特约主编致读者

分析仪器和技术的进步可以推动科学研究的巨大突破。自从多接收等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）和新一代热电离质谱仪（TRITON）得到广泛应用以来，人们可以对元素周期表中大量的稳定同位素体系进行精确测量。有别于传统的H、C、N、O、S等可以用气体质谱仪测量的同位素，这些新的同位素被称为非传统稳定同位素，又因为它们大多是金属元素（除了Si、Se和Te），也被称为金属稳定同位素。非传统稳定同位素地球化学是20世纪以来地球化学领域最具活力的方向，为研究重大地球科学问题带来了全新的视野和手段，是地球化学学科发展的一次战略机遇。国际上该领域发展很快，竞争激烈，成果倍出；我国开展相关研究的科研机构越来越多，学术影响力也越来越大。 我们和《地学前缘》编辑部一起，邀请专家撰写了《非传统稳定同位素：分析方法、示踪机理和主要应用》专辑，希望进一步介绍相关领域的进展。该专辑包括8篇论文，对非传统稳定同位素的分析方法、分馏机理和重要应用进行了较全面的总结。 分析方法和分馏机理是开展非传统稳定同位素研究的前提。白江昊等总结了非传统稳定同位素的分析方法。该文以钙同位素分析为代表，阐述了溶液法和热电离质谱仪的分析要点。李银川等综述了硼同位素研究最新的进展。硼是一种中等挥发性元素，具有11B和10B两个稳定同位素。硼在自然界主要与氧键合形成三配位(BO3)和四配位(BO4)结构，因而硼同位素分馏主要受控于二者之间的配分。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及地质储库硼同位素端员特征的完善，矿物和流体包裹体的硼同位素地球化学指标可用来灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式。 挥发性元素对于研究流体作用和地球行星演化有重要意义。氯是一种挥发性元素，具有强烈的亲水性。刘茜等介绍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，概述了蒸发岩、海水、岩浆岩、沉积物、变质岩、地幔等地球主要储库中的氯同位素组成存在的差异。周秋石和王瑞介绍了氯同位素的主要地质储库分布、各种测试方法、实验分馏机制，特别强调了在地球科学和地外行星演化研究中的应用。文章对磷灰石氯同位素在岩浆热液体系和月球urKREEP岩浆研究中的应用做了概述，对近年来受高度关注的月球磷灰石氯同位素的异常值做了特别综述。 元素周期表中第一行过渡金属同位素对于很多重要高温和低温地球化学问题提供了独特的研究手段。赵新苗等总结了钛元素及钛同位素的地球化学性质，钛元素化学分离和钛同位素分析方法，钛在陨石及硅酸盐地球储库中的同位素组成，稳定钛同位素在岩浆演化过程中的分馏行为。王相力和卫炜总结了铬同位素在高温和低温地球化学研究中的进展，主要阐述了铬稳定同位素分析方法、铬同位素分馏原理以及铬稳定同位素体系在高温、低温地球化学中的应用。 碱金属同位素体系也具有独特的地球化学意义。王昆等重点讨论了钾稳定同位素在低温地球化学、生物地球化学、高温地球化学和宇宙化学中的应用。张卓盈等回顾了近20年来国际上在地球科学领域现有的铷同位素研究，包括分析方法、分馏机理、地质应用等各个方面，在此基础上展望了未来铷同位素研究的光明前景。 由于时间仓促和水平有限，本专辑的内容还不够完善，特别是在专辑写作和评审期间，仍然有大量的最新进展发表在国内外学术刊物上，来不及归纳总结到本专辑论文中。所以本专辑只是一个开始，仅仅反映了非传统同位素领域研究的部分进展，我们相信更多的优秀成果在不久的将来会大批涌现。最后，我们向参与撰写和评审本专辑论文的专家表示感谢，向《地学前缘》编辑部表示感谢。     

