近十年中国同位素效应理论和计算研究进展

近十年来,国内稳定同位素地球化学的理论解释已普遍达到了量子化学水平.基于精密的量子化学从头或第一性原理,研究者们开始了平衡和动力学分馏系数的计算.在同位素的分析测试、野外观察、理论和计算四个方向上,国内在理论和计算方向的发展可能还算最好的,整体处于国际第一方阵的地位.国内学者率先发展了超冷体系同位素分馏、含压力效应的同位素分馏、同位素的浓度效应、团簇同位素、微小同位素异常、热梯度下同位素扩散效应、高温重复过程等方向的同位素理论和计算方法,也发展了针对固-液两相同位素分馏的可变体积的分子簇(VVCM)计算新方法、针对重金属同位素固相体系的含核体积效应处理的方法,以及针对熔体中同位素扩散的动力学分馏的理论和计算方法.同时,还为大量不同的非传统(金属)同位素体系,提供了大量的平衡分馏系数,为这些同位素体系的日后深入应用奠定了较好的基础.但是,在这些成果中,真正由我国学者首先提出的原始概念、模型、体系和方法还很少,绝大多数都是对前人(主要是国外同行)提出的理论体系和新兴发展方向的修改和补充.未来我国同位素理论和计算领域应率先使用包含量子场论在内的新一代理论工具,在同位素效应的新方向、新概念的提出和新理论的建立方面,做出更多的贡献.     

对稳定同位素地球化学一个基本原理的反思

用基于Urey模型的量子化学从头计算,揭示Fe在FeCN63-和FeCN46-中的不同“自旋态”对同位素分馏行为的巨大影响,说明了只考虑“价态”的做法是不正确的,修正了关于“重同位素倾向于富集在高价化合物中”的这个广泛被接受的基本原理。并首次指出在压力导致自旋态变化的地质过程中,必定存在同位素分馏反常的复杂状况,是值得进一步研究的方向。     

汞的稳定同位素分馏机理

汞是唯一能够以气态单质形式进行长距离传输的有毒重金属元素,其环境行为和健康危害受到广泛关注.近十多年来发展起来的汞稳定同位素技术为研究环境中汞的来源、迁移转化过程以及相应的生态环境效应提供了新的视野.汞同位素是自然界中唯一表现出多种显著非质量分馏(MIF)的独特金属同位素体系,对汞同位素的研究一直偏重应用,而对其分馏机理的认识十分有限.本文从汞稳定同位素分馏理论、分馏实验研究和实际环境过程的汞同位素分馏三方面系统阐述了近十多年来关于汞同位素分馏机理的研究成果、最新进展和未来发展方向.尽管目前的研究普遍认为无机汞的光化学氧化还原和甲基汞的光化学降解是环境中汞同位素MIF的主要产生机制,然而MIF程度和方向的影响因素还不完全清楚,其量化理论还未完全建立,实际环境过程中的分馏机理研究还相对缺乏.未来需要结合理论和实验研究进一步明确大气、陆地、海洋、极地、古环境等实际环境体系中的汞同位素分馏机理,进而拓展汞同位素的应用.     

水溶液中溶质的扩散同位素分馏研究

稳定同位素分析是判定水溶液中溶质的组成、来源、迁移和转化过程与规律的重要工具,在自由扩散等物理化学作用下,对溶质的同位素分馏研究是稳定同位素技术应用的重要基础.本研究介绍了溶质的扩散过程与其同位素分馏效应之间的联系,论述了研究溶质扩散过程中引入的稳定同位素分馏现象的意义,描述了水溶液中溶质扩散的不同模拟实验方法及相关研...     

