稳定同位素地球化学研究概况

随着人们对物质世界认识的不断深化,地球化学研究的领域已不仅是元素在空间和时间上的分配和迁移问题,而且扩展到自然界不同元素同位素的分配和迁移问题。应该说,稳定同位素地球化学是这一学科更深一个层次的发展,因此有着广阔和潜在的发展前景。本文主要谈:目前国际上关于轻元素稳定同位素地球化学研究的一些情况。一、基本理论研究自然界稳定同位素的分馏机理从物理化学的角度来看,可分成两大类:一类是平衡     

锌同位素在行星科学中的研究进展

近年来有关太阳系天体中等挥发性元素的研究掀起了一波浪潮。锌作为中等挥发性元素,其稳定同位素对于高温挥发过程具有很好的指示作用。因此,在行星科学领域锌同位素逐渐成为研究星云和行星演化的一个理想工具。本文系统地归纳了各类陨石和行星天体储库的锌同位素组成,并对不同种类的陨石以及地外样品(碳质球粒陨石、普通球粒陨石、顽火辉石球粒陨石、橄辉无球粒陨石、铁陨石、石铁陨石、月球陨石和Apollo样品、火星陨石、灶神星陨石等)中的锌稳定同位素研究内容进行了较全面的总结。主要包括不同陨石和行星锌同位素组成的控制因素以及锌同位素对太阳系内星云过程和行星过程的指示;同时,简要论述了锌同位素在太阳系形成和演化过程中的分馏机制,并立足目前的研究基础,探讨锌同位素在行星科学领域的研究前景和发展趋势。     

硼同位素分析方法研究进展

硼具有两种稳定同位素10B和11B,其在自然界的丰度分别是19.90%和80.10%。自然界硼同位素组成变化很大, δ11B变化可达90‰以上(－30‰～＋60‰)。硼同位素的分析精度优于0.2‰,因此被广泛应用于多种地质过程的示踪研究。近年来,硼元素的提取、分离纯化和仪器测定技术均取得了可喜的进展,分析精度不断提高,为硼同位素地球化学研究奠定了良好的基础。本文从样品分解、化学分离和仪器测定等方面对硼同位素分析测试方法进行了归纳总结。     

固相萃取低硼环境样品硼同位素分离和测定

<正>硼的原子序数为5,原子量为10.811,在自然界有两种稳定的同位素:11B和10B,丰度分别为:80.22%和19.78%(IUPAC,1991)。硼是自然界同位素相对质量差最大的元素之一。由于两种同位素之间存在着较大的质量差异,加上硼易溶于水,具有活泼的化学性质,因此在不同的地质环境下,其在各种地质过程中产生较大的同位素分馏,变化范围从-70‰到+75‰。这样,硼同位素作为一种灵敏的示踪剂成功     

锌稳定同位素地球化学综述

锌是生物生命必需的微量元素和与人类活动息息相关的金属元素。随着样品纯化技术的提高和新一代质谱仪的开发应用,锌同位素体系已成为近年发展起来的金属(非传统)稳定同位素地球化学的一个热点领域,得到国内外学者的广泛研究。对最新的锌稳定同位素研究结果进行了系统总结,分别从分析方法、分馏理论、储库同位素组成以及应用等方面进行了论述。锌同位素已被广泛应用到天体化学、海洋、大气以及地球深部等诸多地球科学研究领域,大大提高人们对全球锌及其他重金属元素生物地球化学循环的认识。锌同位素在宇宙化学、环境地球化学、古气候环境重建以及健康及生物医学领域将具有非常大的应用前景。     

激光探针稳定同位素分析技术的现状及发展前景

微区分析是同位素测试发展的重要方向。激光探针微区稳定同位素分析方法是同位素微区分析的重要手段。激光探针微区稳定同位素研究始于 2 0世纪 80年代 ,开始时主要集中于轻元素的稳定同位素研究。目前它已广泛用于碳酸盐碳、氧同位素 ,硫化物硫同位素 ,硅酸盐氧、硅同位素和氮同位素研究。近年来 ,多接收等离子质谱分析技术在重金属元素 (如铁、铜、锌、钼等 )的同位素分析方面取得迅速发展。因而 ,重金属元素的微区稳定同位素研究又成为当前的热点。文中对轻元素和重元素的激光探针微区稳定同位素分析的制样装置与设备 ,各种相关分析技术 ,以及在矿物、岩石与矿石研究中的应用现状进行了介绍。对激光探针微区稳定同位素分析技术的发展前景做了讨论。     