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。     

钼同位素地球化学研究进展及其在成矿作用研究中的应用潜力

近年来,随着多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的广泛应用和测试精度的不断提高,非传统稳定同位素成为同位素地球化学最前沿和最活跃的研究领域。其中钼同位素作为非传统稳定同位素发展较为成熟的方向之一,已经逐步应用到地球科学、生命科学、环境科学等各个重要领域,并取得了长足的发展。本文对近些年国内外所取得的钼同位素研究成果进行了系统整理、总结,并对钼同位素的应用潜力进行了概括性的综述,主要包括钼元素及其同位素的地球化学特征、钼同位素分析测试技术、钼同位素的分馏机制、不同地球化学储库的钼同位素组成、成矿作用过程中钼同位素组成的变化特征及其在矿床中的应用。以期让更多人了解钼同位素这一非传统稳定同位素的最新研究进展,进一步探索成矿作用过程中钼同位素的组成特征、分馏机制和影响因素等,并有效推动钼同位素地球化学在成矿作用研究方面的应用。     

铬稳定同位素地球化学

随着多接收质谱仪分析技术的进步,铬稳定同位素体系在最近二十几年的环境科学和地球化学中得到了越来越广泛的应用。铬元素属于氧化还原敏感元素,在氧化还原反应过程中伴随着较大的同位素分馏。因此,铬同位素在指示现代或古代环境的氧化还原状态方面有着重要的应用。同时,铬也是中度相容和轻度亲铁元素,使得铬稳定同位素体系也可用来制约高温地质过程(如核幔分异、地幔熔融和岩浆分异结晶等)以及地外行星的演化。本综述首先介绍铬稳定同位素体系,随后讲述分析方法、铬同位素分馏原理以及铬同位素在高温、低温地球化学中的应用。     

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。     

铊同位素分析技术及其在地学中的应用

应用多接收电感耦合等离子质谱(MC-ICP-MS)等分析技术进行铊(Tl)同位素分析已成为非传统稳定同位素地球化学研究的重要内容之一.对近年来Tl同位素的实验测试方法及其地质应用的有关研究进展做了详细论述,包括Tl的地球化学行为、Tl同位素分析测试技术、同位素分馏机理、在各地质储库中的组成特征以及Tl同位素的地质应用等多个方面.这些研究表明该分析技术为行星科学、古海洋学、地幔地球化学、岩石成因以及矿床学等领域的研究提供了其他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和环境科学领域的应用前景.      

银同位素地球化学综述

银(Ag)是生活中常见的贵金属元素.Ag有2个稳定同位素107Ag和109Ag.随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的应用,国内外对银同位素体系开展了一系列研究.Ag在矿床中常与Au元素共生,且Pd-Ag同位素体系可作为早期太阳系演化计时器,因此在天体化学、环境科学、矿床地球化学等领域都具有广泛应用.本文首先介绍了银同位素的地球化学特点及其研究历史,对前人工作进行了系统总结,包括化学分离流程、质谱测定及质量分馏校正方法、储库同位素组成,评述了银同位素在地球科学及交叉学科中的应用.最后总结了银同位素地球化学研究的难点,展望了银同位素储库组成和分馏机理研究.     

镉同位素体系及其在地球科学和环境科学中的应用

镉是典型的亲硫元素,常赋存于各种硫化物矿床中.在环境体系中,镉是微生物所需的营养物质,其元素的循环受生物活动的影响.已有研究表明蒸发/冷凝过程、生物及无机过程都会导致镉同位素发生分馏,因此镉同位素研究在地球科学、环境科学具有独特的应用前景.与此同时,多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)技术的应用成功地实现了地质样品中镉同位素组成的高精度测量,使得镉同位素地球化学研究获得了蓬勃发展.本文基于当前最新研究成果,对镉同位素体系进行了详细综述,重点探讨镉的地球化学行为及同位素分馏机制,镉同位素在各物质储库中的分布特征及其在地球科学、环境科学中的应用,镉同位素测试技术.镉同位素地球化学的研究尚处于起步阶段,深入开展镉同位素分馏机理、完善镉同位素在各物质储库中的分布、建立统一的同位素标准体系的研究,将推动镉同位素在地球科学和环境科学领域的广泛应用.     

