非传统稳定同位素在碳酸岩研究中的应用

非传统稳定同位素高精度测试技术的快速发展,为非传统稳定同位素在碳酸岩来源方面的研究提供了全新的技术手段。越来越多的学者通过结合非传统稳定同位素,如Mg、Ce、B同位素来探讨碳酸岩研究中的相关问题。研究通过使用Neptune MC-ICP-MS,TIMS,Nu Plasma II MC-ICP-MS等仪器对不同研究区碳酸岩的非传统稳定同位素组成特征进行讨论分析,得到了Mg同位素特征在研究碳酸岩的来源和形成过程中的重要指示意义,Ce同位素在证明大洋碳酸岩母岩浆主要来源于再循环碳酸盐中的重要作用。B同位素与Sr-Nd-Pb同位素体系结合在有效识别碳酸岩的地幔组织组成中的重要作用。同位素实验证据都表明,碳酸岩的来源是地幔,且与地幔柱活动有时间及空间上的联系。

植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展

一直以来植物都是多领域的研究重点,随着非传统稳定同位素的不断发展,植物非传统稳定同位素研究日益增加。但因植物样品中有机物含量高,同位素分馏复杂,样品前处理及测定中存在诸多难题。本文对植物样品非传统稳定同位素工作中常用的前处理方法和测定技术进行了总结。综述了直接萃取法、湿法消解和高温灰化法的原理、操作和优缺点;以K、Ca、Mg、Fe、B等典型非传统稳定同位素为例介绍了非传统稳定同位素常用测定技术,旨在为植物样品的非传统稳定同位素测定进行梳理,最后对其应用方向和测试方法的发展方向进行了展望。

煤炭的非传统稳定同位素研究进展

煤炭在世界各国的能源结构中都占有极其重要的地位,被工业界誉为“黑色的金子”。中国能源结构也以煤为主,煤炭资源的利用对人们的生产生活有着举足轻重的作用,其存放、运输和燃烧过程中向环境中排放大量有害、有毒物质,影响人体健康。非传统稳定同位素作为一种新兴的示踪剂,可以为上述过程提供示踪,逐渐在煤炭研究中得到应用。本文拟对煤炭研究中成熟的非传统稳定同位素(Li、B、K、Mo和Hg)的应用进行综述,包括不同地区煤中同位素特征以及煤中非传统稳定同位素在环境示踪方面的潜力。最后对煤中非传统稳定同位素前处理消解存在的问题、不同赋存状态、其他非传统稳定同位素和激光原位研究进行展望。

非传统稳定同位素地球化学的创建与发展

本世纪的第一个十年见证了非传统稳定同位素地球化学的诞生和快速发展。该领域在过去十年的开创性工作可归纳为测试方法研发、分布范围调查、分馏过程与机理研究和应用潜力探索等方面。本文在历史回顾的基础上,以镁、铁、铜、锌、钼等同位素为例,从后三个方面对这一分支学科进行了简介。

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。

非传统稳定同位素锶(δ^(88/86)Sr)的地球化学研究进展

锶有4个稳定同位素:84Sr、86Sr、87Sr和88Sr。但其中的非传统稳定同位素(δ88/86Sr)成为近年来国际同位素地球化学领域的研究热点。本文根据国际众多学者的研究,阐述了大多数实验室新近采用双稀释剂和TIMS方法来获得高精度δ88/86Sr数据的原理,并综述自然界δ88/86Sr变化,列出一些影响锶同位素分馏的因素。综合讨论其在地质方面的应用:(1)根据冷水珊瑚稳定锶同位素重建古海洋温度;(2)联立87Sr/86Sr和δ88/86Sr来研究海洋中锶的地球化学循环;(3)利用骨骼中的锶稳定同位素研究古营养学。

