非传统稳定同位素-6b-总结

1非传统稳定同位素地球化学提纲•发展历史与分析方法•铁同位素地球化学•铜锌同位素地球化学•镁同位素地球化学•应用实例—白云鄂博发展历史与分析方法1.了解非传统稳定同位素的发展历史；2.掌握同位素与同位素测试有关的基本概念；3.熟知非传统稳定同位素分析的注意要点发展历史•了解非传统稳定同位素发展历史及一些经典性文献•史前阶段•创建与发展阶段基本概念与原理•同位素与同位素分类:•同位素：具有相同质子数但不同中子数的核素–物理分类：放射性同位素、稳定同位素–地球化学分类：放射性同位素、放射成因同位素、稳定同位素同位素效应与同位素分馏•同位素效应：由于质量或自旋等核性质的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之间物理和化学性质有差异的现象。•同位素效应指的是同一元素的同位素或者含该元素不同同位素的化合物在性质上的差异。这些差异，可以表现在物理性质上，也可以表现在化学性质上，还可以是核性质上。过去说同一种元素的原子物理、化学性质相同，是不准确的。同位素分馏机制同位素平衡分馏的定性规律（Aruleofthumb)一定温度下，不同物质或矿物相间同位素交换反应达到平衡时，它们之间的分馏成为同位素平衡分馏。•重同位素优先分布在化学键强的位置上：–高价态：如Cu(II)-Cu(I),Fe(III)-Fe(II)–低配位数•温度越高，两化合物间的同位素分馏越小；•相对质量差越大，同位素分馏越大。同位素动力学分馏•蒸发作用：太阳系星云•扩散作用：浓度扩散和温度梯度扩散•单向反应：Cu（II）还原为Cu的过程•光合作用•反应动力学造成生成物相对于反应物富集轻同位素。瑞利分馏•αA-B=RA/RB•RB=R0*f(α-1)–瞬间平衡–两相形成之后不再有同位素交换•蒸发、冷凝、排气、沉淀基本概念与原理•同质异位素与谱峰干扰•同质异位素：具有相同质荷比的不同离子或离子团；如：87Rb＋－87Sr＋，44Ca+－88Sr2+,56Fe+－[40Ar16O]+•解决方案：纯化；高分辨基本概念与原理•基质效应：是指在一定的工作条件下，样品的电离效率和不同核素间的仪器质量歧视随样品成分的不同而改变的现象；•解决方案：纯化；样品－标样匹配；双稀释剂技术基本概念与原理标准物质的作用•仪器质量分馏（质量歧视）校正：高纯度单质或简单化合物（溶液）•DeltaZero：同位素组成已知，并且其同位素组成接近自然界的平均值；•数据质量监控（化学纯化、质谱测定）：与待测样品的物质组成相近；•不同实验室的数据对比：全球普遍采用的参考物质非传统稳定同位素分析的关键注意事项1.化学分离：纯度、回收率；2.质谱：谱峰干扰、基质效应：基质效应：1.样品与标样间成份的差异2.样品与标样间浓度的差异3.酸度效应4.柱基质效应标准物质的作用•仪器质量分馏（质量歧视）校正：高纯度单质或简单化合物（溶液）•DeltaZero：同位素组成已知，并且其同位素组成接近自然界的平均值；•数据质量监控（化学纯化、质谱测定）：与待测样品的物质组成相近；•不同实验室的数据对比：全球普遍采用的参考物质铁同位素地球化学•铁同位素的研究意义与表达方式•铁同位素在自然界中的分布•铁同位素的分馏过程•应用实例铁同位素在自然界中的分布主要地质体的铁同位素组成基本特征物理-化学-生物过程中的铁同位素分馏•矿物间的Fe同位素平衡分馏•氧化还原作用•硫化物结晶沉淀作用•沉淀、溶解、吸附作用•生物作用矿物间的铁同位素平衡分馏•根据理论预测，平衡条件下矿物铁同位素组成由重到轻的顺序总体为：黄铁矿Fe氧化物硅酸盐碳酸盐理论预测的矿物分馏系数火成岩中不同矿物的铁同位素组成：磁铁矿角闪石≥黑云母辉石橄榄石钛铁矿氧化还原作用•理论预测、实验结果都表明：在常温平衡条件下，Fe(II)与Fe(III)物质间的δ56Fe分馏可达~3‰，并且Fe(III)相对Fe(II)富集铁的重同位素(Johnsonetal.,2002,2005;Weltchetal.,2003;Wieslietal.,2004;BeardandJohnson,2004;Anbaretal.,2005;Balcietal.,2006)Fe2+(aq)Fe3+(aq)~3.0‰溶解作用•质子作用的溶解（Proton-promoteddissolution）•配位体控制的溶解（Ligand-controlleddissolution）•还原性溶解作用（Reductivedissolution）•质子作用和配位体控制的溶解作用中铁同位素不发生分馏或分馏较小；还原性溶解作用过程中铁的价态会发生改变，发生明显的铁同位素分馏•溶解作用发生的分馏，铁的轻同位素优先被溶解。沉淀作用•Fe(II)沉淀形成Fe(II)矿物（如硫化物、碳酸盐矿物）•Fe(III)沉淀形成Fe(III)矿物（如氢氧化铁、赤铁矿等）生物作用•Fe同位素曾被认为是“独特的生物活动示踪剂”用来指示远古的或地外的生命活动事件(BeardandJohnson,1999;Johnsonetal.,2008)•生物诱发过程（biologicallyinducedprocess）•生物控制过程（biologicallycontrolledprocess）铁同位素的主要分馏过程•同位素分馏机制回顾•基本物理-化学-生物过程中的铁同位素分馏•重要地质过程中的铁同位素分馏岩浆过程•部分熔融过程•结晶分异过程•流体出溶过程地幔橄榄岩和不同类型岩浆岩的铁同位素组成部分熔融过程•玄武岩比地幔橄榄岩的δ56Fe值重约0.1‰•地幔橄榄岩的δ56Fe值与Mg#之间具有线性关系，δ56Fe值随着Mg#的增加而变轻WeyerandIonov,2007•控制部分熔融过程Fe同位素分馏的因素：氧逸度和部分熔融程度Dauphasetal.,2012•在低氧逸度条件下，橄榄石、辉石等含Fe2+的矿物结晶，熔体Fe同位素组成变重•高氧逸度条件下，磁铁矿等含Fe3+的矿物结晶，熔体Fe同位素组成变轻Sossietal.,2012流体出溶过程•初始含矿流体的铁同位素组成比成矿母岩富集铁的轻同位素•流体出溶过程，Fe的轻同位素优先从岩浆中带出Wangetal.,2015表生过程的铁同位素分馏•风化过程•河流•沉积、成岩过程•海洋风化过程—土壤风化剖面•从深部的新鲜玄武岩到浅部的风化玄武岩，铁同位素组成变重，并且对于不同剖面，风化壳发育程度越大，铁的重同位素富集趋势越大；•风化壳的最表增，铁同位素组成变轻湖光岩地区玄武岩风化剖面铁同位素分布特征（王世霞等，2013） 风化过程—土壤风化剖面•风化过程中，铁的轻同位素（Fe2+）优先被淋滤带走，风化残余物的Fe3+含量升高并且富集铁的重同位素；•植物（生物）优先利用铁的轻同位素，表层土壤富含轻同位素富集的有机质。湖光岩地区玄武岩风化剖面铁同位素分布特征（王世霞等，2013）关键带 硫化物矿石表生风化过程•原生硫化物矿石的平均δ56Fe约为-0.15‰，部分氧化的氧化物矿石的平均δ56Fe约为0‰，而完全氧化的铁帽的平均δ56Fe约为0.12‰。•随着风化程度的增高，铁同位素分馏越明显，且在风化过程中，轻的铁同位素被淋滤带走。Chengetal.,2014沉积过程•机械沉积作用：不发生明显的铁同位素分馏•化学沉积作用–铁氧化物–碳酸盐–硫化物瑞利分馏•αA-B=RA/RB•RB=R0*f(α-1)–瞬间平衡–两相形成之后不再有同位素交换•蒸发、冷凝、排气、沉淀铁氧化物沉积过程•铁同位素分馏受沉淀程度控制 