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。     

238U/235U分馏及其地质应用

铀是自然界中天然存在的最重的放射性元素。传统观点认为²³⁸U/²³⁵U是不分馏的,但近些年的研究发现自然界中铀同位素分馏δ^238/235U可达1.3‰,远大于多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS）的测试精度±0.2‰（2σ）。铀同位素的分馏机制与核场效应有关,自然界中最大的δ^238/235U分馏发生在氧化性沉积物（形成于氧化环境下的大洋锰结核富集轻铀同位素）和还原性沉积物（形成于还原环境下的黑色页岩富集重铀同位素）中,次氧化性沉积物和海水中δ^238/235U的分馏则小于前两者。由于具有对氧化-还原环境较敏感的特性,铀同位素被认为是理想的反演古海洋及古大气氧化还原环境变化的手段之一。δ^238/235U在形成于不同氧化-还原环境的高温型铀矿床（比如岩浆型）和低温型铀矿床（比如砂岩型）之间存在明显的同位素分馏,此特征可以作为确定铀矿床类型的重要依据。铀同位素分馏现象的发现,提示人们在应用Pb-Pb体系进行年轻地质体高精度测年时需要考虑到铀同位素分馏对测年精确度的影响。文章对近年来有关²³⁸U/²³⁵U的研究成果做了详细介绍,以推动铀同位素体系在地球科学领域的研究和应用。     

贵州铜仁地区南华系大塘坡组黑色页岩型菱锰矿碳、氧同位素特征及锰矿成矿作用

黔湘渝毗邻区是中国南华纪黑色页岩型锰矿的集中产区,近年来在该区域的找矿勘探取得重大进展。但是,该区域内黑色页岩型锰矿的成矿物质来源、成矿机制以及沉积盆地的氧化还原环境及其与成矿的关系尚存争议。文章对贵州高地锰矿的菱锰矿开展了详细的碳、氧同位素研究,样品采自钻孔岩芯,测试结果表明其δ13CV-PDB值和δ18OV-PDB值全部为负值,变化范围分别在-11.5‰~-6.8‰和-15‰~-3.9‰之间。结合前人研究成果,认为黔湘渝毗邻区南华系形成时古海洋处于氧化还原的分层状态,含锰的陆源碎屑物质通过海水的分解作用首先形成氧化锰和氢氧化锰,在浅水滞留盆地环境下古海水由弱氧化状态转变为还原状态,并在有机质降解作用的促使下使锰的氧化物和氢氧化物转化成菱锰矿,并富集沉积形成大塘坡组黑色页岩型菱锰矿矿床。     

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.     

镁同位素地球化学研究新进展及其在碳酸岩研究中的应用

镁(Mg)同位素有3个,24Mg、25Mg和26Mg,其中24Mg和26Mg的相对质量差较大,高达8.33％,这种大的相对质量差使地壳活动或其他地质过程中Mg同位素因化学物理条件的变化而发生明显的同位素质量分馏.目前,自然界可观测到的δ26Mg变化范围为?5.60‰～0.92‰,约6.5‰.镁在低温地球化学过程中分馏显...     

硒同位素测试技术进展及其地质应用

硒同位素作为非传统稳定同位素的重要组成部分,由于具多价态、多质量数、同位素分馏效应大的特点,已成为目前发展最迅速的同位素之一.本文在综合前人研究成果基础上,结合笔者最新的研究成果,对硒同位素的测试技术做了较全面总结,内容包括样品的化学前处理(TCF技术)、在线的氢化物发生器系统、质谱测试技术、参考物质的标定等,并就自然界中硒同位素的组成、分馏机制及应用潜力做了评述.     

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.     

