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1、1Fe同位素地球化学（2）朱 祥 坤中国地质科学院地质研究所提 纲 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、碳酸盐的结晶沉淀作用 溶解、吸附作用 生物作用重要地质过程中的铁同位素分馏 岩浆过程中的铁同位素分馏 表生过程中的铁同位素分馏表生过程的铁同位素分馏 风化过程 搬运（河流） 沉积、成岩过程 海洋地壳硅酸岩、土壤、碎屑沉积物、气溶胶和黄土具有较为均
2、一的铁同位素组成，56Fe集中在0.1；河水、孔隙水、海底热液和海水的铁同位素组成变化范围较大，其中孔隙水和海底热液相对地壳硅酸岩总体富集铁的轻同位素，海水总体富集铁的重同位素。 表生体系不同储库铁同位素组成 气溶胶和黄土海水河水孔隙水碎屑沉积物海底热液土壤地壳硅酸岩风化作用 连接地圈、水圈、大气圈、生物圈的纽带 碳循环与全球变化 营养元素循环与生物生产力 氧化还原与元素的地球化学循环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，铁同位素组成变轻广东湛江湖光岩地区玄武岩风化剖面铁
3、同位素分布特征（王世霞和朱祥坤，2013 ） 风化过程土壤风化剖面风化过程中，铁的轻同位素优先被 淋滤带走，风化残余物富集铁的重 同位素。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，铁的轻同位素优先被 淋滤带走，风化残余物富集铁的重 同位素。溶解（原有矿物的分解）沉淀（新矿物的形成）吸附氧化-还原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
4、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） 关键带风化过程土壤风化剖面植物（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，铁同位素组成变轻广东湛江湖光岩地区玄武岩风化剖面铁同位素分布特征（王世霞和朱祥坤，2013 ） 硫化物矿石表生风化过程原生硫化物矿石的平均56Fe约为-0.15，部分氧化的氧化物矿石的平均56
5、Fe约为0，而完全氧化的铁帽的平均56Fe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。 Cheng et al., 2015河流的铁同位素组成 溶解态与悬浮颗粒物的铁同位 素在组成不同；全河水的铁同位素组成与悬浮 颗粒物的铁同位素组成接近 从全河水的角度，河水的铁同 位素总体上接近或略低于大陆 地壳的平均值 河水中不同形态铁的铁同位素组成 全河水颗粒态铁溶解态铁河流的铁同位素组成 河水中，真溶解态铁的浓度很 低，一般为40nM，大部分以 胶体态和悬浮态的形式存在（ Krachler et al., 2005, 2010） 铁主要赋存在悬浮颗粒物
6、中， 悬浮颗粒物的铁同位素组成和 全河水接近 从全河水的角度，河水的铁同 位素总体上接近或略低于大陆 地壳的平均值 河水中不同形态铁的铁同位素组成 全河水颗粒态铁溶解态铁河流的铁同位素组成 贫有机质的河水：铁主要赋存在悬浮颗粒物中 ；悬浮颗粒物的铁同位素组成 与季节无关；与悬浮颗粒物相比，溶解态 的铁富集铁的轻同位素河水中不同形态铁的铁同位素组成 全河水颗粒态铁溶解态铁河流的铁同位素组成 富有机质的河水：相当一部分铁已溶解态的形 式存在；与悬浮颗粒物相比，溶解态 的铁富集铁的重同位素溶解态中重铁同位素富集与 铁的有机络合物有关；悬浮颗粒物的铁同位素组成 随季节变化明显。河水中不同形态铁的铁同位
7、素组成 全河水颗粒态铁溶解态铁沉积过程 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 硫化物铁氧化物沉积过程 包括2个过程： （1）水体中二价铁溶液（Fe(II)aq）氧化为三 价铁溶液（Fe(III)aq）； （2）三价铁溶液沉淀为三价铁的氧化物或者氢 氧化物（Fe(III)s） Fe(II)- Fe(III)之间存在同位素分馏 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56Fe分馏可达3，并且Fe(III)相对Fe(II) 富集铁的重同位素 (Johnson et al., 2002, 2005; Weltch et al.
