【地球科普】氣體同位素技術：揭示地球物質的來源和演化的利器-天天最新

1.穩定同位素地球化學

穩定同位素地球化學是一門研究地球化學元素中穩定同位素分布規律及其在自然界中的地球化學過程中的應用的學科。穩定同位素是指在自然界中不會發生放射性衰變的同位素，因此它們在地球化學過程中的存在狀態不會發生改變。穩定同位素地球化學的研究內容包括穩定同位素的測量、同位素分餾與同位素地質年代學、同位素地球化學循環過程、同位素地球化學應用等方面。穩定同位素地球化學研究主要涉傳統穩定同位素（如：氫、氧、碳、氮、硫）及非傳統穩定同位素（即：金屬同位素）。

圖1. 穩定同位素地球化學研究涉及的同位素[8]

(資料圖片僅供參考)

除此，稀有氣體同位素（即：氦、氖、氬、氪等）在地球科學研究中有著廣泛的應用，可以用來研究地球系統的演化、地球內部的物質循環、地球化學過程等方面。例如，氦同位素可以用來研究地幔的成分和演化歷史，以及地球內部的地熱活動等。氬同位素可以用來研究大氣的演化歷史、地殼巖石的年齡、地球內部物質的分布和循環等。氪同位素則可以用來研究地球內部的物質分異過程、地殼巖石的形成和演化等。

圖2. 用于稀有氣體同位素測量的靜態真空質譜計（圖片來源：中國科學院西北生態環境資源研究院地球化學分析測試中心網站）

2.傳統穩定同位素（氣體同位素）地球化學傳統穩定同位素地球化學主要研究自然界中輕元素（C/H/O/N/S等）的穩定同位素在地球化學過程中的應用的學科，通常使用氣體源同位素比值質譜儀（Gas source isotope ratio mass spectrometer，Gas-IRMS）。這種技術可以用于測量樣品中各種同位素的比例，例如氫、氧、碳、氮、硫等。Gas-IRMS是一種廣泛應用于氣體同位素比值分析技術，它可以測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，通過磁場分離不同質量的同位素，然后利用檢測器對不同同位素的信號進行測量和記錄，最后計算不同同位素之間的比值。在實際分析中，通常將要分析的樣品先轉化為氣態化合物（如CO2、N2、H2等），再進行質譜分析，所以又稱為氣體同位素分析技術。

圖3. 氣相色譜-氣體同位素質譜聯用儀（中國科學院西北生態環境資源研究院油氣資源研究中心網站）

氣體體同位素技術有廣泛的應用，例如地球化學循環過程、氣候變化、古氣候重建、生物地球化學和水文地質學等方面。氣體同位素可以通過地球上不同物質的同位素比值進行研究。這些同位素比值受到化學和生物過程的影響，因此它們可以提供關于這些過程發生的信息。 例如，在氣候變化研究中，氣體同位素技術可以用來研究古氣候記錄，通過分析化石或沉積物中的同位素比值，可以重建過去的氣候變化。在水文地質學中，氣體同位素分析可以用來確定水的來源、流動路徑和水文地質過程。在生物地球化學中，氣體同位素分析可以用來研究生態系統中不同物種的食物鏈關系和營養循環。總的來說，氣體同位素地球化學在多個領域有廣泛的應用，可以提供有關地球化學循環和生物地球化學過程的重要信息。氣體同位素地球化學是一種研究地球環境和生物地球化學過程的重要手段，其應用范圍涉及氣候變化、水文地質、生物地球化學、海洋生態學等多個領域。

3.氣體同位素技術主要應用領域水循環和水文地質學：利用氣體同位素質譜測量水中的氫、氧同位素組成，可以研究水的來源、循環、地下水補給和水文地質問題。植物生態學：通過測量植物體內的碳、氮同位素組成，可以研究植物的光合作用效率、生態位、生長環境等問題。地質學和礦床學：通過礦物和巖石中的同位素組成，可以研究礦物和巖石的成因、演化和地球化學過程。大氣科學和氣候變化：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、氣候變化和全球變化問題。油氣地質應用：通過分析油氣中穩定同位素的組成，可以研究油氣的來源和演化過程，幫助人們更好地探明油氣資源和評價油氣田勘探開發前景。氣體同位素技術可以用于研究油氣的成因。油氣主要由有機質經過高溫高壓作用形成，不同類型的油氣來源有所不同，其穩定同位素比值也存在差異。例如，碳同位素比值可以用于區分不同類型的烴類物質，如原油、煤、天然氣等，從而判斷油氣的來源和成因。其次，氣體同位素技術可以用于研究油氣的演化過程。油氣在地質過程中經歷了多個階段的演化，不同演化階段對油氣的穩定同位素組成也會產生影響。例如，硫同位素比值可以用于研究油氣中硫化合物的來源和演化過程，從而幫助人們判斷油氣儲層的類型和形成歷史。氣體同位素可以用于評價油氣田勘探開發前景。通過對油氣穩定同位素的分析，可以研究油氣儲層的物質來源和演化歷史，評價儲層的成藏條件和分布規律，進而預測油氣田的勘探開發前景，指導油氣勘探開發的決策和實踐。

