多金属富集的黑色页岩风化过程中铜、锌同位素分馏研究

<正>作为重要的营养元素,铜(Cu)和锌(Zn)在海洋的地球化学循环对海洋生命演化具有重要意义。大陆风化过程是海洋微量金属元素地球化学循环过程中重要的输入过程。富集微量金属元素的页岩占陆表岩石总量的四分之一,但它们的Cu、Zn同位素组成和在风化过程中的同位素分馏行为还缺乏研究[1]。本文选取中国湖北省二叠纪茅口组多金属富集的黑色页岩和其硅质岩夹层,对其中的新鲜样品和风化样品分别进行了Cu、Zn同位素研究,探求黑色页岩在风化过程中Cu、Zn元素的迁移行为和同位素分馏。     

镁同位素体系在河流中的研究进展

近年来风化过程中镁同位素的研究取得了一系列重要进展,这些进展不仅有利于准确理解河流中镁同位素组成变化的机理,还为深入探讨镁同位素地球化学循环奠定了基础。河流既是风化过程中镁的汇,也是海洋中镁的源。流域河水的镁同位素组成主要与物源和迁移过程中镁同位素分馏有关。河水的镁主要来源于流域的岩石,也受风尘沉积、地下水、植物残骸、降雨降雪等因素的影响。河水迁移过程中镁同位素分馏过程主要为碳酸盐矿物沉淀和溶解、硅酸盐矿物水解、矿物或胶体物质的吸附作用以及植物的吸收作用。此外,水体中次生矿物的形成还可能反映了河流水化学参数(主量元素、CO2溶解度、p H等)的突变。因此,分析河水的镁同位素组成,探讨其主要的分馏过程,不仅是应用镁同位素示踪地表物质循环的基础,还对深入认识镁同位素的地球化学循环具有重要意义。     

黄河、淮河及长江流域地表水环境中锶的地球化学特征

锶是自然界广泛分布的微量元素,在生物、化学及地质过程中不易发生分馏作用,具有很好的地球化学指示意义.尤其在水文地球化学研究中,由于不同岩石锶含量不同,大气降水降落在地面后流经不同岩石,致使地表水中锶元素浓度和同位素比值不同.因此,通过研究河水中锶元素的地球化学行为,可以帮助我们探究河流集水处矿物化学风化速率、气候变化、上地壳化学特征、同位素组成以及陆地-河流-海洋之间的营养元素循环等等[1,2].     

表生环境中镁同位素的地球化学循环

近些年表生环境中镁同位素分馏取得了一系列重要研究进展,这些新认识为深入理解表生环境中镁同位素地球化学循环奠定了基础。表生环境中镁同位素的地球化学循环主要涉及风化、河流搬运、碳酸盐沉淀、水岩反应等重要地质过程。风化过程中镁同位素发生显著分馏,硅酸盐风化产物中富集重的镁同位素,轻的镁同位素易进入水体。河流搬运过程中,镁同位素不发生分馏,但外源输入可能影响水体的镁同位素组成。河水汇入海洋后,碳酸盐沉淀过程可导致轻的镁同位素以碳酸盐的形式从海水中移出。在海底高温水岩反应过程中,海水中绝大多数的镁(80%~87%)都进入岩石,循环后的热液可能富集轻的镁同位素。海底低温水岩反应过程中海水的镁可以进入岩石并形成次生矿物,此过程的镁同位素分馏主要与次生矿物的形成有关。此外,海水中的镁易与黏土矿物发生交换反应,此过程黏土矿物倾向于吸附轻的镁同位素。总之,在表生环境中上地壳的镁(δ26Mg约为-0.22‰)经历风化作用、河流搬运、海洋贮存,最终以碳酸盐岩(δ26Mg一般小于-1‰)或与玄武岩发生反应的形式重新回到岩石圈。     

黄土中硼的同位素组成变化及其气候示踪意义研究

自然界中硼的同位素组成变化很大(δ１１Ｂ＝－３０‰～＋４０‰),但在不问类型地质体中的分布或一定地质地球化学过程造成的分馏却有特定的范围。硼同位素分馏的主要原因是流体—固体反应体系的ｐＨ条件和水－岩比值变化。硼的这些特殊地球化学性质在不同地质地球化学作用示踪,特别是与流体作用有关的地球化学过程的研究中得到了广泛的应用。近年来有学者利用硼同位素组成示踪古海水的ｐＨ变化,但利用硼同位素示踪其它古环境或气候变化的研究却相当少。本文试图通过研究黄土中不同相态硼的同位素组成变化来识别黄土化学风化过程中流体介质的ｐＨ条件以及其它与风化作用强度有关的各种信息,并进一步发掘硼同位素组成变化在反映古气候、古环境     

