地化所氧同位素質量分餾線確定工作取得新進展

　　隨著分析儀器精度的進一步提高，“微小非質量分餾”研究的重要意義已被學界認可。以色列Hebrew大學Boaz Luz教授從上世紀九十年代就創立了“微小非質量分餾”這一新的研究領域，他證實“微小非質量分餾”與“環境變化”之間存在聯系，因此獲得2009年環境地球化學Patterson獎章。Luz研究組不僅用冰川中氧氣的微小O-17異常信號來指示全球生物的生產率，而且還使用小于千分之0.045的信號波動，來指示環境濕度的變化。他們發現，空氣濕度會影響到水蒸氣的擴散，濕度越低，擴散導致的分餾在最終的水-液分餾中占的比例越大，而如果采用水與水蒸汽平衡分餾的質量分餾線作為參考線，結果就會產生一個小的氧同位素非質量分餾信號，可以指示不同歷史時期全球濕度的變化。

　　目前，學界已經證實不同物質體系之間的平衡分餾、不同過程的分餾，都具有稍微不同的質量分餾線（如Young等，2002）。對一般氧同位素非質量研究，可以使用籠統的質量分餾線（如斜率為0.52）。但是，對微小非質量分餾的研究，必須使用針對具體分餾反應的精確的質量分餾線（斜率λ值或比率q值要求到小數點后第三位）。遺憾的是，實驗上確定這些質量分餾線較為困難，不僅需要高精度的實驗分析條件，更需要設計一個完全獨立的過程。因此，目前僅靠Luz研究組長年的反復實驗測試，獲得少數幾個可靠的氧交換反應的質量分餾線，例如：光合作用過程中產生的氧氣的λ值為0.521（Luz et al., 1999），呼吸作用消耗的氧氣的λ值為0.518（Luz and Barkan, 2005），水與水蒸氣之間平衡分餾的λ值為0.529（Barkan and Luz, 2005）等。

　　由于精確的質量分餾線是“微小非質量分餾”研究最重要的基本參數，如要進一步推廣“微小非質量分餾”的工作，必須要有大量的精確的質量分餾線。自然界氧同位素交換反應的數目是一個天文數字，為每一個交換反應提供質量分餾線位置，將是一個工作量無比巨大的、幾乎不可能的事情。

　　中科院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室博士研究生曹曉斌及其導師劉耘研究員，在國家自然科學面上基金的支持下，最近解決了這一問題。他們的工作立足于解決所有氧同位素質量分餾線位置的問題，而非僅僅提供幾個重要交換反應的質量分餾線，因而具有重要學術意義。

　　他們推導了一個新的質量分餾線計算公式，在這個公式中，他們首次定義了一個新的概念“k”（kappa）。每個化合物都有一個特定的k值，計算任意交換反應的質量分餾線位置時，只要比較反應中的兩個化合物的k值以及它們的氧-18分餾的Beta值即可，而后者已經大量存在于各種文獻中。使用k值的重要原因，不僅是使用它可以方便地保存和顯示數目龐大的質量分餾線數據，而且還因為具有相似化學官能團的化合物都有幾乎完全相同的k值，因此，只需確定少數k值就可以獲得幾乎所有化合物的k值數據庫。比如，所有碳酸鹽礦物的k值差別在0.0004以內，因而可以使用一個平均的k值，代替所有碳酸鹽礦物的k值；硅酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽礦物等，均有相似的情況，這使得計算或估計質量分餾線的工作變得簡單。在該文中，曹曉斌和劉耘提供了常見化合物的k值，并討論了k值的變化趨勢與特性，還以幾個重要氧同位素交換反應為例，顯示了如何利用k值計算出質量分餾線精確位置。研究者們可以利用其方法，方便地計算出所需要的各種質量分餾線位置，這類計算的精度至少達到小數點后第3位（如0.5xx），完全滿足目前“氧同位素微小非質量分餾”領域的需要。

　　相關文章發表在國際權威地球化學雜志上（Cao and Liu, 2011, Equilibrium mass-dependent fractionation relationships for triple oxygen isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta, 7435-7445）。