本期文章导读

正非传统稳定同位素地球化学的建立与发展是本世纪地球化学领域的重要进展之一。镉(Cd)同位素分馏主要发生在蒸发/冷凝过程、无机吸附/沉淀过程及生物吸收利用过程。这些Cd同位素分馏效应被成功应用于构建海洋生物地球化学Cd循环体系、反演古海洋环境及初级生产力变化,硫化物矿床成矿流体演化、成矿物质来源示踪及不同成因矿床类型判别研究,环境体系Cd污染源的源区判别、农田面源Cd来源及其运移、循环及储存机制研究。在海洋科学、地球科学、环境科学及农业科学研究上展现出巨大的应用潜力。该文提出下一步应深入开展高精度Cd同位素分析方法研究,探讨Cd同位素分馏机制和分馏模型,尤其是应深入研究微生物作用下Cd同位素分馏效应,建立Cd同位素生物分馏地球化学示踪体系,推动非传统稳定同位素地球化学创新发展。     

海洋环境Fe同位素地球化学研究进展

Fe是海洋“生物泵”中限制浮游生物生长和控制海洋初级生产力的主要因素之一,也可间接影响大气中CO2含量,反馈于全球的气候变化。近年来基于多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC ICP MS)分析方法的改进及测试精度的提高,应用Fe同位素组成、变化及其分馏机制,为研究海水中Fe的主要来源以及示踪海洋环境中Fe的循环过程等,提供了一个有效地球化学指标,也对示踪地球不同演化阶段的海洋沉积环境变化具有指示意义。较为详细地介绍了海洋环境中不同储库的Fe同位素组成,洋中脊热液流体—玄武岩、海水—大洋玄武岩等水—岩反应影响Fe同位素分馏效应的主要因素及地球不同演化阶段古海洋沉积环境中的Fe同位素变化。认为海洋环境下Fe同位素可以产生较为明显的分馏作用,轻铁同位素具有更易活动、易迁移的特征,并进一步提出不同相态、不同矿物间Fe同位素分馏系数的确定等相关问题仍是今后Fe同位素研究的主要方向。     

钙同位素地球化学研究进展

钙同位素是非传统稳定同位素,近年来已成为国际同位素地球化学领域的研究热点。钙同位素测定采用TIMS或MC-ICP-MS,并表示为δ^44/40Ca或δ^44/42Ca。自然界的δ^44/40Ca变化范围从-2.0‰到2．0‰,仅跨越4．0‰。虽然动力学分馏与平衡分馏假说能各自解释一些分馏现象,但钙同位素分馏机理仍不清晰,值得进一步研究。目前钙同位素的地质应用集中于以下方面：（1）根据有孔虫G．sacculifer的钙同位素组成重建古海洋温度;（2）海洋中钙的地球化学循环;（3）利用海水[Ca^2＋]评估大气pCo2。     

方解石晶体生长过程中钙同位素分馏

钙同位素分馏及微量元素(Sr、Mn、Mg等)分异可以作为重要的指标来研究大气圈和海洋的化学演化(Jacobson和Holmden,2008)。作为钙同位素的重要载体,方解石成为众多学者研究的焦点,包括生物成因方解石和无机方解石。在方解石的形成过程中,诸多因素例如温度、晶     

氧同位素在海洋磷酸盐研究中的应用

海洋中磷酸盐的氧同位素组成不但记录现代海水磷循环的信息(磷酸盐的来源和生物地球化学作用),还记录古环境的信息。因此,利用氧同位素研究海洋磷酸盐正日益受到国内外研究人员的重视。本文综述了利用磷酸盐氧同位素研究方法及其在现代海洋环境与古海洋的应用进展,展示了中国海洋磷酸盐氧同位素研究现状,提出了今后的研究方向。     

贵州织金非静海相磷矿Mo同位素特征及其古海洋意义

<正>近二十年来,大量的研究证实,Mo同位素体系特征是反演古海洋氧化还原环境的有力指标,与其他的古海洋环境指标(如DOP、δ~(13)C、δ~(34)S及微量元素指标等)相比,Mo同位素体系具有以下三大优点:首先,它对环境的氧化-还原状态变化极为敏感,其分馏机制主要受无机的氧化还原作用控     

