鐵同位素--何永勝

1、鐵同位素地球化學(xué)何永勝2014.7.21主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介1.1 Fe元素元素鐵，第八族原子序數(shù)：26質(zhì)量數(shù)：561. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介1.1 Fe元素元素高豐度高豐度地核：鐵、鎳合金地幔：Si、O、 Mg、Fe地殼：豐度第四1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介1.1 Fe元素元素變價(jià)元素：變價(jià)元素：+3：鐵氧化物等+2：橄欖石等0

2、：鐵合金等WikipediaPoulton and Canfield, Elements, 20111. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介生命元素：生命元素：1.1 Fe元素元素血紅蛋白微生物作用異化還原異化還原生物氧化生物氧化WikipediaTaylor and Konhauser, Elments, 20111. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介1.1 Fe元素元素礦產(chǎn)資源：礦產(chǎn)資源：u鋼鐵，現(xiàn)代工業(yè)的基本材料u黃鐵礦、鐵的氧化物等是各類礦床的常見(jiàn)礦物 自1990s末迄今，有大量的國(guó)際文獻(xiàn)發(fā)表u14 篇Science/Nature文獻(xiàn):Science 11; Nature 1; Nature GeoSci. 1u數(shù)百篇

3、一流期刊文獻(xiàn): 包括近10篇分析方法文獻(xiàn)1.1 Fe元素元素1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介1.1 Fe元素元素1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介uFe有四個(gè)穩(wěn)定同位素：54Fe，56Fe，57Fe，58Fe標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)：IRMM-014，歐洲標(biāo)準(zhǔn)局，歐洲標(biāo)準(zhǔn)局平均火成巖，平均火成巖，Beard et al., 2003Average igneous rocks by IRMM-014: 0.09 per mil1.2 鐵同位素及組成表達(dá)方式鐵同位素及組成表達(dá)方式1.3 Fe同位素平衡分餾的一般規(guī)律同位素平衡分餾的一般規(guī)律Fe的價(jià)態(tài)物相晶格、基團(tuán)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵類型e.g., Johnson et

4、al., 2002; Heimann et al., CG, 20081. 鐵同位素體系及分析技術(shù)簡(jiǎn)介顯著鐵同位素分餾與價(jià)態(tài)變化有關(guān)1.4 各種地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)的鐵同位素組成各種地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)的鐵同位素組成1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介u平均球粒隕石的平均球粒隕石的56Fe在在0 0附近附近u上地幔的平均組成上地幔的平均組成和球粒隕石相近和球粒隕石相近u火成巖和大陸地殼火成巖和大陸地殼的鐵同位素組成比上的鐵同位素組成比上地幔略重地幔略重u水體可溶鐵一般具水體可溶鐵一般具有輕鐵同位素組成有輕鐵同位素組成u碎屑沉積物的鐵同碎屑沉積物的鐵同位素組成和火成巖相位素組成和火成巖相近近u化學(xué)沉積物具有高化學(xué)沉積物具有高度變化的

5、鐵同位素組度變化的鐵同位素組成成Dauphas et al., EPSL, 2009Schoenberg, EPSL, 2006-0.0150.020 (2SE)-0.0160.045 (2SE)地球地球1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介橄欖巖包體橄欖巖包體/造山帶橄欖巖造山帶橄欖巖56Fe0.02 at Mg# = 89.4 Weyer and Inov, EPSL, 2007上地幔上地幔深海橄欖巖深海橄欖巖Mean 56Fe0.01Craddock et al., EPSL, 20071. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介 MORB具有均一的鐵同位素組成， 56Fe0.105 OIB ， Mean 56Fe0.121

6、目前分析精度下相對(duì)不均一Teng et al., GCA, 2013洋中脊和洋島玄武巖（洋中脊和洋島玄武巖（MORB & OIBMORB & OIB）1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介 島弧玄武巖具有比MORB和OIB輕的鐵同位素組成島弧玄武巖島弧玄武巖Dauphas et al., EPSL, 20091. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介下地殼的鐵同位素組成不均一，下地殼的鐵同位素組成不均一，Mean LCC 56Fe 0.05 He et al., unpublished大陸下地殼大陸下地殼1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介大陸上地殼大陸上地殼上地殼的56Fe 0.11 e.g., Poitrasson et

