非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素鐵同位素演示文稿

非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素鐵同位素演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共78頁(yè)。優(yōu)選非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素鐵同位素當(dāng)前2頁(yè)，總共78頁(yè)。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(guò)程應(yīng)用實(shí)例當(dāng)前3頁(yè)，總共78頁(yè)。太陽(yáng)系中豐度最高的金屬元素最主要的變價(jià)元素之一生命活動(dòng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素大宗需求的基本工業(yè)原料當(dāng)前4頁(yè)，總共78頁(yè)。IsotopesOresOrganismEnvironment當(dāng)前5頁(yè)，總共78頁(yè)。54Fe，

56Fe，

57Fe，

58Fe5.84%，91.76%，2.12%，0.28%

當(dāng)前6頁(yè)，總共78頁(yè)。Fe同位素表示方式δ（千分偏差）或ε（萬(wàn)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，δ56Fe=0.677*δ57Fe（Zhuetal.,2001）當(dāng)前7頁(yè)，總共78頁(yè)。當(dāng)前8頁(yè)，總共78頁(yè)。當(dāng)前9頁(yè)，總共78頁(yè)。Fe同位素表示方式δ（千分偏差）或ε（萬(wàn)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，δ56Fe=0.677*δ57Fe（Zhuetal.,2001）當(dāng)前10頁(yè)，總共78頁(yè)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IRMM-014，由歐盟參考物質(zhì)及測(cè)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)（Beardetal.,1999,2003）兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)間的換算關(guān)系為：δ56Fe火成巖＝δ56FeIRMM-014-0.09‰

當(dāng)前11頁(yè)，總共78頁(yè)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的作用儀器質(zhì)量分餾（質(zhì)量歧視）（instrumentalmassdiscrimination)校正；DeltaZero數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控（化學(xué)純化、質(zhì)譜測(cè)定）不同實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)對(duì)比當(dāng)前12頁(yè)，總共78頁(yè)。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(jiǎn)單化合物（溶液）DeltaZero：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(cè)定）：與待測(cè)樣品的物質(zhì)組成相近；不同實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)對(duì)比：全球普遍采用的參考物質(zhì)當(dāng)前13頁(yè)，總共78頁(yè)。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(guò)程應(yīng)用實(shí)例當(dāng)前14頁(yè)，總共78頁(yè)。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當(dāng)前15頁(yè)，總共78頁(yè)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IRMM-014，由歐盟參考物質(zhì)及測(cè)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)（Beardetal.,1999,2003）兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)間的換算關(guān)系為：δ56Fe火成巖＝δ56FeIRMM-014-0.09‰

當(dāng)前16頁(yè)，總共78頁(yè)。整體地球（BulkEarth)的鐵同位素平均值隕石總體的δ56Fe變化范圍為-0.30‰～0.38‰，平均值為0.00±0.16‰（n=229）碳質(zhì)球粒隕石的δ56Fe變化平均值為0.00±0.10‰當(dāng)前17頁(yè)，總共78頁(yè)。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；δ56Fe變化平均值為0.00±0.23‰；與碳質(zhì)球粒隕石的鐵同位素組成一致。當(dāng)前18頁(yè)，總共78頁(yè)。地殼的鐵同位素組成玄武巖:

0.10±0.09‰（n=196);安山巖-流紋巖-閃長(zhǎng)巖-花崗巖：0.15±0.20‰（n=96）黃土：

0.13±0.18‰（n=14）頁(yè)巖：0.08±0.30‰（n=28）隕石地幔橄欖巖玄武巖安山巖-閃長(zhǎng)巖-英安巖頁(yè)巖黃土花崗巖流紋巖當(dāng)前19頁(yè)，總共78頁(yè)。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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IRMM-014接近，δ56Fe平均值在0附近；上地殼相對(duì)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。當(dāng)前20頁(yè)，總共78頁(yè)。水圈、化學(xué)沉積巖水圈的δ56Fe變化范圍約為-5~2.5‰氣溶膠、黃土、碎屑沉積物：δ56Fe在0附近河水、孔隙水、熱液流體：富集Fe的輕同位素當(dāng)前21頁(yè)，總共78頁(yè)。水圈、化學(xué)沉積巖碳酸鹽巖、熱液硫化物、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。當(dāng)前22頁(yè)，總共78頁(yè)。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(jí)別的升高，這種情況越明顯當(dāng)前23頁(yè)，總共78頁(yè)。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(guò)程應(yīng)用實(shí)例當(dāng)前24頁(yè)，總共78頁(yè)。鐵同位素的主要分餾過(guò)程同位素分餾機(jī)制回顧基本物理-化學(xué)-生物過(guò)程中的鐵同位素分餾重要地質(zhì)過(guò)程中的鐵同位素分餾當(dāng)前25頁(yè)，總共78頁(yè)。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(guò)去說(shuō)同一種元素的原子物理、化學(xué)性質(zhì)相同，是不準(zhǔn)確的。當(dāng)前26頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素效應(yīng)當(dāng)前27頁(yè)，總共78頁(yè)。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(duì)質(zhì)量差的函數(shù)；相對(duì)質(zhì)量差越大，同位素分餾越大，如H和D，16O和18O；相對(duì)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。當(dāng)前28頁(yè)，總共78頁(yè)。當(dāng)前29頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素的質(zhì)量效應(yīng)與核體積效應(yīng)235U與238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。當(dāng)前30頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素分餾機(jī)制Kineticsvs.Dynamics當(dāng)前31頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素平衡分餾的定性規(guī)律

