表生过程中铁的同位素地球化学

铁同位素地球化学已成为当前国际上地球化学领域的研究热点。表生过程涉及地球表层,包括大气圈、水圈、生物圈及岩石圈浅部,与人类生活密切相关,也是地球科学中的基本地质过程之一。本文对表生体系中的土壤、河流、海洋等主要储库的铁同位素组成特征及表生体系铁同位素分馏的基本过程进行总结。在此基础上,对表生过程中的风化作用、河流搬运作用、沉积作用、成岩作用及海洋铁的地球化学循环过程中铁的同位素地球化学行为进行介绍。表生过程中铁的同位素地球化学理论框架已经基本建立,并且显示出铁同位素是表生地球化学领域新的示踪工具。     

铀"稳定"同位素分馏及其在地球科学中的应用

铀“稳定”同位素（238U/235U,通常记为δ238U）目前已经成为非传统稳定同位素领域的研究热点.20世纪人们曾经认为铀同位素不存在分馏,因而铀同位素研究发展缓慢.然而随着分析技术的发展,人们发现自然界中铀同位素238U和235U存在显著的分馏,可以作为良好的示踪工具.迄今为止,已经有大量铀同位素作为古氧化还原指标的研究发表,比如用铀同位素示踪地球近地表环境氧含量随时间的演化以及生物大灭绝与海洋氧化还原状态之间的潜在关系.尽管铀同位素在水圈和生物圈协同演化领域取得了丰硕的研究成果,但仍有不少问题亟待深入解决.例如,生物和非生物还原高价铀的微观反应过程对铀同位素分馏的影响,以及铀同位素如何示踪铀矿物质来源等.系统总结了铀同位素地球化学最近十年的研究进展,希望将来铀同位素在铀多金属矿床成因和高温地球化学领域能有所突破.      

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。     

地球科学中铁同位素研究进展

21世纪初,铁同位素的高精度分析因多道等离子体质谱仪的引入成为可能。铁在自然界中具有高丰度、多价态和生物可利用性,其同位素地球化学受到广泛关注,并取得巨大的进展。本文综述了铁同位素研究的进展和在地球科学中的应用。这些进展包括：(1)查明了各类陨石的铁同位素组成,并制约了太阳系及早期行星演化过程;(2)调查了地球主要储库的铁同位素组成;(3)积累了大量高、低温常见体系中两相间的铁同位素分馏系数;(4)初步探明了岩浆过程(如部分熔融、地幔交代和岩浆分异等)中的铁同位素分馏行为;(5)初步查明铁同位素在主要低温过程(如风化、早期成岩作用等)中的分馏行为;(6)实例性研究揭示了沉积岩样品铁同位素在示踪古海洋大气氧逸度变化和早期生命演化方面的潜力。随着人们对铁同位素分馏机制理解的加深,各体系中分馏系数的积累,铁同位素将在地球科学的各个方面得到更广泛的应用。     

镁同位素地球化学研究新进展及其应用

作为一种新兴的地质示踪剂,Mg同位素正受到国际地学界日益广泛的关注。Mg同位素地球化学研究已取得了巨大的进展,近期研究工作主要包括两个方面。首先,调查了地球各主要储库和陨石的Mg同位素组成特征,结果表明陨石和地球地幔具有均一并且相似的Mg同位素组成,平均δ²⁶Mg值分别为-0.28±0.06‰和-0.25±0.07‰;相反,上地壳和水圈的Mg同位素组成很不均一,δ²⁶Mg值变化范围分别为-4.84‰~+0.92‰和-2.93‰~+1.13‰。其次,对一些地质和物理化学过程中Mg同位素的分馏行为进行研究,结果表明:(1)地表风化作用可以造成大的Mg同位素分馏,导致重Mg同位素残留在风化产物中而轻Mg同位素进入水圈;(2)岩浆分异过程中Mg同位素平衡分馏很小;(3)高温化学扩散和热扩散过程中Mg同位素会发生显著的动力学分馏。基于这些研究成果,Mg同位素体系已经被初步应用于示踪早期地球形成和壳内物质再循环等过程,并有望在不久的将来应用于示踪大陆地壳的化学演化和地质温度计等研究领域。     

