鐵同位素地球化學(xué)研究

司飛

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)院， 四川成都 610059）

同位素地球化學(xué)作為地球化學(xué)的一個(gè)重要分支，在研究天然物質(zhì)中同位素演化規(guī)律、地質(zhì)演化事件定年等方面發(fā)揮巨大作用。隨著同位素地球化學(xué)分析方法的開發(fā)和應(yīng)用以及同位素測(cè)試儀器和技術(shù)的改進(jìn)和革新，諸多以前無法研究的樣品，現(xiàn)在通過實(shí)驗(yàn)，也可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)與信息，極大的拓寬了同位素地球化學(xué)研究?jī)?nèi)容［1］，作為新興技術(shù)之一的鐵同位素，其組成為氧化還原條件、成礦作用等重大理論和應(yīng)用提供新的認(rèn)識(shí)，根據(jù)同位素的組成與顯著分餾規(guī)律，能夠示蹤巖漿形成過程時(shí)物化條件和演化過程［2］。

自然界之中鐵分布廣泛，是高豐度的變價(jià)元素，其廣泛的參與低溫與高溫環(huán)境下各類無機(jī)或生物氧化還原的過程，同時(shí)也是地質(zhì)過程中重要的氧逸度緩沖劑［3］。在研究太陽系以及早期行星的演化方面鐵同位素顯示出其獨(dú)特的作用。通過學(xué)者們對(duì)大量巖石樣品的同位素測(cè)試，表明自然界巖石中鐵同位素的組成變化范圍為ε57Fe=-51.8～+46.5，圖1是在不同地質(zhì)儲(chǔ)庫之中鐵同位素的組成數(shù)據(jù)分布圖［4］。隨著對(duì)鐵同位素的分餾機(jī)制理解加深，各種體系之中分餾系數(shù)的累積，鐵同位素將在地球科學(xué)的方方面面得到應(yīng)用。

1 人鐵同位素性質(zhì)及組成

1.1 鐵同位素基本概念

圖1 不同地質(zhì)儲(chǔ)庫中的鐵同位素變化

在自然界之中，54Fe、56Fe、57Fe、58Fe是 鐵的四種穩(wěn)定同位素，其豐度分別為5.845%、91.754%、2.119%、30.282%［5］。區(qū)別于傳統(tǒng)的C、H、O等輕同位素，鐵等過渡族元素稱重同位素。一直以來，類似于鐵等重同位素研究較少原因有：①鐵同位素之間相對(duì)質(zhì)量差比較小，分餾程度比其它輕穩(wěn)定同位素要??；②由于原質(zhì)譜儀不能夠精確測(cè)定同位素的組成真實(shí)變化。近年來，質(zhì)譜儀測(cè)試方法的改進(jìn)和提高，實(shí)現(xiàn)了同位素組成的高精度測(cè)量。

1.2 不同地質(zhì)儲(chǔ)庫的鐵同位素組成

在不同地質(zhì)背景下形成的火成巖，鐵同位素的組成幾乎相同，這是Fe同位素的顯著特征之一［6-8］。Zhu等在對(duì)地幔橄欖巖和輝石包體的研究顯示，ε57Fe的變化范圍是-2.2～1.2；Poitrason等在對(duì)地幔的13個(gè)巖石樣品進(jìn)行鐵同位素研究顯示ε57Fe的變化范圍是0.06～1.68。在碎屑沉積巖之中ε57Fe的變化范圍為-3.1～5?，F(xiàn)代富氧的地球環(huán)境上，巖石來源（陸源沉積物等）的鐵同位素成分與火成巖類似，表明在富氧的環(huán)境下,鐵是一種保守元素，地質(zhì)作用過程沒有使鐵發(fā)生較大的分餾［9］。

2 鐵同位素地球化學(xué)行為

2.1 表生過程中鐵同位素的地球化學(xué)化學(xué)行為

在地球科學(xué)之中，表生是基本的地質(zhì)過程之一，主要是基巖風(fēng)化作用。通過物理運(yùn)動(dòng)和化學(xué)沉積等方式進(jìn)入巖石圈。在地殼之中，鐵是主量元素，在現(xiàn)代海水之中，鐵是痕量元素。因此，在表生體系之中，鐵同位素地球化學(xué)研究對(duì)鐵的地球化學(xué)過程研究具有十分重要的意義。

通常用相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IRMM-014的千分偏差δxFe來表示鐵同位素組成的分析結(jié)果：

其中，x=56或57。在自然界之中，鐵同位素符合質(zhì)量分餾，δ56Fe=0.678δ57Fe［10］。鐵同位素儲(chǔ)庫之中，地殼硅酸巖、土壤、和碎屑沉積物等中鐵同位素組成相對(duì)均一，δ56Fe分布相對(duì)集中；而鐵同位素組成在河水、孔隙水和海底熱液等中變化范圍較大，其中鐵的輕同位素相對(duì)富集在孔隙水和海底熱液之中，鐵的重同位素相對(duì)富集于海水之中［11］。

