铁同位素分析测试技术研究进展

铁是地球上丰度最高的变价元素,在自然界大量分布于各类矿物、岩石、流体和生物体中,并广泛参与成岩作用、成矿作用、热液活动和生命活动过程。铁同位素组成对地球化学、天体化学和生物化学方面提供重要的信息,是同位素地球化学研究领域的热点。铁同位素的精确测量是开展相关研究的重要基础。本文评述了铁同位素测试技术的研究进展,主要包括:①溶液法测试铁同位素样品纯化过程中阴离子树脂的改进;②质谱分析从传统的热电离质谱法发展为多接收电感耦合等离子体质谱法;③激光微区原位测试技术的研发等。在此基础上,对测试过程中会导致产生铁同位素分馏的步骤和校正方法进行了总结,并对各种测试方法的优缺点进行了评述。本文认为:溶液法分析流程长且复杂,但分析精度高(0.03‰,2SD)、方法稳定;微区原位分析方法从纳秒激光剥蚀发展为飞秒激光剥蚀,脉冲持续时间更短、脉冲峰值强度更高(可达10~(12)W),聚焦强度超过10~(20)W/cm~2,使其具有分析速度快、空间分辨率高的优势。微区原位法可以从微观角度去讨论铁同位素变化的地球化学过程,但基体效应的存在限制了微区原位铁同位素的广泛应用。因此,缩短溶液法分析流程,开发系列基体匹配的标准样品,是铁同位素分析方法研发的方向。     

稳定同位素记录与环境、生命演化中的重大事件

自从地球诞生以来经历了许多重大事件：早期生命的出现、大气氧化事件（Atmospheric oxygenation）、雪球地球及多次生物绝灭与复苏事件。稳定同位素记录在古环境和生命演化研究中具有重要意义,在记录环境变化和生命演化的重大事件中发挥着重大作用：碳同位素的分馏记录了最早生命的开始,硫同位素的非质量相关分馏（Independent mass fractionation of sulphur isotopes）记录了大气中氧含量的重大变化,而在显生宙的几次重大生物灭绝事件中,均有碳同位素的负向漂移。     

FIB-TOF-SIMS联用技术在矿物学研究中的应用

基于聚焦离子束扫描电子显微镜的飞行时间二次离子质谱联用技术同时具备了聚焦离子束高空间分辨率以及飞行时间二次离子质谱轻元素、同位素分析以及较低的元素检出限的优势。可以实现:扫描电镜下原位分析H、Li、Be、B等轻元素;元素分布的纳米级横向空间分辨率;元素三维空间分布。能够同时得到纳米级矿物的形貌、元素组成以及元素空间分布信息,该技术在地学领域有广阔的应用前景。     

激光显微取样技术在川东北飞仙关组鲕粒白云岩碳氧同位素特征研究中的应用

显微取样碳氧同位素分析技术利用高聚焦激光束与碳酸盐岩样品作用,是一种在显微薄片下对岩石特定组构产生CO2的有效方法,其空间分辨率20～50μm,δ13C和δ18O的最好分析精度可达±0.22‰(σ),可以为碳酸盐岩碳氧同位素提供“高分辨率、原位”数据,微区分析是同位素测试发展的重要方向。用该技术对川东北飞仙关组鲕粒白云岩地球化学特征进行的研究表明,它可避免样品不纯带来的解释上的误差,为解释鲕粒白云岩成因提供了较为准确的地球化学信息,可进一步认识川东北飞仙关组鲕粒白云岩的成因问题。各种产状白云石的δ13C‰(PDB)值均大于当时海水值,说明白云石化流体没有淡水注入;而δ18O‰(PDB)分布较为离散,伴随白云石晶体大小增加,δ18O‰(PDB)值明显偏负,说明白云石化作用过程经历了埋藏加深、温度升高的过程,并且白云石化流体远离卤水源,其咸化程度减弱,为鲕粒白云岩的卤水渗透回流成因提供了有力的证据。     

