Abstract Geochemical imaging is a powerful tool for unravelling the complex geological histories of rocks and minerals. However, its applications have until recently been restricted to geological research in a lab environment due to the cost and size of conventional instrumentation, long analysis times, and extensive sample preparation for some methods. Herein we present a rapid, qualitative geochemical imaging method for rocks and minerals using handheld LIBS. Analyses were completed directly on sawed drill core surfaces for a suite of kimberlite-hosted mantle xenoliths (Jericho and Muskox kimberlites, Nunavut, Canada). Semi-automated LIBS spectral processing following a new open-source workflow allows stitching of multiple small-area maps (each approximately 3 x 3 mm that take 2–3 minutes to complete) to produce cm-scale geochemical images of variably altered mantle xenolith samples (total data acquisition in 1–2 hours). Replicate analyses of a Zn-Al alloy reference material (NZA-1; CANMET) that were undertaken during standard-sample bracketing suggests that the relative standard deviation (RSD) is typically 15–20% for sum-normalized emission intensities above the estimated background. We demonstrate with open-source machine learning tools how qualitative LIBS spectral data can be converted to Feature-Of-Interest (FOI) maps to distinguish a variety of metasomatic and alteration features (e.g., Cr-diopside, kelyphite rims on pyrope garnet, and calcite veinlets) from the primary mantle mineralogy (e.g., olivine and orthopyroxene). Our results further demonstrate that the resolution of handheld LIBS-based geochemical imaging is sufficient to map veinlets and grain boundaries lined with metasomatic minerals. The LIBS approach is particularly sensitive for mapping the microscale distribution of elements with low atomic number (e.g., Li and Na). These light elements are difficult to detect at low concentrations with other handheld and field-portable technologies, but represent important geochemical tracers of hydrothermal and magmatic processes. Rapid LIBS mapping thus represents an emerging geochemical imaging tool for unravelling the complex geological history of rocks and minerals in the field with minimal to no sample preparation.

中文翻译：

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使用手持式激光诱导击穿光谱 (LIBS) 对岩石和矿物进行快速地球化学成像

摘要 地球化学成像是揭示岩石和矿物复杂地质历史的有力工具。然而，由于传统仪器的成本和尺寸、较长的分析时间以及某些方法的大量样品制备，它的应用直到最近还仅限于实验室环境中的地质研究。在此，我们提出了一种使用手持式 LIBS 对岩石和矿物进行快速、定性的地球化学成像方法。对一组金伯利岩地幔包体（Jericho 和 Muskox 金伯利岩，Nunavut，加拿大）直接在锯开的钻芯表面上完成了分析。遵循新的开源工作流程的半自动 LIBS 光谱处理允许拼接多个小区域地图（每个地图大约需要 3 x 3 毫米，需要 2-3 分钟才能完成）以生成可变改变的地幔包体样品的厘米级地球化学图像（在 1-2 小时内获得总数据）。在标准样品分组期间对 Zn-Al 合金参考材料 (NZA-1; CANMET) 进行的重复分析表明，对于高于估计背景的总和归一化发射强度，相对标准偏差 (RSD) 通常为 15-20% . 我们使用开源机器学习工具展示了如何将定性 LIBS 光谱数据转换为感兴趣的特征 (FOI) 地图，以区分各种交代和蚀变特征（例如，铬透辉石、辉石石榴石上的石灰石边缘，和方解石细脉）来自主要地幔矿物学（例如橄榄石和斜方辉石）。我们的研究结果进一步表明，基于手持式 LIBS 地球化学成像的分辨率足以绘制细脉和交代矿物内衬的晶界。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。橄榄石和斜方辉石）。我们的研究结果进一步表明，基于手持式 LIBS 地球化学成像的分辨率足以绘制细脉和交代矿物内衬的晶界。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。橄榄石和斜方辉石）。我们的结果进一步表明，基于手持式 LIBS 地球化学成像的分辨率足以绘制细脉和晶界的交代矿物。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。我们的研究结果进一步表明，基于手持式 LIBS 地球化学成像的分辨率足以绘制细脉和交代矿物内衬的晶界。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。我们的研究结果进一步表明，基于手持式 LIBS 地球化学成像的分辨率足以绘制细脉和交代矿物内衬的晶界。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。LIBS 方法对于绘制具有低原子序数的元素（例如，Li 和 Na）的微尺度分布特别敏感。这些轻元素很难用其他手持和现场便携式技术在低浓度下检测到，但代表了热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。因此，快速 LIBS 绘图代表了一种新兴的地球化学成像工具，用于在最少或无需样品制备的情况下解开野外岩石和矿物的复杂地质历史。