当期目录

2024年 第30卷 第03期    刊出日期：2024-07-03

上一期   

青年地质学家专辑（Ⅰ）

前言

陈骏

2024, 30(03):  240. 

摘要 ( 1166 )   PDF (466KB) ( 92 )  

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运用成壤碳酸盐叁氧同位素重建古湿度的原理

达佳伟

2024, 30(03):  241-252.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023069

摘要 ( 1114 )   PDF (1107KB) ( 133 )  

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成壤过程中形成的次生碳酸盐（成壤碳酸盐）是古气候研究中的重要材料，在过去研究中被广泛用来重建大气CO₂浓度、古植被（C₃、C₄植被）、古高程、降雨量和温度的演化。然而，和绝大部分其它古气候指标一样，成壤碳酸盐指标（稳定碳氧同位素、微量元素等）也受到多个气候因子的控制而具有多解性，因此需结合多个指标耦合分析才能获取可靠的古环境信息。随着近年来同位素测试手段的发展，在传统¹⁸O/¹⁶O的基础上，叁氧同位素（¹⁷O/¹⁶O）测试越来越多地被应用于古气候领域。成壤碳酸盐继承了土壤水的氧同位素信号，可以重建土壤水的¹⁷O异常。土壤水的Δ′¹⁷O主要受控于土壤水的蒸发过程，可反映空气湿度的变化。文章详细介绍了成壤碳酸盐叁氧同位素的理论基础，结合现有的土壤水叁氧同位素模型，定量探讨了各个气候因子对成壤碳酸盐叁氧同位素的影响。


锶同位素地层学新方法探究

蔡 悦

2024, 30(03):  253-268.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024015

摘要 ( 1222 )   PDF (2031KB) ( 196 )  

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锶同位素地层学（Strontium Isotope Stratigraphy, 简称SIS）是建立海相沉积岩层年代模型的一种重要方法。该方法在油气勘探、古气候重建等领域有着广泛的应用。应用SIS的前提是：（1）全球海水锶同位素成分相对均一且随时间推移逐渐变化；（2）样品的锶同位素代表样品形成时原始海水的成分。但是，后期成岩蚀变以及样品表面吸附的杂质会改变样品的锶同位素组成，从而造成无意义的SIS年龄。因此，样品选择与前处理至关重要。文章全面总结了已有的海相碳酸盐岩锶同位素地层学的测试方法，包括样品前处理和锶同位素测试。近年来，为了精准地提取古海洋成分信息，多项应用碳酸盐钕、铅和锂同位素的研究对样品前处理流程进行了深入的探讨。结合这些领域的新发展，作者全面地研究了一个具有独立年龄限制的采集于埃及苏黎世海湾浅海中新世沉积地层中的牡蛎化石样品，根据淋洗溶液中的元素含量变化，推荐一套新的碳酸盐样品前处理流程。文章同时也总结和比较了使用热电离质谱仪（TIMS）和多接收电感耦合等离子质谱（MC-ICPMS）测试的锶同位素的准确度和精度。尽管对于锶含量较高的样品，新一代MC-ICP-MS能够达到与老一代TIMS相似的精度，但是对于含量较低或者对精度要求较高的样品，TIMS仍然是SIS研究的首选。最后，作者对使用MC-ICP-MS开展锶同位素地层学提出一些建议。


海洋锂循环及其对表层碳循环的指示

曹 程

2024, 30(03):  269-287.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024022

摘要 ( 1000 )   PDF (3114KB) ( 266 )  

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以地球系统科学的视角研究大气二氧化碳含量对地球宜居性的扰动是当今最为前沿的地球科学问题之一。大气二氧化碳浓度受控于火山、地幔排气、大陆风化和反风化等过程。大陆风化和高温热液作用是海洋锂的主要来源，而反风化作用则是海洋锂储库的汇。风化过程、热液蚀变和反风化过程中，锂同位素发生不同程度的分馏, 而这些源和汇过程中的锂通量及其同位素的分馏共同控制了海水的锂同位素组成。因此，海水锂同位素组成可用于地表环境深时碳循环的示踪。近年来，通过海洋碳酸盐岩的锂同位素、87Sr/86Sr比值及碳同位素等指标的联用，来示踪新生代和前寒武纪等关键地质时期的构造—气候—风化共同影响的碳循环过程是研究热点。文章梳理了现代海洋锂元素循环的源汇过程，重新限定大陆风化和高温热液输入海洋的锂同位素组成。并在此基础上，分析了目前海水锂同位素质量平衡模型中的不确定性，探讨了海水锂同位素记录在示踪深时碳循环方面的应用和局限性，为锂元素及其同位素指标的应用和全球锂循环研究的深入提供参考。


