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的共同控制。在此基础上,对钾同位素在水文地球化学领域的应用进行了展望：（1）开展研究区多端元控制下地下水钾来源贡献的研究;（2）开展地下水漫长循环过程中钾迁移转化的定量研究;（3）联合使用多种同位素示踪碳循环相关的过程。     

洋壳蚀变过程中的镁同位素分馏机理研究进展北大核心CSCD

板块运动驱动的洋壳再循环一直被认为是造成地幔化学成分不均一的主要原因。洋壳在从洋中脊形成到俯冲进入地幔的过程中,持续遭受一系列蚀变改造。这一过程不仅影响海水化学成分,同时也会改变洋壳的化学组成,尤其是一些易活泼元素及相应同位素体系的改变会更加显著。洋壳蚀变造成的影响会通过洋壳俯冲再循环而传递到地幔,进而影响到对地幔化学组成不均一性的认识。镁(Mg)同位素是研究深部碳循环和壳幔物质相互作用的一个新兴示踪计,已进入深部地幔的俯冲洋壳Mg同位素组成有可能受高温岩浆过程、俯冲变质过程以及低温蚀变过程的影响。已有的研究证明高温岩浆过程和洋壳俯冲变质-脱水过程中洋壳Mg同位素无显著分馏。然而,由于天然样品测试的数量较少且数据测试精度有限,关于低温蚀变过程中洋壳Mg同位素是否存在分馏尚未达到共识,这限制了利用Mg同位素对地幔不均一性和全球尺度物质再循环的研究。本文总结了已发表的蚀变洋壳的Mg同位素资料,讨论了洋壳低温蚀变过程(火山玻璃橙玄化、蛇纹石化和碳酸盐化)对Mg同位素体系的影响。这些信息对于认识洋壳蚀变过程中Mg同位素体系的详细行为至关重要,是确定下一步相关研究方向的重要参考。     

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。     

蒸发岩非传统稳定同位素研究综述

蒸发岩是海水/卤水蒸发浓缩的产物,不同的水化学环境下析出的蒸发岩类型不同,其在不同的地质历史时期都有分布,是重要的古海水和古环境记录载体。蒸发岩研究的主要问题包括:蒸发岩的物质来源、形成时代、蒸发盆地和卤水的演化历史、蒸发岩矿物所记录的环境变化。一些矿物、元素及同位素指标可用于解决这些问题,其中稳定同位素对于示踪蒸发岩的物质来源与形成过程具有不可替代的作用。近20年来,非传统稳定同位素地球化学获得快速发展,并在蒸发岩研究中获得成功应用,这些同位素体系包括阴离子元素B、Cl和Br,以及阳离子元素Mg、K和Ca。本文综述了多个非传统稳定同位素在蒸发岩领域的研究,主要包括:蒸发岩矿物与溶液之间的同位素分馏系数、蒸发岩的同位素信息重建古海水同位素组成及示踪蒸发岩成因和时代等。     

Mo稳定同位素研究进展

随着表面热离子质谱(TIMS)和多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的广泛应用以及同位素分析方法的改进,近10年来非传统稳定同位素(Cu、Zn、Fe、Se、Mo、Cr、Hg等)的研究得到迅速发展.其中,由于Mo同位素的分馏明显受氧化还原条件的控制,使其在指示古环境及古气候的变化方面有独特的地球化学指示意义.同时,Mo同位素在指示成矿物质来源和海洋Mo循环等方面也取得较大成果.因此,Mo同位素地球化学研究已成为国际地学领域的一个前沿和热点.本文综合前人的研究成果,结合近期自己的工作,论述了Mo同位素地球化学研究领域的一些重要进展,详细介绍了Mo同位素的化学分离、提纯和质谱分析技术,并对其应用前景进行了展望.     