钾稳定同位素在水文地球化学领域的研究进展与展望

地表硅酸盐岩矿物风化通常是水体中钙、镁、钠、钾等元素的重要来源,然而相比于水体中的钙、镁和钠,目前对钾的水文地球化学行为的认识仍十分有限。表生地球化学领域最新研究证明风化、吸附等多种水岩反应伴随着较大的钾同位素分馏,表明钾同位素技术可以用于示踪地下水中钾的来源及迁移转化。文章通过系统总结上地壳、水圈和其他地表储库（植物、肥料）的钾同位素组成,发现水圈普遍比大陆上地壳富集41K,为识别地下水的钾来源提供了基础;通过总结钾同位素在常见的水岩作用过程（硅酸盐岩矿物溶解、次生黏土形成、吸附作用、离子交换反应）中的分馏行为,发现硅酸盐岩矿物溶解分馏有限,次生黏土矿物形成引起水体富集41K,表面吸附和离子交换使水体富集39K,不同水岩反应中K同位素行为差异为示踪地下水中钾的迁移转化过程提供了基础;列举了应用钾同位素示踪硅酸盐岩风化和水体污染的最新研究成果。由于钾同位素是硅酸盐岩风化的良好示踪剂,可以利用钾同位素揭示CO2较充足含水层中钾元素释放及迁移转化机理;由于表面吸附和离子交换控制的钾同位素分馏方向与风化控制的钾同位素分馏方向不同,可以利用钾同位素识别出地下水循环过程中多种水岩反应对钾迁移转化...     

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。     

汞同位素地球化学概述

汞同位素是一个新兴的地球化学示踪手段。过去十多年来,随着质谱技术的飞跃发展,汞同位素地球化学研究取得了引人注目的进展,主要体现在如下两个方面。(1)实验及理论地球化学研究表明,汞生物地球化学循环的一系列过程都能导致显著的汞同位素质量分馏。此外,汞还是自然界少数存在同位素非质量分馏的金属元素之一。汞同位素非质量分馏对识别某些特殊地球化学过程(如光还原作用、挥发作用等)具有重要指示意义。(2)自然样品的汞同位素测试表明,自然界汞同位素组成(δ202 Hg和Δ199 Hg)变化可达10‰。目前,汞同位素地球化学已被应用于汞污染源示踪、汞生物地球化学过程判别等领域,并有望在不久的将来在汞的大气化学、生物地球化学等领域得到更为广泛的应用。     

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。     

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].     

铁同位素体系及其在矿床学中的应用

本文报道了世界范围内不同含铁矿物的Fe同位素组成,进一步了解了铁同位素在不同含铁矿物中的基本分布特征;系统总结了铁同位素在不同储库和不同类型矿床中的分布特征,构筑了铁同位素体系的基本框架;结合最新的研究成果,较全面地总结了铁同位素在矿床学领域的应用,得出了铁同位素可以用来示踪流体出溶、流体演化、表生蚀变作用和成矿物质来源的基本认识。在流体出溶过程中,相对于岩体,出溶的流体富集铁的轻同位素;成矿流体体系的演化过程中,矿物的结晶沉淀会导致铁同位素发生分馏,随着Fe(III)矿物的结晶沉淀,流体逐渐富集铁的轻同位素,随着Fe(II)矿物的结晶沉淀,流体逐渐富集铁的重同位素,随着矿物的结晶沉淀,流体的Fe同位素组成随时间发生演化;在成矿后的表生蚀变作用过程,高温蚀变作用形成的产物相对于原矿物富集铁重同位素,低温蚀变作用形成的产物基本保留了原矿物的铁同位素组成;Fe同位素在示踪成矿物质来源具有应用潜力,流体出溶、流体演化等重要成矿作用过程中Fe同位素组成的变化规律是利用Fe同位素示踪Fe来源的关键所在。     

Fe同位素在地幔地球化学研究中的应用及进展

在总结不同地质储库中Fe同位素分布特征的基础上,对Fe同位素在地幔地球化学研究中的应用进行了较素在地幔包体全岩及单矿物中的分布特征,进一步确认了Fe同位素不均一性在地幔中的存在,探讨了导致这种不均一性的可能机理,指出了FE同位素在示踪地幔交代、部分熔融和氧逸度演化方面的潜力.     