MC-ICP-MS高精度V同位素分析方法

<正>钒是一个重要的过渡金属元素,由于其在自然界存在很多价态,且在地球的各个圈层广泛分布,因此钒元素的丰度变化被广泛用来研究和氧化还原反应相关的地球化学过程。钒有两个稳定同位素50V(0.24%)和51V(99.76%),根据同位素分馏的基本理论,不同价态的同种元素由于键强存在较大差异,同位素之间会产生较大分馏。因此,考虑到钒元素的多价态特性,钒同位素在自然界中应当存在很大分馏,且钒同位素的变化有可能为我们认识自然提供更多的信息。然而目前文献中的测量方法更适用于钒含量比较高的样     

Ga同位素平衡分馏系数的理论计算

<正>镓(Ga)原子序数为31,位于周期表中第四周期、第三主族,是一种典型的两性(酸性和碱性)金属,与其同族元素铝(Al)和铟(In)以及同周期相邻元素锌(Zn)和锗(Ge)具有非常相似的化学和物理性质。镓有两种稳定同位素:69Ga和71Ga,丰度分别为60.16和39.84%。Ga的两种稳定同位素丰度都比较大,分析容易。但是,截至目前为止有关Ga同位素的地球化学研究很少。我们文     

土壤磷酸盐氧同位素前处理方法的优化研究

<正>近年来,土壤磷素流失造成的环境问题和潜在环境问题严重,查明环境中磷的来源及迁移转化对于改变目前现状意义重大。稳定同位素是元素循环的有效示踪剂,但自然界中磷只有一种稳定同位素,不能通过磷的稳定同位素对磷循环进行研究。由于P-O键在自然环境中具有高稳定性,因此磷酸盐氧同位素技术成为环境中磷迁移转化以及生物地球化学循环的一种有效示踪手段。为避免极端pH调节可能造成有机质水解以及磷酸盐损失等问题,本研究在综合了已有研究方法的基础上进行了优化。该方法主要通过不同土     

量子化学计算研究稳定同位素的分馏与扩散——以Li同位素在橄榄石中扩散为例

<正>Li是自然界最轻的金属元素,它的稳定同位素6L(i天然丰度约7.5%)和7L(i天然丰度约92.5%)两个同位素是自然界相对质量差异最大的金属元素。地球上不同的岩石储库具有不同的Li同位素组成。作为一种快速发展的新兴非传统稳定同位素地球化学方法,Li同位素地球化学示踪研究已经广泛应用于地球科学的各个领域,用来推断地球上矿物的演化过程。     