地球化学的初心和使命

1地球化学研究现状 国际地球化学研究的主要方向集中在地球不同储库之间的元素和同位素丰度分布、元素配分系数和同位素分馏系数及其扩散系数等热力学和动力学参数、元素和同位素分析测试技术的研发等.像这样的基础地球化学学科专业,中国虽然有众多的研究人员,但是高质量的研究相对国际上来说还是偏少.大量的研究集中在地球化学应用,从岩石...     

什么是地球化学?

正地球化学是地球科学和化学的交叉学科。其起源一方面至少可以追溯到卢瑟福和居里夫人对放射性同位素的研究,由此诞生了放射成因同位素地球化学,人们可以对地球进行精确定年。另一方面起源来自尤里对氧同位素的研究,由此诞生了稳定同位素地球化学,人们可以对古老地球样品进行温度测量。此外,因为分析仪器(特别是光谱仪和质谱仪)的快速进步和广泛应用,各类地质样品的元素组成可以被精确测量,由此形成了元素地球化学方向。结合同位素地球化学和元素地球化学,人们可以严     

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。     

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。     

若干金属稳定同位素体系的研究进展:以中国科大实验室为例

多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的应用,引发了金属稳定同位素分析技术的重大突破,使得高精度测定众多金属元素的稳定同位素组成成为可能,金属稳定同位素地球化学因此成为最近二十年来国际上最激动人心、发展最迅速的地球科学新兴领域。本文以中国科技大学金属稳定同位素实验室近年来在Mg、Si、Ca、V、Zn、Cu、Ba等体系的研究进展为例,说明该领域的工作方法、重要问题和发展趋势。金属稳定同位素地球化学的主要功能是示踪物质迁移和地质过程。首先,要根据MC-ICP-MS的特点,建立高精度的分析方法。其次,要研究同位素示踪的基本原理,包括测定地球主要储库的同位素组成,掌握同位素分馏机理。最后,在前两项工作的基础上,针对重要的地质问题开展应用。可以预见,金属稳定同位素地球化学有良好的发展前景,在地球科学乃至其他学科都有广泛的交叉和应用。     

地幔和大洋玄武岩的钒同位素研究

钒(Ⅴ)是一个变价元素,其赋存状态和地球化学性质对环境的氧化还原条件非常敏感,因此Ⅴ同位素可以作为一个新的地球化学示踪剂来制约高温地质过程氧化还原条件的变化。随着多接收电感耦合等离子质谱仪(MC-ICP-MS)的发展,Ⅴ同位素的分析精度不断提高,高温地质过程的Ⅴ同位素分馏能够被分辨出来,使得Ⅴ同位素的高温地球化学研究得以开展。本文对地幔和大洋玄武岩的Ⅴ同位素组成进行了总结,综述了Ⅴ同位素在蚀变过程、部分熔融和分离结晶重要地质过程的分馏行为,对比了硅酸盐全地球与陨石之间Ⅴ同位素组成的差异,并探讨了高温Ⅴ同位素地球化学未来的发展方向。     

铜同位素地球化学及研究新进展

多接收杯电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)的应用极大地提高了铜(Cu)同位素的分析精度和效率,推进了铜同位素地球化学的发展和应用。文中对Cu同位素地球化学进行了全面的综述,并更新了铜同位素研究的最新进展及其在地质与环境过程中的应用。自然界中铜同位素(δ65Cu)的变化范围可达20‰以上,高温下铜同位素分馏较小,而在低温条件下,铜同位素能产生巨大的同位素分馏,其主要取决于低温下铜的氧化还原反应。作为最重要的金属成矿元素之一、重要的重金属元素和重要的挥发性元素,铜同位素在矿床地球化学、环境地球化学和天体化学领域均显示了巨大的应用潜力。     