不同地质储库中的镁同位素组成及碳酸盐矿物形成过程中的镁同位素分馏控制因素

镁同位素在低温地球化学过程中显著的分馏效应,是其示踪地球表生环境演化及物质循环的基础。本文在前人研究的基础上,对地球上不同地质储库中的镁同位素组成及碳酸盐矿物形成过程中的镁同位素分馏控制因素进行了总结:火成岩的镁同位素组成较均一;风化产物总体富集重的镁同位素,且变化较大;碳酸盐岩中灰岩相对白云岩富集轻的镁同位素,但总体上富集轻的镁同位素;岩石类型、风化强度以及植被等因素对河流地表水的镁同位素组成影响较大,导致地表水的镁同位素组成总体变化较大;海水的镁同位素组成均一,平均值约为-0.83‰;低温条件下,控制碳酸盐矿物无机成因过程中镁同位素分馏的因素有矿物相、沉淀速率和温度,其中矿物相是主要控制因素;生物成因碳酸盐矿物镁同位素组成与生物体对含镁碳酸盐矿物的利用形式有关,除了需考虑与无机碳酸盐沉淀类似的控制因素外,还需考虑不同物种对轻、重镁同位素的选择性吸收能力;因生物成因海相碳酸盐矿物几乎都是由最初的无定形相碳酸盐转变而来,故生物成因海相碳酸盐矿物的镁同位素特征不能代表生成无定形相碳酸盐的流体的镁同位素特征。镁同位素在低温条件下具有良好的分馏效应,随着分析测试技术的发展及不同地质储库中镁同位素组成数据的积累和完善,有关表生环境中镁同位素分馏机制的许多问题将逐步得到解决,镁同位素在揭示地球表生环境演化及物质循环方面将发挥更大的作用。     

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。     

硫化物中硫同位素分馏理论计算研究进展

硫化物是重要的矿物类,通常是一个或多个金属元素与硫结合而形成硫化物.硫化物作为大多数金属的主要来源具有重大的经济利用价值,硫化物中硫同位素分馏的研究一直是同位素地球化学研究的热点.研究不同金属硫化物之间的硫同位素分馏效应,对于利用硫同位素对成矿作用过程和成矿物质来源开展地球化学示踪,具有非常重要的意义.本文结合笔者近期的工作概述了硫化物中硫同位素分馏的理论计算研究,认为虽然半经验半理论的增量方法在同位素分馏计算中存在一定的局限性,但在没有其他实用的理论计算方法时,改进的增量方法可以作为硫化物中硫同位素分馏计算的一种理论估算方法.     

海洋环境Fe同位素地球化学研究进展

Fe是海洋“生物泵”中限制浮游生物生长和控制海洋初级生产力的主要因素之一,也可间接影响大气中CO2含量,反馈于全球的气候变化。近年来基于多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC ICP MS)分析方法的改进及测试精度的提高,应用Fe同位素组成、变化及其分馏机制,为研究海水中Fe的主要来源以及示踪海洋环境中Fe的循环过程等,提供了一个有效地球化学指标,也对示踪地球不同演化阶段的海洋沉积环境变化具有指示意义。较为详细地介绍了海洋环境中不同储库的Fe同位素组成,洋中脊热液流体—玄武岩、海水—大洋玄武岩等水—岩反应影响Fe同位素分馏效应的主要因素及地球不同演化阶段古海洋沉积环境中的Fe同位素变化。认为海洋环境下Fe同位素可以产生较为明显的分馏作用,轻铁同位素具有更易活动、易迁移的特征,并进一步提出不同相态、不同矿物间Fe同位素分馏系数的确定等相关问题仍是今后Fe同位素研究的主要方向。     

