非传统稳定同位素-4-铜锌同位素详解.ppt

1 下次上课时间 28日 或 29日 铜和锌同位素地球化学 授课：朱祥坤 中国地质科学院地质研究所 一、 铜同位素地球化学 铜是自然界中的主要过渡金属元素之一，以不同的价态（0，+1，+2）赋存于各类岩石、矿物、流体和生物体中，并广泛参与多种地球化学和生物化学过程，不仅是矿床学研究中重点关注的元素，也是生命活动必不可少的元素之一。 铜有两种稳定同位素，在自然界的丰度为： 铜同位素标准： 国际标准物质NIST NBS 976 非传统稳定同位素MC–ICP-MS 测定的开始 1.铜同位素在自然界中的分布 自然样品中所获得的Cu同位素组成变化范围较大（δ65Cu的总体分布范围为 -16.49~9.98‰，平均值为0.17‰） 7 地球与太阳系总体：陨石 地幔下地壳：地幔包体、玄武岩 上地壳：黄土、页岩、花岗岩 铜同位素体系构筑 整体硅酸盐地球的平均Cu同位素组成可能与Cu同位素标准物质NBS 976相似，地幔、地壳之间没有发生明显的铜同位素分馏。 9 10 水圈中的δ65Cu变化范围约为-1.52~3.14‰，变化可达4.6‰。 现代海水和河水的Cu同位素组成变化较大，并且相对地球平均值总体富集Cu的重同位素，富集程度约为ca.1.0‰。 Cu源中，除了大气尘降的δ65Cu在整体硅酸盐地球平均值附近，其他物源（河水等）总体上都整体硅酸盐地球富集Cu的重同位素，富集程度约为ca.0.7‰。 沉积物中，碎屑沉积物的δ65Cu在0附近，热液硫化物、铁锰结壳均相对整体硅酸盐地球富集Cu的重同位素，富集程度为ca.0.3‰。 11 12 2.铜同位素的主要分馏过程 氧化还原过程 硫化物沉淀过程 吸附过程 生物过程 13 氧化还原过程： Cu在自然界中有三种价态：0价、+1价和+2价。Cu的氧化还原反应是重要的地球化学和生物化学过程。 使用KI将Cu（II）还原为Cu（I）生成CuI沉淀的分馏实验 Δ65Cu（Cu（II）-Cu（I））=4.03‰ 14 氧化还原过程： 使用KI将Cu（II）还原为Cu（I）生成CuI沉淀的分馏实验 Δ65Cu（Cu（II）-Cu（I））=4.03‰ 15 氧化还原过程： 使用KI将Cu（II）还原为Cu（I）生成CuI沉淀的分馏实验 Δ65Cu（Cu（II）-Cu（I））=4.03‰ 16 Schwarzwald矿区含铜矿物的铜同位素组成 氧化还原过程可以导致较大的Cu同位素分馏，高价态的化合物富集重同位素，低价态的化合物富集轻同位素。 17 无氧条件下，在过量的CuSO4中加入Na2S溶液还原生成铜蓝(CuS)的沉淀实验 Δ65CuCu(II)-CuS = 3.06±0.14‰（T=20℃） 18 硫化物沉淀过程： 硫化物沉淀过程： 通过Cu（II）溶液与Fe（II）硫化物反应生成Cu-Fe硫化物以及Cu的硫化物沉淀实验 Δ65Cu（Cu（II）溶液-生成物）＝1.97~3.23‰ 硫化物的沉淀过程会导致铜同位素发生较大分馏，相对于溶液，硫化物优先沉淀铜的轻同位素。 19 Δ65Cu淋滤液-矿物可达2‰ 溶解的硫化物富集铜的重同位素。 20 吸附过程： 矿物表面吸附：Cu(II)与金属氧化物表面形成双齿配位键与四面体的内环结构，键能较强，金属氧化物表面富集重同位素。 生物表面吸附：Cu(II)与细菌表面磷酰基形成单齿配位键，键能较弱，细菌表面富集轻同位素。 吸附过程的铜同位素分馏与溶液中的Cu以及Cu吸附在矿物或微生物表面的结构有关。 21 生物过程： a.体内和体外吸收实验中，天青蛋白摄取Cu的过程中产生的Cu同位素分馏，天青蛋白均富集Cu的轻同位素（体外吸收δ65Cu＝ -0.98‰，体内吸收δ65Cu＝-1.53‰）。 b.非氧化还原金属蛋白和氧化还原金属蛋白摄取Cu的过程中铜同位素发生分馏，非氧化还原金属蛋白和氧化还原金属蛋白均优先吸收Cu的轻同位素（Δ65Cu金属硫蛋白–培养液＝-1.71‰，Δ65Cu歧化酶–培养液＝-1.18‰） 22 革兰氏阳性菌（Bacillus subtilis）和革兰氏阴性菌（Escherichia coli）以及不同环境下的微生物在细胞吸收过程中的Cu同位素分馏实验. 细菌活细胞均优先利用铜的轻同位素 生物过程是导致铜同位素发生分馏的重要过程，生物体优先摄取吸收铜的轻同位素。 23 植物在生长过程中优先吸收铜的轻同位素 24 植物在生长过程中优先吸收铜的轻同位素 25 3.铜同位素地球化学循环 海洋中Cu同位素的地球化学循环 (Little et al., 2014) 4.铜同位素示踪应用 矿床 环境 生物 考古 不同含铜矿物中的铜同位素组成 矿床: a.自然铜-赤铜矿矿物对中的铜同位素组成 b