高温下非传统稳定同位素分馏

过去十几年来,非传统稳定同位素地球化学在高温地质过程的研究中取得了的重大进展。多接收诱导耦合等离子质谱(MC-ICP-MS)的应用引发了稳定同位素分析方法的重大突破,使得精确测定重元素的同位素比值成为可能。本文总结了以Li、Fe和Mg同位素为代表的非传统稳定同位素在岩石地球化学研究中的应用。Li同位素目前被广泛地用于地幔地球化学、俯冲带物质再循环和变质作用的研究中,可以用来示踪岩浆的源区性质和扩散等动力学过程。不同价态的Fe在矿物熔体相之间的分配可以产生Fe同位素分馏,可以发生在地幔交代、部分熔融、分离结晶等过程中。岩浆岩的Mg同位素则大致反映其源区的特征,地幔的Mg同位素组成比较均一,这为研究低温地球化学过程中Mg同位素的分馏提供一个均一的背景。此外,Cl,Si,Cu,Ca,U等等同位素体系也具有广阔的应用前景。对同位素分馏机制的实验研究和理论模拟为理解非传统稳定同位素数据提供了必要的指导。实验表明,高温下具有不同的迁移速度的轻、重同位素可以产生显著的动力学同位素分馏,这一分馏可以在化学扩散、蒸发和凝华等过程中发生;同位素在矿物和熔体以及流体相中化学环境的差异使得不同相之间可以发生平衡分馏。而最近的硅酸盐岩浆的热扩散和热迁移实验则揭示了一种"新"的岩浆分异和同位素分馏机制。沿着温度梯度,硅酸盐岩浆可以发生显著的元素和同位素分异,湿的安山岩可以通过这种方式演变成花岗质成分,因此这个过程可能对陆壳的产生和演化有重大影响。如果温度梯度在岩浆作用中能长期存在,热扩散就可以产生稳定同位素的分馏,这一机制有别于传统的平衡和动力学同位素分馏。而多个稳定同位素体系的正相关关系是示踪热迁移过程的最有力证据。在热扩散过程中,流体承载的物质的浓度和它的索瑞系数有关。但是这个系数对体系的很多参数非常敏感,变化极大,因此对热扩散效应的研究产生极大的困难。对热扩散实验的镁、钙和铁同位素测量表明,同位素比值的变化与体系的化学组成以及总温度无关,只和温度变化的幅度有关,这意味着即使元素的索瑞系数变化多端,某一元素的同位素之间的索瑞系数的差别总为常数。这一发现有助于简化对热扩散和索瑞系数这一基础物理问题的研究。

非传统稳定同位素在土壤重金属源解析方面的应用

随着工业发展,土壤中累积的重金属对人类产生健康威胁。在全面评估土壤重金属污染的情况下,通过非传统稳定同位素测量可以对其来源进行有效解析。鉴于这一新兴领域的快速发展,对非传统稳定同位素在土壤重金属源解析中的作用进行了阐述。在此基础上,提出了现有的问题和展望,为土壤重金属污染源解析理论、技术的研究与应用提供借鉴,推进土壤重金属污染防控的建立与完善。

