高温地质过程镍同位素地球化学研究进展

镍(Ni)具有独特的地球化学性质,其同位素在示踪早期地球的演化、大氧化事件、雪球地球、生物大灭绝、岩浆硫化物矿床成矿作用等方面显示出重要的潜力。本文系统综述了当前高温地质过程Ni同位素研究进展。已有研究初步查明了不同地质储库的Ni同位素变化范围。基于已发表的地幔橄榄岩、MORB、OIB和科马提岩的Ni同位素数据,估算全硅酸盐地球(Bulk Silicate Earth, BSE)的δ⁶⁰Ni_BSE均值为0.10‰±0.18‰(2SD,n=179)。根据上述已有的Ni同位素数据,并结合实验岩石学和模拟计算,发现：(1)核幔分异过程不会产生可分辨的Ni同位素分馏;(2)地幔部分熔融和玄武质岩浆结晶分异过程不会产生显著的Ni同位素分馏;(3)地幔的Ni同位素组成明显不均一,可能与地幔交代和再循环物质加入相关;(4)岩浆硫化物熔离和分离结晶可能是导致Ni同位素分馏的重要过程。本文最后介绍了最新的Ni同位素研究实例,并尝试指出研究中存在的科学问题和探讨未来的发展前景。     

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。     

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.     

稳定氯同位素地球化学研究进展

地球卤素元素含量相对稀少,相对而言氯为最常见的卤素元素。氯是一种挥发性元素,具有强烈的亲水性。自然界氯两个稳定同位素³⁵Cl和³⁷Cl,其相对丰度分别为75.76%和24.24%。文章综述了氯在各个地质储库的特征、稳定氯同位素分馏的控制因素以及氯同位素的地质应用三大方面的研究进展。地球主要储库中蒸发岩、海水、岩浆岩、沉积物、变质岩、地幔的氯同位素组成分别为-0.5‰~+0.8‰、0.00±0.05‰、-1.12‰~+0.79‰、-3.0‰~+2.0‰、-3.6‰~0、-1.9‰~+7.2‰。地外(月球、火星及其他小行星4-Vesta)氯同位素组成变化范围分别为-4‰~+81.1‰、-5.6‰~+8.6‰、-3.8‰~+7.7‰。相对地球上氯同位素(δ³⁷Cl)的变化范围(-14‰~+16‰),月球和火星δ³⁷Cl的变化范围可达-5.6‰~+81‰,表明挥发分氯在地内和地外迁移循环过程中有显著不同同位素分馏主控机制。已经探明氯同位素分馏受控于物理过程(如扩散、离子过滤、沉淀溶解作用、火山作用)和化学作用(如水岩作用、变质作用,尤其是蛇纹石化作用)等。扩散作用、淋滤作用和火山作用富集重同位素,沉淀作用结晶盐δ³⁷Cl先减小后上升,而蛇纹石化过程中多种因素共同影响。与其他指标结合,氯同位素地球化学可用于有效指示钾盐矿床远景区,评估示踪地下水的来源和演化路径、示踪污染物源区和量化生物修复、探究矿化流体来源、指示行星演化岩浆海洋脱气等过程。     

