【地球科普】气体同位素技术：揭示地球物质的来源和演化的利器-世界热文

1.稳定同位素地球化学

稳定同位素地球化学是一门研究地球化学元素中稳定同位素分布规律及其在自然界中的地球化学过程中的应用的学科。稳定同位素是指在自然界中不会发生放射性衰变的同位素，因此它们在地球化学过程中的存在状态不会发生改变。稳定同位素地球化学的研究内容包括稳定同位素的测量、同位素分馏与同位素地质年代学、同位素地球化学循环过程、同位素地球化学应用等方面。稳定同位素地球化学研究主要涉传统稳定同位素（如：氢、氧、碳、氮、硫）及非传统稳定同位素（即：金属同位素）。

(资料图)

图1. 稳定同位素地球化学研究涉及的同位素[8]

除此，稀有气体同位素（即：氦、氖、氩、氪等）在地球科学研究中有着广泛的应用，可以用来研究地球系统的演化、地球内部的物质循环、地球化学过程等方面。例如，氦同位素可以用来研究地幔的成分和演化历史，以及地球内部的地热活动等。氩同位素可以用来研究大气的演化历史、地壳岩石的年龄、地球内部物质的分布和循环等。氪同位素则可以用来研究地球内部的物质分异过程、地壳岩石的形成和演化等。

图2. 用于稀有气体同位素测量的静态真空质谱计（图片来源：中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心网站）

2.传统稳定同位素（气体同位素）地球化学传统稳定同位素地球化学主要研究自然界中轻元素（C/H/O/N/S等）的稳定同位素在地球化学过程中的应用的学科，通常使用气体源同位素比值质谱仪（Gas source isotope ratio mass spectrometer，Gas-IRMS）。这种技术可以用于测量样品中各种同位素的比例，例如氢、氧、碳、氮、硫等。Gas-IRMS是一种广泛应用于气体同位素比值分析技术，它可以测量样品中各种同位素的比例，从而获得样品的同位素组成信息。Gas-IRMS的基本原理是将样品分子或原子离子化后，通过磁场分离不同质量的同位素，然后利用检测器对不同同位素的信号进行测量和记录，最后计算不同同位素之间的比值。在实际分析中，通常将要分析的样品先转化为气态化合物（如CO2、N2、H2等），再进行质谱分析，所以又称为气体同位素分析技术。

图3. 气相色谱-气体同位素质谱联用仪（中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心网站）

气体体同位素技术有广泛的应用，例如地球化学循环过程、气候变化、古气候重建、生物地球化学和水文地质学等方面。气体同位素可以通过地球上不同物质的同位素比值进行研究。这些同位素比值受到化学和生物过程的影响，因此它们可以提供关于这些过程发生的信息。 例如，在气候变化研究中，气体同位素技术可以用来研究古气候记录，通过分析化石或沉积物中的同位素比值，可以重建过去的气候变化。在水文地质学中，气体同位素分析可以用来确定水的来源、流动路径和水文地质过程。在生物地球化学中，气体同位素分析可以用来研究生态系统中不同物种的食物链关系和营养循环。总的来说，气体同位素地球化学在多个领域有广泛的应用，可以提供有关地球化学循环和生物地球化学过程的重要信息。气体同位素地球化学是一种研究地球环境和生物地球化学过程的重要手段，其应用范围涉及气候变化、水文地质、生物地球化学、海洋生态学等多个领域。

3.气体同位素技术主要应用领域水循环和水文地质学：利用气体同位素质谱测量水中的氢、氧同位素组成，可以研究水的来源、循环、地下水补给和水文地质问题。植物生态学：通过测量植物体内的碳、氮同位素组成，可以研究植物的光合作用效率、生态位、生长环境等问题。地质学和矿床学：通过矿物和岩石中的同位素组成，可以研究矿物和岩石的成因、演化和地球化学过程。大气科学和气候变化：利用大气中的氧同位素、氮同位素和碳同位素组成，可以研究大气的循环、气候变化和全球变化问题。油气地质应用：通过分析油气中稳定同位素的组成，可以研究油气的来源和演化过程，帮助人们更好地探明油气资源和评价油气田勘探开发前景。气体同位素技术可以用于研究油气的成因。油气主要由有机质经过高温高压作用形成，不同类型的油气来源有所不同，其稳定同位素比值也存在差异。例如，碳同位素比值可以用于区分不同类型的烃类物质，如原油、煤、天然气等，从而判断油气的来源和成因。其次，气体同位素技术可以用于研究油气的演化过程。油气在地质过程中经历了多个阶段的演化，不同演化阶段对油气的稳定同位素组成也会产生影响。例如，硫同位素比值可以用于研究油气中硫化合物的来源和演化过程，从而帮助人们判断油气储层的类型和形成历史。气体同位素可以用于评价油气田勘探开发前景。通过对油气稳定同位素的分析，可以研究油气储层的物质来源和演化历史，评价储层的成藏条件和分布规律，进而预测油气田的勘探开发前景，指导油气勘探开发的决策和实践。

