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。

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。

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。

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。

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。

华蓥山锶成矿带稳定同位素特征及成矿机理探讨

华蓥山Ｓｒ成矿带是我国最重要的Ｓｒ矿带。通过对该成矿带典型矿床的Ｓｒ、Ｈ、Ｏ、Ｓ同位素特征的研究，指出该Ｓｒ成矿带的Ｓｒ主要来自含矿围岩，成矿流体的水源为大气降水和地层建造水的混合流体，Ｓ源为嘉陵江组地层。在矿床稳定同位素特征及成矿物质来源研究的基础上，结合其他的矿床地质特征，指出该Ｓｒ成矿带中分散元素Ｓｒ在沉积－成岩期发生了初步富集，后经热卤水及动力改造宫集成矿，属沉积－热卤水及动力改造成因矿床。

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。

新疆罗布泊盐湖氢氧锶硫同位素地球化学及钾矿成矿物质来源

罗布泊罗北凹地第四系上部盐层中蕴藏丰富的卤水，卤水中则富含钾（ＫＣｌ平均品位为１．４０％）。文章通过对罗布泊卤水氢、氧、锶及硫同位素等分析及与塔里木盆地（河流）、柴达木盆地等地区对比研究，确定了罗布泊富钾卤水源于地表水，可能主要是塔里木盆地南北缘河流水；卤水中的硫钾等物质组分主要来源于南天山、塔里木盆地西北、西南部中新生代石膏钙芒硝石盐矿床或地层及其古代地层卤水。由于第四纪期间塔里木盆地西部抬升，东部罗布泊地区则发生沉降，这些物质组分被地表水溶解并最终汇集于罗布泊，从而造成了该区水体中钾硫等背景值较高，使卤水在蒸发浓缩至钙芒硝阶段时钾就富集成矿。

长江三峡地区上震旦统稳定同位素异常及地层意义

三峡地区广泛发育的上震旦统 ,及下伏的南沱组和古城组冰碛层 ,有良好的生物地层控制及全球对比意义。新秭归城附近的雾河剖面 ,自南沱组顶部到水井沱组下部出露有利于化学地层学研究的一系列碳酸盐岩沉积。对这一剖面的碳、氧、锶同位素研究发现 :1)碳、锶和氧同位素在陡山沱组顶部到灯影组底部存在明显异常 ;2 )碳同位素在寒武系 -前寒武系界线附近有负异常 ;3 )碳同位素和锶同位素在剖面上的演化具有全球对比意义 ;4)陡山沱组顶部到灯影组底部的碳、锶同位素异常 ,与可能存在末远古纪的冰期 ,即所谓的“后 Marinoan冰期”有关。

渝北-川东地区黄龙组古岩溶储层稳定同位素地球化学特征

石炭系黄龙组碳酸盐岩古岩溶储层是渝北—川东地区最重要的天然气储集类型之一。依据岩溶岩的结构特征,将黄龙组岩溶岩系划分为弱溶蚀岩溶岩、中等溶蚀多孔状岩溶岩、强溶蚀角砾状岩溶岩和强溶蚀交代的次生灰质岩溶岩等4种岩溶岩类型,和淡水方解石与白云石两种胶结物类型。以基质岩为对比参照物,对各类岩溶岩和胶结物的碳、氧、锶稳定同位素分析对比研究结果表明,不同成因类型、溶蚀强度、结构和成分的岩溶岩与胶结物的碳、氧、锶稳定同位素地球化学特征各异,其形成、演化和分布规律明显受古地理背景、流体性质、流体来源以及同位素分馏效应控制。依据岩溶岩系的结构和地球化学特征的差异性,可总结出4个主要特征:(1)伴随岩溶强度加大,δ13C表现向低值方向弱偏移,而δ18O负偏移较强烈;(2)87Sr/86Sr比值出现由渗流-活跃潜流带的正偏移,至静滞潜流带转化为强烈负偏移的演化趋势;(3)对应古岩溶系碳、氧、锶稳定同位素演化,古岩溶储层的物性出现由差变好至重新变差的对应变化关系;(4)淡水白云石结晶沉淀过程中可能具有对87Sr有很强"捕获"能力的锶同位素正偏移分馏效应。

吉黑东部花岗岩类的稳定同位素组成

吉黑东部花岗岩类分布广泛 ,形成历史漫长 ,岩石类型齐全。按成因类型划分 ,以I型为主 ,A型次之 ,S型很少 ,M型极少。其稳定同位素组成独特 ,大多数岩体锶初始值低 ,氧同位素正常或低 ,铅同位素以低2 0 4 Pb和高2 0 6Pb/2 0 4 Pb、2 0 7Pb/2 0 4 Pb、2 0 8Pb/2 0 4 Pb为主 ,钕初始值高 ,说明其基底岩石成熟度低 ,地幔物质混入量较多。

岩石铷-锶和钐-钕同位素标准物质的研制

通常样品的^(87)Sr/^(86)Sr和^(143)Nd/^(144)Nd同位素比值分析采用SRM9^(87)、JNdi-1作为标准物质,它们分别是纯的碳酸盐和氧化物,适用于监控质谱测试过程。中国现有的钐-钕地质和铷-锶年龄标准物质,分别为玄武岩和钾长石,它们与很多地质样品的基质存在差别。仅有这两种基质的标准物质不能有效地监控不同地质样品Rb-Sr、Sm-Nd同位素分析过程,因此研制不同岩性的Rb-Sr、Sm-Nd同位素标准物质具有重要现实意义。本文采集中国典型地区的橄榄岩、榴辉岩和花岗岩作为候选物,严格按照《一级标准物质技术规范》(JJF 1006-1994)和《标准物质定值的通用原则及统计学原理》(JJF 1343-2012)等相关标准物质国家计量技术规范和国家标准,研制了橄榄岩、榴辉岩和花岗岩铷-锶、钐-钕同位素标准物质(编号为GBW04139、GBW04140、GBW04141),其中橄榄岩标准物质适用于高Mg、Fe,低Rb、Nd含量样品的分析,榴辉岩和花岗岩标准物质适用于含有难溶副矿物的岩石样品的分析。每个标准物质具有6个特性量值,Rb、Sr、Sm和Nd含量分布分别为0.16~64μg/g、12~560μg/g、0.1~3.2μg/g和0.3~15.3μg/g,^(87)Sr/^(86)Sr比值分布为0.70446~0.71309,^(143)Nd/^(144)Nd比值分布为0.51115~0.51267,同位素比值精度达到或优于同类标准物质。这些特性量值更接近实际样品,使用时将更加有效和方便。该系列标准物质可用于校准仪器和评价方法,并能有效监控实验室此类样品的铷-锶、钐-钕同位素分析过程。

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。