氯同位素地球化学研究进展

作为最具代表性的、地球丰度最高的卤素,氯元素因其独特的性质和各大储库中的可观分布而受到重视。氯元素具有显著的亲硫性和挥发性(不相容性),这些性质也影响着其地球化学行为以及在地球中的分布。氯含有两种稳定同位素,分别是³⁵Cl和³⁷Cl,同位素丰度分别为75.76%和24.24%,Cl同位素组成也常以δ³⁷Cl值报道;目前对Cl同位素进行分析的最为传统也是最主要的方法是IRMS(同位素比值质谱法),尽管存在分析速度慢、对样品质量要求大等缺陷,但因其相对更高的精度而被广泛应用于现代氯稳定同位素研究。其他常见的分析方法还有TIMS,SIMS,LA-ICP-MS,在Cl同位素研究领域尚在实验探索阶段。Cl同位素标准在目前也已有广泛接受的统一国际标准,即Kaufmann所提出的平均海洋Cl同位素标准(SMOC),海水Cl同位素组成在长久演化中已经相对稳定,取样也简单方便,在实验室分析中也能产生优良的再现性。氯在地球上的储库可在宏观上分为地幔、陆壳与洋壳、海洋。地幔以其较大的体量无疑是氯元素主要储库之一,但受限于现有观测技术,各研究通过各种方法观测到的氯含量有较大出入;关于地幔的Cl同位素分布也并不明确,各种如俯冲带流体输入等深部过程都可能是同位素异质性的原因,许多研究观测到的地幔流体的Cl同位素有正也有负。陆壳可下分为沉积物及其孔隙水、蒸发岩和硅质岩石圈,氯因其亲水性和化学沉积性质则主要集中于沉积物孔隙水和蒸发岩中,而硅质岩石圈中的氯则相对较少;沉积物孔隙水常被观测到极低的δ³⁷Cl值,扩散和离子淋滤都是对其可能的解释,但对其完全做出解释的机理还有待继续研究;蒸发岩中的δ³⁷Cl值常因其氯盐种类而有所不同,也已有诸多实验给出制约;硅质岩石圈虽含氯较少,但出露于地表的岩株或岩脉中观测到的磷灰石中的Cl同位素有明显的随岩性变化的规律性,对于热液交代历史与热液成分都有很好的限制作用。洋壳中的氯也主要分布在洋壳沉积物及其孔隙水、蒸发岩,以及蚀变洋壳(以角闪石、蛇纹石等蚀变矿物为代表)中。蚀变矿物常被观察到较高的δ³⁷Cl值,一些研究认为可能和与氯结合的金属阳离子氧化状态有关,该高δ³⁷Cl值也常被用来解释俯冲板片输入地幔流体的高δ³⁷Cl值。海洋也是巨大的氯元素储库,其同位素组成稳定性也已经得到证明。除以上储库以外,Cl同位素还应用于对陨石、月球和大气圈的研究。Cl同位素的分馏机制也同其他许多同位素一样可大体分为平衡分馏和动力学分馏,平衡分馏主要包括由与氯结合的金属阳离子的价态高低或氯自身价态的高低决定的分馏,动力学分馏则包括扩散和离子淋滤以及与地球岩浆去气、月球岩浆去气有关的动力学分馏。总体而言,氯元素及与其结合的金属离子的氧化状态、轻重同位素逃逸倾向、扩散系数的差异是决定分馏行为的两种机理。从氯的两种稳定同位素自大约100年前被发现起到现在,与氯稳定同位素相关的地球化学方法已经在各地质学科分支中得到广泛应用。从利用Cl同位素解释地层水来源的水文地质、示踪污染物来源的环境地质,到利用Cl同位素证据支撑矿床形成机制研究的矿床学以及参与解释地球演化过程的行星地质等领域,都有Cl同位素应用研究的尝试与探索。但受限于对实际地质过程的认知,仍然具有许多前沿问题阻碍Cl同位素研究的进展,如太阳系早期过程如何决定了地球现今的氯元素含量、地球中的挥发分经历了怎样的演化过程才达到至今状态、现今地球挥发分的循环过程又具体如何、俯冲过程中氯在俯冲带与地幔之间的流通过程具体如何等。     

煤汞同位素地球化学研究进展

汞是煤中普遍存在的痕量元素,煤炭消耗总量之巨使燃煤成为全球汞污染主要来源之一。汞具有7种稳定同位素, 并且兼具质量分馏和非质量分馏效应,使通过汞同位素对涉煤汞污染源和汞迁移、转化示踪成为理想途径。煤中汞同位素 研究获得长足进展。第一,初步给出了世界11个产煤国煤中汞同位素δ202Hg的特征值及分布范围,为示踪环境介质汞的燃 煤源污染源创造了条件。第二,发现了原煤中汞存在奇数质量汞的非质量分馏效应（Δ199Hg≠0）,有助于配合δ202Hg开展示 踪研究。第三,中国不同产煤地及不同成煤期原煤中汞同位素δ202Hg与Δ199Hg值已被测试,为中国开展煤源汞污染示踪研究 打下一定基础。进一步工作可能有待加强的4个方面：（1） 全球不同地域和时代煤中汞同位素数据库的不断补充、修正和 完善;（2） 煤炭生产遗存物,如残留煤和煤矸石等与气-水环境相互作用中的汞同位素问题;（3） 燃煤派生的且影响人类 健康的环境介质如大气细颗粒物（PM2.5） 的汞同位素问题;（4） 涉及煤火汞的迁移转化是复杂的,部分汞具有二次释放特 性,其中汞同位素问题仍是未知的。总之煤中汞及其关联的汞同位素研究方兴未艾。     