圖4. 利用碳氫同位素特征對油氣進行分類[8]

4.氣體同位素技術主要手段氫氧同位素：氫氧同位素示蹤技術是穩定同位素地球化學中應用最廣泛的一種技術。在水文地質、水資源調查、水文氣象學等領域，該技術可以用于研究地下水來源、水文循環和降水來源等問題。在生態學領域，氫氧同位素技術可用于研究植物水分來源、土壤水分循環等問題。同時，氫氧同位素技術還可以用于古氣候重建和海洋生態學等領域。碳同位素：碳同位素示蹤技術是一種研究生物地球化學和碳循環的重要技術。在生態學領域，該技術可用于研究不同類型植物和土壤有機物來源和轉化過程，以及碳循環等問題。在地質學領域，碳同位素技術可用于古氣候重建和古生物學等領域。氮同位素：氮同位素示蹤技術是一種研究氮循環和生物地球化學過程的技術。在生態學領域，該技術可用于研究生物體內不同類型氮元素來源和轉化過程，以及氮循環等問題。在氣候變化研究中，氮同位素技術可用于研究古氣候條件下不同生態系統中的氮循環過程。硫同位素：硫同位素示蹤技術是一種研究地質和環境地球化學過程的技術。在石油和天然氣勘探領域，該技術可用于研究油氣成藏和油氣運移等問題。在研究生態系統中的硫循環過程方面，硫同位素技術可用于研究硫代謝和硫酸鹽還原過程。

圖5.甲烷乙烷碳同位素在油氣地球化學中的應用[9]

5.氣體同位素技術及未來發展提高測量精度和分辨率：隨著技術的不斷進步，氣體同位素測量的精度和分辨率已經得到很大提高。未來的發展方向是進一步提高穩定同位素測量的精度和分辨率，以滿足更高級別的科學研究需求。新的氣體同位素示蹤技術：傳統的穩定同位素示蹤技術主要集中在氧、碳、氮、硫等元素上，未來的發展方向是發展新的氣體同位素示蹤技術，以拓展穩定同位素在地球化學、環境科學、生命科學等領域的應用。傳統氣體穩定同位素地球化學已經在地球科學、生命科學、環境科學等領域得到廣泛應用。未來的發展方向是推廣氣體同位素技術的應用，讓更多的研究人員和行業工作者了解和使用穩定同位素技術，促進其在實際應用中的發展。開展多學科交叉研究：傳統的氣體穩定同位素在地球化學、環境科學、生命科學等領域的應用已經取得了很大進展。未來的發展方向是進一步加強多學科交叉研究，將穩定同位素技術與其他學科相結合，探索新的科學問題和應用領域。總之，氣體穩定同位素地球化學在未來仍然有廣闊的發展空間，技術的不斷提高和應用的拓展將進一步推動其在地球科學、生命科學、環境科學等領域的發展和應用。（作者注：科普文章旨在將專業的知識用簡明易懂的語言傳達給盡量多的讀者，因此寫作過程中需要在專業性和易懂性之間取得平衡，這對作者來說是一項很有挑戰性的任務。在文章的編寫過程中，作者盡可能地核查和使用可靠的資料以確保文章的準確性和可信度。然而，由于知識的廣度和深度，以及個人專業知識的限制，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于本文的補充、修改或糾正，以幫助我們不斷完善和改進文章的質量。作者簡介：李中平，中國科學院西北生態環境資源研究院油氣資源研究中心研究員，中國地質學會同位素地質專業委員會委員，中國礦物巖石地球化學學會氣體地球化學專業委員會秘書長。感興趣的領域為氣體地球化學、同位素地球化學、分析地球化學等；聯系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn）

參考文獻：

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

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