古海洋研究中的地球化学新指标

有机地球化学与微量元素地球化学古环境指标及其相关的同位素指标已成为追溯古全球变化与古海洋生物地球化学演化的有力工具。从古环境替代指标的示踪原理和应用的角度，综述了有孔虫碳同位素、有机地球化学整体指标、生物标志化合物、单体有机分子同位素、微量元素等在古海洋古环境研究中的应用及相关的研究动态与进展。指出古海洋研究正从以恢复古海洋的物理参数（温度、盐度、古洋流等）为主，向着揭示古水团演化、古生产力、古营养状况、碳贮库及碳循环等古生物地球化学演化过程方向纵深发展。     

黑色页岩与大洋缺氧事件的Re-Os同位素示踪与定年研究

地质历史中发育多次大规模的大洋缺氧事件并伴随有巨量的黑色页岩沉积, 对这些大洋缺氧事件发生时限及成因机制的研究已成为当前国际古海洋学研究的一个前沿领域。开展对大洋缺氧事件的研究,有助于了解古海洋演化、地球系统变化和地球其他圈层对生物圈的影响,以及金属成矿、油气形成及生烃环境。因此近年来人们从古海洋、古气候、古地理、古生物、大地构造和地质地球化学等学科,积极开展对大洋缺氧事件的研究。对大洋缺氧事件进行准确定年则是研究工作开展的首要任务之一;而如果用于定年的同位素体系能同时提供相关的环境变迁信息,则更加有利于我们对缺氧事件成因机制的认识。Re Os同位素作为近年来发展起来的一种新的同位素技术方法,恰好适用于对富有机质沉积岩和黑色页岩的定年,可以获得精确的地层沉积年龄,同时利用这些海洋沉积物的Os同位素比值还可获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。在中国华南地区新元古代—早古生代发育有多幕次的大洋缺氧事件和黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布,利用Re Os同位素研究,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。     

铁同位素在现代海洋环境的示踪研究

随着海洋环境介质铁同位素测试技术的发展,特别是海水和沉积物中不同铁赋存形式的同位素组成研究备受重视,铁同位素已经展现出对各类生物地球化学过程的崭新的示踪作用。本文在不同铁价态和赋存形式之间转化的专属分馏机制框架总结基础上,汇总了现代海洋环境中大气沉降、陆源径流、沉积物、地下水和海底热液等不同来源的铁同位素特征范围,探讨了海洋内部铁循环的生物地球化学过程,包括生物吸收、颗粒态/溶解态铁的转化以及清除作用的铁同位素分馏机制,辨析海水剖面在不同层位上铁同位素组成的主导控制因素。另外,应用溯源混合模型甄别大西洋、太平洋和南大洋等多个海域铁来源,以此验证了全球气候变化与海陆多个物理化学过程的密切关系;利用不同结晶度和反应活度的矿物铁同位素数据可示踪早期成岩过程中铁还原的深度和程度,亦有助于辨析古海洋沉积物的铁同位素数据并提高古氧化还原环境的重建精度。     

海洋环境中的锇同位素研究现状

由于锇同位素示踪和定年具有较高的灵敏度，能提供其它同位素无法给出的重要信息，在海洋环境中应用具有独特的优越性，因此锇同位素在海洋环境中的的研究和应用引起了人们的广泛关注。近年来，国内外学者对海洋环境中的锇同位素研究取得了较大的成果，主要体现在以下几个方面：①对富钴结壳、海底铁锰结核、富有机质沉积物、富金属碳酸盐和深海远洋粘土中的锇同位素组成进行了较多研究；②对海水中锇的浓度、滞留时间，以及现代海水的锇同位素组成进行了精确测定；③初步建立了过去80Ma以来海水锇同位素组成的演化曲线；④对深海橄榄岩、大洋玄武岩、俯冲带岩石和大洋中脊喷出的热液流体的锇同位素组成进行了研究；⑤探讨了海洋环境中影响海水锇同位素组成变化的制约因素，初步揭示了海洋环境中的锇同位素组成对古海洋、古气候和古地理的指示意义。较系统地总结近年来锇同位素在海洋环境中的研究现状，对于指导以后的研究工作有着重要的意义。     