在表生過程地質(zhì)作用下，引起鐵同位素分餾的原因與鐵的價(jià)態(tài)以及賦存形式的改變有關(guān)。鐵同位素分餾最主要因素的是氧化還原作用，在氧化還原的作用之下，F(xiàn)e2+與Fe3+物質(zhì)之間相互轉(zhuǎn)化，鐵同位素在這個(gè)反應(yīng)過程中分餾明顯。Fe2+與Fe3+物質(zhì)之間在常溫平衡條件下δ56Fe的分餾可以達(dá)到約3‰，并且鐵的重同位素更易于富集在Fe3+物質(zhì)中。溶解作用包含質(zhì)子控制、配位體控制、還原性的溶解作用?？傮w而言，這三種溶解作用中，前兩者控制的溶解作用不會(huì)使鐵同位素發(fā)生分流或者分餾比較小，鐵同位素分餾是由于鐵的價(jià)態(tài)通過還原性溶解作用發(fā)生改變而造成的結(jié)果，以及其他物理化學(xué)作用引起的引起鐵同位素分餾等。

2.2 巖漿過程中鐵同位素的地球化學(xué)行為

巖漿過程是最基本的地質(zhì)作用過程之一。在巖漿形成之后，通過結(jié)晶分異、熔離和巖漿混合等作用發(fā)生分異、演化。在巖漿作用的晚期階段，通常會(huì)發(fā)生流體的出溶作用，例如大紅山礦床中鐵氧化物階段早期主要受巖漿作用影響，成礦物質(zhì)來源于巖漿演化晚期富鐵質(zhì)的流體［12］。在巖漿過程中鐵同位素發(fā)生明顯分餾。酸性巖漿巖相對(duì)于中基性巖漿巖更加富集鐵的重同位素［13］。

在巖漿過程之中，鐵的價(jià)態(tài)或氧逸度控制鐵同位素分餾。相對(duì)于二價(jià)鐵礦物來講，巖漿巖中的三價(jià)鐵礦物更易富集鐵重同位素。在地幔橄欖巖的部分熔融過程中，由于Fe3+比Fe2+更加不相容，相對(duì)于固體相，熔體相更加富集Fe3+，因而鐵的重同位素相對(duì)富集于部分熔融產(chǎn)物。結(jié)晶分異過程和低氧逸度條件下，含F(xiàn)e2+的礦物（橄欖石、輝石等）結(jié)晶導(dǎo)致熔體愈加富集Fe3+，熔體的鐵同位素組成變重；在高氧逸度的條件下，含F(xiàn)e3+的礦物（磁鐵礦等）結(jié)晶導(dǎo)致熔體愈加富集Fe2+，熔體的鐵同位素組成變輕。流體出溶過程中，鐵的輕同位素相對(duì)的富集于出溶的流體，而殘余巖漿中的鐵同位素組成變重。鐵是主量元素以及變價(jià)元素，在研究巖漿的成因與演化、巖理學(xué)、成礦作用等方面具有十分重要的意義。

2.3 生物過程中的鐵同位素地球化學(xué)行為

鐵是生物生命活動(dòng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一。例如鐵氧化細(xì)菌通過氧化Fe2+發(fā)生新陳代謝作用，獲取生命生長(zhǎng)需要的能量［14］。隨著食物鏈級(jí)別的升高，生物優(yōu)先吸收鐵的輕同位素傾向性越明顯。在生物吸收過程之中，鐵進(jìn)入生物細(xì)胞體內(nèi)，氧化還原主要控制鐵的同位素分餾過程。鐵同位素在新的領(lǐng)域（生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等）也有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?5］。植物的光合作用、植物體內(nèi)的氧化還原作用以及高等動(dòng)物和人體內(nèi)各種酶的合成等都離不開鐵元素的參與，所以研究鐵同位素的生物地球化學(xué)行為具有重要意義。

3 結(jié)論

鐵分布于各類礦物、巖石、流體等之中，并參與成巖成礦作用、熱液活動(dòng)，在自然界之中廣泛存在。隨著鐵同位素分析測(cè)試技術(shù)發(fā)展，測(cè)試分析精度得到了提高，對(duì)地質(zhì)發(fā)展過程之中的鐵同位素基本分餾規(guī)律和機(jī)制及在地球儲(chǔ)庫中的分布特征有了初步了解。鐵是變價(jià)元素之一，在地質(zhì)過程之中，氧化還原反應(yīng)控制其同位素分餾，可以作為示蹤各種體系氧逸度的重要工具。另外，地質(zhì)發(fā)展過程中生物作用在氧化還原環(huán)境的轉(zhuǎn)變和鐵元素的活化方面起到重要的促進(jìn)作用，因此，對(duì)于示蹤古老生命活動(dòng)痕跡，鐵同位素是一種的重要手段。