非传统稳定同位素分馏理论及计算

综述了稳定同位素平衡和动力学分馏的一些主要的理论方法。首先介绍了平衡分馏的理论方法,从平衡分馏的核心理论-Bigeleisen Mayer公式(或称Urey模型)以及对它的一些高级能量校正开始,介绍了基于路径积分的分子动力学方法和蒙特卡罗方法对同位素非谐效应的处理,介绍了压力效应的理论计算方法,最后介绍了核体积效应及其理论计算方法,并强调核体积效应是未来重金属同位素研究的重要部分。另外,综述了同位素动力学分馏的主要理论和计算方法,首先介绍了在稳态下因温度梯度引发的同位素分馏,着重介绍了基于局部热力学平衡理论的计算方法和最新结果;然后从如何使用过渡态理论计算化学反应导致的同位素动力学分馏出发,深入介绍了磁同位素效应和由于核体积效应引发的异常同位素动力学分馏;然后对低温下矿物生长的同位素动力学理论模型进行了介绍,尤其是仔细介绍了其中DePaolo的表面动力学模型,并对由吸附和共沉降过程产生的动力学分馏也进行了介绍。最后详细介绍了在气化过程、固体中、高温硅酸洋熔体中由于扩散引起的同位素动力学分馏,以及如何对这些过程进行理论处理,强调了开展固体矿物扩散理论计算的重要性。     

地质流体中络合物同位素平衡分馏系数的第一性原理计算

地质流体中不同络合物之间的稳定同位素平衡分馏系数是利用稳定同位素示踪地质流体演化过程的必要前提.但由于受实验条件的限制,流体中部分元素不同络合物之间的同位素分馏系数难以通过实验精确测定.基于第一性原理的理论计算是获得溶液中不同络合物之间稳定同位素平衡分馏系数的一种重要手段,能够获取各种极端条件下同位素分馏系数.在应用第...     

Pb-Sr-Nd-Hf同位素参数计算及程序设计

Pb、Sr、Nd、Hf同位素都是放射性成因的重稳定同位素,地质过程中不发生同位素分馏,因而其同位素组成只与来源有关而与过程无关.这些同位素组成是成岩(成矿)物质来源及其构造环境判别的重要标志,特别是在研究壳幔分离与壳幔相互作用中起着不可替代的作用.由于这些参数的计算涉及相对复杂的公式推导,许多地质工作者并未系统学习过同...     

"后Urey模型时代"的稳定同位素地球化学基础理论

简要综述了最近十几争来稳定同位素地球化学基础理论发展的几个热点,包括能处理重元素的同位素分馏的核场效应理论、基于晶格动力学及声子的密度函数微扰理论计算的固体同位素分馏理论、稳定同位素的微观反应动力学理论,以及含压力变量的同位素分馏理论。这些新理论,表明长期基于Urey模型或称Bigeleisen-Mayer公式的稳定同位素地球化学的时代已经结束,更精确、更丰富的理论体系正在逐步建立之中。     

稳定同位素地球化学研究新况

近年来稳定同位素地球化学进展显著。同位素测试方面的主要进展表现为：①离子探针质谱及激光制样系统的迅速发展和在同位素分析中广泛应用；②同位素测量仪器的自动化和电脑化；③分析方法和结果标准化；④新的同位素分析方法的开拓。同位素分馏机制方面最突出的进展是对与质量无关的同位素分馏的研究。已发现这种分馏在大气化学反应中和前太阳系阶段起重要作用。同时对热力学和动力学同位素分馏研究正进一步系统化。同位素应用方面，地球表面圈层研究受到更多注意。与资源与环境问题直接相关的研究更受到特别重视。对硼、硅、氯和锂等同位素新方法的地质应用也进展突出。     

稳定同位素动力学分馏模型研究进展

稳定同位素分馏的模型计算,是同位素理论研究的重要方面。本文在前人研究的基础上,总结了几种同位素动力学分馏的计算公式,即稳态假设下的一级动力学反应方程、Michaelis-Menten(MM)动力学方程和Michaelis-Menten-Monod(MMM)动力学方程。过渡态假设下的Michaelis-Menten-Monod(TR-MMM)动力学方程放松了稳态假设,得到了一个较为准确的数值。温度对化学反应速率影响显著,进而影响与之相关的同位素分馏系数。通过反应速率与热力学的关系式,建立同位素分馏系数与热力学的间接联系,从而得到同位素分馏系数对温度变化的响应方程式。     

