铁同位素--何永胜.

铁同位素地球化学何永胜2014.7.21主要内容1.铁同位素体系简介2.分析技术要点3.行星间铁同位素差异4.岩浆体系铁同位素分馏5.现代表生体系的铁同位素研究6.大气氧含量演化与铁同位素响应7.铁同位素示踪生命活动遗迹8.展望与启示非传统稳定同位素:铁同位素地球化学1.铁同位素体系简介1.1Fe元素铁，第八族原子序数：26质量数：561.铁同位素体系简介1.1Fe元素高丰度地核：铁、镍合金地幔：Si、O、Mg、Fe地壳：丰度第四1.铁同位素体系简介1.1Fe元素变价元素：+3：铁氧化物等+2：橄榄石等0：铁合金等WikipediaPoultonandCanfield,Elements,20111.铁同位素体系简介生命元素：1.1Fe元素血红蛋白微生物作用异化还原生物氧化WikipediaTaylorandKonhauser,Elments,20111.铁同位素体系简介1.1Fe元素矿产资源：钢铁，现代工业的基本材料黄铁矿、铁的氧化物等是各类矿床的常见矿物•自1990s末迄今，有大量的国际文献发表14篇Science/Nature文献:Science11;Nature1;NatureGeoSci.1数百篇一流期刊文献:包括近10篇分析方法文献1.1Fe元素1.铁同位素体系简介1.1Fe元素1.铁同位素体系简介1.铁同位素体系简介Fe有四个稳定同位素：54Fe，56Fe，57Fe，58Fe标准：IRMM-014，欧洲标准局平均火成岩，Beardetal.,2003AverageigneousrocksbyIRMM-014:0.09permil1.2铁同位素及组成表达方式1.3Fe同位素平衡分馏的一般规律Fe的价态物相晶格、基团结构、化学键类型e.g.,Johnsonetal.,2002;Heimannetal.,CG,20081.铁同位素体系及分析技术简介显著铁同位素分馏与价态变化有关1.4各种地质储库的铁同位素组成1.铁同位素体系简介平均球粒陨石的δ56Fe在0附近上地幔的平均组成和球粒陨石相近火成岩和大陆地壳的铁同位素组成比上地幔略重水体可溶铁一般具有轻铁同位素组成碎屑沉积物的铁同位素组成和火成岩相近化学沉积物具有高度变化的铁同位素组成Dauphasetal.,EPSL,2009Schoenberg,EPSL,2006-0.015±0.020‰(2SE)-0.016±0.045‰(2SE)地球1.铁同位素体系简介橄榄岩包体/造山带橄榄岩δ56Fe≈0.02atMg#=89.4WeyerandInov,EPSL,2007上地幔深海橄榄岩Meanδ56Fe≈0.01‰Craddocketal.,EPSL,20071.铁同位素体系简介•MORB具有均一的铁同位素组成，δ56Fe≈0.105‰•OIB，Meanδ56Fe≈0.121‰目前分析精度下相对不均一Tengetal.,GCA,2013洋中脊和洋岛玄武岩（MORB&OIB）1.铁同位素体系简介•岛弧玄武岩具有比MORB和OIB轻的铁同位素组成岛弧玄武岩Dauphasetal.,EPSL,20091.铁同位素体系简介下地壳的铁同位素组成不均一，MeanLCCδ56Fe≈0.05‰Heetal.,unpublished大陆下地壳1.铁同位素体系简介大陆上地壳上地壳的δ56Fe≈0.11‰e.g.,Poitrassonetal.,2004;PoitrassonandFreydier,2005;WeyerandIonov,2007;Heimannetal.,2008;Tengetal.,2008b;Dauphasetal.,2009a;Schuessleretal.,2009;Sossietal.,2012;Telusetal.,2012;WeyerandSeitz,2012;Tengetal.,20131.