7、al., 2004; Poitrasson and Freydier, 2005; Weyer and Ionov, 2007; Heimann et al., 2008; Teng et al., 2008b; Dauphas et al., 2009a; Schuessler et al., 2009; Sossi et al., 2012; Telus et al., 2012; Weyer and Seitz, 2012; Teng et al., 20131. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介碎屑沉積物相對(duì)火碎屑沉積物相對(duì)火成巖沒(méi)有發(fā)生較大成巖沒(méi)有發(fā)生較大分餾分餾56Fe by IRMM014Fer

8、h et al., 2008; Severman et al., 2006; Staubwasser, 2006Beard et al., 2003u河流水，海底熱液，低溫?zé)崛?，地下水中可溶解鐵一般具有比硅酸鹽地球輕Fe同位素組成Johnson et al., Annual review, 2008河水、海水、熱液、地下水河水、海水、熱液、地下水1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介Anbar et al., Annual review, 2007區(qū)域區(qū)域DFe, C56FeDfePFe, C56FePFe西赤道太平洋0.451.46 nM0.060.454.6432.19 nM-0.020.29 中赤道太平

9、洋0.060.61 nM0.010.58 0.411.39 nM0.140.46 亞熱帶北大西洋0.9 nM0.30.7東南大西洋海盆-0.130.21 大西洋-0.490.19 北海，濱岸1025 nM-0.700.15 1030 nM-0.300.65 加州濱岸海盆-1.820.03 De Jong et al., 2007; John and Adkins, 2010; Lacan et al., 2008, 2010; Radic et al., 2011現(xiàn)代海洋現(xiàn)代海洋1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介Iron FormationPlanavsky et al., GCA, 2012黃鐵礦碳酸鹽

10、碳酸鹽化學(xué)沉積巖或沉積巖中化學(xué)沉淀組分具有高度分異的鐵同位素組成Craddock et al., EPSL, 2011主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué) 自然樣品中的鐵同位素分餾有限，例如：自然樣品中的鐵同位素分餾有限，例如：高溫巖漿過(guò)程的鐵同位素分餾尺度高溫巖漿過(guò)程的鐵同位素分餾尺度56Feug樣品樣品回收率回收率99.8%，平均值為平均值為: 99.9

11、50.13% (2SD, n = 5) After Dauphas et al., 2004; 2009He et al., GGR, in Revision1. 鐵同位素體系及分析技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 化學(xué)流程化學(xué)流程CUGB 熱電離質(zhì)譜（TIMS） Johnson and Beard, IJMS, 1999 多道等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICPMS）u 含含Ar基團(tuán)干擾消除基團(tuán)干擾消除 降低Ar基團(tuán)信號(hào)膜去溶, 冷Plasma, 動(dòng)態(tài)反應(yīng)池Belshaw and Zhu, 2000; Beard et al., 2003; Kehm et al., 2003 提高質(zhì)量分辨率Neptune, HR N

12、u instrumentWeyer et al., 2003; Millet et al., 2012u 3% per amu的儀器分餾校正的儀器分餾校正SSB + (Cu or Ni-doping, Double spike)2. 鐵同位素分析技術(shù)要點(diǎn)2.2 質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析高分辨+SSBCUGBNeptune Plus CUGBMR, 0.005質(zhì)量質(zhì)量數(shù)范圍內(nèi)可獲得數(shù)范圍內(nèi)可獲得精確的數(shù)據(jù)精確的數(shù)據(jù)分析方法簡(jiǎn)介分析方法簡(jiǎn)介： 基團(tuán)干擾消除基團(tuán)干擾消除理論斜率：理論斜率：平衡分餾，1.475動(dòng)力學(xué)分餾，1.488Young et al., 2002分析方法簡(jiǎn)介分析方法簡(jiǎn)介： 儀器分餾校正儀

13、器分餾校正u影響儀器分餾的因素：基質(zhì)元素溶液的濃度介質(zhì)，酸度等等e.g., Belshaw and Zhu et al., 2000; Schoenberg and Blanckenburg, 2005; Dauphas et al., 2009基質(zhì)元素效應(yīng)基質(zhì)元素效應(yīng)u基質(zhì)元素基質(zhì)元素/Fe 王躍老師報(bào)告王躍老師報(bào)告FeFe同位素的研究現(xiàn)狀同位素的研究現(xiàn)狀主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位

