鐵同位素地球化學概述

尚小謹

摘 要： 鐵是生物體所必須的營養(yǎng)元素之一，并廣泛存在于各類礦物、巖石、流體和生物體中。自然界中鐵由四個穩(wěn)定同位素組成：54Fe、56Fe、57Fe和58Fe。由于鐵同位素間的質量差較小，在自然界中發(fā)生的鐵同位素分餾較弱，故直到高精度多接收器等離子體質譜儀（MC-ICP-MS）的出現(xiàn)，鐵同位素的地球化學應用開始成為可能。目前鐵同位素的組成采用兩種不同的表示方式：δ（千分偏差）和ε（萬分偏差）。鐵同位素組成報道兩組比值，即56Fe/54Fe和57Fe/54Fe。由于自然過程鐵同位素的分餾較弱，需要進一步放大樣品的組成差異，采用了ε值表達法，即樣品與標準物質的萬分偏差。目前所采用的鐵同位素標準物質有兩種，分別為歐盟參考物質與測量研究所（IRMM）提供的高純度鐵IRMM-014和火成巖標樣（由15塊地球火成巖和5塊月球高鈦玄武巖混合制成）。

關鍵詞： 鐵同位素; 分餾; 質譜儀; 組成; 標準物質

【中圖分類號】P597 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.33.209

1 緒論

Fe是一種過渡金屬元素，廣泛分布于自然界的各系統(tǒng)中，普遍參與生物行為過程。Fe有4個同位素：54Fe（5.90%）、56Fe（91.52%）、57Fe（2.25%）和58Fe（0.33%）。通過分析和測試Fe同位素的組成，大概能推斷存在和分布在古代和現(xiàn)代地球上，乃至在其他行星（如金星）上的生命活動。作為地殼中最豐富的元素之一，鐵存在于各種巖石和礦物中，廣泛參與風化過程。鐵也是一種氧化還原敏感元素，對于其他無機重金屬的傳遞非常重要。此外，作為生物群的必需微量營養(yǎng)素之一，F(xiàn)e被認為與海洋和湖泊的初級生產有關。

1.1 鐵同位素的研究現(xiàn)狀

鐵元素是太陽系里豐度最高的金屬元素，與太陽系的來源以及地球的產生和演化密切相關。鐵是一種可變價元素，是巖漿過程中的氧逸度計，包含表生過程中氧的逸度演變，限制Fe循環(huán)模式，海洋中大氣氧含量的變更;是生命的基本元素之一，也是古生物化學行為遺跡有關;與鐵礦石礦化過程和機制相聯(lián)系。

1.2 研究目的及意義

對于鐵同位素的研究是為了更好地了解鐵同位素體系，鐵同位素的分析方法，河流與湖泊中的鐵同位素組成，鐵同位素的分餾作用。

這樣人們才能對地球環(huán)境的未來發(fā)展趨勢有建設性的預見，無論是預防災難還是資源利用方面都是有利的。同時海洋中的資源利用也是未來一趨勢，所以鐵同位素的研究也有助于海底鐵資源的開發(fā)。

而鐵元素在生物學和醫(yī)學上的應用有助于人類健康和減少相關疾病的發(fā)生，對于人類的生存也有顯著的幫助。

2 鐵同位素體系

鐵元素在化學元素周期表上位于第四周期第八族，原子序數(shù)是26，質量數(shù)是56。地核的主要組成是鐵鎳合金，因此鐵元素在地核具有較高的豐度。而地幔中的也有鐵元素的存在，地殼中鐵的豐度排在第四位，從高到低分辨是O、Si、Mg、Fe。

鐵是一種變價元素。三價鐵離子一般形成鐵的氧化物;二價鐵離子一般形成橄欖石;0價鐵形成鐵的合金。鐵元素是血紅蛋白的組成元素。礦產資源方面，它是鋼鐵，現(xiàn)代工業(yè)的基本材料，并且黃鐵礦、鐵的氧化物等是各類礦床的常見礦物。

3 Fe同位素分析技術ICP-MS簡介

在比較了不同儀器測定Os同位素比值的精密度。三種儀器精密度范圍（2RSD）據(jù)不同豐度分別為：MC-ICP-MS（0.21～0.001）;ICP-SFMS（0.83～0.09）;HEX-ICPMS（5.5～0.083）。

對不同ICP-MS儀器測定同位素比值的精密度進行過比較并對ICP-MS和LA-ICP-MS同位素測定比值的精密度和準確度的研究進展做過一個詳細評述。

過去幾年中采用各種不同質譜儀（比如ICP-MS，TIMS，SIMS，RIMS以及氣體同位素質譜儀）發(fā)表的所有同位素分析文章中，大約40%是采用單接收或多接收ICP-MS儀器測定的。其中分析頻率最高的是重金屬鈾。同位素比值分析應用最多的領域是地質、地球化學和定年。尤其是那些在地球化學中感興趣的可能發(fā)生天然同位素變異的元素，比如Sr、Nd、Pb、Hf和Os等。

4 結論

在MC-ICP-MS這技術的發(fā)展下，提高了鐵同位素分析時的準確度，在過去的十幾年當中，地球學科領域里鐵同位素的研究有了飛速的發(fā)展，人們對于鐵同位素的分餾過程在在自然界中的分布有所了解。總而言之，鐵是行星和太陽系里的主要組成元素，它的組成能夠有效的反映和示蹤太陽以及行星最開始時的演化過程是如何進行的。鐵這一元素作為重要的變價元素，它的分餾會受到低溫或者是高溫地質作用過程的氧化還原反應的控制，因此就可以成為示蹤許多體系氧逸度的一種手段。

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