非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素鐵同位素PPT課件

1、1 鐵同位素地球化學(xué)（1） 提 綱 鐵同位素的研究意義與表達(dá)方式 鐵同位素在自然界中的分布 鐵同位素的分餾過程 應(yīng)用實(shí)例 鐵同位素研究的意義 l太陽系中豐度最高的金屬元素太陽系中豐度最高的金屬元素 l最主要的變價(jià)元素之一最主要的變價(jià)元素之一 l生命活動所必需的營養(yǎng)元素生命活動所必需的營養(yǎng)元素 l大宗需求的基本工業(yè)原料大宗需求的基本工業(yè)原料 Isotopes Ores Organism Environment 自然界中的鐵同位素豐度 54Fe， 56Fe， 57Fe， 58Fe 5.84%，91.76%，2.12%，0.28% Fe同位素表示方式 （千分偏差）或（萬分偏差） 自然界中的物質(zhì)，包括

2、隕石和地球樣品，均符合質(zhì)量分餾關(guān)系，56Fe = 0.677 *57Fe （Zhu et al., 2001） 10001 )/( )/( 5456 5456 56 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 10001 )/( )/( 5475 5475 75 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 100001 )/( )/( 5475 5475 75 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe Fe同位素表示方式 （千分偏差）或（萬分偏差） 自然界中的物質(zhì)，包括隕石和地球樣品，均符合質(zhì)量分餾關(guān)系，56Fe = 0.677 *57Fe （Zhu et al., 2001） 10001 )/( )/( 5

3、456 5456 56 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 10001 )/( )/( 5475 5475 75 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 100001 )/( )/( 5475 5475 75 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 國際標(biāo)準(zhǔn)為IRMM-014，由歐盟參考物質(zhì)及測量研究所提供。 少量學(xué)者采用15塊地球火成巖和5塊高鈦月球玄武巖的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)（Beard et al., 1999, 2003） 兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)間的換算關(guān)系為： 56Fe火成巖56FeIRMM-014- 0.09 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的作用 儀器質(zhì)量分餾（質(zhì)量歧視）（instrumental mass d

4、iscrimination)校正； Delta Zero 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控（化學(xué)純化、質(zhì)譜測定） 不同實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)對比 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的作用 儀器質(zhì)量分餾（質(zhì)量歧視）校正：高純度單質(zhì)或簡單化合物（溶液） Delta Zero：同位素組成已知，并且其同位素組成接近自然界的平均值； 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控（化學(xué)純化、質(zhì)譜測定）：與待測樣品的物質(zhì)組成相近； 不同實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)對比：全球普遍采用的參考物質(zhì) 提 綱 鐵同位素的研究意義與表達(dá)方式 鐵同位素在自然界中的分布 鐵同位素的主要分餾過程 應(yīng)用實(shí)例 鐵同位素在自然界中的分布 主要地質(zhì)體的鐵同位素組成 基本特征 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 國際標(biāo)準(zhǔn)為IRMM-014，由歐盟參考物質(zhì)及測量研

5、究所提供。 少量學(xué)者采用15塊地球火成巖和5塊高鈦月球玄武巖的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)（Beard et al., 1999, 2003） 兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)間的換算關(guān)系為： 56Fe火成巖56FeIRMM-014 - 0.09 整體地球（Bulk Earth )的鐵同位素平均值 隕石總體的56Fe變化范圍為-0.300.38，平均 值為0.000.16 （n=229） 碳質(zhì)球粒隕石的56Fe變化平均值為0.000.10 上地幔的鐵同位素組成平均值 上地幔的鐵同位素組成不均一； 56Fe變化平均值為0.000.23； 與碳質(zhì)球粒隕石的鐵同位素組成一致。 地殼的鐵同位素組成 玄武巖: 0.100.09（n=19

6、6); 安山巖-流紋巖-閃長巖-花崗巖：0.150.20（n=96） 黃土： 0.130.18（n=14） 頁巖：0.080.30（n=28） 隕石 地幔橄欖巖 玄武巖 安山巖-閃長 巖-英安巖 頁巖 黃土 花崗巖 流紋巖 硅酸鹽地球的Fe同位素組成 整體硅酸鹽地球的平均Fe同位素組成應(yīng)該與國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) IRMM-014接近，56Fe平均值在0附近 ； 上地殼相對地幔略富集鐵的重同位素，并且有較大的鐵同位素 變化范圍。 水圈、化學(xué)沉積巖 水圈的56Fe變化范圍約為-52.5 氣溶膠、黃土、碎屑沉積物： 56Fe在0附近 河水、孔隙水、熱液流體：富集Fe的輕同位素 水圈、化學(xué)沉積巖 碳酸鹽巖、熱

