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非传统稳定同位素-4-铜锌同位素一、铜同位素地球化学中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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。中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES铜有两种稳定同位素，在自然界的丰度为：65Cu：30.826%63Cu：69.174%铜同位素标准：国际标准物质NISTNBS976中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES非传统稳定同位素MC–ICP-MS测定的开始中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES1.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‰）6中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES上地幔上地壳上地壳结晶部分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NBS976相似，地幔、地壳之间没有发生明显的铜同位素分馏。8中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES水圈9中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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‰。10中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES生物圈11中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES2.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12中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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‰13中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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‰14中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCESSchwarzwald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。16中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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℃）17中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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。18中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCESΔ65Cu淋滤液-矿物可达2‰溶解的硫化物富集铜的重同位素。19中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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。20中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES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‰）21中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES革兰氏阳性菌（Bacillussubtilis）和革兰氏阴性菌（Escherichiacoli）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。22中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES植物在生长过程中优先吸收铜的轻同位素23中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES植物在生长过程中优先吸收铜的轻同位素24中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES△65Cu植物根部-营养液△65Cu植物枝芽-根部25中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES3.铜同位素地球化学循环海洋中Cu同位素的地球化学循环(Littleetal.,2014)中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES4.铜同位素示踪应用矿床环境生物考古中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES不同含铜矿物中的铜同位素组成矿床:中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCESa.自然铜-赤铜矿矿物对中的铜同位素组成b.Schwarzwald矿区含铜矿物的铜同位素组成c.Timan组白云岩中3个样品的铜同位素分带现象d.Dikulushi矿床不同矿物的铜同位素组成特征中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES铜同位素在共生硫化物间的分布（黄铜矿-斑铜矿矿物对）30中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES不同类型矿床中黄铜矿矿物的铜同位素组成31中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES示踪成矿源区变化32中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES1.已经停止活动的烟囱富集铜的轻同位素，正在活跃的烟囱富集铜的重同位素；2.同一烟囱，从底部到顶部，铜同位素组成逐渐变轻。活跃烟囱和不活跃烟囱的铜同位素组成对比（据Zhuetal，2000）33中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES示踪成矿流体迁移方向34中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES中心外围35中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES36中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES37中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES靠近岩体内矽卡岩中浸染状的黄铜矿要比远端的样品富集轻铜同位素。38中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES39中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES40中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES示踪次生富集41中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES42中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES43中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES低温环境下的氧化还原反应44中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGYCHINESEACADEMYOFGEOLOGICALSCIENCES45中国地质科学院地质研究所INSTITUTEOFGEOLOGY