团簇同位素的基本原理与地质应用*

团簇同位素指的是含有2个及2个以上的重同位素结合在一起形成的同位素体。团簇同位素的数值定义为同位素体的相对丰度偏离随机分布状态的程度。测量该相对丰度较低的同位素体需要高精度的质谱仪,难点在于利用同位素组成已知的参考气体和不同同位素组成的加热气体,以获得绝对参考体系下的数值。团簇同位素体的相对丰度非常低,但是具有非常独特的物理和化学性质。比如碳酸盐矿物中¹³C¹⁸O¹⁶O的丰度对温度具有敏感性,而与矿物的全岩同位素以及矿物形成时期的流体性质无关,因此可以利用测量的碳酸盐团簇同位素来获得矿物的生长温度,再利用矿物的氧同位素(δ¹⁸O),根据传统的氧同位素温度计原理,可以进一步获得矿物的生长流体(水)的氧同位素。目前,团簇同位素温度计已经在古气候(温度)重建、古高度恢复、碳酸盐岩的成岩作用以及甲烷的成因分析等方面得到了广泛应用。评估深埋高温过程引起的C-O化学键重置对碳酸盐团簇同位素的影响、测试仪器产生对团簇同位素的非线性误差校正、以及其他丰度更低的团簇同位素体或大分子的团簇同位素的测量,是下一步的研究方向。     

高温下非传统稳定同位素分馏

过去十几年来,非传统稳定同位素地球化学在高温地质过程的研究中取得了的重大进展。多接收诱导耦合等离子质谱(MC-ICP-MS)的应用引发了稳定同位素分析方法的重大突破,使得精确测定重元素的同位素比值成为可能。本文总结了以Li、Fe和Mg同位素为代表的非传统稳定同位素在岩石地球化学研究中的应用。Li同位素目前被广泛地用于地幔地球化学、俯冲带物质再循环和变质作用的研究中,可以用来示踪岩浆的源区性质和扩散等动力学过程。不同价态的Fe在矿物熔体相之间的分配可以产生Fe同位素分馏,可以发生在地幔交代、部分熔融、分离结晶等过程中。岩浆岩的Mg同位素则大致反映其源区的特征,地幔的Mg同位素组成比较均一,这为研究低温地球化学过程中Mg同位素的分馏提供一个均一的背景。此外,Cl,Si,Cu,Ca,U等等同位素体系也具有广阔的应用前景。对同位素分馏机制的实验研究和理论模拟为理解非传统稳定同位素数据提供了必要的指导。实验表明,高温下具有不同的迁移速度的轻、重同位素可以产生显著的动力学同位素分馏,这一分馏可以在化学扩散、蒸发和凝华等过程中发生;同位素在矿物和熔体以及流体相中化学环境的差异使得不同相之间可以发生平衡分馏。而最近的硅酸盐岩浆的热扩散和热迁移实验则揭示了一种"新"的岩浆分异和同位素分馏机制。沿着温度梯度,硅酸盐岩浆可以发生显著的元素和同位素分异,湿的安山岩可以通过这种方式演变成花岗质成分,因此这个过程可能对陆壳的产生和演化有重大影响。如果温度梯度在岩浆作用中能长期存在,热扩散就可以产生稳定同位素的分馏,这一机制有别于传统的平衡和动力学同位素分馏。 而多个稳定同位素体系的正相关关系是示踪热迁移过程的最有力证据。在热扩散过程中,流体承载的物质的浓度和它的索瑞系数有关。但是这个系数对体系的很多参数非常敏感,变化极大,因此对热扩散效应的研究产生极大的困难。对热扩散实验的镁、钙和铁同位素测量表明,同位素比值的变化与体系的化学组成以及总温度无关,只和温度变化的幅度有关,这意味着即使元素的索瑞系数变化多端,某一元素的同位素之间的索瑞系数的差别总为常数。这一发现有助于简化对热扩散和索瑞系数这一基础物理问题的研究 。     

Environmental geochemistry of calcium isotopes： Applications of a new stable isotope approach

1IntroductionIn nature, calcium has six naturally occurring sta-ble isotopes with atomic mass units (amu) and the a-bundances of40Ca (96.941%),42Ca (0.647%),43Ca (0.135%),44Ca (2.086%),46Ca (0.004%)and48Ca (0.187%) are presented in this paper.These analyt…     

