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1、1铁同位素地球化学（同位素地球化学（1） 1课堂特制提 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2课堂特制l太阳系中丰度最高的金属元素太阳系中丰度最高的金属元素l最主要的变价元素之一最主要的变价元素之一l生命活动所必需的营养元素生命活动所必需的营养元素l大宗需求的基本工业原料大宗需求的基本工业原料 3课堂特制IsotopesOresOrganismEnvironment54Fe， 56Fe， 57Fe， 58Fe 5.84%，91.76%，2.12%，0.28% 5课堂特制Fe同位素表示方式（千分偏差）或（万分偏差） 自然界中的物质，包括陨石和地球样品，
2、均符合质量分馏关系，56Fe = 0.677 *57Fe（Zhu et al., 2001） 6课堂特制7课堂特制8课堂特制Fe同位素表示方式（千分偏差）或（万分偏差） 自然界中的物质，包括陨石和地球样品，均符合质量分馏关系，56Fe = 0.677 *57Fe（Zhu et al., 2001） 9课堂特制标准物质国际标准为IRMM-014，由欧盟参考物质及测量研究所提供。少量学者采用15块地球火成岩和5块高钛月球玄武岩的平均值作为标准（Beard et al., 1999, 2003）两种标准物质间的换算关系为： 56Fe火成岩56FeIRMM-014- 0.09 10课堂特制标准物质的作
3、用仪器质量分馏（质量歧视）（instrumental mass discrimination)校正；Delta Zero数据质量监控（化学纯化、质谱测定）不同实验室的数据对比11课堂特制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）Delta Zero：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12课堂特制提 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主要分馏过程应用实例13课堂特制铁同位素在自然界中的分布 主要地质体的铁同位素组
4、成 基本特征14课堂特制标准物质国际标准为IRMM-014，由欧盟参考物质及测量研究所提供。少量学者采用15块地球火成岩和5块高钛月球玄武岩的平均值作为标准（Beard et al., 1999, 2003）两种标准物质间的换算关系为： 56Fe火成岩56FeIRMM-014 - 0.09 15课堂特制整体地球（Bulk Earth )的铁同位素平均值陨石总体的56Fe变化范围为-0.300.38，平均值为0.000.16 （n=229） 碳质球粒陨石的56Fe变化平均值为0.000.1016课堂特制上地幔的铁同位素组成平均值上地幔的铁同位素组成不均一；56Fe变化平均值为0.000.23；与
5、碳质球粒陨石的铁同位素组成一致。17课堂特制地壳的铁同位素组成玄武岩: 0.100.09（n=196);安山岩-流纹岩-闪长岩-花岗岩：0.150.20（n=96） 黄土： 0.130.18（n=14）页岩：0.080.30（n=28） 陨石地幔橄榄岩玄武岩安山岩-闪长岩-英安岩页岩黄土花岗岩流纹岩18课堂特制硅酸盐地球的Fe同位素组成 整体硅酸盐地球的平均Fe同位素组成应该与国际标准物质IRMM-014接近，56Fe平均值在0附近 ；上地壳相对地幔略富集铁的重同位素，并且有较大的铁同位素变化范围。19课堂特制水圈、化学沉积岩水圈的56Fe变化范围约为-52.5气溶胶、黄土、碎屑沉积物： 56
6、Fe在0附近河水、孔隙水、热液流体：富集Fe的轻同位素20课堂特制水圈、化学沉积岩碳酸盐岩、热液硫化物、铁锰结壳：富集Fe的轻同位素条带状铁建造（BIF）：富集Fe的重同位素。 21课堂特制生 物 物 质生物倾向于优先吸收轻的Fe同位素，而且在食物链中随着级别的升高，这种情况越明显 22课堂特制提 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分馏过程应用实例23课堂特制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24课堂特制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（
7、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。25课堂特制同位素效应26课堂特制同位素的质量效应与核体积效应质量效应：也叫第一类同位素效应，是由同位素质量差异而引起的，导致同位素质量分馏;同位素分馏的大小是相对质量差的函数；相对质量差越大，同位素分馏越大，如H和D，16O和18O；相对质量差越小，同位素分馏越小，如63Cu和65Cu.同一元素（化合物）中不同同位素间的同位素分馏的差异与它们的质量差
8、正相关；如24Mg、25Mg、26Mg；54Fe、56Fe、57Fe。27课堂特制28课堂特制同位素的质量效应与核体积效应235U与238间的同位素分馏；核体积效应：也叫第二类同位素效应，是因同位素核性质上的差异引起的，导致非质量分馏；同位素的质量效应在轻元素的同位素分馏方面表现显著，核体积效应在重元素的同位素分馏方面影响突出。29课堂特制同位素分馏机制Kinetics vs. Dynamics30课堂特制同位素平衡分馏的定性规律（A rule of thumb)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
9、：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。31课堂特制同位素平衡分馏的定性规律（A rule of thumb)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。32课堂特制同位素动力学分馏一些物理、化学和生物过程，反应物和生成物的同位素交换达不到平衡，这样的同位素分馏称之为同位素动
10、力学分馏。33课堂特制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。34课堂特制同位素动力学分馏一些物理、化学和生物过程，反应物和生成物的同位素交换达不到平衡，这样的同位素分馏称之为同位素动力学分馏。35课堂特制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36课堂特制物理-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37课堂特制矿物间的铁同位素平衡
11、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理论预测的矿物分馏系数 38课堂特制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 39课堂特制Fe(II)aqFe(II)sFe(III)aqFe(III)sFemetalFe(II)ad氧化还原作用40课堂特制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
12、., 2003; Wiesli et al., 2004; Beard and Johnson, 2004; Anbar et al., 2005; Balci et al., 2006) Fe2+(aq)Fe3+(aq)3.0 41课堂特制42课堂特制溶解作用质子作用的溶解（Proton-promoted dissolution）配位体控制的溶解（Ligand-controlled dissolution）还原性溶解作用（Reductive dissolution） 43课堂特制质子作用的溶解作用稀盐酸（HCl）对针铁矿、角闪石的溶解（质子作用的溶解）过程均不发生铁同位素分馏稀HCl对玄武岩
13、、黑云母花岗岩及层状硅酸盐矿物（黑云母/绿泥石）的溶解过程中，铁的轻同位素优先溶解（Skulan et al., 2002; Johnson et al., 2002; Wiederhold et al., 2006; Chapman et al., 2009; Kiczka et al., 2010） 44课堂特制配位体控制的溶解作用草酸对针铁矿的溶解不发生铁同位素分馏，但草酸对角闪石，玄武岩、黑云母花岗岩及层状硅酸盐矿物（黑云母/绿泥石）的溶解过程中，铁的轻同位素优先溶解（56Fe分馏值通常角闪石黑云母辉石橄榄石钛铁矿 74课堂特制75课堂特制攀枝花镁铁质岩体和铁矿层铁同位素组成（Chen et al., 2014）全岩磁铁矿钛铁矿橄榄石单斜辉石76课堂特制在低氧逸度条件下，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Sossi et al., 201277课堂特制流体出溶过程 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 Wang et al., 201578课堂特制复习要点掌握铁同位素分布的基本特征和同位素分馏过程79课堂特制