14、素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)Poitrassion, EPSL, 2004; Weyer et al., 2005; Wang et al., 2012 火星、HED、Vesta具有近球粒隕石的鐵同位素組成 地球和月球樣品、Angrite具有顯著重的鐵同位素組成 大碰撞 VS 核幔分異Poitrasson，2004，2009Polyakov, et al., 20093. 行星間鐵同位素差異 理論計(jì)算表明，在核幔邊界條件下，金屬相相對(duì)下地幔硅酸鹽礦物富集輕鐵同位素2000oC, CMB0.130.053 Polyakov, et al., 20093. 行星間鐵同位素差異巖漿過(guò)程巖漿過(guò)

15、程橄欖巖包體橄欖巖包體/造山帶橄欖巖造山帶橄欖巖56Fe0.02 at Mg# = 89.4 Weyer and Inov, EPSL, 2007深海橄欖巖深海橄欖巖Mean 56Fe0.01Craddock et al., EPSL, 20073. 行星間鐵同位素差異u巖漿過(guò)程有顯著的鐵同位素分餾，玄武巖樣品不能代表地球的平均組成。地幔橄欖巖研究揭示地球可能也具有近球粒隕石的鐵同位素組成主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟

16、示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)u基性巖相對(duì)上地幔略重基性巖相對(duì)上地幔略重0.10.1左右左右u地幔橄欖巖的地幔橄欖巖的56Fe和和Mg#Mg#負(fù)相負(fù)相關(guān)關(guān)u地幔部分熔融過(guò)程中發(fā)生顯地幔部分熔融過(guò)程中發(fā)生顯著的鐵同位素分餾著的鐵同位素分餾4. 巖漿體系鐵同位素分餾Weyer and Inov, EPSL, 2007;Teng et al., GCA, 20134.14.1部分熔融：地幔部分熔融：地幔p在地幔部分熔融時(shí)，F(xiàn)e3+中度不相容，優(yōu)先進(jìn)入熔體p在硅酸鹽體系， Fe3+一般相對(duì)Fe2+富集重鐵同位素n熔體相對(duì)殘留相和源區(qū)富集重鐵同位素4. 巖漿體系鐵同

17、位素分餾4.14.1部分熔融：地幔部分熔融：地幔Weyer and Inov, EPSL, 2007Dauphas et al., EPSL, 2009u混合巖中的淡色體比暗色體的鐵同位素組成系統(tǒng)偏重，混合巖中的淡色體比暗色體的鐵同位素組成系統(tǒng)偏重，表明地殼物質(zhì)部分熔融過(guò)程中也可能發(fā)生顯著的鐵同位表明地殼物質(zhì)部分熔融過(guò)程中也可能發(fā)生顯著的鐵同位素分餾素分餾4.14.1部分熔融：殼內(nèi)部分熔融：殼內(nèi)Telus et al., GCA, 20134. 巖漿體系鐵同位素分餾夏威夷玄武巖：夏威夷玄武巖：u結(jié)晶分異過(guò)程中存在顯著地Fe同位素分餾u 橄欖石分離結(jié)晶： 平衡分餾 Fe-Mg互擴(kuò)散Teng et

18、 al., 2008; 2011Teng et al., 20084.24.2 巖漿分異巖漿分異4. 巖漿體系鐵同位素分餾堆晶分離結(jié)晶 巖漿分異前期硅酸鹽礦物分離結(jié)晶，殘余熔體Fe同位素變重 巖漿分異后期磁鐵礦分離結(jié)晶，殘余熔體Fe同位素變輕Sossi et al., CMP, 2012斜方輝石等斜方輝石等磁鐵礦磁鐵礦4.24.2 巖漿分異巖漿分異斜方輝石等斜方輝石等磁鐵礦磁鐵礦4. 巖漿體系鐵同位素分餾Sossi et al., CMP, 2012e.g., Poitrasson et al., 2004; Poitrasson and Freydier, 2005; Weyer and I