硫化物中硫同位素分馏理论计算研究进展

硫化物是重要的矿物类,通常是一个或多个金属元素与硫结合而形成硫化物.硫化物作为大多数金属的主要来源具有重大的经济利用价值,硫化物中硫同位素分馏的研究一直是同位素地球化学研究的热点.研究不同金属硫化物之间的硫同位素分馏效应,对于利用硫同位素对成矿作用过程和成矿物质来源开展地球化学示踪,具有非常重要的意义.本文结合笔者近期的工作概述了硫化物中硫同位素分馏的理论计算研究,认为虽然半经验半理论的增量方法在同位素分馏计算中存在一定的局限性,但在没有其他实用的理论计算方法时,改进的增量方法可以作为硫化物中硫同位素分馏计算的一种理论估算方法.     

稳定性氢氧同位素在水体蒸发中的研究进展

介绍了同位素分馏的基本概念以及利用稳定同位素研究水体蒸发的基本原理。综述了国内外对水体蒸发中稳定同位素分馏机制的研究,分析了温度、湿度等气象因子对蒸发同位素分馏的影响,对动力分馏模型进行了详细推导,概述了利用同位素估算蒸发量的方法。指出了国内这方面研究的不足,并展望了今后的研究趋势。     

微生物降解有机物的碳氢同位素分馏研究进展

微生物降解使有机化合物的稳定碳、氢同位素发生不同程度分馏的研究在有机污染物来源和微生物环境修复等领域取得了长足进展,并对原油和天然气微生物降解研究有借鉴意义。微生物作用下的同位素分馏为动力同位素分馏,导致重同位素在残余物中富集。影响微生物降解有机物同位素分馏的主要因素有微生物的降解代谢途径、辅酶作用、降解类型与程度、同位素质量差异和有机物碳数等。不同的微生物代谢途径代表不同的生物化学反应,造成了同位素分馏的显著差异;辅酶对反应的催化作用使微生物作用造成的同位素分馏更加复杂。低碳数正构烷烃遭受微生物降解程度越高,碳、氢同位素的分馏也越大,同位素变重与降解程度之间有明显的相关性。但对于复杂化合物,由于降解的多级反应,同位素分馏与降解程度间的相关性并不明显。在同样降解程度下,氢同位素分馏大于碳同位素分馏,低碳数正构烷烃的同位素分馏大于高碳数正构烷烃的同位素分馏。     

粘土矿物稳定同位素地球化学研究现状

本文对有关粘土矿物稳定同位素地球化学目前主要的研究成果和研究过程中存在的障碍作了较为系统的总结分析,主要内容包括：提取单矿物时杂质的处理和分离方法、粘土矿物氢氧同位素组成和同位素分馏机制以及分馏系数方程等。重要的是,论述了进行上述各方面研究时还存在的问题,希望能为有关研究人员提供一定的研究思路,以提高我国在相近领域研究的学术水平。     

同位素分馏理论计算新进展

稳定同位素分馏的理论计算，既是同位素理论研究的重要方面，也是矿物物理研究的重要课题，它涉及矿物的宏观性质和微观性质两个方面。自从Ｕｒｅｙ（１９４７）以来，人们提出了许多计算模式，但绝大多数模式都是以还原配分函数比作为出发点，以自由能变化为基础。从方法上表现出两种趋势，一是简化的趋势，以尽可能少的参数得到尽可能合理的结果；二是大型化和精确化趋势，以复杂的晶格动力学模式和计算机的大量应用为特征。随着这方面研究的深入，理论计算将成为人们了解矿物同位素分馏性质的重要途径。     