Fe(Ⅲ)水解过程中的Fe同位素分馏研究

三价铁水解是铁地球化学循环中的一个重要过程,在一定程度上控制了铁在水体中的运移和再分配。实验研究了Fe(Ⅲ)在20℃和46℃水解生成沉淀过程中,上清液的存在形态以及该过程导致的Fe同位素分馏。20℃水解实验有两个时间长度,分别是95天和130天,水解实验结束时上清液中的Fe(Ⅲ)主要以胶体形式存在。不同的水解时间导致的Fe同位素分馏在误差范围内是一致的。20℃水解实验结束时上清液和沉淀之间56Fe/54Fe的同位素组成之间的差异Δ56FeFe(Ⅲ)sup-Fe(Ⅲ)pre为1.15‰;46℃水解实验的时间长度为95天,结束时上清液中的Fe(Ⅲ)主要以离子形式存在,46℃水解实验结束时Δ56FeFe(Ⅲ)sup-Fe(Ⅲ)pre为1.37‰。通过瑞利分馏的公式计算出20℃和46℃时Fe(Ⅲ)水解过程中沉淀和上清液间的瞬时平衡分馏系数分别为0.999 121和0.999 260。     

含Cu硫化物中S、Fe同位素分馏系数的第一性原理计算

Cu在自然界主要以硫化物的形式存在,目前只确定了几种含Cu硫化物的S同位素分馏系数以及黄铜矿的Fe同位素分馏系数,而且不同研究者确定的系数有很大的差别,使得S、Fe同位素在研究铜矿床的形成、演化等方面不能很好地发挥示踪作用。因此,本文基于第一性原理计算确定了0~1 000℃温度范围内主要含Cu硫化物的S同位素简约配分函数比（10³lnβ_34-32）,以及Cu-Fe硫化物的Fe同位素简约配分函数比（10³lnβ_57-54）。重S同位素在这些含Cu硫化物中的富集顺序为铜蓝>方黄铜矿>黄铜矿≈黑硫铜镍矿>斑铜矿>辉铜矿,重Fe同位素在Cu-Fe硫化物中的富集顺序为方黄铜矿≈黄铜矿>低温斑铜矿>高温斑铜矿>中温斑铜矿>Cu₈Fe₄S₈（中温斑铜矿的可能变体）。含Cu硫化物的10³lnβ_34-32与S原子的配位数、金属-S平均键长、S原子形成的所有化学键的平均键长没有明显的相关性,而Cu-Fe硫化物的10³lnβ_57-54与Fe—S平均键长基本成线性负相关关系。辉铜矿相变引起的S同位素分馏特别大,而斑铜矿相变时产生的S同位素分馏却可以忽略不计。本文的计算结果将会为探讨斑岩铜矿及其它类型的硫化物矿床的成因提供支持。     

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。     

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。     

海相页岩气储层特征研究进展与发展动态

富有机质泥页岩复杂的沉积成岩过程、细粒特征,以及远小于常规储层的以微米—纳米级为主的孔隙空间,给海相页岩气储层特征研究带来了极大的挑战。近年来借助多项先进技术方法的推广运用,在海相页岩气储层的多个方面形成了重要认识,页岩有机质与其成熟度关系密切,岩石矿物组分判定方法向定量化发展,岩相预测与建模技术得以应用,但成岩作用对储层的影响尚有待进一步探知,物性变化趋势的认识尚存在不同见解,孔隙结构实现了从定性到定量表征的跨越,页岩力学性质的解析能够有效指导压裂改造。通过进一步分析海相页岩气储层研究的发展动态,就页岩气储层孔隙结构系统表征、区域尺度上成岩与岩相变化的时空配置关系、成岩演化—岩相—孔隙系统—有机质丰度潜在的多元关系等研究方向作出了展望,以期推进储层特征研究在深度和广度上向前发展。     

国际水文科学研究的新进展

在介绍第七届国际水文科学大会关注热点问题的基础上,总结了近4年来国际水文科学研究的新进展,主要包括：无资料流域水文预测,不确定性、非线性和尺度问题,生态水文学,水文模型及资料获取与参数识别,气候变化的水文响应,水资源可持续利用,城市水文水资源,同位素技术和遥感技术在水文学中应用;提出未来水文学研究的展望。     

硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程记录的海洋氮循环研究进展

海洋生态系统中的氮素生物地球化学循环主要是由微生物的代谢过程来驱动的,包括氮固定、氮同化、硝化以及反硝化和厌氧氨氧化过程,这些过程都伴随着不同程度的氮氧同位素的分馏,直接影响着海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素组成.因此,通过检测海洋硝酸盐中的氮氧稳定同位素信号,就可以捕捉到海洋中发生的具体氮素循环过程.细菌反硝化法是这一研究最有力的手段,通过细菌的作用把硝酸盐中记录的氮氧稳定同位素信号转化到N2O中,再通过痕量N2O的同位素质谱测定和分析,准确地反映海洋中发生的氮素转化过程.硝酸盐氮氧稳定同位素分馏过程为深入理解海洋氮循环提供了一个重要的工具,有力推动了海洋氮素生物地球化学的研究,在近10年来取得了重要进展.     