铁同位素体系简介碎屑沉积物相对火成岩没有发生较大分馏δ56FebyIRMM014Ferhetal.,2008;Severmanetal.,2006;Staubwasser,2006Beardetal.,2003河流水，海底热液，低温热泉，地下水中可溶解铁一般具有比硅酸盐地球轻Fe同位素组成Johnsonetal.,Annualreview,2008河水、海水、热液、地下水1.铁同位素体系简介Anbaretal.,Annualreview,2007区域D[Fe],Cδ56Fe[Dfe]P[Fe],Cδ56Fe[PFe]西赤道太平洋0.45~1.46nM0.06~0.45‰4.64~32.19nM-0.02~0.29‰中赤道太平洋0.06~0.61nM0.01~0.58‰0.41~1.39nM0.14~0.46‰亚热带北大西洋0.9nM0.3~0.7‰东南大西洋海盆-0.13~0.21‰大西洋-0.49~0.19‰北海，滨岸10~25nM-0.70~0.15‰10~30nM-0.30~0.65‰加州滨岸海盆-1.82~0.03‰DeJongetal.,2007;JohnandAdkins,2010;Lacanetal.,2008,2010;Radicetal.,2011现代海洋1.铁同位素体系简介IronFormationPlanavskyetal.,GCA,2012黄铁矿碳酸盐化学沉积岩或沉积岩中化学沉淀组分具有高度分异的铁同位素组成Craddocketal.,EPSL,2011主要内容1.铁同位素体系简介2.分析技术要点3.行星间铁同位素差异4.岩浆体系铁同位素分馏5.现代表生体系的铁同位素研究6.大气氧含量演化与铁同位素响应7.铁同位素示踪生命活动遗迹8.展望与启示非传统稳定同位素:铁同位素地球化学自然样品中的铁同位素分馏有限，例如：高温岩浆过程的铁同位素分馏尺度δ56Fe0.3‰；应用研究需要高精确度的分析方法目前国际上多个实验室均可进行铁同位素高精度分析，δ56Fe日常分析精度优于0.03‰例如：UniversityofChicago,UniversityofAdelaide,UniversityofWellington,UniversityofOxford,DurhamUniversity,AustralianNationalUniversity,ETH-Zentrum,CUGB2.铁同位素分析技术要点•溶样,化学分离目的：在不引入人为偏差的情况下，溶解样品、提纯分离目标元素的纯溶液可能引起人为偏差的因素：实验室本底（来自环境、试剂的目标元素）不完全溶样化学分离回收率不足残余基质元素2.铁同位素分析技术要点2.1化学流程不完全溶样溶液和残余固体间可能存在显著分馏难溶矿物和其他矿物间可能有较大的同位素差异，例如：石榴子石的δ56Fe比单斜辉石系统低0.3‰此时，溶液的同位素组成不等同于样品2.铁同位素分析技术要点2.1化学流程Chapmanetal.,GCA,2009Beardetal.,GCA,2004化学分离回收率不足实验证明，在阴离子交换树脂中淋洗Fe时，会产生δ56Fe~7.0‰的分馏因此，在化学分离过程中，回收率不足时，分析结果会明显偏离真值2.铁同位素分析技术要点2.1化学流程Anbaretal.,Science,2000检查溶样情况空白：~10ngug样品回收率99.8%，平均值为:99.95±0.13%(2SD,n=5)AfterDauphasetal.,2004;2009Heetal.,GGR,inRevision1.铁同位素体系及分析技术简介2.1化学流程@CUGB•热电离质谱（TIMS）JohnsonandBeard,IJMS,1999•多道等离子体质谱仪（MC-ICPMS）含Ar基团干扰消除降低Ar基团信号膜去溶,冷Plasma,动态反应池BelshawandZhu,2000;Beardetal.,2003;Kehmetal.,2003提高质量分辨率Neptune,HRNuinstrumentWeyeretal.,2003;Milletetal.,20123%peramu的仪器分馏校正SSB+(CuorNi-doping,Doublespike)2.