干法灰化和湿法消解植物样品的铜锌铁同位素测定对比研究

测定有机样品中元素含量和同位素时,处理样品常用的方法有干灰化法和湿法两种.目前,测定样品中Cu、Zn、Fe同位素时,多采用湿法处理样品.相对于湿法处理样品,干灰化法溶样迅速、耗酸量少,适合处理大量样品,但高温灼烧过程可能会导致样品中Cu、Zn、Fe同位素的分馏.本研究利用海州香薷植株,以湿法为基础,对干灰化法和湿法处理...     

Biogeochemistry of the stable hydrogen isotopes

The fractionation of H isotopes between the water in the growth medium and the organically bonded H from microalgae cultured under conditions, where light intensity and wavelength, temperature, nutrient availability, and the H isotope ratio of the water were controlled, is reproducible and light dependant. All studies were based either on the H isotope ratios of the total organic H or on the lipids, where most of the H is firmly bonded to C. H bonded into other macromolecules, proteins, carbohydrates and nucleic acids, does not exchange with water, when algae are incubated in water enriched with deuterium. Only after the destruction of quaternary H bonds are labile hydrogens in macromolecules free to exchange with water. By growing algae (18 strains), including blue-green algae, green algae and diatoms, in continuous light, the isotope fractionations in photosynthesis were reproducibly ?93 to ?178 %. depending on the organism tested. This fractionation was not temperature dependent. Microalgae grown in total darkness with an organic substrate did not show the isotope fractionation seen in cells grown in light. In both light- and dark-grown algae, however, additional depletion of deuterium (?30 to ?60%.) in cellular organic matter occurs during the metabolism of carbohydrates to form lipids. Plants from several natural populations also fractionated isotopes during photosynthesis by an average of ?90 to ?110%. In addition, the organically bonded H in nonsaponifiable lipids was further fractionated by ?80%. from that in saponifiable lipids, isolated from two geographically distinct populations of marsh plants. This difference between H isotope ratios of these two groups of lipids provides an endogenous isotopic marker.     

Geochemistry and cosmochemistry of potassium stable isotopes

Stable potassium isotopes are one of the emerging non-traditional isotope systems enabled in recent years by the advance of Multi-Collector Inductively-Coupled-Plasma Mass-Spectrometry (MC-ICP-MS). In this review, we first summarize the geochemical and cosmochemical properties of K, its major reservoirs, and the analytical methods of K isotopes. Following this, we review recent literature on K isotope applications in the fields of geochemistry and cosmochemistry. Geochemically, K is a highly incompatible lithophile element, and a highly soluble, biophile element. The isotopic fractionation of K is relatively small during magmatic processes such as partial melting and fractional crystallization, whereas during low-temperature and biological processes fractionation is considerably larger. This resolvable fractionation has made K isotopes promising tracers for a variety of Earth and environmental processes, including chemical weathering, low-temperature alteration of igneous rocks, reverse weathering, and the recycling of sediments into the mantle during subduction. Sorption and interactions of aqueous K with different clay minerals during cation exchange and clay formation are likely to be of fundamental significance in generating much of the K isotope variability seen in samples from the Earth surface and samples carrying recycled surface materials from the deep Earth. The magnitude of this fractionation is process- and mineral-dependent. Comprehensive quantification of pertinent K isotope fractionation factors is currently lacking and urgently needed. Significant fractionation during biological activities, such as plant uptake, demonstrates the potential utility of K isotopes in the study of the nutrient cycle and its relation to the climate and various ecosystems, enabling new and largely unexplored avenues for future research.Of significant importance to the cosmochemistry community, K is a moderately volatile element with large variations in K/U ratio observed among chondrites and planetary materials. As this indicates different degrees of volatile depletion, it has become a fundamental chemical signature of both chondritic and planetary bodies. This volatile depletion has been attributed to various processes such as solar nebula condensation, mixing of volatile-rich and -poor reservoirs, planetary accretional volatilization via impacts, and/or magma ocean degassing. While K isotopes have the potential to distinguish these different processes, the current results are still highly debated. A good correlation between the K isotope compositions of four differentiated bodies (Earth, Mars, Moon, and Vesta) and their masses suggests a ubiquitous volatile depletion mechanism during the formation of the terrestrial planets. It is still unknown whether any of the K isotopic variation among chondrites and differentiated bodies can be attributed to inherited signatures of mass-independent isotopic anomalies.     