微区原位普通铅同位素分析技术及其地质应用进展

应用激光剥蚀-多接收器电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)和二次离子质谱(SIMS)等分析技术进行微区原位普通Pb同位素分析是微区地球化学研究的重要内容之一.综述了矿物、熔体包裹体和沉积结核的微区原位普通Pb同位素分析技术及其地质应用的新进展.这些研究资料表明该分析技术在岩浆岩成因、沉积物物源示踪、地幔地球化学、古海洋学以及矿床学等的研究中提供了常规的全岩Pb同位素分析方法难以获得的重要信息,充分展示了该分析技术在地球科学研究中的应用前景.     

二次离子质谱微区原位牙形石氧同位素分析及其在古海表水温记录中的应用

利用生物成因磷灰石的氧同位素信息能够重建古海水温度,尤其是牙形石,结合其在生物地层学上的研究,它的数据解释具有明确的古环境意义。牙形石微小的个体一直是其精确地球化学分析的限制因素。作为对牙形石微区原位氧同位素测试方法的探索研究,本文利用Cameca IMS--1280 型二次离子质谱仪对牙形石进行了微区原位氧同位素组成测试,通过分析得到可靠的古表层海水温度 ( SST) 记录,表明从晚二叠世到早三叠世SST 存在明显的上升过程。相比常规Ag3PO4 实验方法,牙形石微区原位氧同位素分析方法更加快速,而且能够有效避免牙形石易受到污染的部位,获得更为可靠的牙形石氧同位素组成的测定结果。     

名词解释

正生物成因性(biogenicity):系指保存在岩石、矿物空间尺度内,过去和现在生物体内独特的,具生命特征的有机化学、元素/同位素和形貌特征信息。这些信息可能是伴随生物体生长或衰退产生的独特结果(形态、定向、     

钙同位素地球化学研究新进展及其在碳酸岩-共生硅酸盐研究中的应用

作为"非传统稳定同位素"家族成员,钙同位素正受到国际地学界日益广泛的关注.钙是主要的造岩元素,也是生物必需的元素.钙在地球各圈层广泛分布,研究钙同位素的地球化学行为将有助于提高我们对各种生物过程和地质过程的认识.钙同位素测定主要采用热电离质谱仪(TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS),分别表示为δ44/40 Ca和δ44/42Ca.目前自然界可观测到的δ44/40Ca变化范围为-2.0‰～6.75‰,约8.7‰.本文系统介绍了近年来钙同位素分析中样品溶解、化学分离、质谱测定以及高温地质过程中的钙同位素分馏及其地质应用等方面的研究成果,尤其对钙同位素在碳酸岩-共生硅酸盐岩研究中的意义、钙同位素组成以及取得的主要认识作了较为全面的介绍.阐述了放射成因40 Ca、部分熔融作用/分离结晶作用、地壳同化作用、古俯冲碳酸盐循环、热液蚀变作用、岩浆起源深度等对碳酸岩、硅酸盐岩的钙同位素组成造成的影响.最后,通过系统对比碳酸岩-共生硅酸盐岩的锂、镁、钙同位素研究成果,认为应该开展多元同位素体系的联合示踪.由于不同同位素体系存在相似性和差异性,而多元同位索体系相结合能有效地加强优势互补,将是同位素地球化学研究发展的一种必然趋势.     

