非传统稳定同位素-3-铁同位素(2).ppt

1 Fe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 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 56Fe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 Chengetal 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 Krachleretal 2005 2010 铁主要赋存在悬浮颗粒物中 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 Johnsonetal 2002 2005 Weltchetal 2003 Wieslietal 2004 BeardandJohnson 2004 Anbaretal 2005 Balcietal 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 massbalance 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 Rayleighdistillation Rayleighfractionation A B RA RBRB R0 f 1 瑞利分馏 A B RA RBRB 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 RBRB 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 Staubwasseretal 2006 成岩过程 Staubwasseretal 2006 压实胶结新矿物形成重结晶溶解 成岩过程 Staubwasseretal 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 Staubwasseretal 2006 A FeandMnboundinFeoxyhydroxidesandMnoxides reactiveFe III andMn IV leachedfromlaminatedcore112KGfromtheArabianSeaoxygenminimumzoneandcorrectedforleachedsilicateFe x axislabel gmetal Me pergsediment B Feisotopiccomposition 56FerelativetoIRMM 14 1 uncertainty ofreactiveFe III andbulksedimentfromlaminatecore112KG C SameasinA butfortop oxiccore115KG ReactiveFeconstitutes10 20 ofthebulkFe D AsinB butfromtop oxiccore115KG 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 Staubwasseretal 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 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 Conwayetal 2014 海洋中铁同位素的地球化学循环 1 据AnbarandRouxel 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 课间休息 10Min 3 应用 行星天体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 Constraintsonthehomogeneityoftheearlysolarnebula Thedegreeofchemical Elementsaresynthesizedinstarsdifferentstarsproduceelementswithdifferentproportionsofisotopes Oxygenisotopeanomaliesinmeteoriticmaterials O isotopeanomalieswidespreadinmeteoriticmaterials Nucleosyntheticsignatures Chemicalreactions MIF Thiscorrelationisverysimple butveryimportant Itdemonstratesthatalltheanalysedterrestrialandextraterrestrialmaterialsareultimatelyfromasingleuniformsource 