特约主编致读者

分析仪器和技术的进步可以推动科学研究的巨大突破。自从多接收等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）和新一代热电离质谱仪（TRITON）得到广泛应用以来,人们可以对元素周期表中大量的稳定同位素体系进行精确测量。有别于传统的H、C、N、O、S等可以用气体质谱仪测量的同位素,这些新的同位素被称为非传统稳定同位素,又因为它们大多是金属元素（除了Si、Se和Te）,也被称为金属稳定同位素。非传统稳定同位素地球化学是20世纪以来地球化学领域最具活力的方向,为研究重大地球科学问题带来了全新的视野和手段,是地球化学学科发展的一次战略机遇。国际上该领域发展很快,竞争激烈,成果倍出;我国开展相关研究的科研机构越来越多,学术影响力也越来越大。 我们和《地学前缘》编辑部一起,邀请专家撰写了《非传统稳定同位素：分析方法、示踪机理和主要应用》专辑,希望进一步介绍相关领域的进展。该专辑包括8篇论文,对非传统稳定同位素的分析方法、分馏机理和重要应用进行了较全面的总结。 分析方法和分馏机理是开展非传统稳定同位素研究的前提。白江昊等总结了非传统稳定同位素的分析方法。该文以钙同位素分析为代表,阐述了溶液法和热电离质谱仪的分析要点。李银川等综述了硼同位素研究最新的进展。硼是一种中等挥发性元素,具有11B和10B两个稳定同位素。硼在自然界主要与氧键合形成三配位(BO3)和四配位(BO4)结构,因而硼同位素分馏主要受控于二者之间的配分。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及地质储库硼同位素端员特征的完善,矿物和流体包裹体的硼同位素地球化学指标可用来灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式。 挥发性元素对于研究流体作用和地球行星演化有重要意义。氯是一种挥发性元素,具有强烈的亲水性。刘茜等介绍了氯在各个地质储库的特征、稳定氯同位素分馏的控制因素以及氯同位素的地质应用三大方面的研究进展,概述了蒸发岩、海水、岩浆岩、沉积物、变质岩、地幔等地球主要储库中的氯同位素组成存在的差异。周秋石和王瑞介绍了氯同位素的主要地质储库分布、各种测试方法、实验分馏机制,特别强调了在地球科学和地外行星演化研究中的应用。文章对磷灰石氯同位素在岩浆热液体系和月球urKREEP岩浆研究中的应用做了概述,对近年来受高度关注的月球磷灰石氯同位素的异常值做了特别综述。 元素周期表中第一行过渡金属同位素对于很多重要高温和低温地球化学问题提供了独特的研究手段。赵新苗等总结了钛元素及钛同位素的地球化学性质,钛元素化学分离和钛同位素分析方法,钛在陨石及硅酸盐地球储库中的同位素组成,稳定钛同位素在岩浆演化过程中的分馏行为。王相力和卫炜总结了铬同位素在高温和低温地球化学研究中的进展,主要阐述了铬稳定同位素分析方法、铬同位素分馏原理以及铬稳定同位素体系在高温、低温地球化学中的应用。 碱金属同位素体系也具有独特的地球化学意义。王昆等重点讨论了钾稳定同位素在低温地球化学、生物地球化学、高温地球化学和宇宙化学中的应用。张卓盈等回顾了近20年来国际上在地球科学领域现有的铷同位素研究,包括分析方法、分馏机理、地质应用等各个方面,在此基础上展望了未来铷同位素研究的光明前景。 由于时间仓促和水平有限,本专辑的内容还不够完善,特别是在专辑写作和评审期间,仍然有大量的最新进展发表在国内外学术刊物上,来不及归纳总结到本专辑论文中。所以本专辑只是一个开始,仅仅反映了非传统同位素领域研究的部分进展,我们相信更多的优秀成果在不久的将来会大批涌现。最后,我们向参与撰写和评审本专辑论文的专家表示感谢,向《地学前缘》编辑部表示感谢。     

锌同位素在地球科学研究中的新进展

作为“金属稳定同位素家族”中的重要成员之一,锌同位素自20世纪就受到了国际地学界的关注。进入21世纪后,随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)测试技术的发展,锌同位素在地球及行星科学中的应用得到了极大拓展。本文比较全面地总结了锌同位素的标准物质和分析测试方法、自然界主要储库的锌同位素组成、锌同位素在不同地质过程中的行为及分馏机理,以及锌同位素在地球科学研究的新进展,包括：(1)示踪再循环沉积碳酸盐和再循环洋壳以及约束玄武岩成分变化机制;(2)示踪成矿物质来源、微生物成矿以及指示矿产勘查;(3)揭示月球的起源与演化过程;(4)指示初级生产力和有机质埋藏变化等生物地球化学过程以及揭示生物灭绝机制。未来,随着锌同位素微区原位分析技术的发展,锌同位素必将在地球科学(尤其是矿床学)和生物医学等领域中得到更加深入与广泛的应用。     

铜同位素地球化学及研究新进展

多接收杯电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)的应用极大地提高了铜(Cu)同位素的分析精度和效率,推进了铜同位素地球化学的发展和应用。文中对Cu同位素地球化学进行了全面的综述,并更新了铜同位素研究的最新进展及其在地质与环境过程中的应用。自然界中铜同位素(δ65Cu)的变化范围可达20‰以上,高温下铜同位素分馏较小,而在低温条件下,铜同位素能产生巨大的同位素分馏,其主要取决于低温下铜的氧化还原反应。作为最重要的金属成矿元素之一、重要的重金属元素和重要的挥发性元素,铜同位素在矿床地球化学、环境地球化学和天体化学领域均显示了巨大的应用潜力。     