Stable isotope profiles (Ca,O, C) through modern brachiopod shells of T. septentrionalis and G. vitreus: Implications for calcium isotope paleo-ocean chemistry

Brachiopod shells are widely used as an archive to reconstruct elemental and isotopic composition of seawater. Studies, focused on oxygen and carbon isotopes over the last decades, are increasingly extending to the emerging calcium isotope system. To date, only little attention has been paid to test the reliability of fossil brachiopods on their modern counterparts.In this context, the present study investigates two modern brachiopods, Terebratulina septentrionalis (eastern Canada, 5–30 m depth, 7.1 °C seasonal temperature variation, two-layer shell) and Gryphus vitreus (northern Mediterranean, 200 m depth, constant all-year round temperature, three-layer shell). Both species were sampled along the ontogenetic growth direction and calcium, oxygen, and carbon isotopes as well as elemental concentration were measured. Calcium isotopes were analyzed on TIMS. The elemental composition was analyzed by LA-ICP-MS and ICP-AES.The results indicate an intra-specimen δ^44/40Ca variation ranging from 0.16 to 0.33‰, pointing to a fairly homogenous distribution of calcium isotopes in brachiopod shells. However, in the light of the suggested 0.7‰ increase in calcium isotopes over the Phanerozoic such intra-specimen variations constrain ocean reconstruction. δ^44/40Ca values of T. septentrionalis do not seem to be affected by growth rate. Calcium isotopic values of G. vitreus are heavy in the central part of the shell and trend towards lighter values in peripheral areas approaching the maximum isotopic composition of T. septentrionalis. The maximum inter-species δ^44/40Ca difference of 0.62‰ between T. septentrionalis and G. vitreus indicates that care should be taken when using different taxa, species with different strontium content or brachiopods with specialized shell structure, such as G. vitreus, for ocean water reconstruction in terms of Ca isotopic composition. T. septentrionalis may record Ca isotopic fractionation related to seasonal seawater temperature variations in its shell but this is difficult to resolve at the current analytical precision. Average δ¹⁸O-derived temperatures of the two investigated species are close to on-site measured temperatures.     

Fe-Cu-Zn-Mo同位素示踪氧化还原过程

非传统稳定同位素（Fe-Cu-Zn-Mo）理论与数据相结合提高了科研工作者对地质体系氧化还原过程的理解。本文对这一相对较新的领域进行了综述,包括与氧化还原过程相关的同位素分馏理论和实验约束、时空尺度下的氧逸度以及同位素示踪氧化还原过程。稳定同位素理论预测,Fe-Cu-Zn-Mo同位素应该对氧化还原状态的变化能够做出响应。结果表明,Fe同位素作为岩浆过程、表生过程、俯冲带流体性质"氧逸度计"应用前景广阔;Cu同位素在岩浆、热液、陆地系统可以很好地示踪氧化还原过程;Zn同位素由于络合过程分馏已经被用在许多不同环境中作为含硫/碳流体迁移的敏感示踪剂;Mo同位素作为古氧逸度计可有效重建古海洋-大气氧化还原状态。     

元素分析仪-气体同位素质谱法分析硫酸钙样品的硫同位素组成

硫酸盐硫同位素的常规分析方法是将硫酸盐转化为硫酸钡后搭配双路进样SO2法,该法易于操作、数据稳定,但样品用量大、费时费力,需要繁杂的前处理,无法满足微量分析发展方向的需求。本文以石膏为例,以元素分析仪-气体同位素质谱法(EA-IRMS)直接测定硫酸钙样品硫同位素比值,对同一样品分别采用:①硫酸钙与V2O5混合后包裹于锡杯中密封,直接进行元素分析仪-气体同位素质谱分析;②硫酸钙充分溶于去离子水中,向溶有硫酸钙样品的液体中加入沉淀试剂BaCl2,将生成的硫酸钡沉淀滤出后,用去离子水清洗2~3遍,烘干后与V2O5混合包裹于锡杯中密封再进行质谱测定。实验选取了13件δ34S值变化范围介于-20‰^+30‰之间的天然石膏样品,将获得的硫同位素比值进行对比,二者δ34SV-CDT绝对差值在0.00‰~0.24‰,表明同一样品的硫同位素比值结果在误差范围内基本一致。与常规分析方法相比,本文建立的直接在线分析时无需任何化学前处理,只需直接加入适量的V2O5,V2O5和氧气中的外部氧在瞬间燃烧的过程中替代了硫酸钙本身的氧,生成的SO2气体的氧是均一的,其硫同位素比值能代表样品的硫同位素组成,无需进行氧同位素的校正。经过验证表明,硫酸钙样品的直接在线分析是完全可行的。     