新元古代氧化事件驱动海洋Ba 循环变化

卫 炜, 隋佩珊, 陈婷婷, 黄 方

2024, 30(03):  288-296.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024009

摘要 ( 970 )   PDF (946KB) ( 277 )  

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新元古代晚期出现大气和海洋氧气含量显著升高的现象，即新元古代氧化事件（NOE）。该事件可能促使了后生动物的出现与辐射以及复杂生态系统的建立。海洋中的氧化过程可改变海水的化学组成，如Fe、C、S的价态和种型，而海水中Ba的生物地球化学循环则主要受S的种型及浓度的控制，特别是硫酸根浓度。文章介绍了NOE如何改变海洋Ba循环：（1）NOE之前，海水硫酸根浓度极低，Ba循环处于保守状态；（2）NOE期间，海水硫酸根浓度升高，处于重晶石过饱和状态，导致沉积物中过剩Ba的富集以及层状重晶石的形成；（3）NOE之后，海洋重晶石过饱和状态一直持续到古生代末期，而中生代以后海洋硫酸根充足，Ba循环主要受控于生产力，呈现非保守性。此外，文章还指出，Ba同位素在重建新元古代晚期海洋Ba浓度，继而反演海水硫酸根浓度（即氧化程度）研究中均具有独特的优势。


污染土壤中含锌矿物—溶液之间的同位素平衡分馏效应

何洪涛, 谷一帆, 邢乐才, 王艳芳, 杨 阳, 蔡兴平, 何雨旸

2024, 30(03):  297-311.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024006

摘要 ( 937 )   PDF (1441KB) ( 256 )  

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表生环境中，复杂的物理化学过程导致的锌（Zn）同位素分馏严重干扰了污染物的源解析。利用同位素手段示踪重金属污染的前提是精确确定污染土壤中典型含Zn矿物—水溶液之间的Zn同位素分馏系数。该研究基于密度泛函理论的第一性原理计算，探索了水合Zn²⁺，含Zn层间羟基物矿物、含Zn层状双金属氢氧化物、含Zn三八面体型黏土矿物，和高岭石（010）面及铁锰（氢）氧化物表面吸附态Zn²⁺的最稳定几何结构，及不同形态Zn与水溶液相的Zn²⁺之间的同位素平衡分馏系数。结果表明，六配位表面吸附态略微富集⁶⁴Zn（Δ^66/64Zn=-0.29‰~-0.20‰），而四配位表面吸附态富集⁶⁶Zn（Δ^66/64Zn=0.45‰~0.73‰）。当Zn转变为更稳定的晶质沉淀物时，次生矿物显著富集⁶⁶Zn（Δ^66/64Zn=0.51‰~1.11‰）。基于获得的不同形态Zn与水溶液之间的同位素分馏系数，成功地模拟出平衡分馏和动力学分馏模式下电镀废弃物、铅锌矿石、熔炼烟气和冶金污泥等单一污染源影响下的土壤Zn同位素组成演化趋势，通过对比已知Zn同位素比值甄别出了污染土壤中Zn的主要来源。



锌同位素环境地球化学研究进展

程文瀚, 吴 萌, 赵艳丽, 赵俊哲

2024, 30(03):  312-321.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024036

摘要 ( 932 )   PDF (827KB) ( 355 )  

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锌是生命活动必需的微量元素之一，但在过量的情况下，会造成环境污染、生态毒害和人体健康危害，因此锌的环境地球化学行为研究是科学合理利用锌的基础，也是相关领域的研究热点。锌有五个稳定同位素，不同来源的锌同位素组成不同。通过测定不同环境样品中的锌同位素组成，为研究锌的环境地球化学提供了新的手段。近年来随着多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）测试技术的发展，锌同位素环境地球化学研究已经覆盖了化学风化、污染溯源、古气候重建和生物过程等，并且新的研究领域不断拓展。文章对锌同位素分析方法及其在环境地球化学方面的研究现状进行详细综述，并对锌同位素环境地球化学的未来发展进行展望，以期推动该领域的进一步发展。