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。

全球不同构造环境蛇纹岩全岩和矿物微量元素组成及非传统稳定同位素(Fe-Zn-Cu同位素)特征

蛇纹岩对地球深部和浅部的元素循环以及氧化还原状态调节具有非常重要的作用。蛇纹岩中的流体活动性元素(fluid-mobile element,FME)是揭示地幔岩石水化、脱水以及元素循环的关键。本文系统收集和分析了前人报道的不同构造环境的蛇纹岩矿物化学、全岩微量元素和非传统稳定同位素(Fe、Zn、Cu)的组成特征,试图从多个角度总结蛇纹岩脱水过程的元素迁移规律及流体性质。蛇纹岩主要矿物蛇纹石微量元素含量具有以下主要特征:①不同变质程度的蛇纹岩中的蛇纹石既包含轻稀土元素(light rare earth element,LREE)富集,又包含LREE亏损的特征;②纤蛇纹石的REE和微量元素分布在利蛇纹石和叶蛇纹石的范围内,利蛇纹石重稀土元素(heavy rare earth element,HREE)整体上略高于叶蛇纹石且更加富集FME;③通过中度不相容元素与REE含量相结合,能够较好地区分橄榄石和辉石蛇纹石化所形成的蛇纹石,即辉石形成的蛇纹石富集相容元素(如Sc、Zn、Cr、Y和Ti等)并具有较高的HREE,而橄榄石形成的蛇纹石则表现为平坦且整体较低的REE分布型式。在蛇纹岩全岩微量元素和稀土元素(rare earth element,REE)含量方面,不同构造环境的蛇纹岩具有较大范围的重叠,但也有一定的差异:①慢速扩张的印度洋中脊蛇纹岩REE和微量元素含量要整体高于快速扩张的大西洋中脊和太平洋中脊的蛇纹岩;②马里亚纳蛇纹岩泥相比于蛇纹岩和蛇纹石化纯橄岩具有更高的REE和微量元素,而蛇纹石化纯橄岩相比于蛇纹岩则具有相对低的REE及流体不活动性元素含量。因此,利用微量元素的含量在区分不同环境的蛇纹岩方面存在一定的困难。但是,碱金属元素与U元素含量及其相应的比值,则可以较明显区分出大洋蛇纹岩和弧前蛇纹岩。目前已发表的蛇纹岩Fe、Zn、Cu同位素数据表明:①蛇绿岩中的蛇纹岩Fe和Zn同位素的分馏与其变质程度密切相关。蛇纹岩在进变质过程中δ56Fe值与Fe^(3+)/ΣFe值呈负相关,而Zn含量和δ66Zn值则呈现正相关,表明蛇纹岩变质脱水能够释放氧化性流体;②与橄榄岩相比,蛇纹岩具有明显低的δ65 Cu值,表明橄榄岩蛇纹石化过程中存在氧化性流体的加入。蛇纹岩Fe、Zn、Cu同位素在示踪流体性质和氧化还原状态方面有很大潜力,对壳幔系统的化学循环具有重要意义。

用非传统稳定同位素探索全球大洋玄武岩、深海橄榄岩成因和地球动力学的几个重要问题

2017年中国科学院海洋研究所"大洋岩石圈与地幔动力学实验室"建成。未来5年,该实验室在国家自然科学基金重点项目(编号:41630968)的资助下,用珍贵的太平洋、大西洋和印度洋洋中脊玄武岩(MORB)、辉长岩和深海橄榄岩(MORP)研究地球化学和地幔动力学的几个基本科学问题:1用Ti-Zr-Hf稳定同位素验证"Nb-Ta和Zr-Hf元素对质量分异的假说";2从MORB演化过程和地幔熔融过程检验目前对铁同位素分馏的基本假说,即重Fe同位素与Fe3+有亲和性,且比轻Fe同位素和Fe2+更不相容;3提出并试图检验地幔高氧逸度是板块构造的结果,即含有大量Fe3+的蛇纹石化大洋岩石圈地幔橄榄岩俯冲到深部地幔所致;4对代表性的MORB样品和中国东部新生代碱性玄武岩样品进行铀同位素研究,检验Andersen等(2015)有关地球演化过程中壳幔循环导致的内、外动力地质过程的相互关系。