分散元素(Ge,Cd, Tl)稳定同位素研究

近年来,非传统稳定同位素地球化学得到了飞跃性的发展,其主要研究对象为海洋体系的演化。特别是氧化还原敏感元素(Se,Mo,Fe等)稳定同位素已经在古海洋环境的示踪研究中发挥重要的作用。相比分散元素(Ge,Cd,Tl)稳定同位素研究比较薄弱,但这些元素在海洋体系中有特殊的循环模式,这使得它们的同位素研究将可能存在很大地质潜力。海洋体系中它们的源汇简单,而且有机无机吸附过程都可能导致同位素分馏。Ge,Cd,Tl均属于挥发性元素,原始星云的形成过程可能存在较大的同位素分馏。我国南方大面积的低温成矿域,将为Ge,Cd,Tl稳定同位素的发展提供天然的平台。另外,Cd,Tl是环境污染的主要潜在元素,因此采用稳定同位素示踪还可能示踪表生环境中的污染来源。     

金属稳定同位素示踪地球增氧事件

早期贫氧地球如何演化至现今富氧地球是理解地球宜居性形成与演化的关键,但重建地质历史时期地球大气与海洋氧含量仍是地球科学领域的重大挑战.金属稳定同位素的高精度测试分析为示踪地球大气与海洋氧化历史提供了新的研究手段.以Mo、U、Tl、Cr四种氧化还原敏感金属稳定同位素体系为例,详细介绍了氧化还原敏感金属稳定同位素地球化学行为及分馏机理.在此基础上,系统回顾了金属稳定同位素在研究产氧光合作用的起源、大氧化事件（Great Oxidation Event,GOE）、中元古代大气和海洋氧化还原状态、新元古代氧化事件（NOE）等重大科学问题中的研究进展.金属稳定同位素在重建地球表层圈层氧化过程具有广阔的应用前景,对认识地球宜居性的演化历史以及探索其未来发展趋势具有深远意义.      

四川黄龙降水氢、氧同位素对气候变化的指示意义

与全球大气降水线相比,黄龙大气降水线的斜率和常数项均较小,这与水滴在未饱和大气中降落时重同位素的蒸发富集作用有关,且反映了近几十年以来黄龙的气候有向暖干变化的趋势。降水稳定同位素的显著降水量效应说明黄龙降水的水汽主要来源于低纬度海洋。过剩氘的季节变化及降水氢、氧同位素的降水量效应反映了黄龙地区旱季受大陆性气团的影响,空气干燥,降水量小,因此蒸发强,重同位素的富集作用强,从而降水中稳定同位素比率高;在雨季,受来自海洋水汽的影响,空气湿润,降水量大,因此蒸发弱,重同位素的富集作用轻,从而降水中稳定同位素比率低。据此推测,降水量效应可能是不同水汽来源对降水稳定同位素影响的结果。黄龙的降水温度效应不显著,季风气候抑制和掩盖了温度效应。      

稀有气体同位素示踪成矿古流体研究进展

稀有气体(特别是He、Ar)是一种研究成矿古流体来源的灵敏示踪剂。地球不同圈层的稀有气体同位素具有不同的特征同位素比值。测试样品流体包裹体中的稀有气体同位素值,从测试值中排除掉包裹体形成后各种后生过程对流体初始同位素组成的影响。把得到的结果与前人研究总结的特征值进行比较分析,可以示踪成矿流体来源,从而探讨各种矿床的成矿机制与成矿作用。归纳了近年来用稀有气体同位素来示踪成矿流体的研究进展,概括了其在不同类型矿床中的应用现状,并指出当前该方法存在的问题及发展趋势。