离子交换过程中锂同位素分馏对锂同位素测试准确度的影响

锂同位素被广泛应用于地球与行星科学各个领域,准确测定锂同位素比值是示踪各种自然过程的前提,但目前国际实验室报道的锂同位素标准物质测定值存在较大偏差,例如已报道的海水δ7Li测试值相差5‰。针对这一现状,本文基于离子交换理论基础,使用正态分布函数拟合淋出曲线,通过理论计算得到离子交换纯化过程造成的锂同位素分馏的理论值,该数值与MC-ICP-MS检测无关,但对锂同位素测试准确度有直接的影响。在此基础上,定义相对回收率(Rc)用于监测锂同位素分馏。基于本实验室分离纯化流程,通过理论计算得出,当Rc 99. 8%时,可认为离子交换纯化过程中没有引起可观察到的锂同位素分馏,进而不影响MC-ICP-MS检测准确度。目前世界上各实验室主要通过绝对回收率或Rc来判断分离过程中是否发生同位素分馏。由于测试的空间电荷效应,绝对回收率易被高估,而 99%的Rc并未全部达到理论计算得到的Rc,表明各实验室对同种标准物质测试结果的偏差极可能是由于离子交换纯化过程中锂同位素分馏导致的。本文提出,对于每一样品,只需要分别测量离子交换过程中接收区间及其前后一定区间溶液中锂含量,将得到的Rc值与其理论值比较,即可判断分离纯化过程中是否引起可观察到的锂同位素分馏。     

碳酸钙-水体系氧同位素分馏系数的低温实验研究

碳酸钙是古气候和沉积岩稳定同位素地球化学研究中最常用的矿物 ,因此对碳酸钙水体系氧同位素分馏系数的实验校准已成为稳定同位素地球化学诞生以来的热点和前沿课题。但由于碳酸钙在自然界存在 3种同质多象变体 (方解石、文石和六方方解石 ) ,使人们对碳酸钙矿物与水之间氧同位素分馏系数的实验测定结果存在较大差别 ,当应用到同位素地质测温时 ,会给出显著不同的温度值。正确选用合理的方解石水或文石水体系分馏曲线 ,对低温和环境地球化学研究和应用具有重要价值。文章系统总结和评述了碳酸钙水体系氧同位素分馏系数实验校准的历史、方法和结果 ,对前人在表达方式上的不一致进行了统一 ,对氧同位素分馏的盐效应、动力氧同位素分馏效应和同质多象转变过程中的氧同位素继承性进行了讨论。通过对前人大量实验数据的系统处理并与理论计算相比较 ,推荐了热力学上平衡的方解石水体系氧同位素分馏方程 ,而对于文石水体系 ,理论计算结果尚有待于实验证实。     

板块俯冲过程中的Mg-Li-Fe-Cr同位素分馏

金属稳定同位素体系是示踪板块俯冲对壳幔物质再循环影响的全新工具,因此其在俯冲带的地球化学行为备受关注.Mg同位素在俯冲过程中不发生显著分馏,但大陆玄武岩具有低于洋中脊玄武岩的Mg同位素,这可能是碳酸岩的俯冲再循环导致的.与角闪岩继承原岩的Li同位素组成不同,榴辉岩具有轻于原岩的Li同位素组成,可归因于俯冲折返过程中的动力学扩散、脱水反应或低Li同位素的流体交代.作为变价元素,Fe和Cr的同位素在榴辉岩的形成过程中均不发生显著分馏,但是蛇纹岩的Fe同位素和Cr同位素与氧逸度指标具有相关性,指示氧化还原条件变化时脱水过程或流体交代会导致同位素分馏.      

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。     

煤成甲烷碳同位素分馏的动力学模拟

主要目的是通过动力学模拟实验与GC-IRMS技术建立煤成甲烷碳同位素分馏的动力学模拟.热解产物中甲烷碳同位素的测定结果表明,同时假定生气过程中同位素分馏系数(α)固定不变和所有产甲烷母质具有相同的初始碳同位素组成(δ13Co)对于解释煤化过程中的碳同位素分馏是不可行的.在本研究中,为了解决陆源有机质的非均质性,应用了两个方法:一是假定对于煤中所有产甲烷前身物具有一个相同的初始碳同位素组成(δ13Co),通过调整各个平行反应的△Ea,i(Ea,i13C-Ea,i12C)来拟合实测甲烷同位素组成的变化;另一个是假定在整个生气过程中同位素分馏系数(α)不变,即△Ea,i为常数,通过改变fi13C来实现与实测甲烷同位素的拟合.动力学计算结果表明,在2℃/Ma的地质升温速率下两种方法具有相似的结果.