地下水系统中砷活化的钼同位素地球化学指示

砷在天然环境中的迁移富集与氧化还原状态密切相关.盆地环境地下水中砷的活化迁移机制主要为沉积物中铁/锰氢氧化物由氧化还原条件变化导致发生还原性溶解进而释放吸附在其表面的砷.钼及钼同位素为氧化还原环境的重要指示参数, 且铁/锰氢氧化物对钼同位素分馏有着重要的控制作用.将地下水的钼同位素应用于砷的活化迁移规律研究.大同盆地地下水中钼同位素比值(δ98Mo)范围为-0.12‰~+2.17‰, 相比于淡水中钼同位素组成偏重.桑干河河水的δ98Mo为+0.72‰, 与文献报道的河水平均钼同位素比值+0.7‰相当.大同盆地地下水中δ98Mo与硫化物之间存在正相关关系, 表明Mo-Fe-S复合物可能形成于特定条件下, 并优先利用水溶液中轻的钼使地下水中δ98Mo比值升高.砷浓度与钼浓度之间的微弱负相关以及砷浓度与钼同位素之间的正相关说明, Mo-Fe-S的形成过程可能与同环境中As-Fe-S的复合物的形成存在竞争关系, 进而使得地下水中砷富集.地下水中相对偏高的δ98Mo可能来源于铁的氢氧化物对溶液中轻的钼的吸附速率高于先前吸附在铁的氢氧化物的钼的释放, 且铁的氢氧化物对水溶液中钼的再吸附这一循环过程会导致地下水中钼浓度降低及钼同位素比值的升高.钼同位素指示的循环性的铁的氢氧化物的还原溶解及再氧化过程对砷的富集也有重要影响.      

非传统稳定同位素锗的测试进展及其地质应用

Ge具有亲硫、亲铁、亲石和亲有机质的特性,被广泛应用于矿床学、环境科学等学科。然而,由于测试技术和手段的限制,Ge同位素在地球科学中的应用还很有限,但已显示出较好的应用潜力。本文在综合前人研究成果的基础上,结合笔者最新的研究工作,对Ge同位素的测试技术和手段等方面做了较全面的总结,内容包括Ge同位素化学前处理方法的研究进展、Ge同位素测试过程中仪器产生的质量歧视的校正方法。同时,亦对自然界样品中Ge同位素的组成、Ge同位素分馏机制及应用等方面做了评述。     

稀有气体同位素测试技术及其在矿床学研究中的应用

稀有气体包含He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn六种元素,由于其化学性质十分的稳定,一般不参与各种化学反应过程。其在地球不同圈层及地外物质中的丰度和同位素组成差别巨大,是地球科学研究的重要示踪剂。稀有气体同位素组成的测试方法主要有分阶段加热熔融、真空压碎、激光微区熔蚀等气体采集方式,获得的气体经多级纯化后在静态稀有气体同位素质谱中进行测试。在矿床学研究中,作为灵敏示踪剂的稀有气体同位素大多用于判别成矿物质、成矿流体的来源,特别是幔源物质的贡献大小及壳幔相互作用与成矿的关系,用于揭示矿床在成矿各阶段(期)中的物质和流体源区差异,用以追踪和揭示成矿流体的演化、反演成矿过程并在一定程度上指示成矿流体在成矿过程中的行为。稀有气体同位素为精细成矿作用研究、不同矿种成矿作用差异分析、探寻大规模成矿作用提供了重要的科研手段。     

Environmental geochemistry of calcium isotopes： Applications of a new stable isotope approach

1IntroductionIn nature, calcium has six naturally occurring sta-ble isotopes with atomic mass units (amu) and the a-bundances of40Ca (96.941%),42Ca (0.647%),43Ca (0.135%),44Ca (2.086%),46Ca (0.004%)and48Ca (0.187%) are presented in this paper.These analyt…     

钼的稳定同位素体系及其地质应用

近年来多接收杯电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的广泛应用,大大提高了Mo同位素分析方法的精度和效率,使Mo同位素地球化学成为当前地学研究领域中的一个前沿方向.本文综述了Mo稳定同位素的最新研究进展及其地质应用.自然界中的Mo同位素(δ98/95Mo)的一般变化范围是-1.35‰～2.60‰.Mo同位素分馏在充氧环境下取决于Mn氧化物的吸附或共沉淀,贫氧一缺氧环境下受控于水溶液中的[H2S].沉积物中的Mo同位素既能指示古沉积环境的氧化还原条件,也能够指示与之相关的古海洋地理环境,因此,Mo同位素是了解局域至区域沉积环境的氧化还原条件、硫和碳地球化学循环及古海洋化学演化等的强有力工具.随着其分馏机理的进一步阐明和应用范围的拓展,Mo同位素将在地球与环境科学研究中得到广泛的应用.     