过渡族金属元素同位素分析方法及其地质应用

由于同位素分析方法的改进和多接收电感耦合等离子体质谱仪 (MC ICP MS)的应用 ,近年来过渡族金属元素 (Cu ,Zn和Fe)同位素地球化学有了长足进步 ,成为国际地学领域的一个前沿研究方向。Cu同位素在自然界中的变化最大 ,δ65Cu值为 - 3.70‰～ +2 .0 5‰ ;Zn和Fe同位素变化比Cu同位素变化小 ,δ66Zn值为 - 0 .6 4‰～ +1.16‰ ,而δ56Fe值为 - 1.6 2‰～ +0 .91‰。自然界中各种无机过程 (从高温到低温 )和生物有机过程均能使Cu ,Zn和Fe同位素发生分馏。Cu、Zn和Fe在自然界中广泛分布于各类矿物、岩石、流体和生物体中 ,并广泛参与成岩成矿作用、热液活动和生命活动过程。因此 ,这些过渡族金属元素同位素已在陨石和宇宙化学、矿床学 ,海洋学和生物学等领域的研究中取得了显著成效 ,并将成为地球科学中具有巨大应用前景的一种新的地球化学手段。     

铬同位素在高温岩浆过程中的研究进展

铬(Cr)属于氧化还原敏感元素,在岩浆过程中是一种中度相容和轻度亲铁元素。Cr在硅酸盐地球中主要有三种价态:Cr²⁺、Cr³⁺和Cr⁶⁺。Cr存在于不同来源的矿物和岩石中,其氧化还原状态和同位素组成可以为其成因、氧化还原条件和相关成矿历史提供有价值的信息。近年来,铬同位素越来越多地应用到现代环境、古环境、行星的演化以及高温地质过程等领域中,而高温地质过程中储库的铬同位素及其分馏机理研究是其他工作的基础。尤其是随着质谱技术的发展,Cr同位素在高温环境中的分馏机制及行为也引起了更多的关注。本文主要介绍不同储库的Cr同位素组成及高温岩浆过程中Cr同位素研究的最新进展。     

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 。     

硼同位素分馏的实验理论认识和矿床地球化学研究进展

硼是一种中等挥发性元素,具有¹¹B和¹⁰B两个稳定同位素。两个同位素间高达10%的相对质量差使其在地质过程中引起高达-70‰至+75‰的硼同位素变化。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¹¹B和¹⁰B间同位素分馏主要受控于三配体(BO₃)和四面体(BO₄)间配分。本文综述了低温和高温地质过程的硼同位素分馏的理论和实验研究进展。在溶液中B(OH)₃和${B(OH)^{-}_{4}}$间硼同位素分馏受pH和热力学p-T条件控制,实验和理论表征获得常温常压条件下的B(OH)₃和$B(OH)^{-}_{4}$间同位素分馏系数(α_3-4)变化范围为1.019 4至1.033 3。低温条件下矿物(如碳酸盐、黏土矿物(蒙脱石和伊利石)、针铁矿、水锰矿、硼酸盐)与溶液间硼同位素分馏行为除了受p-T-pH影响外,矿物表面吸附引起的分馏效应十分显著。在中高温过程(蒙脱石伊利石化、富硼电气石和白云母矿物与热液流体,以及硅酸盐熔体与流体)中硼同位素分馏行为受到硼配位构型、化学成分以及物理化学条件的控制。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及越来越完善的地质储库硼同位素端员特征表征,硼同位素地球化学指标可以灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式和重建成矿过程物理化学条件。目前矿床硼同位素地球化学研究的难点在于实现不同赋存相(如流体、矿物和熔体)中硼配位键合结构和硼同位素组成的精细化表征。