图4. 利用碳氢同位素特征对油气进行分类[8]

4.气体同位素技术主要手段氢氧同位素：氢氧同位素示踪技术是稳定同位素地球化学中应用最广泛的一种技术。在水文地质、水资源调查、水文气象学等领域，该技术可以用于研究地下水来源、水文循环和降水来源等问题。在生态学领域，氢氧同位素技术可用于研究植物水分来源、土壤水分循环等问题。同时，氢氧同位素技术还可以用于古气候重建和海洋生态学等领域。碳同位素：碳同位素示踪技术是一种研究生物地球化学和碳循环的重要技术。在生态学领域，该技术可用于研究不同类型植物和土壤有机物来源和转化过程，以及碳循环等问题。在地质学领域，碳同位素技术可用于古气候重建和古生物学等领域。氮同位素：氮同位素示踪技术是一种研究氮循环和生物地球化学过程的技术。在生态学领域，该技术可用于研究生物体内不同类型氮元素来源和转化过程，以及氮循环等问题。在气候变化研究中，氮同位素技术可用于研究古气候条件下不同生态系统中的氮循环过程。硫同位素：硫同位素示踪技术是一种研究地质和环境地球化学过程的技术。在石油和天然气勘探领域，该技术可用于研究油气成藏和油气运移等问题。在研究生态系统中的硫循环过程方面，硫同位素技术可用于研究硫代谢和硫酸盐还原过程。

图5.甲烷乙烷碳同位素在油气地球化学中的应用[9]

5.气体同位素技术及未来发展提高测量精度和分辨率：随着技术的不断进步，气体同位素测量的精度和分辨率已经得到很大提高。未来的发展方向是进一步提高稳定同位素测量的精度和分辨率，以满足更高级别的科学研究需求。新的气体同位素示踪技术：传统的稳定同位素示踪技术主要集中在氧、碳、氮、硫等元素上，未来的发展方向是发展新的气体同位素示踪技术，以拓展稳定同位素在地球化学、环境科学、生命科学等领域的应用。传统气体稳定同位素地球化学已经在地球科学、生命科学、环境科学等领域得到广泛应用。未来的发展方向是推广气体同位素技术的应用，让更多的研究人员和行业工作者了解和使用稳定同位素技术，促进其在实际应用中的发展。开展多学科交叉研究：传统的气体稳定同位素在地球化学、环境科学、生命科学等领域的应用已经取得了很大进展。未来的发展方向是进一步加强多学科交叉研究，将稳定同位素技术与其他学科相结合，探索新的科学问题和应用领域。总之，气体稳定同位素地球化学在未来仍然有广阔的发展空间，技术的不断提高和应用的拓展将进一步推动其在地球科学、生命科学、环境科学等领域的发展和应用。（作者注：科普文章旨在将专业的知识用简明易懂的语言传达给尽量多的读者，因此写作过程中需要在专业性和易懂性之间取得平衡，这对作者来说是一项很有挑战性的任务。在文章的编写过程中，作者尽可能地核查和使用可靠的资料以确保文章的准确性和可信度。然而，由于知识的广度和深度，以及个人专业知识的限制，仍然有可能存在遗漏和不足之处。因此，我们欢迎读者提出任何关于本文的补充、修改或纠正，以帮助我们不断完善和改进文章的质量。作者简介：李中平，中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心研究员，中国地质学会同位素地质专业委员会委员，中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会秘书长。感兴趣的领域为气体地球化学、同位素地球化学、分析地球化学等；联系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn）

参考文献：

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