19、onov, 2007; Heimann et al., 2008; Teng et al., 2008b; Dauphas et al., 2009a; Schuessler et al., 2009; Sossi et al., 2012; Telus et al., 2012; Weyer and Seitz, 2012; Teng et al., 20134.24.2 巖漿分異巖漿分異4. 巖漿體系鐵同位素分餾4.2 4.2 巖漿分異巖漿分異Heimann et al., CG, 2008u 56FeBulk mineral-melt 0.030.07，非分離結(jié)晶u 非氯流體相對(duì)磁鐵礦和

20、硅酸鹽礦物富輕鐵同位素 流體出溶流體出溶4. 巖漿體系鐵同位素分餾4.2 4.2 巖漿分異巖漿分異Schussler et al., CG, 2009u 鋰（流體活動(dòng)性強(qiáng)）同位素沒(méi)有發(fā)生顯著分餾 非流體出溶非流體出溶From Iceland4. 巖漿體系鐵同位素分餾4.2 4.2 巖漿分異巖漿分異Telus et al., GCA, 2012u 鋅（流體活動(dòng)性強(qiáng)）同位素沒(méi)有發(fā)生顯著分餾 非流體出溶非流體出溶4. 巖漿體系鐵同位素分餾 56Feol-cpx = -0.100.12% 56Feol-opx = -0.050.11% (2SD, n = 18)Huang et al., GCA, 2

21、0114.3 4.3 礦物間平衡分餾礦物間平衡分餾4. 巖漿體系鐵同位素分餾 赤鐵礦、磁鐵礦、黑云母角閃石單斜輝石、斜方輝石、橄欖石、石榴子石 (次序：由重到輕)Beard et al., 2004Heimann et al., 2008；Sossi et al., 20124. 巖漿體系鐵同位素分餾4.3 4.3 礦物間平衡分餾礦物間平衡分餾 礦物間、礦物/熔體的Fe-Mg交換可導(dǎo)致顯著地Fe，Mg同位素分餾 Dauphas et al., GCA, 20104.44.4礦物熔體間非平衡分餾礦物熔體間非平衡分餾4. 巖漿體系鐵同位素分餾 礦物間、礦物/熔體的Fe-Mg交換可導(dǎo)致顯著地Fe，M

22、g同位素分餾 Teng et al., EPSL, 20114.44.4礦物熔體間非平衡分餾礦物熔體間非平衡分餾4. 巖漿體系鐵同位素分餾Weyer et al., CG, 20124. 巖漿體系鐵同位素分餾p橄欖石-熔體間分餾受橄受橄欖石同位素組成的控制欖石同位素組成的控制p鋰同位素在巖漿過(guò)程中不分餾，反映橄欖石斑晶的同反映橄欖石斑晶的同位素變化可能是擴(kuò)散的結(jié)果位素變化可能是擴(kuò)散的結(jié)果Schussler et al., CG, 2009 磁鐵礦一般磁鐵礦一般比全巖重比全巖重 火山巖斑晶火山巖斑晶磁鐵礦與全磁鐵礦與全巖幾乎無(wú)分巖幾乎無(wú)分餾餾Heimann et al., 2008; Mille

23、t et al., 2012; Sossi et al., 2012; Telus et al., 20124.54.5 礦物與熔體間礦物與熔體間平衡分餾平衡分餾Weyer et al., CG, 20124.54.5 礦物與熔體間平衡分餾礦物與熔體間平衡分餾4. 巖漿體系鐵同位素分餾p鋰同位素顯著分餾的橄欖石與熔體間Li含量不符合平衡分配，存在濃度梯度。含過(guò)量Li的橄欖石，具有輕的Li同位素，符合Li從熔體向橄欖石擴(kuò)散的趨勢(shì)p鋰同位素處于平衡分餾狀態(tài)的橄欖石斑晶和熔體間的鐵同位素分餾系數(shù)為-0.1 ，橄欖石相對(duì)熔體富集輕鐵同位素主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同

24、位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究1. 常見(jiàn)分餾系數(shù)2. 風(fēng)化3. 水圈4. 沉積/沉淀作用5. 成巖作用非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)Johnson et al., 2002, 2005; Weltch et al., 2003; Wiesli et al., 2004; Beard and Johnson, 2004; Balci et al.,