Ba同位素在花岗质岩浆演化及流体活动中的应用与展望

钡(Ba)作为一种非传统的稳定同位素,逐渐展现出其作为示踪花岗质岩浆演化和流体活动的独特优势。目前,Ba同位素的地球化学储库已经基本建立。地壳的重熔过程可以分馏出Ba同位素,导致生成的熔体富集重Ba同位素。然而,在喜马拉雅康巴淡色花岗岩中观察到的轻δ^(138/134)Ba值(-1.32‰~+0.12‰)很可能与来自大型深层岩浆储库的流体有关。深层岩浆储库释放的流体对康巴浅色花岗岩的岩浆演化过程产生了重要影响,导致了较低的轻Ba同位素组成(<0)。这些流体不仅改变了浅色花岗岩的Ba同位素组成,还可能输运了一些可溶性金属元素,有助于稀有金属矿床的形成。与花岗岩熔体相比,钾长石富含轻Ba同位素。高分异花岗岩中的钾长石分离结晶会导致明显升高的δ^(138/134)Ba值(>0),而具有岩浆-热液特征的高分异花岗岩的δ^(138/134)Ba值明显低于大陆地壳(~0‰)。在俯冲带流体过程中,Ba同位素可以大量分馏,轻Ba同位素优先富集在矿物中,导致变质流体的δ^(138/134)Ba值远高于俯冲物质(如蚀变洋壳)。俯冲带中重Ba同位素(>0)可能与蚀变洋壳的流体贡献有关,而轻Ba同位素(<0)可能反映了俯冲碎屑沉积物的增加。超高压变质岩和高压脉可以记录俯冲带变质作用和流体—岩石相互作用过程中的Ba同位素分馏,而变质再平衡则可以改变地幔楔和弧火山岩的Ba同位素组成。然而,在使用Ba同位素来量化不同来源的贡献时,尤其是涉及变质脱水和流体活动时,需要仔细考虑。综上所述,总结了Ba同位素在花岗岩及流体活动中的应用现状和进展,并针对未来的研究方向和挑战进行了展望。

硼同位素分析测试技术研究进展

硼(B)是一个质量较轻的流体活动性元素。它有2个稳定同位素:10B和11B,两者之间相对质量差较大,导致自然界显著的硼同位素分馏。因此,硼同位素作为强有力的非传统稳定同位素示踪工具,在化学、环境、生物、地球及行星科学等研究领域具有广泛的应用。近二十年来,国内外硼同位素分析测试技术不断改进并取得了诸多重要进展。然而,获取高质量硼同位素数据,在样品消解、分离纯化以及质谱测试三个主要环节中仍然存在很多挑战。因为硼具有易挥发性及其在不同pH值环境中因配位不同导致同位素分馏,样品消解和分离纯化对硼同位素准确测量有很大影响。样品消解法主要有高温水解法、酸溶法、碱熔法和灰化法,其中酸溶法与碱熔法是最常用的方法。分离纯化法主要包括离子交换法、硼酸甲酯蒸馏法和微升华法。这些样品前处理方法各有利弊。质谱测试方法主要有两类:一类是溶液法,即热电离质谱法(TIMS)或多接收电感耦合等离子体质谱法(MC-ICP-MS);另一类是微区原位分析法,即二次离子质谱法(SIMS)或激光剥蚀法(LA)-MC-ICP-MS。不同的测试方法对样品前处理要求不同:溶液法要求去除基质;微区原位分析法要求样品与标样的成分匹配。这些测试方法也存在不同技术挑战:TIMS分析过程中容易产生同位素分馏。而SIMS和LA-MC-ICP-MS分析过程中存在缺少标准样品、样品表面污染、低含量样品精度有限及高含量样品重现性差等问题。基于MC-ICP-MS测量低含量样品中硼同位素的独特优势,本文深入探讨了基体效应、记忆效应和质量歧视效应三方面的现存挑战,通过梳理文献和数据对比,在总结现有硼同位素地球化学研究方法的基础上提出一些分析测试技术发展方向的建议。

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δ60NiBSE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。

河流Mg同位素示踪流域化学风化研究进展

河流Mg同位素体系示踪大陆化学风化过程的潜力近年来受到重视。通过总结Mg同位素在流域地表过程中的地球化学行为,发现河流Mg主要来源于矿物化学风化、大气降水、地下水以及植物残骸。全球主要径流Mg同位素组成呈现较大的变异性,仅用流域Mg储库的保守混合难以完全解释,因为大陆化学风化过程中基岩的差异风化和Mg同位素分馏是河水Mg同位素组成的重要影响因素。影响河水Mg同位素组成的主要分馏过程包括原生矿物分解、次生矿物形成、可交换态的吸附-解吸以及植物吸收和残体释放等过程。目前对河流Mg同位素体系的一级控制过程仍了解不多。在全球尺度下,大型河流Mg同位素组成与碳酸盐矿物的化学风化强度成显著相关关系。此外,Mg-Sr、Mg-Li、Mg-Ca以及Mg-O等多同位素体系也为地表环境演变研究提供了有力的示踪工具。今后应加强对流域关键过程Mg同位素分馏因子、特殊化学风化类型、多同位素耦合联用以及Mg同位素定量示踪的探讨,推动河流Mg同位素在示踪流域化学风化研究中的应用。

