pirite) e l'altro per l'estrazione dello zolfo alla rinfusa (vedi passo 3).
5. Mettere un'aliquota di sedimenti asciutti in Becher e aggiungere acqua per ammorbidire il sedimento per 2 h. Trasferimento liquami (compresi i sedimenti e acqua nel becher) distillata a un setaccio 0,063 mm lavato con acqua distillata.
   1. Sift il sedimento con acqua distillata in modo che tutto va bene grani (< 0,063 mm) vengono lavati attraverso. Raccogliere la frazione grossolana (ad es., granelli di quarzo, conchiglie fossili e minerali Autigenesi) in bicchieri e asciugarli a 40 ° C in un forno di essiccazione per 24 h.
6. Alcune delle frazioni grossolane segmento posto su un vetrino al microscopio binoculare (20 ingrandimenti). Identificare gli aggregati di pirite dalla frazione grossolana. Accuratamente tali aggregati di pirite utilizzando un ago e imballarli singolarmente in sacchetti di plastica con cerniera.
   Nota: la maggior parte degli aggregati pirite sono tubolari in forma e colore nero.
7. Polverizzare una seconda aliquota di campione secco sedimento in una polvere fine (< 0.074 mm) utilizzando un mortaio di agata per ulteriore estrazione di zolfo di massa (vedi passo 3).

2. Osservazione delle morfologie variabile

1. selezionare qualche rappresentanza pirite tubi da aggregati selezionati pirite sotto un microscopio binoculare (ingrandimento X 20) per la preparazione di spessore sezione esaminare la morfologica e strutturale caratteristiche degli aggregati pirite.
2. Bastone nastro biadesivo su un vetrino e posizionare i tubi di pirite selezionato sul nastro. Mettere un tubo di montaggio (25 mm di diametro) sulla diapositiva per coprire tutti gli aggregati di pirite. Miscelare 10 mL di resina epossidica resina con 1,3 mL di indurente a temperatura ambiente e versare il liquido di miscelazione nel tubo di supporto.
   1. Posto della diapositiva e il montaggio del tubo in una camera a vuoto. Pompare l'aria fuori la camera fino a quando la pressione nella camera è inferiore a 0,2 bar, affinché tutti gli spazi dei pori dei campioni sono riempiti con resina epossidica. Spostare la diapositiva e dal tubo fuori dalla camera e lasciare che la resina epossidica della cura a temperatura ambiente per 12 h.
   2. Dopo la resina epossidica ha guarito, mano-macinare la pirite tubi su un fisso, diamond 9-µm mesh pad fino a quando i granuli di pirite sono esposti. Mano-polacco i grani di pirite per produrre una superficie liscia e piana, utilizzando successivamente 5 - 3- e diamanti da 1 µm.
3. Osservare la morfologia e la texture della pirite sotto un microscopio a luce riflessa a 200 ingrandimenti, con una distanza di lavoro ~ 3 mm.
4. Eseguire petrografico osservazione sotto un microscopio a luce riflessa ⁶ e poi ricoprire le sezioni spesse con uno strato di 25 nm di carbonio. Esaminare le loro caratteristiche morfologiche e tessiturali utilizzando un microscopio elettronico a scansione termica emissione di campo con formazione immagine secondaria dell'elettrone e backscattered electron modalità ^{6 , 19}.
   Nota: Questo passaggio è stato eseguito presso la scuola di Scienze della terra e geologico Engineering, Università Sun Yat-sen.

3. Analisi degli isotopi dello zolfo di massa

Nota: lo zolfo totale (come solfuro) è stata estratta come solfuro dell'idrogeno via bagnato estrazione chimica sequenziale ^{26 , 27} presso il Institut für Geologie und Paläontologie, Westfälische Wilhelms-Universität Münster.

1. Place 4 g del campione essiccato in polvere o 10 mg di pirite aggrega per fiaschetta in palloni a fondo tondo ed aggiungere 10 mL di etanolo in ciascuna beuta come catalizzatore. Soluzione di acido acetico
   1. preparare zinco acetato (3%) in un fiasco di vetro 500 mL per intrappolare il solfuro dell'idrogeno. Collegare il pallone di contenenti acetato di zinco nel matraccio contenente campione. Controllare i collegamenti delle beute e azoto a filo in palloni per eliminare l'aria.
2. Iniettare 20 mL della soluzione di HCl (25%) i palloni a turno-fondo utilizzando una siringa per liberare i solfuri (mono) di acido volatile (AVS) dal campione; consentire ai campioni di reagire per 1 h a temperatura ambiente.
   Nota: Qui, l'analisi ha rivelato che nessun AVS era presente nei campioni studiati.
3. Iniettare le beute di turno-fondo 30 mL di soluzione 1 M CrCl ₂ quando viene completata la reazione sopra; consentire ai campioni di reagire per 2 ore a 85 ° C.
   Nota: Zolfo riducibile cromo (CRS, pirite) riduce al solfuro di idrogeno (H ₂ S) dopo la reazione e precipita come solfuro di zinco nella trappola di acetato di zinco.
4. Trasferire tutte le soluzioni contenenti solfuro di zinco precipita a bicchieri e convertire i precipitati di solfuro di zinco solfuro di argento (Ag ₂ S) aggiungendo una soluzione di ₃ AgNO 0,1 M ai bicchieri. Posizionare il beaker sulla piastra riscaldante e riscaldarli a 90 ° C affinché il finemente diffusa Ag ₂ S meglio coagula.
   1. Collect Ag ₂ S precipita per filtrazione (< da 0,45 µm) dopo che la soluzione sia raffreddato a temperatura ambiente e asciugare il filtrato durante la notte a 40 ° C.
5. Pesare 200 µ g di Ag ₂ S precipitano e mescolare con una quantità uguale di V ₂ O ₅ in coppe di latta. Hanno la composizione di zolfo analizzata il modo ₂ molecole tramite combustione utilizzando uno spettrometro di massa collegato ad un analizzatore elementare (EA-IRMS) ⁶.
   Nota: Il punto di cui sopra è stato effettuato presso l'Institut für Geologie und Paläontologie, Westfälische Wilhelms-Universität Münster.