真菌促进硅酸盐矿物风化的速率、机制以及地质、地球化学效应

李子波, 陆现彩, 滕 辉, 刘连文, 郄文昆, 庞 科, 张文轩, 季峻峰, 陈 骏

2024, 30(03):  322-335.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024011

摘要 ( 1016 )   PDF (2420KB) ( 152 )  

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真菌分布广泛，从地球表层到深达1.4 km的陆壳都可以找到它们的存在。根据它们的生态习性和营养方式，真菌可分为腐生、共生和寄生真菌。菌丝是真菌的基本结构单位。真菌的菌丝通过其顶端延长的生长方式和强大的代谢能力，在硅酸盐矿物的风化过程中发挥独特的作用，尤其是对含有营养元素的硅酸盐矿物。这一过程调控着成壤、成矿，以及元素的生物地球化学循环等重要地质与地球化学过程。但是，真菌在硅酸盐自然风化过程中发挥的作用一直没有受到足够的重视。本文首先梳理了真菌的生长方式，旨在阐明其促进硅酸盐矿物风化的速率、机制以及对硅酸盐矿物自然风化的贡献。通过文献回顾并结合全球变化的背景，本文提出了未来相关工作重点攻关方向；（1）进一步限定真菌在自然环境中对硅酸盐矿物风化的贡献；（2）阐明真菌促进的硅酸盐矿物风化与地质、地球化学过程的偶联；（3）应用功能真菌提高陆地增强硅酸盐风化（enhanced silicate weathering）的碳去除效率。这些研究将深化对真菌在地表关键过程中扮演角色的认识，为地球系统模型（GEOCARB、COPSE和SCION）提供重要信息，提高不同圈层相互作用预测的准确性，并为增强硅酸盐风化实现高效固碳提供新途径和科学依据。


山脉隆升驱动硅酸盐风化机制研究进展

李石磊, 陈 旸, 陈 骏

2024, 30(03):  336-344.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024024

摘要 ( 911 )   PDF (913KB) ( 252 )  

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山脉隆升与气候变化的关系是近几十年来的研究热点。自20世纪80年代著名的“构造抬升驱动气候变冷”假说在提出以来，山脉隆升通过硅酸盐风化驱动百万年尺度气候变化的观点已深入人心。尽管许多大陆风化记录已经建立，但它们往往存在多解性，难以直接验证该假说。这激发了大量从现代过程角度验证该假说的研究，但部分研究发现山地流域的风化不受物理剥蚀过程控制，因此不太可能响应构造活动而发生变化，与“构造抬升驱动气候变冷”假说的核心观点相矛盾。文章综述了山脉隆升驱动硅酸盐风化机制研究的相关进展并分析了这一矛盾产生的原因，探讨了异地风化作为解决该矛盾的新风化机制的可能性，并初步展望了异地风化研究领域的机遇和挑战。


湖北庙垭碱性杂岩体中铌成矿作用：来自金红石矿物学和年代学的制约

应元灿, 陈 唯, 柳加俊, 杨 帆, 蒋少涌

2024, 30(03):  345-361.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024019

摘要 ( 1157 )   PDF (6817KB) ( 164 )  

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庙垭碱性杂岩体主要由富Nb和REE的碳酸岩和正长岩组成，已探明Nb₂O₅储量93万吨，平均品位0.12%，是国内仅次于白云鄂博的碳酸岩型Nb-REE矿床。前人对碳酸岩成因及稀土成矿作用开展了大量的研究，但对正长岩中铌的赋存状态和富集机制尚不清楚。文章在野外地质调查的基础上，结合TIMA、电子探针和LA-ICP-MS分析技术对正长岩中含铌矿物开展了详细的岩相学、矿物化学和U-Pb年代学研究。结果显示庙垭正长岩中主要含铌矿物为金红石，根据矿物结构和化学组成可划分为岩浆金红石和热液金红石两类。其中岩浆金红石少见，而热液金红石在各类正长岩中广泛发育，多呈浸染状沿原生金红石边缘或裂隙分布，或与黑云母和钛铁矿等其它矿物紧密共生。在化学组成上，原生金红石显示低Nb₂O₅（1.43%~2.56%）、FeO（0.74%~1.01%）和微量元素（如Ta、Cr、V、W、Mo、Sb）含量特征；而热液金红石具有不同程度的Nb2O5（3.48%~20.68%）、FeO（1.18%~6.92%）和微量元素富集特征。原位微区U-Pb定年显示两类金红石形成于不同的时代，原生金红石形成时代为446±21 Ma，而热液金红石形成时代为240±19 Ma，表明正长岩中铌矿化经历了早古生代岩浆阶段的初次富集和三叠纪热液交代阶段的二次富集。综上，我们认为庙垭杂岩体中铌富集成矿受控于岩浆和热液过程。在早古生代岩浆阶段，正长岩中Nb主要以晶格置换的方式进入早期金红石、黑云母等含钛矿物中；在三叠纪热液交代阶段，热液流体可分解黑云母形成次生富铌金红石和铌铁矿，亦或交代早期金红石和钛铁矿最终形成富铌金红石。