锌同位素地球化学及应用研究进展

随着化学纯化技术的提高及质谱仪的开发与应用,锌同位素已成为近年来非传统稳定同位素地球化学的一个研究热点,人们对锌同位素地球化学的认识随着研究的深入有了极大提高。本文对锌同位素地球化学进行了全面的综述,追踪了锌同位素在地学领域最新的研究进展。目前,锌同位素已被广泛应用在天体化学、环境地球化学、古海洋、古环境重建以及深部碳循环等诸多地球科学及环境科学研究领域,展现出巨大的应用潜力。各领域的研究成果为推进锌同位素地球化学的发展做出了巨大贡献。     

特约主编致读者

分析仪器和技术的进步可以推动科学研究的巨大突破。自从多接收等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）和新一代热电离质谱仪（TRITON）得到广泛应用以来，人们可以对元素周期表中大量的稳定同位素体系进行精确测量。有别于传统的H、C、N、O、S等可以用气体质谱仪测量的同位素，这些新的同位素被称为非传统稳定同位素，又因为它们大多是金属元素（除了Si、Se和Te），也被称为金属稳定同位素。非传统稳定同位素地球化学是20世纪以来地球化学领域最具活力的方向，为研究重大地球科学问题带来了全新的视野和手段，是地球化学学科发展的一次战略机遇。国际上该领域发展很快，竞争激烈，成果倍出；我国开展相关研究的科研机构越来越多，学术影响力也越来越大。 我们和《地学前缘》编辑部一起，邀请专家撰写了《非传统稳定同位素：分析方法、示踪机理和主要应用》专辑，希望进一步介绍相关领域的进展。该专辑包括8篇论文，对非传统稳定同位素的分析方法、分馏机理和重要应用进行了较全面的总结。 分析方法和分馏机理是开展非传统稳定同位素研究的前提。白江昊等总结了非传统稳定同位素的分析方法。该文以钙同位素分析为代表，阐述了溶液法和热电离质谱仪的分析要点。李银川等综述了硼同位素研究最新的进展。硼是一种中等挥发性元素，具有11B和10B两个稳定同位素。硼在自然界主要与氧键合形成三配位(BO3)和四配位(BO4)结构，因而硼同位素分馏主要受控于二者之间的配分。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及地质储库硼同位素端员特征的完善，矿物和流体包裹体的硼同位素地球化学指标可用来灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式。 挥发性元素对于研究流体作用和地球行星演化有重要意义。氯是一种挥发性元素，具有强烈的亲水性。刘茜等介绍了氯在各个地质储库的特征、稳定氯同位素分馏的控制因素以及氯同位素的地质应用三大方面的研究进展，概述了蒸发岩、海水、岩浆岩、沉积物、变质岩、地幔等地球主要储库中的氯同位素组成存在的差异。周秋石和王瑞介绍了氯同位素的主要地质储库分布、各种测试方法、实验分馏机制，特别强调了在地球科学和地外行星演化研究中的应用。文章对磷灰石氯同位素在岩浆热液体系和月球urKREEP岩浆研究中的应用做了概述，对近年来受高度关注的月球磷灰石氯同位素的异常值做了特别综述。 元素周期表中第一行过渡金属同位素对于很多重要高温和低温地球化学问题提供了独特的研究手段。赵新苗等总结了钛元素及钛同位素的地球化学性质，钛元素化学分离和钛同位素分析方法，钛在陨石及硅酸盐地球储库中的同位素组成，稳定钛同位素在岩浆演化过程中的分馏行为。王相力和卫炜总结了铬同位素在高温和低温地球化学研究中的进展，主要阐述了铬稳定同位素分析方法、铬同位素分馏原理以及铬稳定同位素体系在高温、低温地球化学中的应用。 碱金属同位素体系也具有独特的地球化学意义。王昆等重点讨论了钾稳定同位素在低温地球化学、生物地球化学、高温地球化学和宇宙化学中的应用。张卓盈等回顾了近20年来国际上在地球科学领域现有的铷同位素研究，包括分析方法、分馏机理、地质应用等各个方面，在此基础上展望了未来铷同位素研究的光明前景。 由于时间仓促和水平有限，本专辑的内容还不够完善，特别是在专辑写作和评审期间，仍然有大量的最新进展发表在国内外学术刊物上，来不及归纳总结到本专辑论文中。所以本专辑只是一个开始，仅仅反映了非传统同位素领域研究的部分进展，我们相信更多的优秀成果在不久的将来会大批涌现。最后，我们向参与撰写和评审本专辑论文的专家表示感谢，向《地学前缘》编辑部表示感谢。     