7、液硫化物、鐵錳結(jié)殼：富集Fe的輕同位素 條帶狀鐵建造（BIF）：富集Fe的重同位素。 生 物 物 質(zhì) 生物傾向于優(yōu)先吸收輕的Fe同位素，而且在食物鏈 中隨著級別的升高，這種情況越明顯 提 綱 鐵同位素的研究意義與表達(dá)方式 鐵同位素在自然界中的分布 鐵同位素分餾過程 應(yīng)用實(shí)例 鐵同位素的主要分餾過程 同位素分餾機(jī)制回顧 基本物理-化學(xué)-生物過程中的鐵同位素分餾 重要地質(zhì)過程中的鐵同位素分餾 同位素效應(yīng)與同位素分餾 同位素效應(yīng)：由于質(zhì)量或自旋等核性質(zhì)的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化 學(xué)性質(zhì)有差異的現(xiàn)象。 同位素效應(yīng)指的是同一元素的同位素或者含該元素不同同位素的化合物在性質(zhì)上的

8、差異。這些差異， 可以表現(xiàn)在物理性質(zhì)上，也可以表現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)上，還可以是核性質(zhì)上。過去說同一種元素的原子物 理、化學(xué)性質(zhì)相同，是不準(zhǔn)確的。 同位素效應(yīng) 同位素的質(zhì)量效應(yīng)與核體積效應(yīng) 質(zhì)量效應(yīng)：也叫第一類同位素效應(yīng)，是由同位素質(zhì)量差異而引起的，導(dǎo)致同位素質(zhì)量分餾; 同位素分餾的大小是相對質(zhì)量差的函數(shù)；相對質(zhì)量差越大，同位素分餾越大，如H和D，16O和18O； 相對質(zhì)量差越小，同位素分餾越小，如63Cu和65Cu. 同一元素（化合物）中不同同位素間的同位素分餾的差異與它們的質(zhì)量差正相關(guān)；如24Mg、25Mg、 26Mg；54Fe、56Fe、57Fe。 同位素的質(zhì)量效應(yīng)與核體積效應(yīng) 235U與238

9、間的同位素分餾； 核體積效應(yīng)：也叫第二類同位素效應(yīng)，是因同位素核性質(zhì)上的差異引起的，導(dǎo)致非質(zhì)量分餾； 同位素的質(zhì)量效應(yīng)在輕元素的同位素分餾方面表現(xiàn)顯著，核體積效應(yīng)在重元素的同位素分餾方面影響突出。 同位素分餾機(jī)制 Kinetics vs. Dynamics 同位素平衡分餾的定性規(guī)律 （A rule of thumb) 一定溫度下，不同物質(zhì)或礦物相間同位素交換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，它們之間的分餾成為同位素平衡分餾。 重同位素優(yōu)先分布在化學(xué)鍵強(qiáng)的位置上： 高價(jià)態(tài)：如Cu(II)-Cu(I), Fe(III)-Fe(II) 低配位數(shù) 溫度越高，兩化合物間的同位素分餾越??； 相對質(zhì)量差越大，同位素分餾越大。

10、 同位素平衡分餾的定性規(guī)律 （A rule of thumb) 一定溫度下，不同物質(zhì)或礦物相間同位素交換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，它們之間的分餾成為同位素平衡分餾。 重同位素優(yōu)先分布在化學(xué)鍵強(qiáng)的位置上： 高價(jià)態(tài)：如Cu(II)-Cu(I), Fe(III)-Fe(II) 低配位數(shù) 溫度越高，兩化合物間的同位素分餾越?。?相對質(zhì)量差越大，同位素分餾越大。 同位素動力學(xué)分餾 一些物理、化學(xué)和生物過程，反應(yīng)物和生成物的同位素交換達(dá)不到平衡，這樣的同位素分餾稱之為同 位素動力學(xué)分餾。 同位素動力學(xué)分餾 蒸發(fā)作用：太陽系星云 擴(kuò)散作用：濃度擴(kuò)散和溫度梯度擴(kuò)散 單向反應(yīng)：Cu（II）還原為Cu的過程 光合作用 反應(yīng)

11、動力學(xué)造成生成物相對于反應(yīng)物富集輕同位素。 同位素動力學(xué)分餾 一些物理、化學(xué)和生物過程，反應(yīng)物和生成物的同位素交換達(dá)不到平衡，這樣的同位素分餾稱之為同 位素動力學(xué)分餾。 鐵同位素的主要分餾過程 同位素分餾機(jī)制回顧 基本物理-化學(xué)-生物過程中的鐵同位素分餾 重要地質(zhì)過程中的鐵同位素分餾 物理-化學(xué)-生物過程中的鐵同位素分餾 礦物間的Fe同位素平衡分餾 氧化還原作用 硫化物結(jié)晶沉淀作用 沉淀、溶解、吸附作用 生物作用 礦物間的鐵同位素平衡分餾 根據(jù)理論預(yù)測，平衡條件下礦物鐵同位素組成由重到輕的順序總體為：黃鐵礦Fe氧化物硅酸鹽碳酸鹽 理論預(yù)測的礦物分餾系數(shù)理論預(yù)測的礦物分餾系數(shù) 火成巖中不同礦物的