高精度质谱计在同位素地球化学的应用前景

微量地质样品的高精度同位素比值测试已经成为地质和环境科学等领域极其重要的研究手段.新型固体热电离质谱计以其高精度和高灵敏度, 将在同位素年代学和地球化学领域有广阔的应用前景.报道采用IsoProbeT质谱计测量标准物质溶液的结果.测量锶标准物质NBS987和钕标准物质Ames分别获得平均87Sr/86Sr比值0.710 241 8±0.000 005 1和平均143Nd/144Nd比值0.512 148 4±0.000 002 9, 内部精度可达0.000 3%.微量锶标准物质(0.3~1 ng) 的同位素比值测量内部精度可以优于0.003%.结合低本底化学流程, 实现了微量地质样品的高精度同位素比值测试.这一结合将有效地促进单颗粒矿物年代学和同位素示踪在岩浆岩、变质岩、矿床、构造岩研究的应用.      

铁元素对海相沉积物早期成岩作用的影响

铁元素是地壳中丰度最高的元素之一,在海相沉积物成岩过程中起着非常重要的作用.铁元素作为海洋初级生产力的微营养元素,影响海相沉积物中有机质的输入,其在早期成岩阶段与硫化物和磷元素的耦合关系,可以促进或者降低有机质的保存;铁元素在海相沉积物早期成岩过程中可以改变孔隙水的化学性质,影响亚稳定碳酸盐矿物的保存,导致碳酸盐沉积物...     

古海水pH值代用指标——海洋碳酸盐硼同位素研究进展

仪器测量的海水pH记录太短，无法评估海水pH自然变化的频率和幅度,并预测未来大气CO₂急剧增加后海水酸度的响应。海相碳酸盐的硼同位素是目前恢复古海洋pH的有效途径，倍受古气候—环境学家的重视。评述了近年来海洋碳酸盐的硼同位素的最新研究成果和研究现状，重点探讨了海相碳酸盐的硼同位素的测定方法、硼同位素—pH模型和古海水pH恢复等前沿内容，旨在提供一个系统的海洋碳酸盐硼同位素—pH系统的基本概念及研究思路，以利于气候学、地质学界了解这一交叉领域的发展动态。     

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。     

海洋环境中的厌氧铵氧化研究进展

海洋环境中的厌氧铵氧化过程作为实现固定态氮从海洋生态系统中移除的一个新途径,广泛地存在于各种海洋环境中,包括永久性缺氧水体、沉积物、海冰甚至海底热液,是海洋氮循环过程中一个非常重要的环节。开展海洋环境中厌氧铵氧化过程的研究可以更好地量化海洋氮循环过程中的收支,而这一收支在很大程度上影响着全球的气候变化。介绍了海洋环境中厌氧铵氧化过程研究历史,并分别讨论了在大洋缺氧水体和沉积物中厌氧铵氧化速率的分布情况,同时还总结了海洋环境因子如温度、氧气、硫化氢、NO3-/NO2-、NH4+以及有机物等对厌氧铵氧化的影响。最后探讨了该领域研究中所存在的问题并指出了亟待开展的工作:特定大洋缺氧水体中厌氧铵氧化与反硝化的争议以及近岸缺氧水体中厌氧铵氧化的研究;陆架及深海大洋沉积物中厌氧铵氧化的深入研究;对于全球海洋氮循环收支的重新评估。     

海相化学碳酸盐沉积中的铅同位素测定

铅同位素在沉积学和古海洋地质研究中具有广阔的应用前景 ,然而由于碳酸盐的含铅量甚微 ,给铅的化学分离、富集和同位素质谱分析带来困难 ,制约了这一领域的发展。本实验经过反复、深入探索 ,合理地制定了碳酸盐铅同位素样品制备的实验流程。通过对 2 2件灰岩、白云岩样品的铅同位素组成的系统测定 ,表明该实验流程稳定可靠。     

湖南香花岭锡多金属矿床同位素地球化学研究

笔者对湖南香花岭锡多金属矿床成矿期不同的矿物组合进行矿物包裹体温度和硫、铅同位素测定,获得了锡石-硫化物阶段平均-温度为350℃,硫化物阶段平均均-温度为250℃.锡石-硫化物中黄铁矿的δ34为-1.O‰～+5.4‰;闪锌矿的δ34S为+0.8‰-+5.8‰;磁黄铁矿的δ34S为+1.5‰～5.2‰;方铅矿的δ34S为-1.0‰+3.6‰,具有变化范围小,组成稳定的特点.方铅矿的206Pb/204Pb值为17.785～19.341,207Pb/204Pb值为15.416～16.452,208Pb/204Pb值为38.357～42.579.硫同位素指示硫来源于岩浆,铅同位素指示是多来源.