【地球科普】氣體同位素技術(shù)：揭示地球物質(zhì)的來(lái)源和演化的利器-天天最新

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(mén)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(guò)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(huì)發(fā)生放射性衰變的同位素，因此它們?cè)诘厍蚧瘜W(xué)過(guò)程中的存在狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括穩(wěn)定同位素的測(cè)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(guò)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(lái)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(guò)程等方面。例如，氦同位素可以用來(lái)研究地幔的成分和演化歷史，以及地球內(nèi)部的地?zé)峄顒?dòng)等。氬同位素可以用來(lái)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(lái)研究地球內(nèi)部的物質(zhì)分異過(guò)程、地殼巖石的形成和演化等。

圖2. 用于稀有氣體同位素測(cè)量的靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)（圖片來(lái)源：中國(guó)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(guò)磁場(chǎng)分離不同質(zhì)量的同位素，然后利用檢測(cè)器對(duì)不同同位素的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和記錄，最后計(jì)算不同同位素之間的比值。在實(shí)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(chēng)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)程的影響，因此它們可以提供關(guān)于這些過(guò)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(lái)研究古氣候記錄，通過(guò)分析化石或沉積物中的同位素比值，可以重建過(guò)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(lái)確定水的來(lái)源、流動(dòng)路徑和水文地質(zhì)過(guò)程。在生物地球化學(xué)中，氣體同位素分析可以用來(lái)研究生態(tài)系統(tǒng)中不同物種的食物鏈關(guān)系和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)?？偟膩?lái)說(shuō)，氣體同位素地球化學(xué)在多個(gè)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(guò)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(guò)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(gè)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(cè)量水中的氫、氧同位素組成，可以研究水的來(lái)源、循環(huán)、地下水補(bǔ)給和水文地質(zhì)問(wèn)題。植物生態(tài)學(xué)：通過(guò)測(cè)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(zhǎng)環(huán)境等問(wèn)題。地質(zhì)學(xué)和礦床學(xué)：通過(guò)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(guò)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(wèn)題。油氣地質(zhì)應(yīng)用：通過(guò)分析油氣中穩(wěn)定同位素的組成，可以研究油氣的來(lái)源和演化過(guò)程，幫助人們更好地探明油氣資源和評(píng)價(jià)油氣田勘探開(kāi)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(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫高壓作用形成，不同類(lèi)型的油氣來(lái)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(lèi)型的烴類(lèi)物質(zhì)，如原油、煤、天然氣等，從而判斷油氣的來(lái)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(guò)程。油氣在地質(zhì)過(guò)程中經(jīng)歷了多個(gè)階段的演化，不同演化階段對(duì)油氣的穩(wěn)定同位素組成也會(huì)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(lái)源和演化過(guò)程，從而幫助人們判斷油氣儲(chǔ)層的類(lèi)型和形成歷史。氣體同位素可以用于評(píng)價(jià)油氣田勘探開(kāi)發(fā)前景。通過(guò)對(duì)油氣穩(wěn)定同位素的分析，可以研究油氣儲(chǔ)層的物質(zhì)來(lái)源和演化歷史，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的成藏條件和分布規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)油氣田的勘探開(kāi)發(fā)前景，指導(dǎo)油氣勘探開(kāi)發(fā)的決策和實(shí)踐。

圖4. 利用碳?xì)渫凰靥卣鲗?duì)油氣進(jìn)行分類(lèi)[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(lái)源、水文循環(huán)和降水來(lái)源等問(wèn)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(lái)源、土壤水分循環(huán)等問(wèn)題。同時(shí)，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(lèi)型植物和土壤有機(jī)物來(lái)源和轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及碳循環(huán)等問(wèn)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(guò)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(lèi)型氮元素來(lái)源和轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及氮循環(huán)等問(wèn)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(guò)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(guò)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(yùn)移等問(wèn)題。在研究生態(tài)系統(tǒng)中的硫循環(huán)過(guò)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(guò)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(lái)發(fā)展提高測(cè)量精度和分辨率：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氣體同位素測(cè)量的精度和分辨率已經(jīng)得到很大提高。未來(lái)的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高穩(wěn)定同位素測(cè)量的精度和分辨率，以滿(mǎn)足更高級(jí)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(lái)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(lái)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(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。開(kāi)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(lái)的發(fā)展方向是進(jìn)一步加強(qiáng)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(wèn)題和應(yīng)用領(lǐng)域?？傊?，氣體穩(wěn)定同位素地球化學(xué)在未來(lái)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(dòng)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(zhuān)業(yè)的知識(shí)用簡(jiǎn)明易懂的語(yǔ)言傳達(dá)給盡量多的讀者，因此寫(xiě)作過(guò)程中需要在專(zhuān)業(yè)性和易懂性之間取得平衡，這對(duì)作者來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在文章的編寫(xiě)過(guò)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(shí)的廣度和深度，以及個(gè)人專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(bǔ)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(jiǎn)介：李中平，中國(guó)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(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)同位素地質(zhì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)。感興趣的領(lǐng)域?yàn)闅怏w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）

參考文獻(xiàn)：

1. Hoefs, Jochen, and Jochen Hoefs. Stable isotope geochemistry. Vol. 201. Berlin: Springer, 1997.2. Sharp, Zachary. "Principles of stable isotope geochemistry." (2017).3. Albarède, Francis. "The stable isotope geochemistry of copper and zinc." Reviews in Mineralogy and Geochemistry 55, no. 1 (2004): 409-427.4. White, William M. Isotope geochemistry. John Wiley & Sons, 2023.5. Whiticar, Michael J. "Stable isotope geochemistry of coals, humic kerogens and related natural gases." International Journal of Coal Geology 32, no. 1-4 (1996): 191-215.6. Porcelli, Donald, Chris J. Ballentine, and Rainer Wieler. "An overview of noble gas geochemistry and cosmochemistry." Reviews in mineralogy and geochemistry 47, no. 1 (2002): 1-19.7. Fry, Brian. Stable isotope ecology. Vol. 521. New York: Springer, 2006.8.White, W.M. (2018). Stable Isotope Geochemistry. In: White, W. (eds) Encyclopedia of Geochemistry. Encyclopedia of Earth Sciences Series. Springer, Cham9. David A. Wood, Bodhisatwa Hazra. Characterization of Organic-Rich Shales for Petroleum Exploration & Exploitation: A Review-Part 2: Geochemistry, Thermal Maturity, Isotopes and Biomarkers. Journal of Earth Science, 2017, 28(5): 758-778. doi: 10.1007/s12583-017-0733-9

標(biāo)簽：