1.穩(wěn)定同位素地球化學(xué)
穩(wěn)定同位素地球化學(xué)是一門研究地球化學(xué)元素中穩(wěn)定同位素分布規(guī)律及其在自然界中的地球化學(xué)過程中的應(yīng)用的學(xué)科。穩(wěn)定同位素是指在自然界中不會發(fā)生放射性衰變的同位素,因此它們在地球化學(xué)過程中的存在狀態(tài)不會發(fā)生改變。穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的研究內(nèi)容包括穩(wěn)定同位素的測量、同位素分餾與同位素地質(zhì)年代學(xué)、同位素地球化學(xué)循環(huán)過程、同位素地球化學(xué)應(yīng)用等方面。穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究主要涉?zhèn)鹘y(tǒng)穩(wěn)定同位素(如:氫、氧、碳、氮、硫)及非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素(即:金屬同位素)。
圖1. 穩(wěn)定同位素地球化學(xué)研究涉及的同位素[8]
(資料圖片僅供參考)
除此,稀有氣體同位素(即:氦、氖、氬、氪等)在地球科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用,可以用來研究地球系統(tǒng)的演化、地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)、地球化學(xué)過程等方面。例如,氦同位素可以用來研究地幔的成分和演化歷史,以及地球內(nèi)部的地?zé)峄顒拥?。氬同位素可以用來研究大氣的演化歷史、地殼巖石的年齡、地球內(nèi)部物質(zhì)的分布和循環(huán)等。氪同位素則可以用來研究地球內(nèi)部的物質(zhì)分異過程、地殼巖石的形成和演化等。
圖2. 用于稀有氣體同位素測量的靜態(tài)真空質(zhì)譜計(圖片來源:中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學(xué)分析測試中心網(wǎng)站)
2.傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素(氣體同位素)地球化學(xué)傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)主要研究自然界中輕元素(C/H/O/N/S等)的穩(wěn)定同位素在地球化學(xué)過程中的應(yīng)用的學(xué)科,通常使用氣體源同位素比值質(zhì)譜儀(Gas source isotope ratio mass spectrometer,Gas-IRMS)。這種技術(shù)可以用于測量樣品中各種同位素的比例,例如氫、氧、碳、氮、硫等。Gas-IRMS是一種廣泛應(yīng)用于氣體同位素比值分析技術(shù),它可以測量樣品中各種同位素的比例,從而獲得樣品的同位素組成信息。Gas-IRMS的基本原理是將樣品分子或原子離子化后,通過磁場分離不同質(zhì)量的同位素,然后利用檢測器對不同同位素的信號進(jìn)行測量和記錄,最后計算不同同位素之間的比值。在實際分析中,通常將要分析的樣品先轉(zhuǎn)化為氣態(tài)化合物(如CO2、N2、H2等),再進(jìn)行質(zhì)譜分析,所以又稱為氣體同位素分析技術(shù)。
圖3. 氣相色譜-氣體同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀(中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心網(wǎng)站)
氣體體同位素技術(shù)有廣泛的應(yīng)用,例如地球化學(xué)循環(huán)過程、氣候變化、古氣候重建、生物地球化學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)等方面。氣體同位素可以通過地球上不同物質(zhì)的同位素比值進(jìn)行研究。這些同位素比值受到化學(xué)和生物過程的影響,因此它們可以提供關(guān)于這些過程發(fā)生的信息。 例如,在氣候變化研究中,氣體同位素技術(shù)可以用來研究古氣候記錄,通過分析化石或沉積物中的同位素比值,可以重建過去的氣候變化。在水文地質(zhì)學(xué)中,氣體同位素分析可以用來確定水的來源、流動路徑和水文地質(zhì)過程。在生物地球化學(xué)中,氣體同位素分析可以用來研究生態(tài)系統(tǒng)中不同物種的食物鏈關(guān)系和營養(yǎng)循環(huán)。總的來說,氣體同位素地球化學(xué)在多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,可以提供有關(guān)地球化學(xué)循環(huán)和生物地球化學(xué)過程的重要信息。氣體同位素地球化學(xué)是一種研究地球環(huán)境和生物地球化學(xué)過程的重要手段,其應(yīng)用范圍涉及氣候變化、水文地質(zhì)、生物地球化學(xué)、海洋生態(tài)學(xué)等多個領(lǐng)域。
3.氣體同位素技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域水循環(huán)和水文地質(zhì)學(xué):利用氣體同位素質(zhì)譜測量水中的氫、氧同位素組成,可以研究水的來源、循環(huán)、地下水補給和水文地質(zhì)問題。植物生態(tài)學(xué):通過測量植物體內(nèi)的碳、氮同位素組成,可以研究植物的光合作用效率、生態(tài)位、生長環(huán)境等問題。地質(zhì)學(xué)和礦床學(xué):通過礦物和巖石中的同位素組成,可以研究礦物和巖石的成因、演化和地球化學(xué)過程。大氣科學(xué)和氣候變化:利用大氣中的氧同位素、氮同位素和碳同位素組成,可以研究大氣的循環(huán)、氣候變化和全球變化問題。油氣地質(zhì)應(yīng)用:通過分析油氣中穩(wěn)定同位素的組成,可以研究油氣的來源和演化過程,幫助人們更好地探明油氣資源和評價油氣田勘探開發(fā)前景。氣體同位素技術(shù)可以用于研究油氣的成因。油氣主要由有機質(zhì)經(jīng)過高溫高壓作用形成,不同類型的油氣來源有所不同,其穩(wěn)定同位素比值也存在差異。例如,碳同位素比值可以用于區(qū)分不同類型的烴類物質(zhì),如原油、煤、天然氣等,從而判斷油氣的來源和成因。其次,氣體同位素技術(shù)可以用于研究油氣的演化過程。油氣在地質(zhì)過程中經(jīng)歷了多個階段的演化,不同演化階段對油氣的穩(wěn)定同位素組成也會產(chǎn)生影響。例如,硫同位素比值可以用于研究油氣中硫化合物的來源和演化過程,從而幫助人們判斷油氣儲層的類型和形成歷史。氣體同位素可以用于評價油氣田勘探開發(fā)前景。通過對油氣穩(wěn)定同位素的分析,可以研究油氣儲層的物質(zhì)來源和演化歷史,評價儲層的成藏條件和分布規(guī)律,進(jìn)而預(yù)測油氣田的勘探開發(fā)前景,指導(dǎo)油氣勘探開發(fā)的決策和實踐。