25、2006; Dauphas and Rouxel, 2006Fe2+(aq)Fe3+(aq)2.83.0 Fe2O3-0.14 (E)-0.1-0.8 (K)-0.4-1.7 (B)-0.9-0.2 (K)FeSFeS40.32(E)-1.20.32(K)FeCO3-0.48(E)-2.1(K)5.1 常見(jiàn)分餾系數(shù)5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究?jī)?yōu)先富集輕同位素優(yōu)先富集重同位素PH=7，常溫，常溫, 水溶液為例水溶液為例 Fe3+： 2.097e-11 g/g, 0.374 nM 現(xiàn)今海水的溶解Fe含量：0.011 nM量級(jí)（Radic, EPSL, 2011） Fe2+: 5.255e-7

26、g/g, 9.38 uM FeSm: uM級(jí)（Rickard and Luther, Chem. Rev., 2007）溶解行為溶解行為5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究5.25.2 風(fēng)化風(fēng)化 在硅酸巖風(fēng)化過(guò)程中，流體一般優(yōu)先溶解輕Fe同位素 流體洗脫的鐵有限，殘留固相同位素組成變化不大Chapman et al., GCA, 2009酸淋洗試驗(yàn)5.25.2 風(fēng)化風(fēng)化The Nsimi lateritic profiles, South CameroonPoitrasson et al., CG, 20085. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究剖面條件：剖面條件：赤道氣候，年平均溫度：24，降雨量：1

27、630mm紅土，主要次生礦物：高嶺石，伊利石，針鐵礦，赤鐵礦5.25.2 風(fēng)化風(fēng)化Poitrasson et al., CG, 20085. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究p整個(gè)剖面的鐵含量有巨大的變化，然而全巖鐵同位素整個(gè)剖面的鐵含量有巨大的變化，然而全巖鐵同位素組成在分析誤差范圍內(nèi)和平均大陸地殼一致組成在分析誤差范圍內(nèi)和平均大陸地殼一致p解釋：整個(gè)剖面以三價(jià)鐵為主，溶解度有限，同位素解釋：整個(gè)剖面以三價(jià)鐵為主，溶解度有限，同位素分餾有限分餾有限風(fēng)化風(fēng)化NW, GermanySW, GermanyWiederhold et al., GCA, 2007灰土雛形土Dark Organic surf

28、ace layerGray depleted Eluvial horizonEnriched illuvial B hor. Fe, Al灰土一般形成于酸性基巖（石英砂巖、花崗巖等）、冷+潮濕、針葉林條件下，有機(jī)酸性物質(zhì)向下淋濾（Fe、Al）形成剖面排水良好，干體系，氧化條件灰土基巖：砂沉積物，砂巖；雛形土基巖：火山巖PH4PH5.55.95. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究 灰土：殘積層(E)鐵含量最低，淀積層(Bh,Bs)富集鐵；淀積層(Bh,Bs)的鐵同位素相對(duì)基層顯著偏輕。鐵富集的峰值位置為Bs,最輕的鐵同位素組成出現(xiàn)于Bh，反映有機(jī)絡(luò)合物富輕鐵。 雛形土：鐵含量和同位素組成均無(wú)變化風(fēng)化風(fēng)

29、化Wiederhold et al., GCA, 20075. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究鐵組分：0.5 M HCl（室溫，24 h） 無(wú)定形鐵1M NH2OH-HCl+1M HCl (90 , 4h) 氧化物殘?jiān)黸單個(gè)土壤樣品內(nèi)不同庫(kù)間的鐵同位素存在顯著分餾(57Fe = 3 )uBh層負(fù)57Fe的峰值反映輕鐵富集和有機(jī)質(zhì)富集間的關(guān)系u無(wú)定形鐵相對(duì)于硅酸鹽富輕鐵，風(fēng)化過(guò)程釋放輕鐵風(fēng)化風(fēng)化Wiederhold et al., GCA, 20075. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究風(fēng)化風(fēng)化Poitrasson et al., CG, 2008喀麥隆喀麥隆和菲律賓風(fēng)化剖面都貧有機(jī)質(zhì)，風(fēng)化產(chǎn)物以Fe3+

