铁同位素地球化学研究

司飞

（成都理工大学地球科学院， 四川成都 610059）

同位素地球化学作为地球化学的一个重要分支，在研究天然物质中同位素演化规律、地质演化事件定年等方面发挥巨大作用。随着同位素地球化学分析方法的开发和应用以及同位素测试仪器和技术的改进和革新，诸多以前无法研究的样品，现在通过实验，也可以得到准确的数据与信息，极大的拓宽了同位素地球化学研究内容［1］，作为新兴技术之一的铁同位素，其组成为氧化还原条件、成矿作用等重大理论和应用提供新的认识，根据同位素的组成与显著分馏规律，能够示踪岩浆形成过程时物化条件和演化过程［2］。

自然界之中铁分布广泛，是高丰度的变价元素，其广泛的参与低温与高温环境下各类无机或生物氧化还原的过程，同时也是地质过程中重要的氧逸度缓冲剂［3］。在研究太阳系以及早期行星的演化方面铁同位素显示出其独特的作用。通过学者们对大量岩石样品的同位素测试，表明自然界岩石中铁同位素的组成变化范围为ε57Fe=-51.8～+46.5，图1是在不同地质储库之中铁同位素的组成数据分布图［4］。随着对铁同位素的分馏机制理解加深，各种体系之中分馏系数的累积，铁同位素将在地球科学的方方面面得到应用。

1 人铁同位素性质及组成

1.1 铁同位素基本概念

图1 不同地质储库中的铁同位素变化

在自然界之中，54Fe、56Fe、57Fe、58Fe是 铁的四种稳定同位素，其丰度分别为5.845%、91.754%、2.119%、30.282%［5］。区别于传统的C、H、O等轻同位素，铁等过渡族元素称重同位素。一直以来，类似于铁等重同位素研究较少原因有：①铁同位素之间相对质量差比较小，分馏程度比其它轻稳定同位素要小；②由于原质谱仪不能够精确测定同位素的组成真实变化。近年来，质谱仪测试方法的改进和提高，实现了同位素组成的高精度测量。

1.2 不同地质储库的铁同位素组成

在不同地质背景下形成的火成岩，铁同位素的组成几乎相同，这是Fe同位素的显著特征之一［6-8］。Zhu等在对地幔橄榄岩和辉石包体的研究显示，ε57Fe的变化范围是-2.2～1.2；Poitrason等在对地幔的13个岩石样品进行铁同位素研究显示ε57Fe的变化范围是0.06～1.68。在碎屑沉积岩之中ε57Fe的变化范围为-3.1～5。现代富氧的地球环境上，岩石来源（陆源沉积物等）的铁同位素成分与火成岩类似，表明在富氧的环境下,铁是一种保守元素，地质作用过程没有使铁发生较大的分馏［9］。

2 铁同位素地球化学行为

2.1 表生过程中铁同位素的地球化学化学行为

在地球科学之中，表生是基本的地质过程之一，主要是基岩风化作用。通过物理运动和化学沉积等方式进入岩石圈。在地壳之中，铁是主量元素，在现代海水之中，铁是痕量元素。因此，在表生体系之中，铁同位素地球化学研究对铁的地球化学过程研究具有十分重要的意义。

通常用相对于国际标准物质IRMM-014的千分偏差δxFe来表示铁同位素组成的分析结果：

其中，x=56或57。在自然界之中，铁同位素符合质量分馏，δ56Fe=0.678δ57Fe［10］。铁同位素储库之中，地壳硅酸岩、土壤、和碎屑沉积物等中铁同位素组成相对均一，δ56Fe分布相对集中；而铁同位素组成在河水、孔隙水和海底热液等中变化范围较大，其中铁的轻同位素相对富集在孔隙水和海底热液之中，铁的重同位素相对富集于海水之中［11］。

在表生过程地质作用下，引起铁同位素分馏的原因与铁的价态以及赋存形式的改变有关。铁同位素分馏最主要因素的是氧化还原作用，在氧化还原的作用之下，Fe2+与Fe3+物质之间相互转化，铁同位素在这个反应过程中分馏明显。Fe2+与Fe3+物质之间在常温平衡条件下δ56Fe的分馏可以达到约3‰，并且铁的重同位素更易于富集在Fe3+物质中。溶解作用包含质子控制、配位体控制、还原性的溶解作用。总体而言，这三种溶解作用中，前两者控制的溶解作用不会使铁同位素发生分流或者分馏比较小，铁同位素分馏是由于铁的价态通过还原性溶解作用发生改变而造成的结果，以及其他物理化学作用引起的引起铁同位素分馏等。

2.2 岩浆过程中铁同位素的地球化学行为

岩浆过程是最基本的地质作用过程之一。在岩浆形成之后，通过结晶分异、熔离和岩浆混合等作用发生分异、演化。在岩浆作用的晚期阶段，通常会发生流体的出溶作用，例如大红山矿床中铁氧化物阶段早期主要受岩浆作用影响，成矿物质来源于岩浆演化晚期富铁质的流体［12］。在岩浆过程中铁同位素发生明显分馏。酸性岩浆岩相对于中基性岩浆岩更加富集铁的重同位素［13］。

在岩浆过程之中，铁的价态或氧逸度控制铁同位素分馏。相对于二价铁矿物来讲，岩浆岩中的三价铁矿物更易富集铁重同位素。在地幔橄榄岩的部分熔融过程中，由于Fe3+比Fe2+更加不相容，相对于固体相，熔体相更加富集Fe3+，因而铁的重同位素相对富集于部分熔融产物。结晶分异过程和低氧逸度条件下，含Fe2+的矿物（橄榄石、辉石等）结晶导致熔体愈加富集Fe3+，熔体的铁同位素组成变重；在高氧逸度的条件下，含Fe3+的矿物（磁铁矿等）结晶导致熔体愈加富集Fe2+，熔体的铁同位素组成变轻。流体出溶过程中，铁的轻同位素相对的富集于出溶的流体，而残余岩浆中的铁同位素组成变重。铁是主量元素以及变价元素，在研究岩浆的成因与演化、岩理学、成矿作用等方面具有十分重要的意义。

2.3 生物过程中的铁同位素地球化学行为

铁是生物生命活动必需的营养元素之一。例如铁氧化细菌通过氧化Fe2+发生新陈代谢作用，获取生命生长需要的能量［14］。随着食物链级别的升高，生物优先吸收铁的轻同位素倾向性越明显。在生物吸收过程之中，铁进入生物细胞体内，氧化还原主要控制铁的同位素分馏过程。铁同位素在新的领域（生物学、医学等）也有很大的发展潜力［15］。植物的光合作用、植物体内的氧化还原作用以及高等动物和人体内各种酶的合成等都离不开铁元素的参与，所以研究铁同位素的生物地球化学行为具有重要意义。

3 结论

铁分布于各类矿物、岩石、流体等之中，并参与成岩成矿作用、热液活动，在自然界之中广泛存在。随着铁同位素分析测试技术发展，测试分析精度得到了提高，对地质发展过程之中的铁同位素基本分馏规律和机制及在地球储库中的分布特征有了初步了解。铁是变价元素之一，在地质过程之中，氧化还原反应控制其同位素分馏，可以作为示踪各种体系氧逸度的重要工具。另外，地质发展过程中生物作用在氧化还原环境的转变和铁元素的活化方面起到重要的促进作用，因此，对于示踪古老生命活动痕迹，铁同位素是一种的重要手段。