有孔虫方解石壳体化学组成的生命效应机理探究

孙倩元, 陈天宇

2024, 30(03):  362-370.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024014

摘要 ( 992 )   PDF (1682KB) ( 175 )  

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有孔虫壳体钙化形成的方解石中的元素和同位素组成在重建古海洋演化方面有着广泛的应用。然而，前人发现有孔虫方解石和同海水成分的溶液中沉淀的无机方解石的化学组成有着显著差异，表明有孔虫方解石壳体的化学组成受到了“生命效应”的影响。为了探究这种“生命效应”背后的控制因素，更可靠地利用古海洋指标，前人从钙化过程及元素分配机理方面开展了一系列研究。文章总结了目前提出的有孔虫钙化的两种主要方式，即海水液泡内吞作用与Ca2+离子跨膜转运作用。其中，在封闭或半封闭的钙化空间内，流体微量元素组成随着碳酸钙沉淀产生的瑞利分馏效应，成为解释有孔虫微量元素分配“生命效应”机理的经典模型。然而，这一模型仍难以定量解释有孔虫方解石壳体低镁的机制、钙同位素组成、以及镁钙比值对温度的敏感性。生物碳酸盐，包括有孔虫方解石，在形成时可能普遍存在亚稳态前驱碳酸盐物相。亚稳态前驱碳酸盐转化成方解石时产生的微量元素分配效应可能是解释有孔虫低镁的重要原因。最近，球文石物相在活体有孔虫中的发现支持了这一认识，但碳酸盐前驱体转化为方解石时的微量元素分配和同位素效应目前罕有研究。文章着重介绍了有孔虫中球文石前驱体转化为方解石时微量元素的分配模型，这一模型可以定量解释有孔虫低镁的现象。同时，结合前人实验室合成球文石和有孔虫方解石壳体的Ca同位素数据，类比颗石藻钙化过程中的Ca同位素分馏机制，作者从钙同位素角度进一步推测有孔虫方解石壳体化学组成的生命效应机理。亚稳态前驱体在有孔虫钙化过程中可能对微量元素分配与同位素分馏的“生命效应”有着重要贡献，未来需从其它微量元素和同位素的角度对该模型进一步验证。


利用钒同位素来确定月球形成物质的比例

石 震, 戚玉菡, 黄 方, 丁 昕

2024, 30(03):  371-378.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023065

摘要 ( 955 )   PDF (1037KB) ( 118 )  

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经典碰撞模型是目前解释月球形成过程的最广为接受的假说，其要求一个约火星大小的撞击体Theia与吸积最后阶段的原始地球相撞，且月球主要来自撞击体Theia。然而关于撞击体对于月球质量贡献的百分比仍缺乏精确的制约。该研究采用地幔橄榄岩和科马提岩的高精度测量数据，用于重新评估硅酸盐全地球（BSE）的V同位素组成，相比之前的研究，新的数据表明δ⁵¹VBSE=-0.91‰±0.02‰ （2SE, n=18）。将其重新代入到地月双组分混合模型中，考虑了一个包含撞击前（原地球、Theia）和撞击后（地球、月球、逸出物质）成分的系统，得出现今月球中Theia的质量分数的最佳估计为M_Theia=0.8*M_Mars时的73%到M_Theia=0.45*M_Earth时的83%。这与先前的研究相比，降低了对Theia在月球形成中的贡献度约5%。这一结果为经典碰撞模型提供了更可靠的参数，有助于深化对月球形成过程的理解。