稀土稳定同位素分析方法及在风化壳淋积型稀土矿研究中的应用展望

稀土元素因其特殊的化学性质和在地球科学研究中的重要价值而受到广泛关注。随着化学纯化方法的发展和质谱测定技术的提高,国内外对稀土稳定同位素体系开展了一系列探索。近年来,逐渐发展起来的稳定Ce和Nd同位素分析方法,为表生地质过程、氧化还原环境示踪以及生态环境演变等方面的研究提供了新的手段,也将为研究稀土矿提供直接证据。本文先系统介绍了稀土元素及其同位素体系的地球化学特征,总结稀土稳定同位素分析方法的发展历程与研究现状,并对其未来可能突破的方向进行评述。在此基础上,对稀土稳定同位素在风化壳淋积型稀土矿床研究中的应用前景进行了展望,指出稀土稳定同位素地球化学手段是深入了解风化壳淋积型稀土矿床形成过程与控矿机制的良好指标,其与稀土元素地球化学指标相结合有望在稀土矿化过程与机制方面取得新的认识。

珠江口近2000年来营养状况演变的氮同位素沉积记录

近2000年以来河口近海氮循环变化的历史及其与人类活动–气候变化的关系研究,对于理解陆海过渡带生态环境演变规律及控制机制具有重要意义。本文通过对珠江口外高分辨率沉积物岩心(WS)总氮同位素(δ^(15)Nbulk)和一系列地球化学指标(TOC、TN、C/N、δ^(13)C、Ti、Al/K等)的综合分析,重建了珠江河口近2000年水体营养化程度(硝酸盐利用率)的演变规律,同时结合研究区的气候环境变化记录和人类活动历史,探讨了河口氮循环在气候变化和人类活动双重压力下的变动机制。结果显示,近2000年以来珠江口沉积物δ^(15)Nbulk的变化特征反映了海洋浮游植物对表层水体硝酸盐利用率的演变过程,即水体的营养状况变化。表层水体氮营养的供应与陆源径流量和水层结构有关,主要受到东亚夏季风(EASM)强度的调控。过去2000年持续增强的人类活动加速了陆源营养盐的输入,使表层水体的营养状况得到很大改善,不断提升河口初级生产力,进而与EASM强度的变化产生了偏移。近2000年以来,珠江口水体硝酸盐利用率整体上呈波动下降的W形,表明营养供应不断增强,而日益增强的人类活动和气候变化共同驱动着珠江口水体营养程度的演变。

(LP)MC-ICPMS方法精确测定液体和固体样品的Sr同位素组成

MC-ICPMS是近年发展起来的高精度固体同位素分析仪器,利用MC-ICPMS可以精确测定Sr同位素组成,与TIMS相比,分析效率明显提高;对于含有Rb的实际样品,在Rb/Sr比值较小时(Rb/Sr<0.001),可以通过Rb扣除获得准确的87Sr/86Sr比值,而当Rb含量较高时,可以通过建立Rb/Sr与87Sr/86Sr偏差值的线性关系进行再一次校正,同样也可以获得准确的87Sr/86Sr比值。通过这种校正关系,可以直接分析固体微区的Sr同位素组成。

南海沉积物中过剩铝问题的探讨

本文分析了南海两个沉积物柱样的全、酸溶解残余物质和酸溶解组分的Al2O3、TiO2含量和Al Ti值,结果显示其存在明显的非碎屑Al组分(占沉积物总Al含量的20%～70%)。因此通常使用沉积物的Al含量来估算陆源碎屑的比例可能会导致过高的结果。而Ti则不存在自生富集现象,是估算陆源碎屑比例的最佳代用指标。

南海北部珊瑚Sr/Ca和Mg/Ca温度计及高分辨率SST记录重建尝试

利用全谱直读等离子体光谱 (ICP AES)的分析方法精确分析了南海珊瑚的Sr Ca和Mg Ca比值 ,结合实测表层海水温度 (SST) ,标定了海南岛南部三亚海域和西沙海域两个滨珊瑚的Sr Ca和Mg Ca温度计。在此基础上 ,尝试对两个南海北部全新世时期的珊瑚进行SST记录重建。结果显示约 5 4 0aB .P .(小冰期 )西沙海域夏季月均SST较现代低约 1℃ ,而约 6 5 0 0aB .P .(大暖期 )海南岛三亚海域夏季月均SST则高出现代 1.0～ 1.5℃。