绿松石低温生长过程中Cu同位素特征及其对产地溯源的意义

绿松石（CuAl₆（PO₄）₄（OH）₈·4（H₂O））是重要的表生宝石矿物,已有研究采用绿松石主量元素Cu的同位素进行产地溯源,但是溯源机理不明确.此外,绿松石生长过程复杂,该过程是否造成Cu同位素组成的显著变化还不甚清楚,这限制了其产地溯源的应用.湖北省竹山县是全球最大的宝石级绿松石产出地,采用MC-ICP-MS对竹山县条带状绿松石的生长条带进行高精度Cu同位素测试.结果表明:绿松石δ65Cu值较高,然而不同条带没有明显变化（δ65Cu=10.99‰~11.54‰）.绿松石含矿热液沉淀过程分馏有限（< 1‰）,这指示绿松石Cu同位素显著变化主要发生在含矿热液的形成过程.原生硫化物的δ65Cu=0±1‰,显著低于绿松石样品测定值,推测引起含矿热液Cu同位素显著分馏的主要原因是原生硫化物发生氧化作用.全球典型绿松石矿区的数据整体与该结果一致,表明绿松石Cu同位素组成主要受源区环境的控制;同一矿区中形成的绿松石,即使经历周期生长产生条带状结构,其Cu同位素组成基本一致.该研究深入探究了Cu同位素示踪绿松石矿区的机理,同时也加深了对低温过程Cu同位素分馏的认识.      

钙同位素地球化学研究进展

钙同位素是非传统稳定同位素,近年来已成为国际同位素地球化学领域的研究热点。钙同位素测定采用TIMS或MC-ICP-MS,并表示为δ^44/40Ca或δ^44/42Ca。自然界的δ^44/40Ca变化范围从-2.0‰到2．0‰,仅跨越4．0‰。虽然动力学分馏与平衡分馏假说能各自解释一些分馏现象,但钙同位素分馏机理仍不清晰,值得进一步研究。目前钙同位素的地质应用集中于以下方面：（1）根据有孔虫G．sacculifer的钙同位素组成重建古海洋温度;（2）海洋中钙的地球化学循环;（3）利用海水[Ca^2＋]评估大气pCo2。     

湖北鄂东南地区铜山口斑岩-矽卡岩铜矿床的铁同位素研究

<正>铁是自然界重要的变价元素,广泛分布于各类岩石矿物中,并且参与多种地球化学过程。近年来,随着MC-ICP-MS分析技术的发展,铁同位素越来越多地应用到各类矿床研究中[1-3]。笔者研究湖北省鄂东南地区铜山口斑岩-矽卡岩铜矿床中硫化物的铁同位素组成,并探讨了岩浆-热液过程中铁同位素分馏机理和控     

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。     

流域风化过程稳定锶同位素的分馏与示踪

稳定锶同位素(δ~(88/86)Sr)是近年来新兴的一种非传统稳定同位素,应用其示踪大陆风化过程与海洋锶循环已成为学术界一个研究热点。目前稳定锶同位素质谱测试精度可优于0.03‰,自然界不同地质体δ~(88/86)Sr的变化范围为-3.65‰～1.68‰。研究发现,流域风化过程中原生矿物的差异性溶解、次生矿物的形成与吸附作用、碳酸钙沉淀以及生物作用都会使得流体相δ~(88/86)Sr升高,而固体相δ~(88/86)Sr降低,从而导致稳定锶同位素在河流溶解态和颗粒态具有不同的地球化学行为。河流沉积物δ~(88/86)Sr随着风化强度的增强而降低,具有示踪流域化学风化强度的潜力。同时,当前亟需深入研究表生风化过程中稳定锶同位素的分馏机制及制约因素,这是运用河水δ~(88/86)Sr示踪流域化学风化的关键,也为深入理解全球海洋锶循环提供借鉴。     

白云岩风化过程中Mg同位素的分馏:对白云岩、地表水和地下水Mg同位素组成的影响

<正>目前,白云岩的Mg同位素有望成为一种有力的手段来示踪白云岩化和古环境及古气候。但是,白云岩在后期成岩及风化过程中极易发生改变,有可能伴随着Mg同位素的变化。Geske[1]和Fantle等[2]对白云岩成岩过程中Mg同位素的分馏做了研究,对于其在后期风化过程中Mg同位素的分馏至今还未有研究。据此,我们系统研究了一白云岩的风化剖面的Mg同位素和Sr同位素,希望通过研究了解白云岩风化过程中Mg同位素的分馏机制,以及量化风化作用对于白云岩Mg同位素的影响程度。根据δ26Mg和87Sr/86Sr     

MC-ICP-MS高精度Ba同位素分析方法

<正>Ba在岩浆作用过程中是不相容的微量元素,在陆壳中的含量远高于地幔。过去针对碱土金属同位素(例如Mg、Ca、Sr)体系的研究表明,这些同位素在各种高温和低温的地球化学过程中可以发生分馏。因此,我们预测Ba同位素在风化作用、热液活动和生物地球化学等一系列过程中也可能产生同位素分馏,例如,已有研究发现低温环境中Ba同位素分馏可以高达0.5‰[1]。当高含量、大分馏的地壳物质随俯冲板块进入     

低温环境下Zn同位素分馏的若干重要过程

锌同位素是一种新的地球化学示踪剂,详细了解锌同位素分馏过程与机理是运用其解决科学问题的关键.本文对前人研究的吸附、沉淀、扩散、还原、生物过程中的锌同位素分馏研究结果进行了系统总结.在沉淀过程中.沉淀富集轻同位素;随着扩散距离增加,溶液Zn同位素组成变轻;还原生成的金属Zn富集轻同位素;在生物参与的Zn地球化学循环过程中,硅藻表面吸附重同位素,但生物本身优先利用轻同位素.     