成岩过程Staubwasseretal.,2006A:FeandMnboundinFeoxyhydroxidesandMnoxides[reactiveFe(III)andMn(IV)],leachedfromlaminatedcore112KGfromtheArabianSeaoxygenminimumzoneandcorrectedforleachedsilicateFe(x-axislabel:gmetal(Me)pergsediment).B:Feisotopiccomposition(􏰤56FerelativetoIRMM-14,1􏰤uncertainty)ofreactiveFe(III)andbulksedimentfromlaminatecore112KG.C:SameasinA,butfortop-oxiccore115KG.ReactiveFeconstitutes10%–20%ofthebulkFe.D:AsinB,butfromtop-oxiccore115KG.海洋中铁同位素的地球化学循环•1 （据AnbarandRouxel,2007修改）铁同位素示踪古环境演化沉淀程度对Fe同位素分馏的影响•如果假定沉淀物形成之后与溶液中的Fe同位素交换可以忽略不计，则沉淀物的Fe同位素组成随沉淀程度的变化可以通过瑞利分馏模式进行模拟RB/RA=f(a-1)a＝（10000＋e57FeA）/(10000+e57FeB)e57Fe残留=(e57Fe原始＋10000)×f(a-1)-10000e57Fe磁铁矿=a+e57Fe残留沉淀程度对Fe同位素分馏的影响溶液中残留部分的Fe同位素组成将随沉淀的进行而变轻，使后期沉淀的铁较前期沉淀的铁具有较轻的同位素组成；鞍本地区BIF的Fe同位素成分变化可以通过不同沉淀程度得到解释，当BIF的e57Fe为10时，海水中大约有25％的磁铁矿发生了沉淀。海水的氧化还原状态控制铁的沉淀程度铁的沉淀程度影响Fe同位素的质量分馏沉淀程度对Fe同位素分馏的影响•随着沉淀比例的增大，磁铁矿和海水中残留的Fe同位素组成逐渐变轻；•鞍本地区BIF的Fe同位素成分变化可以通过不同沉淀程度得到解释。•当BIF的e57Fe为18时，海水中大约有5％的磁铁矿发生了沉淀；当BIF的e57Fe为10时，海水中大约有25％的磁铁矿发生了沉淀。新余铁矿的铁同位素研究•新余式铁矿是我国时代最新的BIF型铁矿；•铁矿层产在南沱冰碛层上下两含砾层之间，相当于南华冰期富禄间冰期；•铁同位素组成远高于硅酸盐地球的平均值；•水体中的铁没有被完全氧化沉淀；•沉积盆地的水体并没有处于一种和大气充分交换的状态朱祥坤等,2013黄铁矿铁同位素对海洋氧化还原环境的响应铜同位素地球化学中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES1.铜同位素在自然界中的分布自然样品中所获得的Cu同位素组成变化范围较大（δ65Cu的总体分布范围为-16.49~9.98‰，平均值为0.17‰）50中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES上地幔上地壳上地壳结晶部分整体硅酸盐地球的平均Cu同位素组成可能与Cu同位素标准物质NBS976相似，地幔、地壳之间没有发生明显的铜同位素分馏。51中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES水圈52中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES水圈中的δ65Cu变化范围约为-1.52~3.14‰，变化可达4.6‰。现代海水和河水的Cu同位素组成变化较大，并且相对地球平均值总体富集Cu的重同位素，富集程度约为ca.1.0‰。Cu源中，除了大气尘降的δ65Cu在整体硅酸盐地球平均值附近，其他物源（河水等）总体上都整体硅酸盐地球富集Cu的重同位素，富集程度约为ca.0.7‰。Cu汇中，碎屑沉积物的δ65Cu在0附近，热液硫化物、铁锰结壳均相对整体硅酸盐地球富集Cu的重同位素，富集程度为ca.0.3‰。53中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES生物圈54中国地质科学院地质研究所I