司飛

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)院， 四川成都 610059）

同位素地球化學(xué)作為地球化學(xué)的一個重要分支，在研究天然物質(zhì)中同位素演化規(guī)律、地質(zhì)演化事件定年等方面發(fā)揮巨大作用。隨著同位素地球化學(xué)分析方法的開發(fā)和應(yīng)用以及同位素測試儀器和技術(shù)的改進(jìn)和革新，諸多以前無法研究的樣品，現(xiàn)在通過實驗，也可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)與信息，極大的拓寬了同位素地球化學(xué)研究內(nèi)容［1］，作為新興技術(shù)之一的鐵同位素，其組成為氧化還原條件、成礦作用等重大理論和應(yīng)用提供新的認(rèn)識，根據(jù)同位素的組成與顯著分餾規(guī)律，能夠示蹤巖漿形成過程時物化條件和演化過程［2］。

自然界之中鐵分布廣泛，是高豐度的變價元素，其廣泛的參與低溫與高溫環(huán)境下各類無機(jī)或生物氧化還原的過程，同時也是地質(zhì)過程中重要的氧逸度緩沖劑［3］。在研究太陽系以及早期行星的演化方面鐵同位素顯示出其獨特的作用。通過學(xué)者們對大量巖石樣品的同位素測試，表明自然界巖石中鐵同位素的組成變化范圍為ε57Fe=-51.8～+46.5，圖1是在不同地質(zhì)儲庫之中鐵同位素的組成數(shù)據(jù)分布圖［4］。隨著對鐵同位素的分餾機(jī)制理解加深，各種體系之中分餾系數(shù)的累積，鐵同位素將在地球科學(xué)的方方面面得到應(yīng)用。

1 人鐵同位素性質(zhì)及組成

1.1 鐵同位素基本概念

圖1 不同地質(zhì)儲庫中的鐵同位素變化

在自然界之中，54Fe、56Fe、57Fe、58Fe是 鐵的四種穩(wěn)定同位素，其豐度分別為5.845%、91.754%、2.119%、30.282%［5］。區(qū)別于傳統(tǒng)的C、H、O等輕同位素，鐵等過渡族元素稱重同位素。一直以來，類似于鐵等重同位素研究較少原因有：①鐵同位素之間相對質(zhì)量差比較小，分餾程度比其它輕穩(wěn)定同位素要小；②由于原質(zhì)譜儀不能夠精確測定同位素的組成真實變化。近年來，質(zhì)譜儀測試方法的改進(jìn)和提高，實現(xiàn)了同位素組成的高精度測量。

1.2 不同地質(zhì)儲庫的鐵同位素組成

在不同地質(zhì)背景下形成的火成巖，鐵同位素的組成幾乎相同，這是Fe同位素的顯著特征之一［6-8］。Zhu等在對地幔橄欖巖和輝石包體的研究顯示，ε57Fe的變化范圍是-2.2～1.2；Poitrason等在對地幔的13個巖石樣品進(jìn)行鐵同位素研究顯示ε57Fe的變化范圍是0.06～1.68。在碎屑沉積巖之中ε57Fe的變化范圍為-3.1～5?，F(xiàn)代富氧的地球環(huán)境上，巖石來源（陸源沉積物等）的鐵同位素成分與火成巖類似，表明在富氧的環(huán)境下,鐵是一種保守元素，地質(zhì)作用過程沒有使鐵發(fā)生較大的分餾［9］。

2 鐵同位素地球化學(xué)行為

2.1 表生過程中鐵同位素的地球化學(xué)化學(xué)行為

在地球科學(xué)之中，表生是基本的地質(zhì)過程之一，主要是基巖風(fēng)化作用。通過物理運動和化學(xué)沉積等方式進(jìn)入巖石圈。在地殼之中，鐵是主量元素，在現(xiàn)代海水之中，鐵是痕量元素。因此，在表生體系之中，鐵同位素地球化學(xué)研究對鐵的地球化學(xué)過程研究具有十分重要的意義。

通常用相對于國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IRMM-014的千分偏差δxFe來表示鐵同位素組成的分析結(jié)果：

其中，x=56或57。在自然界之中，鐵同位素符合質(zhì)量分餾，δ56Fe=0.678δ57Fe［10］。鐵同位素儲庫之中，地殼硅酸巖、土壤、和碎屑沉積物等中鐵同位素組成相對均一，δ56Fe分布相對集中；而鐵同位素組成在河水、孔隙水和海底熱液等中變化范圍較大，其中鐵的輕同位素相對富集在孔隙水和海底熱液之中，鐵的重同位素相對富集于海水之中［11］。