4. In Situ Analisi SIMS

1. selezionare rappresentante pyrITE aggregati con abitudini di cristallo caratterizzati (ad es., framboids, overgrows e cristalli euedrali) da campioni di sedimento diversa dopo studio petrografico. Bastone di aggregati selezionati pirite e pezzi di pirite Sonora standard di nastro biadesivo. Li stampo entro 5 mm al centro di un supporto di resina epossidica 25 mm.
   Nota: Il processo di produzione del disco di resina epossidica è lo stesso come descritto al punto 2.2.
   1. Dopo la resina epossidica ha curato, mano-macinare il disco su una maglia di diamante fisso 9-µm pad per il livello desiderato così quel pirite grani sono esposti. Mano-polacco i dischi di resina epossidica per produrre una superficie liscia, piana, successivamente utilizzando 5 - 3- e diamanti da 1 µm, che sono necessario per analisi di rapporto dell'isotopo ad alta precisione da SIMS ²⁸.
2. Pulire la superficie del disco a resina epossidica con acqua deionizzata ed etanolo. Inserire il disco di resina epossidica in una macchina di rivestimento in oro e rivestire le sezioni di superficie asciutte con uno strato di 25 nm di oro.
   1. Osservare il campione nuovamente sotto un microscopio elettronico a scansione a 1.000 X ingrandimento, con una distanza di lavoro di 9 mm, per selezionare punti caratterizzate con abitudini di cristallo differenti (ad es., framboids, overgrows e cristalli euedrali) per The SIMS analisi.
      Nota: Risoluzione spaziale alta analisi di isotopi di zolfo SIMS è stato applicato per rivelare la variabilità di isotopo di zolfo dei tipi differenti di pirite.
3. SIMS eseguire analisi ^{15 , 16}.
   Nota: Eseguite presso il laboratorio di SIMS di Guangzhou Istituto di geochimica, Accademia cinese delle scienze. Fascio di ioni primari di
   1. uso una Cs ⁺ per misurare i rapporti isotopici di zolfo (³⁴ S / ³² S) di pirite. Focalizzazione del fascio di ioni primari Cs ⁺ su un 15 µm × 10 µm posto a un'energia di 10 kV, con corrente di 2,5-nA. Utilizzare tre tazze di Faraday fuori asse per la misura simultanea di ³² S, ³³ S e ³⁴ S in modalità multi-collettore, con un ingresso larghezza di 60 µm a fessura e un'uscita a taglio larghezza di 500 µm su ciascuno dei tre Coppa di Faraday rivelatori di.
4. Svolgere analisi isotopiche di zolfo in sequenze automatiche, con ogni analisi che consiste di 30 s di pre-sputtering, 60 s di ioni secondari automatizzato centraggio e 160 s di integrazione dei dati acquisizione e zolfo dell'isotopo segnale (40 cicli × 4 s).
   1. Pirite Sonora analizzare come standard a intervalli regolari intervalli, ogni analisi del campione di 5-6.
      Nota: Vedere Chen et al. ¹⁹ per metodi di analisi più dettagliate e parametri dello strumento.

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Risultati

Espressione di dati - isotopi dello zolfo alla rinfusa:

Il rapporto isotopico di zolfo massa è espressa in relazione alla Vienna Canyon Diablo Troilite (V-CDT) standard, e la precisione analitica è meglio di ±0.3‰. Le misurazioni di isotopo di zolfo sono state calibrate con materiali di riferimento internazionale: AIEA-S1 (δ³⁴S = - 0.30‰), AIEA-S2 (δ³⁴S = - 21.55‰), AIEA-S3 (δ³⁴S = - 31....

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Discussione

L'analisi degli isotopi dello zolfo di pirite è un approccio utile e può aiutare a identificare i processi biogeochimici che impatto pyritization. Tuttavia, se viene applicata l'analisi dell'isotopo di massa dello zolfo, le firme di isotopo di zolfo ottenuti comunemente rappresentano segnali contrastanti, come aggregati di pirite sedimentarie costituite in genere da multiplo, strettamente interfingering generazioni. Qui, presentiamo un metodo (cioè, SIMS analisi) per analizzare la in situ di zolfo co...

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
secondary ion mass spectroscopy	Cameca	IMS-1280
thermal field emission scanning electron microscopy	Quanta	Quanta 400F
elemental analyser - isotope ratio mass spectrometry	ThermoFinnigan	ThermoFinnigan Delta Plus
binocular microscope	any	NA
reflected light microscope	Carl Zeiss	3519001617
polishing machicine	Struers	60210535
cutting machicine	Struers	50110202
carbon/gold coating machicine	any	NA
ethanol	any	NA
acetic acid	any	NA
zinc acetate solution (3%)	any	NA
HCl solution (25%)	any	NA
1 M CrCl2 solution	any	NA
0.1 M AgNO3 solution	any	NA
V2O5 powder	any	NA
pure nitrogen	any	NA
syringe	any	NA
filter(<0.45 µm)	any	NA
tin cups	any	NA
round bottom flasks	any	NA
epoxy	Struers	41000004