30、為主，反映氧化條件下，無(wú)生物作用參與時(shí)風(fēng)化導(dǎo)致的全巖鐵同位素分餾有限輕鐵同位素組成土壤富含有機(jī)質(zhì)；大的同位素分餾也可發(fā)生于還原條件下的化學(xué)風(fēng)化；有生物參與或還原條件時(shí)，風(fēng)化可以導(dǎo)致顯著的鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究5.35.3 水圈水圈Fantle and DePalo, 2004低鐵含量低鐵含量河水河水（可（可溶鐵端元）總體上溶鐵端元）總體上同位素組成偏輕同位素組成偏輕5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究河水顆粒物河水顆粒物Bergquist and Boyle, EPSL, 2006Pinheiro et al., JSAES, 2013雖然單個(gè)河流攜帶的顆粒物鐵同位素組成有差

31、異，但流域上總體攜帶的顆粒物鐵同位素組成和平均陸殼相近5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究Negro river: 黑水河黑水河 流經(jīng)雨林盆地，有機(jī)質(zhì)高流經(jīng)雨林盆地，有機(jī)質(zhì)高Negro, dis. Feu海底熱液，低溫?zé)崛叵滤锌扇芙忤F一般具有比硅酸鹽地球輕Fe同位素組成Johnson et al., Annual review, 2008熱液、地下水熱液、地下水區(qū)域區(qū)域DFe, C56FeDfePFe, C56FePFe西赤道太平洋0.451.46 nM0.060.454.6432.19 nM-0.020.29 中赤道太平洋0.060.61 nM0.010.58 0.411.39 nM0.1

32、40.46 亞熱帶北大西洋0.9 nM0.30.7東南大西洋海盆-0.130.21 大西洋-0.490.19 北海，濱岸1025 nM-0.700.15 1030 nM-0.300.65 加州濱岸海盆-1.820.03 De Jong et al., 2007; John and Adkins, 2010; Lacan et al., 2008, 2010; Radic et al., 2011現(xiàn)代海洋現(xiàn)代海洋5.45.4 沉積沉積56Fe by IRMM014碎屑沉積物相對(duì)火成巖碎屑沉積物相對(duì)火成巖沒(méi)有發(fā)生較大分餾沒(méi)有發(fā)生較大分餾; ;總體上，全巖尺度風(fēng)化總體上，全巖尺度風(fēng)化殘留物的分餾不顯

33、著殘留物的分餾不顯著B(niǎo)eard et al., 2003; Fantle and Depalo, 20045. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究化學(xué)沉積，亞鐵溶液連續(xù)氧化（平衡分餾） 平衡分餾水鐵礦與溶液始終平衡 瑞利分餾水鐵礦一旦結(jié)晶，立即離開(kāi)體系5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究沉淀水鐵礦沉淀水鐵礦殘余溶液殘余溶液u海底熱液，低溫?zé)崛?，地下水部分氧化時(shí)，隨著富重鐵同位素的氧化物沉淀，殘余水體Fe含量越低，同位素組成越輕Johnson et al., Annual review, 2008實(shí)例實(shí)例1 1：熱液、地下水：熱液、地下水5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究p砂巖中的鐵氧化物結(jié)核記錄了熱液沉淀氧

34、化物鐵同位素從重到輕的演化序列，指示了流體運(yùn)移的方向Busigny and Dauphas, EPSL, 2007實(shí)例實(shí)例2 2：美國(guó)猶他州砂巖美國(guó)猶他州砂巖5.55.5 成巖作用成巖作用( (diagenesis) )5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究Planavsky et al., GCA, 2012概念: 沉積物在它初始沉淀以后、巖化以后，經(jīng)歷的任何還沒(méi)達(dá)到變質(zhì)作用程度的化學(xué)、物理和生物的改變（不包括地表風(fēng)化）利用鐵同位素研究海洋-大氣的氧化還原條件是通過(guò)沉積巖進(jìn)行的u樣品： 沿北太平洋California海岸(Monterey Bay, Santa Barbara Basin) San