TSR成因H2S的硫同位素分馏特征与机制

热化学硫酸盐还原反应(TSR)是深层碳酸盐岩油气藏中硫化氢的主要成因机制,目前已在全球发现了50多个TSR成因的大中型含硫化氢天然气田。通过对中国四川盆地含硫化氢气田硫化物的采集与同位素分析,结合全球含硫化氢天然气田硫同位素分析数据,研究了TSR过程中硫同位素的地球化学行为和分馏特征。研究发现,TSR成因的高含硫化氢天然气中,硫化氢与硫酸盐的硫同位素分馏值小于15‰,主要分布范围为2.5‰~13.82‰,平均在10‰。四川盆地海相层系膏岩的硫同位素值分布较宽,并呈现阶梯状变化,而硫化氢的硫同位素则呈现出相似的分布规律,表明各主要含硫化氢气田硫化氢中的硫来自于本层系的硫酸盐,TSR主要发生在各自的储集层中。四川盆地各气田TSR发生的温度条件相似,硫同位素分馏比较接近。TSR过程中硫同位素的分馏过程与硫酸盐本身硫同位素值的高低无关,而与TSR反应程度有关。TSR反应程度越高,硫化氢的硫同位素值与地层硫酸盐的硫同位素越相近。通过系统分析整理全球含硫化氢气田的硫化物硫同位素数据,并结合四川盆地地质条件和油气演化过程,揭示了TSR过程中硫同位素的分馏特征,并绘制出四川盆地和全球各时代硫化氢和石膏的硫同位素分布曲线图,为研究含油气盆地蒸发岩沉积演化和硫化氢成因提供了参考。     

地壳风化系统中的Sr同位素地球化学

近20年来,人们利用Rb－Sr同位素体系对地表－近地表地球化学过程、尤其是水圈－岩石圈之间化学物质的循环进行了广泛而深入的研究。大陆地壳风化物质以及地表径流的Sr同位素组成变化揭示了不同流域盆地的地质背景和风化作用的特征。古海洋的Sr同位素组成变化则是地壳和地幔演化以及不同地质历史时期壳－幔相互作用的共同结果。本文对地壳风化系统Sr同位素地球化学研究的全面而详细的综述表明,Rb－Sr同位素体系仍将是研究地壳风化、水圈－岩石圈之间化学物质循环的重要手段,根据古海水及其化学沉积物的Sr同位素记录研究壳－幔演化和地球圈层演化过程中的物质循环特征以及地表古环境变化将是本研究领域的重点。     

锂同位素分析方法及其在大陆裂谷环境碳酸岩研究中的应用

锂同位素在地质学、地球化学研究中有着广阔的应用前景,壳-幔相互作用过程的锂同位素地球化学研究已经成为近年来国际上研究的热点之一。锂同位素在自然界中的变化较大,δ⁷Li 值为-45‰～+45‰。锂同位素分析手段目前主要有TIMS、Ion Probe、SIMS、MC-ICPMS等4种技术,其中MC-ICPMS仪器的出现,使锂同位素发展速度明显加快。自然界中很多地质作用过程均能使锂同位素发生分馏。目前,锂同位素已在陨石和宇宙化学、陆壳风化过程、洋壳热液活动及蚀变、板块俯冲及壳幔物质循环、地表水地球化学、卤水来源与演化、热液成矿作用等领域的研究中取得了显著成效,并将成为地球科学中具有巨大应用前景的一种新的地球化学手段。文章对锂同位素在大陆裂谷环境碳酸岩研究中的应用作了较全面介绍,内容包括研究意义、锂含量和锂同位素组成以及取得的主要认识,比如蚀变作用、岩浆分异作用、地壳同化作用和扩散分馏作用均未对碳酸岩、硅酸盐的锂同位素组成造成影响、俯冲作用和地壳循环均没有明显影响地幔的锂同位素组成、地幔温度条件下锂扩散模拟表明地幔中的锂更均一等等。最后简单对比了大陆裂谷环境和碰撞造山环境两类碳酸岩在锂同位素组成上的差别。