12、鐵同位素組成： 磁鐵礦角閃石黑云母輝石橄欖石鈦鐵礦 Fe(II)aq Fe(II)s Fe(III)aq Fe(III)s Femetal Fe(II)ad 氧化還原作用 氧化還原作用 理論預(yù)測、實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：在常溫平衡條件下，F(xiàn)e(II)與Fe(III)物質(zhì)間的56Fe分餾可達(dá)3，并且Fe(III) 相對Fe(II)富集鐵的重同位素 (Johnson et al., 2002, 2005; Weltch et al., 2003; Wiesli et al., 2004; Beard and Johnson, 2004; Anbar et al., 2005; Balci et al.,

13、2006) Fe2+(aq)Fe3+(aq) 3.0 溶解作用 質(zhì)子作用的溶解（Proton-promoted dissolution） 配位體控制的溶解（Ligand-controlled dissolution） 還原性溶解作用（Reductive dissolution） 質(zhì)子作用的溶解作用 稀鹽酸（HCl）對針鐵礦、角閃石的溶解（質(zhì)子作用的溶解）過程均不發(fā)生鐵同位素分餾 稀HCl對玄武巖、黑云母花崗巖及層狀硅酸鹽礦物（黑云母/綠泥石）的溶解過程中，鐵的輕同位素優(yōu)先溶解 （Skulan et al., 2002; Johnson et al., 2002; Wiederhold et a

14、l., 2006; Chapman et al., 2009; Kiczka et al., 2010） 配位體控制的溶解作用 草酸對針鐵礦的溶解不發(fā)生鐵同位素分餾，但草酸對角閃石，玄武巖、黑云母花崗巖及層狀硅酸鹽礦物（黑云 母/綠泥石）的溶解過程中，鐵的輕同位素優(yōu)先溶解（56Fe分餾值通常角閃石黑云母輝石橄欖石鈦鐵礦 攀枝花鎂鐵質(zhì)巖體和鐵礦層鐵同位素組成（Chen et al., 2014） 全巖磁鐵礦鈦鐵礦橄欖石單斜輝石 在低氧逸度條件下，橄欖石、輝石等含F(xiàn)e2+的礦物結(jié)晶，熔體Fe同位素組成變重 高氧逸度條件下，磁鐵礦等含F(xiàn)e3+的礦物結(jié)晶，熔體Fe同位素組成變輕 Sossi et al

15、., 2012 流體出溶過程 初始含礦流體的鐵同位素組成比成礦母巖富集 鐵的輕同位素 流體出溶過程，F(xiàn)e的輕同位素優(yōu)先從巖漿中帶 出 Wang et al., 2015 復(fù)習(xí)要點(diǎn) 掌握鐵同位素分布的基本特征和同位素分餾過程 自然界中的鐵同位素豐度 54Fe， 56Fe， 57Fe， 58Fe 5.84%，91.76%，2.12%，0.28% Fe同位素表示方式 （千分偏差）或（萬分偏差） 自然界中的物質(zhì)，包括隕石和地球樣品，均符合質(zhì)量分餾關(guān)系，56Fe = 0.677 *57Fe （Zhu et al., 2001） 10001 )/( )/( 5456 5456 56 標(biāo)樣 樣品 FeFe

16、FeFe Fe 10001 )/( )/( 5475 5475 75 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 100001 )/( )/( 5475 5475 75 標(biāo)樣 樣品 FeFe FeFe Fe 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的作用 儀器質(zhì)量分餾（質(zhì)量歧視）（instrumental mass discrimination)校正； Delta Zero 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控（化學(xué)純化、質(zhì)譜測定） 不同實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)對比 硅酸鹽地球的Fe同位素組成 整體硅酸鹽地球的平均Fe同位素組成應(yīng)該與國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) IRMM-014接近，56Fe平均值在0附近 ； 上地殼相對地幔略富集鐵的重同位素，并且有較大的鐵同位素 變化范圍。 同位素平衡分餾的定性規(guī)律 （A rule of thumb) 一定溫度下，不同物質(zhì)或礦物相間同位素交換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，它們之間的分餾成為同位素平衡分餾。 重同位素優(yōu)先分布在化學(xué)鍵強(qiáng)的位置上： 高價(jià)態(tài)：如Cu(II)-Cu(I), Fe(III)-Fe(II) 低配位數(shù) 溫度越高，兩化合物間的同位素分餾越小； 相對質(zhì)量差越大，同位素分餾越大。 溶解作用 質(zhì)子作用的溶解（Proton-