我国近十年Sm-Nd同位素年代学研究进展

同位素年代学是地球科学中非常重要的分支学科,本世纪见证了非传统稳定同位素地球化学的诞生和快速发展。文章对非传统稳定同位素Sm-Nd法测年的特征以及近十年该方法在我国矿床定年方面的应用展开了探讨。发现该方法在测定矿物成矿年龄以及成矿物质来源方面都取得了巨大的成果,并能对前人已有研究成果进行补充。

铁和锌同位素在表生系统研究中的应用

近年来,随着分析测试方法的进步,由于同位素“指纹”的效应,非传统稳定同位素已经被证明能够示踪环境中污染物的来源以及相应的环境过程。因此,非传统稳定同位素在各个领域显示出广阔的应用前景,尤其在地球表生环境中的应用得到广泛关注。本文简要介绍了非传统稳定同位素分馏的概念,并以Fe、Zn为例,总结了Fe、Zn同位素在表生系统研究中的部分应用。

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。

锑的地球化学行为以及锑同位素研究进展

锑被广泛用于生产各种阻燃剂、玻璃、橡胶、颜料、陶瓷、半导体原件等。锑在火成岩中属于分散元素,但可以富集在沉积岩中（如深海黏土、页岩及碎屑岩）。锑常出现在与辉长质深成岩有关的岩浆硫化物矿床、与花岗岩有关的硫化物矿床、碎屑岩-碳酸岩赋矿的钨-锑-汞层控矿床及热液铅锌矿床中。目前高精度锑同位素的分析测试方法已基本成熟,即酸溶、阳离子树脂交换柱结合硫醇棉纤维法或阴阳离子交换柱法分离富集锑、氢化物发生器MC-ICP-MS测定锑同位素。仪器的质量歧视校正通常采用标样-样品匹配法、In内标法和Sn内标法。不同地质储库端元的锑同位素组成变化较大（达18‰）,海水为-3.7‰,硅酸岩为0.9‰-2.9‰,硫化物（辉锑矿、闪锌矿、黄铁矿、白铁矿）为-1.9‰-16.9‰。且来自不同国家的辉锑矿具有不同的锑同位素组成,不同产地玻璃的锑同位素组成也不同。锑同位素在氧化还原过程（或硫化物沉淀）和无机吸附过程会发生明显分馏,分别达-9‰和-4‰。因此,锑同位素有可能作为一种灵敏的地球化学示踪剂,对示踪成矿物质来源、刻画与氧化还原等过程有关的成矿过程和探讨矿床形成机理、矿区重金属锑污染的治理以及考古等方面具有重要指示作用。

Cu同位素示踪技术应用于环境领域的研究进展

精准鉴别重金属污染来源是重金属污染防治研究中的关键问题。在污染来源交错复杂的环境中,传统以多元统计分析重金属污染种类、浓度、形态及空间分布特征的方法无法正确评估其污染来源与迁移途径。采用稳定同位素源解析的分析手段是对重金属污染进行源解析的最佳手段之一。文章系统介绍Cu同位素源解析的示踪原理与方法,进一步阐述其相关理论与研究进展,并在单一同位素无法判别污染来源的情况下,补充论述Cu同位素与其他非传统稳定同位素联用的源解析应用实例,最终提出现今同位素源解析的研究趋势与未来展望,对当前环境领域内的重金属污染防治工作具有重要意义.