磷灰石Sr-Nd同位素的激光剥蚀-多接收器电感耦合等离子体质谱微区分析

磷灰石是常见的副矿物,具有较高的Sr-Nd含量和较低的Rb含量,对其微区Sr-Nd同位素组成的准确测定可以为精细地质作用过程的探讨提供重要的地球化学信息.激光剥蚀-多接收器电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICPMS)具有分析速度快、分析精度高和空间分辨率高的特点,特别适合大量细颗粒磷灰石样品的Sr-Nd同位素分析,而同位素干扰的精确扣除和仪器质量歧视校正是原位微区分析准确获得Sr-Nd同位素比值的关键.本文利用LA-MC-ICPMS技术,综合最新发表的Kr、Rb、稀土二价离子及钙聚合物对Sr同位素的干扰扣除方法和Sm对Nd同位素的干扰扣除方法,对仪器的质量歧视进行了校正,建立了磷灰石原位Sr-Nd同位素分析方法.用此方法对一个磷灰石国际标准样品Durango和两个实验室标准Apatite 1和PE进行了详细的Sr-Nd同位素测定,结果表明,对Sr-Nd含量足够高的磷灰石样品可以准确地获得其Sr-Nd同位素组成,测试结果与文献报道值或热电离质谱(TIMS)测试值在误差范围内一致,Sr同位素的测试精度＜0.015％ (2SD),Nd同位素的测试精度＜0.005％ (2SD),达到了国际同类实验室水平;且三个磷灰石标准样品同位素组成较为均一,都是理想的原位Sr-Nd同位素分析参考物质.     

腕足类化石壳体同位素地球化学在恢复古环境中的应用

地球历史时期的生物硬壳或骨骼记录着丰富的地球过去环境特征的信息,对这些化石成分进行同位素地球化学研究是发掘其中信息、探索地球历史环境变化的有效途径之一。过去四十年来化石同位素地球化学在恢复古海洋环境、气候、盐度以及研究碳、氧同位素长期变化等方面的应用越来越受到人们的重视。腕足类化石壳体是古生代海洋环境恢复的主要手段之一。但这一方法也还存在一定的问题,这些问题集中在腕足壳体是否与其生存的海水存在同位素的平衡、是否存在由于生物生命过程中的新陈代谢作用造成的稳定同位素分馏的同位素生命效应(VitalEffects)、是否保存其原始的同位素信息等方面。详细回顾了腕足类化石壳体同位素——这种在恢复古环境研究中广泛应用方法的发展历史、研究现状、存在的问题,以及不同的学者对这些存在的问题所做的工作和他们对这些问题的不同观点。同时也介绍了这一方法的一些研究新进展。     

NanoSIMS: Insights to biogenicity and syngeneity of Archaean carbonaceous structures

NanoSIMS is a relatively new technology that is being applied to ancient carbonaceous structures to gain insight into their biogenicity and syngeneity. NanoSIMS studies of well preserved organic microfossils from the Neoproterozoic (0.8 Ga) Bitter Springs Formation have established elemental distributions in undisputedly biogenic structures. Results demonstrate that sub-micron scale maps of metabolically important elements (carbon [C], nitrogen [measured as CN ion], and sulfur [S]) can be correlated with kerogenous structures identified by optical microscopy. Spatial distributions of C, CN, and S in individual microfossils are nearly identical, and variations in concentrations of these elements parallel one another. In elemental maps, C, CN, and S appear as globules, aligned to form remnant walls or sheaths of fossiliferous structures. The aligned character and parallel variation of C and CN are the strongest indicators of biogenicity.Nitrogen/carbon atomic ratios (N/C) of spheroids, filaments, and remnants of a microbial mat suggest that N/C may reflect original biochemical differences, within samples of the same age and degree of alteration. Silicon (Si) and oxygen (O) maps illustrate that silica is intimately interspersed with organic carbon of the microfossils. This relationship is likely to reflect the process of silica permineralization of biological remains and thus may be an indicator of syngeneity of the fossilized material with the mineral matrix.The NanoSIMS characterization of Bitter Springs microfossils can be used as a baseline for interpreting less well preserved carbonaceous structures that might occur in older or even extraterrestrial materials. An example of such an application is provided by comparison of Bitter Springs results with NanoSIMS of Archaean carbonaceous structures from Western Australia, including a spheroid in the 3 Ga Farrel Quartzite and material in a secondary vein in the 3.43 Ga Strelley Pool Chert. Results reinforce a biogenic, syngenetic interpretation for the Archaean spheroid.NanoSIMS has several advantages in the study of ancient organic materials: the technique allows characterization of extremely small structures that are present in low concentrations; organic matter does not have to be isolated by acid treatment but can be analyzed in polished thin section; preparation is simple; samples are minimally altered during analysis; results provide sub-micron scale spatial distribution coupled with concentration information for at least five elements; the biologically important elements of carbon and nitrogen can be assessed; and the ability to study organic remains in situ permits petrographic assessment of spatial relationships between organic matter and mineral constituents. These advantages could be of significant benefit for interpretation of poorly preserved and fragmentary carbonaceous remains that might occur in some of Earth's oldest samples as well as in meteorites or extraterrestrial material brought to Earth in future planetary missions.     