铁同位素分析技术要点2.2质谱分析高分辨+SSB@CUGBNeptunePlus@CUGBMR,~0.005质量数范围内可获得精确的数据分析方法简介：基团干扰消除理论斜率：平衡分馏，1.475动力学分馏，1.488Youngetal.,2002分析方法简介：仪器分馏校正影响仪器分馏的因素：基质元素溶液的浓度介质，酸度等等e.g.,BelshawandZhuetal.,2000;SchoenbergandBlanckenburg,2005;Dauphasetal.,2009基质元素效应基质元素/Fe0.1时，对仪器分馏影响不明显为保证基质元素完全分离，两次过柱浓度匹配MR,HR消除含Ar基团干扰Onlinepeakzerocorrection酸度匹配酸度越大，得到的结果越偏重酸度差别大时，非质量分馏用同一批酸配空白、样品、标样溶液Dauphasetal.,2009实际岩石标样（BHVO-2）标样数据对比Datafrom10of11labsareperfectlyconsistent休息Question?非传统稳定同位素:铁同位素地球化学•高丰度:太阳系起源；行星形成与演化•变价元素:岩浆过程中的氧逸度计表生过程氧逸度变化,制约Fe循环模式、海洋/大气氧含量变化•生命元素:古生物化学活动遗迹•Fe矿：成矿过程与机制—王跃老师报告Fe同位素的研究现状主要内容1.铁同位素体系简介2.分析技术要点3.行星间铁同位素差异4.岩浆体系铁同位素分馏5.现代表生体系的铁同位素研究6.大气氧含量演化与铁同位素响应7.铁同位素示踪生命活动遗迹8.展望与启示非传统稳定同位素:铁同位素地球化学Poitrassion,EPSL,2004;Weyeretal.,2005;Wangetal.,2012•火星、HED、Vesta具有近球粒陨石的铁同位素组成•地球和月球样品、Angrite具有显著重的铁同位素组成大碰撞VS核幔分异Poitrasson，2004，2009Polyakov,etal.,20093.行星间铁同位素差异•理论计算表明，在核幔边界条件下，金属相相对下地幔硅酸盐矿物富集轻铁同位素2000oC,CMB0.13±0.053‰Polyakov,etal.,20093.行星间铁同位素差异岩浆过程橄榄岩包体/造山带橄榄岩δ56Fe≈0.02atMg#=89.4WeyerandInov,EPSL,2007深海橄榄岩Meanδ56Fe≈0.01‰Craddocketal.,EPSL,20073.行星间铁同位素差异岩浆过程有显著的铁同位素分馏，玄武岩样品不能代表地球的平均组成。地幔橄榄岩研究揭示地球可能也具有近球粒陨石的铁同位素组成主要内容1.铁同位素体系简介2.分析技术要点3.行星间铁同位素差异4.岩浆体系铁同位素分馏5.现代表生体系的铁同位素研究6.大气氧含量演化与铁同位素响应7.铁同位素示踪生命活动遗迹8.展望与启示非传统稳定同位素:铁同位素地球化学基性岩相对上地幔略重0.1‰左右地幔橄榄岩的δ56Fe和Mg#负相关地幔部分熔融过程中发生显著的铁同位素分馏4.岩浆体系铁同位素分馏WeyerandInov,EPSL,2007;Tengetal.,GCA,20134.1部分熔融：地幔在地幔部分熔融时，Fe3+中度不相容，优先进入熔体在硅酸盐体系，Fe3+一般相对Fe2+富集重铁同位素熔体相对残留相和源区富集重铁同位素4.岩浆体系铁同位素分馏4.1部分熔融：地幔WeyerandInov,EPSL,2007Dauphasetal.,EPSL,2009混合岩中的淡色体比暗色体的铁同位素组成系统偏重，表明地壳物质部分熔融过程中也可能发生显著的铁同位素分馏4.1部分熔融：壳内Telusetal.,GC