稀土元素穩(wěn)定同位素是新的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素體系，有望為探索天體形成、巖漿演化、稀土成礦、大陸風(fēng)化和海洋循環(huán)等過程稀土循環(huán)提供新的證據(jù)。特別是Ce具有+3和+4兩種價態(tài)，在氧化過程中表現(xiàn)出與其他稀土元素如Nd明顯的差異，但在非氧化過程中Ce與Nd元素具有相似的地球化學(xué)行為。因此，理論上Ce和Nd穩(wěn)定同位素的聯(lián)合應(yīng)用能夠量化地表的氧化還原狀態(tài)特別是為氧化過程提供新的證據(jù)。然而，這一假定是否實(shí)際可行有待證實(shí)，而通過對同一地質(zhì)過程中Ce-Nd穩(wěn)定同位素分餾行為進(jìn)行同步監(jiān)測可準(zhǔn)確回答這一問題，不過到目前為止尚沒有相關(guān)的研究報道。
針對這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所穩(wěn)定同位素地球化學(xué)學(xué)科組白江昊博士后在韋剛健研究員、馬金龍正高級工程師、王志兵副研究員和張樂高級工程師等老師的指導(dǎo)下，并與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所鐘松雄博士后合作，依托其前期建立的高精度Ce穩(wěn)定同位素分析技術(shù)，對經(jīng)歷氧化風(fēng)化作用并具有很好的穩(wěn)定Nd同位素研究基礎(chǔ)的海南新生代玄武巖風(fēng)化剖面HK06開展了系統(tǒng)的研究。
圖 1 HK06風(fēng)化殼 Th，Ce、Ce/Ce*和 142/140Ce值的變化特征
研究結(jié)果表明，在該風(fēng)化剖面中，Ce富集程度越高，其Ce異常值越正，相應(yīng)的 142/140Ce值也越高；反之，Ce越虧損，其 142/140Ce值則越偏低。這一觀察結(jié)果表明，強(qiáng)氧化風(fēng)化過程中Ce元素會發(fā)生明顯的遷移并伴隨著Ce穩(wěn)定同位素的顯著分餾。為了更好地區(qū)分氧化與非氧化過程對穩(wěn)定Ce同位素的影響，作者對風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)行了化學(xué)分相提取，并分別測定了各個相態(tài)的穩(wěn)定Ce同位素組成。結(jié)果顯示，在氧化過程中，Mn（氫）氧化物相具有最高的 142/140Ce值（+0.184 0.040‰），這可能歸因于Ce(IV)傾向于富集較重的同位素 142Ce（基于質(zhì)量相關(guān)分餾）和/或繼承自流體相中的重同位素 142Ce（基于核體積效應(yīng)）。為了區(qū)分這兩種分餾效應(yīng)，未來研究應(yīng)當(dāng)同時精確測量樣品中的 136Ce/ 140Ce和 142Ce/ 140Ce比值。此外，研究發(fā)現(xiàn)Mn氧化物相中的Mn濃度與 Th，Ce和 142/140Ce值均呈現(xiàn)正相關(guān)，而與Ce異常無關(guān)，表明Mn氧化物中的 142/140Ce值相比Ce/Ce*更可靠地量化表征地表的氧化狀態(tài)。在非氧化過程中，作者討論了外部輸入、pH值、有機(jī)物絡(luò)合、Fe氧化物吸附/共沉淀以及粘土礦物形成等作用方式對穩(wěn)定Ce同位素分餾行為的影響。在0.5 mol L -1 HCl交換相和殘余相中， 142/140Ce值與 146/144Nd都呈正相關(guān)，表明在非氧化過程中穩(wěn)定Ce和Nd同位素表現(xiàn)相似。基于此，作者提出聯(lián)合Ce-Nd穩(wěn)定同位素（ 142Ce- 146Nd）可以作為量化地表亞氧到強(qiáng)氧化狀態(tài)的新工具。這一指標(biāo)未來在準(zhǔn)確解讀地球氧化歷史的研究中，可望發(fā)揮非常重要的貢獻(xiàn)。
圖2 Mn氧化物相中Ce元素含量、Ce異常和 142/140Ce的變化特征
圖3 非氧化過程中Ce-Nd穩(wěn)定同位素分餾行為類似
相關(guān)成果發(fā)表在國際地球科學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》，該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、博士后面上項(xiàng)目和中國科學(xué)院廣州地化所所長基金等聯(lián)合資助。
論文信息：Bai J.H.,(白江昊) Wu C.,(吳 超) Wu H.,(吳 昊)Wang, Z. B., (王志兵) Zhang L.,(張樂) Zhong S.X., (鐘松雄) Ma J. L.,(馬金龍) Wei G.J.* (韋剛健). 142Ce minus 146Nd value as a redox indicator in Earth's surface environments[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 629, 118597. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118597.
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