南海碎屑沉积物化学组成的气候记录

取自南海北部陆坡的ODP1144站沉积物中碎屑组分的主量元素含量表现出气候控制的变化特征,其中在间冰期,碎屑物质表现出较高的Al/Ti、K/Ti、Mg/Ti比值和较低的Na/Ti、Ca/Ti比值,而在冰期则正好相反。这些碎屑物质主要来自华南地区的陆壳风化产物,其所表现出来的主量元素变化特征意味着在间冰期华南地区陆壳化学风化程度加强,反映一种相对湿润的气候环境。这种气候环境可能是间冰期东亚季风系统中的夏季风加强所致。

利用选择性特效树脂富集分离岩石样品中的锶钐和钕

使用目前国际上几种常用的特效树脂:锶树脂(SR)、稀土树脂(RE)和镧系树脂(LN)对岩石样品中Sr、Sm和Nd的分离富集效果进行了试验,结果表明,按厂家提供的流程,SR树脂可回收98%左右的Sr,而且残余的Rb不到2%;RE树脂回收的Sm和Nd只有70%左右;而联合利用RE和LN树脂,并配合SR树脂的使用,可以将Sm和Nd的回收率提高到90%左右;LN树脂可以很好地分离Sm和Nd,并且回收的Nd可占总样量的85%左右。

沉积物成岩蚀变过程中的Mn、Cd和Mo元素活动特征:以ODP1148站钻孔沉积物记录为例

通过对南海北部的ODP1148站岩芯600mcd以上(约30Ma以来)的沉积物中自生富集Mn、Cd和Mo等过渡金属元素的含量变化的研究,并结合相关的化学组成结果,探讨了岩芯内部氧化-还原条件的变化以及相关元素的活动特征,反演了相应沉积时期的环境演变。结果显示,岩芯387mcd以上,自生Mn富集明显,代表氧化的环境;387～485mcd之间,自生Cd含量明显富集,Mn含量显著降低,代表少氧的环境;485mcd以下,Mn和Cd含量极低,自生Mo明显富集,代表缺氧的环境。随氧化-还原条件的变化,Mo存在明显的向下迁移并在缺氧界面的缺氧一方达到最大值的趋势,而Cd在少氧环境形成的固相态则可能在缺氧环境下不稳定,溶解态的Cd有向上迁移的趋势,并且在少氧/缺氧界面的少氧一方富集。这些过渡金属元素记录的氧化-还原条件的变化,反映出ODP1148站所在海区的沉积环境变化:早期有较丰富的陆源输入,表层海水生产力较高,随着南海不断扩张以及全球海平面上升,该海区表层海水生产力逐渐降低。

NS93-5钻孔沉积物高分辨率过渡金属元素变化及其古海洋记录

利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法分析了取自南沙南部陆坡的NS93-5钻孔沉积物的部分过渡金属元素含量的变化。结果表明,代表碎屑物质的量的Ti含量在不同气候时期变化明显,其中在氧同位素第4期碎屑比例最大,第2期和第3期末期,碎屑所占比例也较高,代表较大的碎屑输入通量。但与沉积速率相比较发现,NS93-5的沉积速率并不仅仅决定于碎屑的输入,自生沉积物的累积作用也极为明显。Mn、Mo、Cr、V、U、Cd、Co、Ni、Cu和Zn等元素含量变化表明,NS93-5钻孔沉积物中还原状态极低,反映出自过去15ka以来该区陆坡深度底层海水均富含氧气,并没有出现无氧状态,意味着南沙海域底层海水更新一直都比较快。