（Aruleofthumb)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(duì)質(zhì)量差越大，同位素分餾越大。當(dāng)前32頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素平衡分餾的定性規(guī)律

（Aruleofthumb)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?。幌鄬?duì)質(zhì)量差越大，同位素分餾越大。當(dāng)前33頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素動(dòng)力學(xué)分餾一些物理、化學(xué)和生物過(guò)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(dòng)力學(xué)分餾。當(dāng)前34頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素動(dòng)力學(xué)分餾蒸發(fā)作用：太陽(yáng)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(guò)程光合作用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)造成生成物相對(duì)于反應(yīng)物富集輕同位素。當(dāng)前35頁(yè)，總共78頁(yè)。同位素動(dòng)力學(xué)分餾一些物理、化學(xué)和生物過(guò)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(dòng)力學(xué)分餾。當(dāng)前36頁(yè)，總共78頁(yè)。鐵同位素的主要分餾過(guò)程同位素分餾機(jī)制回顧基本物理-化學(xué)-生物過(guò)程中的鐵同位素分餾重要地質(zhì)過(guò)程中的鐵同位素分餾當(dāng)前37頁(yè)，總共78頁(yè)。物理-化學(xué)-生物過(guò)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、吸附作用生物作用當(dāng)前38頁(yè)，總共78頁(yè)。礦物間的鐵同位素平衡分餾根據(jù)理論預(yù)測(cè)，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(cè)的礦物分餾系數(shù)當(dāng)前39頁(yè)，總共78頁(yè)。火成巖中不同礦物的鐵同位素組成：磁鐵礦>角閃石≥黑云母>輝石>橄欖石>鈦鐵礦當(dāng)前40頁(yè)，總共78頁(yè)。Fe(II)aqFe(II)sFe(III)aqFe(III)sFemetalFe(II)ad氧化還原作用當(dāng)前41頁(yè)，總共78頁(yè)。氧化還原作用理論預(yù)測(cè)、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δ56Fe分餾可達(dá)~3‰，并且Fe(III)相對(duì)Fe(II)富集鐵的重同位素

(Johnsonetal.,2002,2005;Weltchetal.,2003;Wieslietal.,2004;BeardandJohnson,2004;Anbaretal.,2005;Balcietal.,2006)