在表生過程地質(zhì)作用下，引起鐵同位素分餾的原因與鐵的價態(tài)以及賦存形式的改變有關(guān)。鐵同位素分餾最主要因素的是氧化還原作用，在氧化還原的作用之下，F(xiàn)e2+與Fe3+物質(zhì)之間相互轉(zhuǎn)化，鐵同位素在這個反應(yīng)過程中分餾明顯。Fe2+與Fe3+物質(zhì)之間在常溫平衡條件下δ56Fe的分餾可以達(dá)到約3‰，并且鐵的重同位素更易于富集在Fe3+物質(zhì)中。溶解作用包含質(zhì)子控制、配位體控制、還原性的溶解作用?？傮w而言，這三種溶解作用中，前兩者控制的溶解作用不會使鐵同位素發(fā)生分流或者分餾比較小，鐵同位素分餾是由于鐵的價態(tài)通過還原性溶解作用發(fā)生改變而造成的結(jié)果，以及其他物理化學(xué)作用引起的引起鐵同位素分餾等。

2.2 巖漿過程中鐵同位素的地球化學(xué)行為

巖漿過程是最基本的地質(zhì)作用過程之一。在巖漿形成之后，通過結(jié)晶分異、熔離和巖漿混合等作用發(fā)生分異、演化。在巖漿作用的晚期階段，通常會發(fā)生流體的出溶作用，例如大紅山礦床中鐵氧化物階段早期主要受巖漿作用影響，成礦物質(zhì)來源于巖漿演化晚期富鐵質(zhì)的流體［12］。在巖漿過程中鐵同位素發(fā)生明顯分餾。酸性巖漿巖相對于中基性巖漿巖更加富集鐵的重同位素［13］。

在巖漿過程之中，鐵的價態(tài)或氧逸度控制鐵同位素分餾。相對于二價鐵礦物來講，巖漿巖中的三價鐵礦物更易富集鐵重同位素。在地幔橄欖巖的部分熔融過程中，由于Fe3+比Fe2+更加不相容，相對于固體相，熔體相更加富集Fe3+，因而鐵的重同位素相對富集于部分熔融產(chǎn)物。結(jié)晶分異過程和低氧逸度條件下，含F(xiàn)e2+的礦物（橄欖石、輝石等）結(jié)晶導(dǎo)致熔體愈加富集Fe3+，熔體的鐵同位素組成變重；在高氧逸度的條件下，含F(xiàn)e3+的礦物（磁鐵礦等）結(jié)晶導(dǎo)致熔體愈加富集Fe2+，熔體的鐵同位素組成變輕。流體出溶過程中，鐵的輕同位素相對的富集于出溶的流體，而殘余巖漿中的鐵同位素組成變重。鐵是主量元素以及變價元素，在研究巖漿的成因與演化、巖理學(xué)、成礦作用等方面具有十分重要的意義。

2.3 生物過程中的鐵同位素地球化學(xué)行為

鐵是生物生命活動必需的營養(yǎng)元素之一。例如鐵氧化細(xì)菌通過氧化Fe2+發(fā)生新陳代謝作用，獲取生命生長需要的能量［14］。隨著食物鏈級別的升高，生物優(yōu)先吸收鐵的輕同位素傾向性越明顯。在生物吸收過程之中，鐵進(jìn)入生物細(xì)胞體內(nèi)，氧化還原主要控制鐵的同位素分餾過程。鐵同位素在新的領(lǐng)域（生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等）也有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?5］。植物的光合作用、植物體內(nèi)的氧化還原作用以及高等動物和人體內(nèi)各種酶的合成等都離不開鐵元素的參與，所以研究鐵同位素的生物地球化學(xué)行為具有重要意義。

3 結(jié)論

鐵分布于各類礦物、巖石、流體等之中，并參與成巖成礦作用、熱液活動，在自然界之中廣泛存在。隨著鐵同位素分析測試技術(shù)發(fā)展，測試分析精度得到了提高，對地質(zhì)發(fā)展過程之中的鐵同位素基本分餾規(guī)律和機(jī)制及在地球儲庫中的分布特征有了初步了解。鐵是變價元素之一，在地質(zhì)過程之中，氧化還原反應(yīng)控制其同位素分餾，可以作為示蹤各種體系氧逸度的重要工具。另外，地質(zhì)發(fā)展過程中生物作用在氧化還原環(huán)境的轉(zhuǎn)變和鐵元素的活化方面起到重要的促進(jìn)作用，因此，對于示蹤古老生命活動痕跡，鐵同位素是一種的重要手段。