圖4. 利用碳?xì)渫凰靥卣鲗τ蜌膺M(jìn)行分類[8]
4.氣體同位素技術(shù)主要手段氫氧同位素:氫氧同位素示蹤技術(shù)是穩(wěn)定同位素地球化學(xué)中應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。在水文地質(zhì)、水資源調(diào)查、水文氣象學(xué)等領(lǐng)域,該技術(shù)可以用于研究地下水來源、水文循環(huán)和降水來源等問題。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,氫氧同位素技術(shù)可用于研究植物水分來源、土壤水分循環(huán)等問題。同時,氫氧同位素技術(shù)還可以用于古氣候重建和海洋生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域。碳同位素:碳同位素示蹤技術(shù)是一種研究生物地球化學(xué)和碳循環(huán)的重要技術(shù)。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,該技術(shù)可用于研究不同類型植物和土壤有機物來源和轉(zhuǎn)化過程,以及碳循環(huán)等問題。在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域,碳同位素技術(shù)可用于古氣候重建和古生物學(xué)等領(lǐng)域。氮同位素:氮同位素示蹤技術(shù)是一種研究氮循環(huán)和生物地球化學(xué)過程的技術(shù)。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,該技術(shù)可用于研究生物體內(nèi)不同類型氮元素來源和轉(zhuǎn)化過程,以及氮循環(huán)等問題。在氣候變化研究中,氮同位素技術(shù)可用于研究古氣候條件下不同生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)過程。硫同位素:硫同位素示蹤技術(shù)是一種研究地質(zhì)和環(huán)境地球化學(xué)過程的技術(shù)。在石油和天然氣勘探領(lǐng)域,該技術(shù)可用于研究油氣成藏和油氣運移等問題。在研究生態(tài)系統(tǒng)中的硫循環(huán)過程方面,硫同位素技術(shù)可用于研究硫代謝和硫酸鹽還原過程。
圖5.甲烷乙烷碳同位素在油氣地球化學(xué)中的應(yīng)用[9]
5.氣體同位素技術(shù)及未來發(fā)展提高測量精度和分辨率:隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,氣體同位素測量的精度和分辨率已經(jīng)得到很大提高。未來的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高穩(wěn)定同位素測量的精度和分辨率,以滿足更高級別的科學(xué)研究需求。新的氣體同位素示蹤技術(shù):傳統(tǒng)的穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)主要集中在氧、碳、氮、硫等元素上,未來的發(fā)展方向是發(fā)展新的氣體同位素示蹤技術(shù),以拓展穩(wěn)定同位素在地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)氣體穩(wěn)定同位素地球化學(xué)已經(jīng)在地球科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來的發(fā)展方向是推廣氣體同位素技術(shù)的應(yīng)用,讓更多的研究人員和行業(yè)工作者了解和使用穩(wěn)定同位素技術(shù),促進(jìn)其在實際應(yīng)用中的發(fā)展。開展多學(xué)科交叉研究:傳統(tǒng)的氣體穩(wěn)定同位素在地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。未來的發(fā)展方向是進(jìn)一步加強多學(xué)科交叉研究,將穩(wěn)定同位素技術(shù)與其他學(xué)科相結(jié)合,探索新的科學(xué)問題和應(yīng)用領(lǐng)域??傊瑲怏w穩(wěn)定同位素地球化學(xué)在未來仍然有廣闊的發(fā)展空間,技術(shù)的不斷提高和應(yīng)用的拓展將進(jìn)一步推動其在地球科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。(作者注:科普文章旨在將專業(yè)的知識用簡明易懂的語言傳達(dá)給盡量多的讀者,因此寫作過程中需要在專業(yè)性和易懂性之間取得平衡,這對作者來說是一項很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在文章的編寫過程中,作者盡可能地核查和使用可靠的資料以確保文章的準(zhǔn)確性和可信度。然而,由于知識的廣度和深度,以及個人專業(yè)知識的限制,仍然有可能存在遺漏和不足之處。因此,我們歡迎讀者提出任何關(guān)于本文的補充、修改或糾正,以幫助我們不斷完善和改進(jìn)文章的質(zhì)量。作者簡介:李中平,中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心研究員,中國地質(zhì)學(xué)會同位素地質(zhì)專業(yè)委員會委員,中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會秘書長。感興趣的領(lǐng)域為氣體地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、分析地球化學(xué)等;聯(lián)系方式:Email:lizhongping@lzb.ac.cn)
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