Fe2+(aq)Fe3+(aq)~3.0‰當(dāng)前42頁(yè)，總共78頁(yè)。當(dāng)前43頁(yè)，總共78頁(yè)。溶解作用質(zhì)子作用的溶解（Proton-promoteddissolution）配位體控制的溶解（Ligand-controlleddissolution）還原性溶解作用（Reductivedissolution）當(dāng)前44頁(yè)，總共78頁(yè)。質(zhì)子作用的溶解作用稀鹽酸（HCl）對(duì)針鐵礦、角閃石的溶解（質(zhì)子作用的溶解）過(guò)程均不發(fā)生鐵同位素分餾稀HCl對(duì)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(guò)程中，鐵的輕同位素優(yōu)先溶解（Skulanetal.,2002;Johnsonetal.,2002;Wiederholdetal.,2006;Chapmanetal.,2009;Kiczkaetal.,2010）當(dāng)前45頁(yè)，總共78頁(yè)。配位體控制的溶解作用草酸對(duì)針鐵礦的溶解不發(fā)生鐵同位素分餾，但草酸對(duì)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(guò)程中，鐵的輕同位素優(yōu)先溶解（δ56Fe分餾值通常<1‰）（Brantleyetal.,2001,2004;Wiederholdetal.,2006）當(dāng)前46頁(yè)，總共78頁(yè)。還原性溶解作用還原性溶解作用，如針鐵礦、赤鐵礦等在還原條件下溶解形成Fe(II)離子。這一作用實(shí)際上疊加了兩個(gè)過(guò)程：1）Fe(III)礦物溶解形成Fe(III)離子，2）Fe(III)離子還原形成Fe(II)離子，其中還原過(guò)程是鐵同位素分餾的主導(dǎo)因素，因此這一過(guò)程總體上發(fā)生明顯的鐵同位素分餾，鐵氧化物和液態(tài)Fe(II)離子之間的δ56Fe分餾值為1~3‰（Beardetal.,1999;Icopinietal.,2004;Johnsonetal.,2005）。當(dāng)前47頁(yè)，總共78頁(yè)。當(dāng)前48頁(yè)，總共78頁(yè)。小結(jié)質(zhì)子作用和配位體控制的溶解作用中鐵同位素不發(fā)生分餾或分餾較??；還原性溶解作用過(guò)程中鐵的價(jià)態(tài)會(huì)發(fā)生改變，發(fā)生明顯的鐵同位素分餾溶解作用發(fā)生的分餾，鐵的輕同位素優(yōu)先被溶解。當(dāng)前49頁(yè)，總共78頁(yè)。吸附作用溶液中Fe(II)離子被吸附到鐵的氧化物/氫氧化物上，重的鐵同位素優(yōu)先被吸附，吸附鐵和溶液Fe(II)之間的分餾δ56Fe為0.4~1.2‰（Crosbyetal.,2005;Teutschetal.,2005;Mikuttaetal.,2009;Beardetal.,2010）吸附過(guò)程的鐵同位素分餾機(jī)制目前仍不清楚。鐵在溶液中可能存在不同的形態(tài)，而對(duì)某種或某幾種形態(tài)的選擇性吸附，可能是吸附作用導(dǎo)致同位素分餾的根本原因。當(dāng)前50頁(yè)，總共78頁(yè)。課間休息(10Min)當(dāng)前51頁(yè)，總共78頁(yè)。沉淀作用Fe(II)沉淀形成Fe(II)礦物（如硫化物、碳酸鹽礦物）Fe(III)沉淀形成Fe(III)礦物（如氫氧化鐵、赤鐵礦等）當(dāng)前52頁(yè)，總共78頁(yè)。硫化物的結(jié)晶沉淀作用黃鐵礦的形成過(guò)程：1）Fe(II)aq與H2Saq或HS-aq反應(yīng)生成四方硫鐵礦（FeS）；2）四方硫鐵礦溶解形成（FeS）aq并與多硫化物（Sn2-）或硫化氫（H2S）反應(yīng)生成黃鐵礦

當(dāng)前53頁(yè)，總共78頁(yè)。四方硫鐵礦形成過(guò)程的Fe同位素分餾四方硫鐵礦相對(duì)富集Fe的輕同位素（Bulteretal.,2005）當(dāng)前54頁(yè)，總共78頁(yè)。四方硫鐵礦反應(yīng)生成黃鐵礦過(guò)程的Fe同位素分餾Guilbaud

et

al.,

2011黃鐵礦相對(duì)富集Fe的輕同位素當(dāng)前55頁(yè)，總共78頁(yè)。氧化還原作用理論預(yù)測(cè)、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δ56Fe分餾可達(dá)~3‰，并且Fe(III)相對(duì)Fe(II)富集鐵的重同位素

(Johnsonetal.,2002,2005;Weltchetal.,2003;Wieslietal.,2004;BeardandJohnson,2004;Anbaretal.,2005;Balcietal.,2006)

Fe2+(aq)Fe3+(aq)~3.0‰當(dāng)前56頁(yè)，總共78頁(yè)。liu當(dāng)前57頁(yè)，總共78頁(yè)。海底熱液硫化物