近十年我国非传统稳定同位素地球化学研究进展

非传统稳定同位素是过去十年国际上地球化学学科发展非常迅猛的方向,我国科研人员也以自主创新的方式参与到这一前沿研究的大潮中,研究队伍不断扩大,已成为这一学科方向的重要研究力量。本文回顾了过去十年(2010—2020)我国非传统稳定同位素分析技术研发方面的进展,同时对一些重要研究方向的代表性应用研究成果进行了总结。在分析技术方面,我国主要的相关实验室对众多非传统稳定同位素体系的高精度测试技术进行了探索,开拓了一些具备国际先进甚至领先水准的分析技术方法;在应用研究方面,不同的研究团队侧重于各自关注的研究领域和同位素体系,发展进程有所差别,但总体上处于蓬勃发展阶段,上升势头迅猛。有理由相信未来我国的非传统稳定同位素地球化学仍会继续快速发展,技术上会对已有的方法优化提高,并不断开拓新的体系,应用研究上将更深入探索地质、环境过程中的分馏机制,同时将在地球科学的相关研究领域得到更广泛的应用。

热电离质谱(TIMS)U-Th年龄测定及其应用研究初探

尝试了用热电离质谱方法测定南海第四纪珊瑚的Ｕ－Ｔｈ年龄，并利用国家铀系年龄标准物质ＧＢＷ０４４１３来监测分析结果的合理性。结果显示，ＧＢＷ０４４１３的ＴＩＭＳ年龄与作为推荐值的α记数方法测定结果一致，反映出其可靠性；而年龄在１ｋａ左右的珊瑚样品的ＴＩＭＳ年龄与１４Ｃ年龄一致，＞５ｋａ样品的ＴＩＭＳ年龄老于１４Ｃ年龄。

NS93-5钻孔沉积物不活泼微量元素记录与陆源输入变化探讨

探讨了NS935钻孔沉积物的部分高场强元素和大离子亲石元素的含量变化,结果表明,Ti、Rb、Ga、Y、Zr、Nb、Cs、Hf、Ta、Th和稀土元素(REE)相互间含量变化具很好的相关关系,反映这些元素均基本来自碎屑组分。经Ti和Sc标准化后这些元素含量的变化,以及Zr/Y等特征元素比值和Ce异常指数Ce/Ce、Eu异常指数Eu/Eu的变化,均反映出碎屑输入的通量或者组成的变化,例如火山灰的富集。其中一些变化与气候变化有关,可能反映周边陆壳的风化强度的波动。NS935钻孔沉积物的不活泼元素记录,可提供反映输入陆壳物源区的环境演变证据。

珠江水系桂平、高要和清远站河水化学组成的季节变化及对化学风化研究的意义

文章报道了珠江水系桂平、高要和清远3个站河水主要离子及部分微量元素近一年持续观测数据。结果显示,河水中的Cl^-主要通过夏季风降雨从海洋输送而来,Cl^-/Na比值呈现季风雨季较高的特点,K含量则与Rb含量显著相关,指示河水中K主要是由硅酸盐化学风化贡献,而Rb/K比值与水温呈现负相关的关系,暗示植物分解对河水中K的贡献不大。3个站点中河水的主要离子及微量元素均主要来自碳酸盐的化学风化的贡献,相对而言桂平站碳酸盐化学风化的贡献最大,高要站次之,而清远站则来自硅酸盐化学风化的贡献较大。流域的化学风化存在明显的季节性变化,硅酸盐的化学风化主要呈现夏秋季节较强,冬季相对较弱的特点,而碳酸盐的化学风化也呈现显著的季节波动,但3个站的变化样式并不一致,可能存在更复杂的控制因素。

ODP 1144站钻孔沉积物中微玻璃陨石的元素地球化学特征

利用电子探针和激光探针等离子体质谱方法分析了取自南海北部的ODP1144钻孔沉积物中的微玻璃陨石和取自邻近的广东省湛江和吴川玻璃陨石的主元素和微量元素组成。结果显示,这些微玻璃陨石属于亚洲-澳大利亚散落区的普通微玻璃陨石。从成分上看,这些微玻璃陨石存在两种不同的类型,其中的绝大部分Al2O3含量在19.0%以上,属于高Al类型,相应的难熔微量元素含量也比较高;个别微玻璃陨石Al2O3含量(13.0%)和难熔微量元素含量较低,微量元素含量和特征比值都与邻近的广东省湛江和吴川的玻璃陨石相近。元素地球化学特征意味着,这些微玻璃陨石来源于同一靶源区,但靶区的物质组成并不均一。