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 条带状铁建造是前寒武纪特有的海水化学沉积的产物 可分为Algoma型和Superior型前者规模现对较小 并且与火山岩关系密切 后者规模较大 与火山岩关系不明显 BIF在全球广泛发育 是最重要的铁矿类型 全世界90 的铁产自BIF 在我国 BIF型铁矿占全国总储量的57 8 BIF是前寒武纪环境信息的重要载体 它记录了当时地球深部 大气 海洋和生物的状况 最早的BIF形成于38亿年 格陵兰 25亿年左右达到峰值到18亿年左右大规模的BIF结束7亿年左右又因雪球地球事件而在全球再次出现 古土壤 碎屑黄铁矿 碎屑晶质铀矿等 缺氧环境 Fe以 2价的可溶态存在S不能被活化迁移 海水贫硫海洋是个巨大的铁库 BIF的铁同位素组成与铁的沉淀程度 鞍山 本溪 绿片岩相 角闪岩相新太古代氧化物型 冀东 绿片岩相 麻粒岩相古太古代 古元古代氧化物型 五台 吕梁 绿片岩相 低角闪岩相新太古代 古元古代氧化物型 碳酸盐型 江西新余 新余式铁矿 主要分布在扬子陆块东南缘中西段 在大地构造上与江南古陆边缘延长方向平行 呈带状分布 已发现良山 杨家桥等一批铁矿床 铁矿层产在南沱冰蹟层上下两含砾层之间 相当于南华冰期福绿间冰期 是我国时代最新的BIF型铁矿 南芬 弓长岭 东鞍山 大孤山 氧化还原作用对Fe同位素分馏的影响 磁铁矿的形成1 海洋中二价铁溶液被氧化为三价铁溶液Fe2 aqFe3 aq2 三价铁溶液沉淀为三价铁的氧化物或氢氧化物Fe3 aqFe3 ppt3 相对于 2价铁 三价铁溶液沉淀为三价铁的氧化物或氢氧化物 沉淀程度对Fe同位素分馏的影响 如果假定沉淀物形成之后与溶液中的Fe同位素交换可以忽略不计 则沉淀物的Fe同位素组成随沉淀程度的变化可以通过瑞利分馏模式进行模拟RB RA f a 1 a 10000 e57FeA 10000 e57FeB e57Fe残留 e57Fe原始 10000 f a 1 10000e57Fe磁铁矿 a e57Fe残留 沉淀程度对Fe同位素分馏的影响 溶液中残留部分的Fe同位素组成将随沉淀的进行而变轻 使后期沉淀的铁较前期沉淀的铁具有较轻的同位素组成 鞍本地区BIF的Fe同位素成分变化可以通过不同沉淀程度得到解释 当BIF的e57Fe为10时 海水中大约有25 的磁铁矿发生了沉淀 沉淀程度对Fe同位素分馏的影响 Fe同位素成分与TFe2O3含量存在负相关关系 即随着样品中铁含量的增高 铁同位素成分变轻 这一变化趋势表明沉淀程度是控制BIF中Fe同位素组成变化的重要因素 海水的氧化还原状态控制铁的沉淀程度铁的沉淀程度影响Fe同位素的质量分馏 沉淀程度对Fe同位素分馏的影响 随着沉淀比例的增大 磁铁矿和海水中残留的Fe同位素组成逐渐变轻 鞍本地区BIF的Fe同位素成分变化可以通过不同沉淀程度得到解释 当BIF的e57Fe为18时 海水中大约有5 的磁铁矿发生了沉淀 当BIF的e57Fe为10时 海水中大约有25 的磁铁矿发生了沉淀 新元古代铁矿研究 江西新余铁矿 新元古代铁矿研究 湘黔桂三江条带状铁建造 新余铁矿的铁同位素研究 新余式铁矿是我国时代最新的BIF型铁矿 铁矿层产在南沱冰碛层上下两含砾层之间 相当于南华冰期富禄间冰期 铁同位素组成远高于硅酸盐地球的平均值 水体中的铁没有被完全氧化沉淀 沉积盆地的水体并没有处于一种和大气充分交换的状态 宣龙式铁矿与中元古代海洋环境 鲕状为主 少数呈肾状 矿石矿物主要为赤铁矿和菱铁矿 鲕状赤铁矿 肾状赤铁矿 菱铁矿 赤铁矿 宣龙式铁矿与中元古代海洋环境 Lietal GCA 2013 朱祥坤等 2013 黄铁矿铁同位素对海洋氧化还原环境的响应 早太古代存在BIF的Fe同位素证据 格陵兰Akilia岛的早太古代条带状铁英岩的成因 BIF 研究难点 发生了强烈的变质作用 所获得的信息能否代表原始的信息具有很大的不确定性 Ironisotopeevidence Dauphasetal 2004 Fe Mn结壳是由从海水中沉淀出来的铁锰氧化物和氢氧化物在水下海山上缓慢生长形成的 铁锰结壳的Fe同位素变化 铁锰结壳是海水信息的重要载体 由于铁锰结壳极低的生长速率和较稳定的形成环境 使它成为古海洋学和全球变化研究的理想 化石 许多学者使用了不同的同位素手段研究了Fe Mn结壳 为海洋循环模式的变化 以及与气候和构造之间的关系提供了有用的信息 放射性同位素 如 Hf Nd Pb和Os等 非传统稳定同位素 如 Fe Mo等同位素 北大西洋的一套6Ma以来的Fe Mn结壳Fe同位素组成与Pb同位素组成随时间演化相一致Fe同位素变化主要是受陆源源区Fe的输入所控制 Zhuetal 2000 两端元混合模式解释海水Fe同位素组成变化 大气降尘 海底热液 Beardetal 2003 Themorelikelyexplanationisthatthevariationsareinducedlocallywithintheocean Levasseuretal 2004 血液的Fe同位素组成与疾病预测 人体主要通