NanoSIMS: Technical Aspects and Applications in Cosmochemistry and Biological Geochemistry

The NanoSIMS ion probe is a new‐generation SIMS instrument, characterised by superior spatial resolution, high sensitivity and multi‐collection capability. Isotope studies of certain elements can be conducted with 50–100 nm resolution, making the NanoSIMS an indispensable tool in many research fields. We review technical aspects of the NanoSIMS ion probe and present examples of applications in cosmochemistry and biological geochemistry. This includes isotope studies of presolar (stardust) grains from primitive meteorites and of extraterrestrial organics, the search for extinct radioactive nuclides in meteoritic materials, the study of lunar samples, as well as applications in environmental microbiology, cell biology, plant and soil science, and biomineralisation.     

微生物成矿

微生物对生命元素如碳、氮、硫、氧和金属离子的代谢作用能显著的改变微生物周边的外部环境和其内部环境。在一系列的生物地球化学过程中,微生物参与了矿产的沉积(生物成矿)或参与了矿石和岩石的溶解(生物风化)。生物成矿作用有两个途径：一个叫生物诱导成矿,通过这个过程,微生物分泌出代谢产物导致了之后的矿物颗粒的沉积;另一个叫生物控制成矿,在这个过程中,微生物在控制矿物成核和生长上起到了显著作用。微生物成因的矿物总体来说颗粒都很小和／或有着独特的同位素特征。最普遍的生物成因矿物有碳酸盐、硫化物和铁的氧化物。细胞表面和其分泌的胞外聚合物的结构可以为离子的浓缩、聚合和矿化提供模板,并起到重要作用。地球材料的仿生合成帮助我们了解了在人工条件下的生物成矿机制。此外,在地质环境中生物成因的矿物还可以作为一种生物信号,用来重建地球和其他行星的起源和演化。     

矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中的作用

地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物，但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子，提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高，在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量，是目前所发现的最高的矿物光电子能量，不仅能直接还原CO2分子为甲酸物质，还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖，光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流，显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体，地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源，矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。     

矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中的作用

地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物,但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子,提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高,在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量,是目前所发现的最高的矿物光电子能量,不仅能直接还原CO₂分子为甲酸物质,还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖,光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流,显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn₄CaO₅在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体,地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn₄CaO₅与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源,矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。     

地球系统中生物成因硫化物矿物:类型、形成机制及其与生命起源的关系

作为生物矿物一种十分重要的类型,生物成因硫化物矿物形成于多种海水和淡水环境中.它们是自然界硫和金属元素循环中的关键一环,并有可能在地球早期生命起源中扮演了重要的角色.现代环境中形成的生物成因硫化物矿物与多种生命过程有着十分密切的联系,微生物和大型生物均可直接或间接地影响生物成因硫化物矿物的形成.重点从生物成因硫化物矿物类型、参与生物矿化的有机体、生物成因硫化物矿物形成机制以及硫化物矿物与生命起源的关系等几个方面综述了生物成因硫化物矿物研究的最新进展.     