南海北部珊瑚Ba/Ca比值的季节变化及其环境意义

利用等离子体质谱技术分析了取自海南岛南部沿岸的现代滨珊瑚高分辨率的Ba／Ca比值。结果表明，该珊瑚的Ba／Ca比值具有明显的双峰态的季节变化，其中春季和秋季Ba／Ca比值较高，而冬、夏两季则较低。海南岛南部及邻近地区季节降雨的变化所控制的陆源Ba输入是这些珊瑚Ba／Ca比值变化的重要控制因素，而该区夏季相对较高的表层海水生产力可能也对其有重要影响。

南海第四纪海水Sr同位素组成演化

本文分析了南海ＮＳ９０－１０３孔沉积物中浮游有孔虫Ｓｒ同位素组成，获得南海２４０ｋａ以来海水￣８７Ｓｒ／￣８６Ｓｒ演化曲线。结果表明，２４０ｋａ以来南海海水￣８７Ｓｒ／￣８６Ｓｒ比值呈较大幅度的脉动式波动，幅度一般在±０．００００７０以上；南海的半封闭性，高Ｓｒ通量和高￣Ｓｒ／￣８６Ｓｒ比值的河流输入以及南海较高的沉积速率导致了这种大幅度脉动式海水Ｓｒ同位素变化。

珊瑚中微量铀的ID-ICP-MS高精度测定及其在珊瑚U/Ca温度计研究中的应用

建立了同位素稀释技术与ICP-MS相结合的ID-ICP-MS分析方法，成功测量了取自南海北部的滨珊瑚样品中的微量铀，获得0．5％左右的精度。并以此建立南海北部近岸海域的珊瑚U／Ca温度计，其温度精度可达±0．5℃。

南海表层海水Sr-U同位素记录及其环境意义

利用热电离质谱方法分析了取自南海不同海域的现代珊瑚和全新世珊瑚样品的Sr、U同位素组成。结果表明 ,南海珊瑚代表的礁区表层海水87Sr/86Sr比值介于 0 70 890 2— 0 70 940 1之间 ,分布相当不均一 ,而δ2 34U则主要介于 1 70— 1 80之间 ,明显高于开放大洋 1 44的结果 ,反映周边大陆物质输入对南海表层海水组成具有重要影响。

稳定Sr-Nd同位素体系及其对传统放射成因锶钕同位素组成的影响

稳定Sr、Nd同位素是全新的体系,其重点关注自然过程中稳定Sr和Nd同位素分馏特征与控制机制。这方面的知识可以修正传统Rb-Sr和Sm-Nd同位素体系中恒定的稳定Sr、Nd同位素组成的前提假设所带来的认知偏差,补充和完善其知识体系。介绍了稳定Sr、Nd同位素体系的基本概念,综述并点评了最新的分析技术进展,并对稳定Sr、Nd同位素分馏对传统的放射成因Sr、Nd同位素组成的影响进行评估,同时对这两个新的稳定同位素体系的潜在研究应用进行展望。

南海NS90－103沉积物柱样沉积年代研究

本文结合浮游有孔虫氧同位素地层学和不平衡铀系测定沉积速率的方法来确立取自南沙海域的沉积物柱样（ＮＳ９０－１０３）的时间坐标、根据连续取样获得的δ（１８）Ｏ曲线可以将该柱划分为７个主要气候期次，底部（５５０ｃｍ）相当于氧同位素第７．４阶到第７．５阶之间，年龄约２３８ｋａ；而根据不平衡铀系的过量（２３０）Ｔｈ方法获得２．３ｃｍ／ｋａ的沉积速率，计算出底部年龄为２３９ｋａ；两个结果在误差范围内完全一致。