海底熱液硫化物（Rouxel

et

al.,

2008）當(dāng)前58頁(yè)，總共78頁(yè)。鐵氧化物沉淀Fe(III)溶液沉淀形成Fe(III)沉淀物過(guò)程中，鐵的輕同位素優(yōu)先發(fā)生沉淀，F(xiàn)e(III)溶液和Fe(III)沉淀物之間的δ56Fe分餾值為0~1‰（Skulanetal.,2002;Balcietal.,2006;李津等，2012）當(dāng)前59頁(yè)，總共78頁(yè)。碳酸鹽沉淀Fe(II)溶液在常溫下沉淀形成碳酸鹽過(guò)程中，鐵的輕同位素優(yōu)先沉淀，F(xiàn)e(II)溶液和碳酸鹽之間的δ56Fe分餾值為0~0.9‰（Wieslietal.,2004;Johnsonetal.,2005）Wieslietal.,2004當(dāng)前60頁(yè)，總共78頁(yè)。當(dāng)前61頁(yè)，總共78頁(yè)。生物作用Fe同位素曾被認(rèn)為是“獨(dú)特的生物活動(dòng)示蹤劑”用來(lái)指示遠(yuǎn)古的或地外的生命活動(dòng)事件(BeardandJohnson,1999;Johnsonetal.,2008)

生物誘發(fā)過(guò)程（biologicallyinducedprocess）生物控制過(guò)程（biologicallycontrolledprocess）當(dāng)前62頁(yè)，總共78頁(yè)。生物誘發(fā)過(guò)程--異化鐵還原作用

（DissimilatoryIronReduction,DIR）異化鐵還原作用（DissimilatoryIronReduction,DIR）廣泛存在于還原性的沉積物、土壤和地層中，并且有可能是地球上最早的微生物代謝形式(Vargasetal.,1998；Thamdrup,2000)。異化鐵還原細(xì)菌通過(guò)代謝作用，將Fe（Ⅲ）氧化物還原成Fe（Ⅱ），同時(shí)使有機(jī)物或H2氧化。異化Fe（Ⅲ）還原過(guò)程中，F(xiàn)e（Ⅲ）氧化物為電子受體，還原產(chǎn)物Fe（Ⅱ）積聚于細(xì)胞外，不作為細(xì)胞成分進(jìn)入胞內(nèi)（Lovleyetal.,2004）當(dāng)前63頁(yè)，總共78頁(yè)。異化鐵還原過(guò)程的Fe同位素分餾機(jī)制原子-電子交換導(dǎo)致異化鐵還原過(guò)程的鐵同位素分餾機(jī)制示意圖（Crosbyetal.,2007）鐵并沒(méi)有真正進(jìn)入生物細(xì)胞體內(nèi)，鐵只是提供或接受電子，所產(chǎn)生的鐵同位素分餾值和無(wú)生物參與條件下產(chǎn)生的鐵同位素分餾值相同。當(dāng)前64頁(yè)，總共78頁(yè)。生物誘發(fā)過(guò)程--鐵的細(xì)菌氧化作用Fe(Ⅱ)在有氧環(huán)境下可以被氧化，在貧氧和缺氧環(huán)境中可以被鐵氧化細(xì)菌氧化，鐵氧化細(xì)菌通過(guò)這一作用獲取生長(zhǎng)所需的能量。例如，化能型鐵氧化細(xì)菌可以在中酸性條件下氧化Fe(II)并還原硝酸鹽；光能型鐵氧化細(xì)菌在光照條件下氧化Fe(II)并固定CO2合成細(xì)胞有機(jī)物；這一作用主要發(fā)生于細(xì)胞外周質(zhì)中和細(xì)胞膜上，未見(jiàn)發(fā)生于細(xì)胞內(nèi)（Benzetal.,1998;Edwardsetal.,2000）。當(dāng)前65頁(yè)，總共78頁(yè)。Balci等（2006）研究了酸性條件和氧化亞鐵硫桿菌作用下Fe(II)aq氧化形成Fe(III)aq過(guò)程產(chǎn)生鐵同位素分餾，結(jié)果表明：Fe(III)aq與Fe(II)aq之間的分餾值（△56FeFe(III)aq-Fe(II)aq）為2.2‰或2.9‰。這一分餾結(jié)果與無(wú)生物參與實(shí)驗(yàn)條件下、或理論預(yù)測(cè)的Fe(III)aq與Fe(II)aq之間的分餾值相似（Anbaretal.,2005;Balcietal.,2006）。當(dāng)前66頁(yè)，總共78頁(yè)。生物控制過(guò)程Zhu等(2002)的研究表明：Azotobactervinelandii菌鐵氧化還原蛋白(ferredoxin-I)吸收鐵過(guò)程，相對(duì)于培養(yǎng)液FeCl3，鐵氧化還原蛋白富集鐵的輕同位素，Δ56Fe鐵氧化還原蛋白-FeCl3=-0.90‰豬、馬、牛血紅蛋白的鐵同位素組成δ56Fe為-2.7‰~-3.35‰。生物吸收過(guò)程優(yōu)先吸收Fe的輕同位素