锆石对地球早期地壳演化和构造体制转换的启示

锆石是研究早期地球演化的重要矿物之一,它的U-Pb年龄结合其微量元素以及同位素成分是反演寄主岩石成因乃至地球动力学背景的重要手段.本文从锆石矿物包裹体、微量元素、U-Pb同位素体系、Lu-Hf同位素、O同位素以及Si、Zr和Ti同位素这6个方面综述了近10年来前人取得的主要研究成果,总结了次生矿物包裹体可能产生的方式以...     

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。     

Submarine hydrothermal contribution for the extreme element accumulation during the early Cambrian,South China

Throughout the geological history of the Earth, submarine hydrothermal activity has played an important role in seawater chemistry, biological evolution and enrichment of metals in the Earth crust. However, the prospect of hydrothermal activity for extreme element accumulation during the early Cambrian, a key geological period, in South China has not been well-constrained. This study reports geochemical (e.g. REE and Sr isotope) investigations of a coarse-grained limestone layer and associated calcite veins in Zunyi and Nayong areas, Guizhou Province, to constrain the hydrothermal activity and evaluate the significance of hydrothermal contribution to extreme element accumulation during the early Cambrian, South China. Our results reveal positive Eu anomalies and higher initial ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios (0.7083–0.7150) for carbonate samples than those of early Cambrian seawater, indicating the presence of hydrothermal processes. Combined with constraints from the spatial relationships and coincidence with adjacent mineralization, these hydrothermal processes provide the most probable contribution for polymetallic Ni–Mo–PGE mineralization. Furthermore, there are abundant hydrothermal dolomite and barite-calcite veins in the dolostone of the Dengying Formation, indicating the occurrence of a variety of hydrothermal fluids. Overall, multi-stage hydrothermal pulses with different fluid compositions spanned the Ediacaran–Cambrian transition in South China. In particular, these hydrothermal fluids with positive Eu anomalies and enriched radiogenic Sr, originating from Proterozoic mafic/ultramafic rocks, may have flowed through the underlying Precambrian silicate clastic rocks (e.g., Xiajiang, Banxi and Lengjiaxi Groups) and may have been crucial for the marine environment, biological diversity and extreme element accumulation during the early Cambrian, South China.     

钛同位素地球化学综述

随着分析技术的进步,非传统稳定同位素体系在地球化学、天体化学和生物地球化学等研究领域的应用日益广泛。钛(Ti)是一个非常重要的过渡族金属元素,在地球和其他类地球行星中广泛存在。但是由于Ti是一种难熔的、流体不活动性元素,高温地质过程中Ti同位素分馏很小。人们对Ti同位素体系的地球化学应用的关注相对其他非传统稳定同位非常有限。而近年来,随着化学纯化方案的优化以及双稀释剂方法的改进和仪器质谱性能的提高,Ti同位素组成的高精度测试已经能够实现。天然样品中Ti同位素组成的变化随之得以发现,使得学者们能够利用这一新的稳定同位素体系来解决与高温和低温地球化学相关的问题。很快Ti同位素体系地球化学研究成为当前国际地质学界的前沿研究课题和新的发展方向之一。本文首先在简要介绍Ti元素和Ti同位素体地球化学性质的基础上,介绍了Ti元素化学分离和Ti同位素分析方法。随后笔者总结了已有的不同类型球粒陨石和地球样品的质量相关Ti同位素组成研究结果,对硅酸盐地球的Ti同位素组成做了初步评估。前人对高温地质样品的Ti同位素组成研究初步探明Ti同位素在岩浆演化过程,例如部分熔融和结晶分异等重要地质过程中的分馏行为。笔者在此基础上探讨了结晶分异过程中引起Ti同位素分馏的主要控制因素,指出Ti同位素是潜在的研究岩浆演化过程的新工具。最后笔者探讨了Ti同位素地球化学未来的发展方向,以加速我国在Ti同位素地球化学方面的应用研究。