8、, 2003; Wiesli et al., 2004; Beard and Johnson, 2004; Anbar et al., 2005; Balci et al., 2006) Fe2+(aq)Fe3+(aq)3.0 铁氧化物沉积过程中铁同位素组成的变化 平衡分馏： 两相之间的差异为 -1 杠杆原理（质量平衡，mass balance） 当液相的量无限大或有持续补给时，沉淀物的同位素组成不变，沉淀物的同位素组成 比液相重-1铁氧化物沉积过程中铁同位素组成的变化 瑞利分馏（Rayleigh distillation, Rayleigh fractionation) A-B=RA/RB
9、RB=R0*f (-1)瑞利分馏 A-B=RA/RB RB=R0*f (-1) 瞬间平衡 两相形成之后不再有同位素交换瑞利分馏 A-B=RA/RB RB=R0*f (-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Staubwasser et al., 2006成岩过程Staubwasser et al., 2006压实胶结新矿物形成重结晶溶解 成岩过程Staubwasser et al., 2006有机质降解氧化剂消耗（O2、NO3、Mn(IV),、Fe (III)、SO4铁锰被还原、活化、迁移、再沉淀成岩过程Stau
10、bwasser et al., 2006A: Fe and Mn bound in Fe oxyhydroxides and Mn oxides reactive Fe(III) and Mn(IV), leached from laminated core 112 KG from the Arabian Sea oxygen minimum zone and corrected for leached silicate Fe (x-axis label: g metal (Me) per g sediment). B: Fe isotopic composition ( 56Fe relat
11、ive to IRMM-14, 1 uncertainty) of reactive Fe(III) and bulk sediment from laminate core 112KG. C: Same as in A, but for top-oxic core 115KG. Reactive Fe constitutes 10%20% of the bulk Fe.D: As in B, but from top-oxic core 115KG.成岩过程碎屑沉积物在早期成岩过程中，在相对还原的条件下少量碎屑沉积物中的铁发生溶解和再沉淀作用。孔隙水及再沉淀形成的无定型铁富集铁的轻同位素。由
12、于溶解的铁含量很少，全岩和硅酸盐部分的铁同位素组成并没有明显影响。 Staubwasser et al., 2006海 洋 现代氧化条件下，铁在海水中的溶解度极低（nM级别），浓度变化可达4-5个数量级 海水中溶解态的铁以两种氧化态形式存在，Fe（）和Fe（），二者均会以自由离子、无机和有机络合物的形态存在。在氧化性海水中，Fe（）是最重要的存在价态。海水中的溶解态铁主要由铁的有机络合组分构成，铁的无机水解产物仅构成溶解态组分的很小一部分（陈敏，2009） 海水中不同形态铁的铁同位素组成颗粒态铁颗粒态铁中的活性铁溶解态铁海 水的铁同位素组成 输入：河水、大气颗粒物、海底热液、沉积物（孔隙水）
13、输出：碎屑沉积物、化学沉积物（碳酸盐、黄铁矿、铁锰氧化物）、有机沉积物 内部过程：大洋对流，氧化还原状态、生物地球化学循环 1大西洋东西向剖面海水溶解铁的浓度和铁同位素组成（ Conway et al., 2014） 海洋中铁同位素的地球化学循环 1（据Anbar and Rouxel, 2007修改） 铁同位素的主要分馏过程 基本物理-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、碳酸盐的结晶沉淀作用 溶解、吸附作用 生物作用 重要地质过程中的铁同位素分馏（地球化学行为） 岩浆过程中的铁同位素分馏 表生过程中的铁同位素分馏(10 Min)3.应用 行星天体
14、演化 地幔地球化学 早期地球环境、生物起源和演化 古海洋环境和古气候变化 现代海洋环境 矿床学 生物学和医学 Constraints on the homogeneity of the early solar nebula The degree of chemical Variations in three or more isotopes of an element can constrain this issue;Elements are synthesized in stars different stars produce elements with different proport
15、ions of isotopesOxygen isotope anomalies in meteoritic materials O-isotope anomalies widespread in meteoritic materials; Nucleosynthetic signatures? Chemical reactions (MIF)? This correlation is very simple, but very important. It demonstrates that all the analysed terrestrial and extraterrestrial m
16、aterials are ultimately from a single uniform source.缅甸硬玉中发现宇宙微球粒 1铁同位素示踪古环境演化Pufal & Hiatt, 2012前寒武纪含铁建造铁同位素 对海洋氧化还原环境的响应采样区鞍本 (n=13 )冀东 (n=9)五台 (n=4)吕梁 (n=10 )新余 (n=14 ) SiO249.76 45.84 42.55 45.44 48.08 TFe2O346.19 50.72 49.32 52.99 30.77 Al2O30.66 0.35 0.64 0.16 3.56 TiO20.01 0.04 0.04 0.04 0.29 CaO1.77