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。     

钾稳定同位素研究综述

钾稳定同位素是重要的非传统稳定同位素体系,也是近年来迅速发展的热门研究课题。对钾同位素研究历史和现状进行综述,具体包括以下内容:(1)总结了钾元素的地球化学和宇宙化学性质,包括钾在主要地质储库(地幔、地壳、海洋)中的丰度及其分配,钾在岩浆演化中的不相容大离子亲石性,常见含钾火成岩/沉积岩矿物以及钾在表生过程中的循环,也包括主要行星物质(球粒陨石、非球粒陨石、火星和灶神星陨石以及月球样品)中钾的含量、赋存状态、主要矿物,钾在太阳星云冷凝、行星积聚以及岩浆海过程中的中等挥发性质;(2)介绍了钾同位素的研究历史,从1922年Dempster利用最早的质谱仪测量钾同位素在自然界的丰度,到Taylor和Urey在1938发表的经典的钾同位素分馏实验,再到Humayun和Clayton在1995年发表的钾同位素领域的经典研究,最后到近几年的进展;(3)介绍了对钾的前处理(离子交换柱法)以及钾同位素的主要测量方法,包括早期热电离质谱仪法(TIMS),二次离子质谱仪法(SIMS)和近十几年以来高速发展的多接收电感耦合等离子体质谱仪法(MC-ICP-MS)及其不同的技术路线;(4)介绍了高精度钾同位素比值在低温地球化学和生物地球化学中的应用,包括钾同位素在地表的风化过程中、海水洋壳的反向风化作用中的分馏及其在示踪全球钾元素循环和洋壳俯冲等过程中的应用;(5)介绍了高精度钾同位素比值在高温地球化学中的应用,包括钾同位素在岩浆分异和矿物结晶过程中的分馏;(6)介绍了高精度钾同位素比值在宇宙化学中的应用,包括在太阳星云冷凝、行星凝聚、月球形成大碰撞、岩浆海、火山喷发去气过程中的分馏作用。     

特约主编致读者

正分析仪器和技术的进步可以推动科学研究的巨大突破。自从多接收等离子体质谱仪(MC-ICPMS)和新一代热电离质谱仪(TRITON)得到广泛应用以来,人们可以对元素周期表中大量的稳定同位素体系进行精确测量。有别于传统的H、C、N、O、S等可以用气体质谱仪测量的同位素,这些新的同位素被称为非传统稳定同位素,又因为它们大多是金属元素(除了Si、Se和Te),也被称为金属稳定同位素。非传统稳定同位素地球化学是20世纪以来地球化学领域最具活力的方向,为研究重大地球科学问题带来了全新的视野和手段,是地球化学学科发展的一次战略机遇。国际上该领域发展很快,竞争激烈,成果倍出;我国开展相关研究的科研机构越来越多,学术影响力也越来越大。     

锌同位素地球化学及应用研究进展

随着化学纯化技术的提高及质谱仪的开发与应用,锌同位素已成为近年来非传统稳定同位素地球化学的一个研究热点,人们对锌同位素地球化学的认识随着研究的深入有了极大提高。本文对锌同位素地球化学进行了全面的综述,追踪了锌同位素在地学领域最新的研究进展。目前,锌同位素已被广泛应用在天体化学、环境地球化学、古海洋、古环境重建以及深部碳循环等诸多地球科学及环境科学研究领域,展现出巨大的应用潜力。各领域的研究成果为推进锌同位素地球化学的发展做出了巨大贡献。     

西藏羊八井地热田硼同位素地球化学特征初步研究

基于国外大量硼同位素示踪的地热研究实例,在先期建立的MC-ICP-MS测定水中硼同位素分析方法基础上,以羊八井地热田为研究对象,进行了热田地热流体的硼同位素地球化学初步研究。研究表明,羊八井地热田区热储流体的硼同位素值为 -10.5‰～-9.1‰,为非海相来源; 结合区域地质特征,研究认为热储内的硼组分来源于蚀变花岗岩围岩,并且蚀变花岗岩的硼同位素特征可能与深层地热流体相似。研究表明羊八井浅层热储内硼元素的地球化学行为并非完全是保守元素,存在着一定的硼同位素分馏。在端元硼同位素特征差异较小的羊八井热田,为硼同位素二元混合模型示踪水体混合过程带来了相当的复杂性。本文从热田开采过程与采样时间、水-岩相互作用、气-液相分离以及结垢过程等方面分析了浅层热储内引起硼同位素分馏的可能因素,其中从整体来看,气-液相分离过程的影响相对较大;而在个别井位水-岩相互作用与结垢的影响可能相对较为显著。