稳定氯同位素在水环境地球科学中的研究进展

氯元素广泛分布于地表水体和沉积物中,并在地表圈层之间进行迁移和转化等生物地球化学循环.氯元素有两种稳定同位素:35Cl和37Cl,其相对含量分别为35Cl=75.153%和37Cl=24.147%.氯离子在地表环境中通常没有价态变化,既不发生引起键能明显变化的氧化还原反应,也不明显参与生物作用,因此氯离子不会因元素迁移形态转变而改变同位素组成.但是,自然界中氯同位素37Cl和35Cl间存在较大的相对质量差,氯在蒸发结晶、离子扩散、渗透和对流混合等水体迁移过程中35Cl和37Cl的运移速度因其质量差而有所不同,致使氯同位素发生分馏[1].在蒸发沉积作用过程中,因37Cl相对35Cl有较大的键结合能,而优先进入固相(盐类沉积物)中.相对于其它轻稳定同位素(H、O、C)而言,稳定氯同位素的分馏并不明显,自然界中δ37Cl为-14‰～16‰,但大气圈、水圈和岩石圈的氯同位素组成大多集中在-2‰～2‰.近年来,氯同位素测定方法的改进大大提高了测试精度和准确度,使得氯同位素得以广泛应用于对蒸发盐、地下水体的演化、海水入侵、矿床形成过程中的成矿流体作用、氯代有机溶剂的分馏机理、人工合成与自然降解的有机物示踪等方面的研究[2～10].     

氢、氧同位素在矿床研究中的应用

<正>氢、氧是自然界中最主要的元素之一,分布很广。在水圈中,基本上由氢和氧两个元素组成。在岩石圈中,氧占整个体积的90%左右。目前对各种水以及各类岩石的氢、氧同位素组成进行了大量的研究,积累了丰富的资料,并在实际应用方面取得了显著的成效。     

深部碳循环的锌同位素示踪研究进展

深部碳循环和地球表层的碳循环一起构成了全球的碳循环.因为地球超过90%的碳都位于深部,深部碳循环研究对于理解地球长期的气候变化具有重要的科学意义.深部碳循环研究涉及多个科学问题,其中最重要的科学问题之一是如何准确识别地幔中的碳是再循环的地表碳.锌作为亲石元素,广泛存在于岩浆岩、地幔和碳酸盐岩中.地幔和地表沉积碳酸盐岩之间锌同位素组成存在显著的差异,而板块俯冲脱水、地幔部分熔融和岩浆结晶分异等过程导致的锌同位素分馏较为有限,因此锌同位素具有示踪深部碳循环的潜力.系统阐述了锌同位素示踪深部碳循环的原理,回顾了目前应用锌同位素示踪深部碳循环取得的阶段性成果,并指出锌、镁同位素联合示踪有望成为未来深部碳循环研究的主流.      

硅同位素地球化学研究进展

当前稳定同位素地球化学中用得较多比较成熟的有氢、氧、硫、碳和氮等五种元素的稳定同位素。增加研究的同位素的种类依然是一个重要的研究方向。在这方面,最有希望的是硼和硅的同位素研究。     

微量元素锶及其同位素的地球化学研究与应用前景

锶元素的浓度和同位素组成在自然界的碳酸盐、水体和生物体中有很大的变化范围,这种变率和定量的相关性可能是沉积速率、介质环境、矿物结晶体生长机制和生物聚集或选择吸收作用的函数。随着测量分析技术的提高,以及锶元素含量和同位素组成变化的地球化学理论模式的逐步完善,锶元素和同位素组成的地球化学特征成为研究水文循环、碳酸盐成岩作用机制、以及由此引出的古环境评价和现代环境的监测与示踪等方面的重要工具。主要介绍了锶元素及其同位素在以上各方面的研究进展及其应用前景。