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δ^44/40Ca和δ^44/42Ca。目前自然界可观测到的δ^44/40Ca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⁴⁰Ca、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...     

稳定同位素生物考古学的学科规范、认知误区和分析模型

自20世纪70年代以来,稳定同位素生物考古学在科技考古研究中的重要性越发凸显。21世纪初以降,本学科的发展进入"快车道",吸引了大量的自然科学学者和考古学者涉足其中。然而,学科的快速发展不可避免地暴露出与稳定同位素分析密切相关的一些重要问题,如学科规范有所欠缺、一些认知误区仍然存在等。近些年来,国际学界业已开始关注这些问题并提出了相应的对策或建议。本研究拟在笔者之前反思的基础上,基于近些年以来的研究实践和思考,结合国际学界在此方面的认知,详细阐述了稳定同位素生物考古的学科规范（包括同位素的术语规范、同位素的测试规范、成岩作用的检验规范）,重点聚焦和澄清同位素生物考古研究的8个认知误区。最后,首次构建了科学诠释同位素数据的分析模型。本项工作对于规范稳定同位素生物考古学的学科建设、聚焦重要科学问题或考古学问题具有重要意义。     

安徽铜陵小铜官山铜矿床稀土元素和稳定同位素地球化学研究

安徽铜陵铜官山铜矿田是中国长江中、下游铁、铜、硫、金成矿带中著名的夕卡岩型矿床.小铜官山铜矿床位于安徽铜陵铜官山矿田,侵入岩体为铜官山石英二长闪长岩.成矿过程包括夕卡岩阶段、石英-硫化物阶段和石英-碳酸盐阶段3个主要成矿阶段.笔者通过对小铜官山铜矿床的氢、氧、碳、硫、硅同位素组成和稀土元素地球化学特征研究,探讨成矿溶液中水、硅和硫的来源以及成矿溶液的演化问题.研究表明,成矿热液早期以岩浆热液为主,随着成矿过程的进行,加入的大气降水比重越来越大,到晚期可能主要以大气降水为主.硫的来源主要有两个方面,即地层和岩浆热液,但以后者为主.硅具深部岩浆或岩浆热液水来源的特点.稀土元素球粒陨石标准化组成模式为右倾型,夕卡岩、矿石的稀土配分曲线类似于铜官山岩体石英二长闪长岩,故认为形成本区的夕卡岩型矿床的热液流体主要来源于闪长质熔体.     

Stable isotope geochemistry of marbles from the coesite UHP terrains of Dabieshan and Sulu, China

Marbles from Dabieshan and Sulu, China, suffered ultra high pressure (UHP) metamorphism in the coesite–eclogite facies at approximately 700°C and 30 kbars during Triassic continental collision and subduction. The marbles range in isotopic composition from +7 to +25 δ¹⁸O_VSMOW and from 0 to +6 δ¹³C_VPDB. High δ¹³C values are representative of unmodified protoliths and are similar to those of ¹³C-enriched Sinian carbonate rocks from the Yangtze craton. High oxygen isotope ratios reflect pristine protoliths but the low values may have been caused by infiltration of low ¹⁸O meteoric water during diagenesis and dolomitization, by fracture-controlled infiltration of water during subduction, by metamorphic mineral reactions, or by a combination of these processes. No evidence of regional isotopic transport during UHP metamorphism has been found. Sampling on scales of 1 to 100 m shows marbles to be inhomogeneous in both carbon and oxygen isotopes. Only samples separated by less than 10 cm have equilibrated oxygen and carbon isotope compositions. Limited isotopic equilibration between adjacent rocks is consistent with the preservation of unaltered UHP minerals and indicates that the metamorphic fluid–rock system was rock-dominated during and following peak metamorphism. A freely flowing, pervasive fluid phase was not present during UHP metamorphism. There is no evidence of isotopic exchange between marble and the upper mantle into which it was subducted. Correlation of geochemical similarities of UHP marbles with Sinian limestones implies that the subducted edge of the Yangtze craton extends at least as far north as the coesite–eclogite facies rocks of Dabieshan. Deposition of protolith carbonates may have taken place in a cold climate either preceding or following but not coincident with Neoproterozoic glaciation.