35、ta Barbara Basin，California，水深498m，高生產(chǎn)力，富有機(jī)質(zhì)，有區(qū)域最低的海底水O2濃度uFe同位素： Feporewater，F(xiàn)epyrite ，F(xiàn)etotal Fe0.5N HCl: 無(wú)定形Fe(3)氧化物，F(xiàn)eS, non-S Fe(2), 粘土礦物FeHR = Feaq + Fe(2)HCl + Fe(3)HCl + Fepy +Femagnetite5.55.5 成巖作用成巖作用5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究Severmann et al., GCA, 20065.55.5 早期成巖作用早期成巖作用5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究Severmann et

36、 al., GCA, 2006u總Fe的同位素組成和火成巖一致，活性Fe的同位素組成總體偏負(fù)，殘余Fe略重Severmann et al., GCA, 2006:u總Fe的同位素組成和火成巖一致，活性Fe的同位素組成總體偏負(fù)，殘余Fe略重，各個(gè)活性鐵組分有非常大的鐵同位素分餾u這些鐵氧化物、黃鐵礦能記錄海水的信息嗎？Severmann et al., GCA, 2006FeHCl中組分中組分的的Fe同位素同位素uFeS比黃鐵礦顯著重，F(xiàn)eSPy有分餾u水鐵礦具有異常負(fù)的Fe同位素，指示非海水直接沉淀，多次循環(huán)HClSevermann et al., GCA, 2006:休息Question?非

37、傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué) 氧化的海洋： （定量）鐵氧化物 缺氧的海洋： 假設(shè)海水56Fe -0.2 O2輸入： 鐵氧化物 HS-輸入： 硫化物原理原理6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)太古代BIF，貧氧海洋Li et al., GCA, 2013u澳大利亞西北部 Duffer for

38、mationu沉積時(shí)代：3.46 Ga6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)太古代BIF，貧氧海洋Li et al., GCA, 201356Fe從1.532.63，顯著重于其他時(shí)代的BIF6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)太古代BIF，貧氧海洋Li et al., GCA, 20136. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)太古代BIF，貧氧海洋Li et al., GCA, 2013這些BIF形成于低比例氧化，反映當(dāng)時(shí)的海水透光層還存在大量過(guò)剩的Fe2+，水體含氧量很低。經(jīng)估算，可能僅為現(xiàn)今透光層海水氧含量的0.0003%6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng) 部分硫化海洋火成巖，海底熱液火成巖，海底熱液

39、結(jié)晶結(jié)晶Fe氧化物，氧化物，水體變輕水體變輕Rouxel et al., Science, 2005元古代海洋結(jié)晶黃鐵礦，結(jié)晶黃鐵礦，水體變重水體變重6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)主要內(nèi)容1. 鐵同位素體系簡(jiǎn)介2. 分析技術(shù)要點(diǎn)3. 行星間鐵同位素差異4. 巖漿體系鐵同位素分餾5. 現(xiàn)代表生體系的鐵同位素研究6. 大氣氧含量演化與鐵同位素響應(yīng)7. 鐵同位素示蹤生命活動(dòng)遺跡8. 展望與啟示非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)Iron isotope biosignatures?Beard et al., Science, 1999 火成巖：(56Fe=0.0+/

40、-0.3) Sediments: (+0.9-1.6) Fe還原菌可以產(chǎn)生1.3的分餾uFe同位素可以示蹤生物作用非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)古老生命活動(dòng)遺跡古老生命活動(dòng)遺跡Anbar et al., Science, 2000生物氧化過(guò)程：Fe3+-Fe2+ +2.9 和無(wú)機(jī)過(guò)程測(cè)定的分餾系數(shù)無(wú)差別Balci et al., GCA, 2006Welch et al., GCA, 2003Johnson et al., EPSL, 2002Fe，C，S同位素協(xié)變？ Johnson et al., Ann Rev, 2008u沉積物中干酪根C同位素的負(fù)值越大，S的質(zhì)量相關(guān)分餾開(kāi)始增大，S的非質(zhì)量分餾越明顯，F(xiàn)e同位素的分餾也越大uJohnson et al., 2008Fe同位素與同位素與C，S同位素協(xié)同位素協(xié)變變非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素:鐵同位素地球化學(xué)鐵同位素地球化學(xué)古老生命活動(dòng)遺跡古老生命活動(dòng)遺跡Heimann and Johnson, 2010The 2.5