地幔流体的稳定同位素地球化学综述

总结了２０年来国内外学者对地幔流体研究的成果和认识。主要包括地幔流体的性质和组成;地幔流体中同位素的含量、组成和赋存形式;同位素分馏和地幔脱气等作用对地幔组分的影响等。在不同地区和不同构造环境条件的地幔流体中,各种组分含量和同位素组成变化可经很大,从一个侧面指示地幔组分的不均一性,反映了不同地幔物质的形式历程不同或来自不同的地幔源区。此外,还讨论了目前存在的几个疑点。     

大别造山带超高压变质岩稳定同位素地球化学

通过对大别造山带超高压变质岩的氢、氧和碳同位素地球化学研究，发现了显著的稳定同位素异常。结果对扬子板块向华北板块的俯冲提供了如下化学地球动力学制约： (1)北大别榴辉岩和基性麻粒岩与南大别超高压榴辉岩和片麻岩一样，具有较低的δ 18O值，表明它们在板块俯冲前经历了高温地表水热液蚀变，在超高压变质阶段流体以亏损 13C为特征； (2)部分低δ 18O值榴辉岩的共存矿物对之间保存了氧同位素平衡分馏，记录了榴辉岩相变质温度，指示这些榴辉岩在地幔的居留时间较短，折返初期的冷却速率较大； (3)退变质作用过程中存在显著的差异性氢氧同位素交换，早期阶段流体具有内部缓冲性质，而晚期则具有外部来源； (4)东大别大理岩显著富集 13C，反映出其母岩灰岩的沉积环境为封闭的大陆边缘盆地，西大别苏家河大理岩的δ 13C值接近于正常海相碳酸盐，指示其母岩形成环境为宽广开阔的海洋。     

锂同位素与大陆风化

气候变化与大气二氧化碳浓度息息相关.大陆岩石圈风化是影响大气二氧化碳浓度的重要过程.通过还原陆壳古风化信息,我们可以有效地了解地球气候条件的演化历史.传统方法上,前人曾使用锶同位素示踪大陆风化,但其解释尚有不足.例如,海水锶同位素比值会受到海洋热液的影响,而河流锶同位素比值则易受风化岩石类型的影响.此外,只有硅酸盐风化被认为在长时间尺度控制着大气碳汇,但锶的碳酸盐风化却与硅酸盐风化很难分辨.因此,我们需要一种更理想的同位素体系作为示踪大陆风化历史的介质.锂,作为微量元素,主要集中在岩石圈的硅酸盐矿物中,在碳酸盐岩含量较少.所以,硅酸盐风化可以使用锂同位素予以记录.同时,锂同位素受生物分馏效应影响较小,可以在海相碳酸盐岩中保存良好.这些优势为海相碳酸盐岩的锂同位素信号示踪大陆风化历史提供了有力支撑,但我们仍需对风化、迁移和结晶等过程的锂同位素地球化学行为有清晰的认识.为此,本文回顾不同储库的锂同位素组成以及各物相间锂元素配分和同位素分馏特征,总结了近年来锂同位素在重建大陆风化历史方面的进展,并详述了有待解决的关键问题.     

矿物稳定同位素地球化学研究

通过测定矿物中元素H ,C ,O和S的同位素比值 ,认识矿物体系中的同位素效应 ,不仅能够确定矿物之间和矿物与流体之间的同位素平衡关系 ,而且能够了解影响矿物平衡和动力学同位素性质的因素。文中评述了稳定同位素分馏系数校准的理论计算、实验测定和经验估计方法 ,讨论温度、压力、化学成分和晶体结构等对矿物同位素性质的影响。由于同位素效应取决于矿物的物理和化学性质 ,因此应用稳定同位素来作为示踪剂不仅能够追索各种矿物学反应的路径 ,而且能够提供证据来阐明矿物晶体结构的某些细节。     

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。     

广东凡口铅锌矿床赋矿地层稳定同位素研究

广东凡口铅锌矿床是中国著名的大型铅锌矿床。在凡口矿区新发现有类似奥陶系岩性的地层,与寒武系一起构成矿区的浅变质基底,其δ¹³C_V-PDB值为-6.5‰、δ¹⁸O_V-SMOW值为14.9‰,在矿区各地层中最小,受热液作用影响最弱,主要受岩性影响。由深至浅,泥盆系地层的δ¹³C_V-PDB、δ¹⁸O_V-SMOW值逐渐增高、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值逐渐减小,该段岩层的主赋矿层位（D₂d和D₃t）δ¹³C_V-PDB接近零,δ¹⁸O_V-SMOW在18‰左右,稳定同位素的变化除受岩性影响外,主要受后期热液蚀变作用的影响,为成矿提供了一定的前提条件。石炭系（C₂ht）白云岩的δ¹³C平均值为2.17‰,δ¹⁸O平均值为21.9‰,与其他层位性质明显不同,为矿区的盖层。     

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。