第七届青年地学论坛

近些年来随着MC-ICP-MS的技术的发展，使得金属稳定同位素(比如：Zn)的精确测定成为可能。金属稳定同位素信号因具有指纹效应可以被用来精确识别微量金属源区，这为示踪金属元素的地球化学循环提供了全新的视角。但研究表明，矿物溶液界面反应会产生显著的Zn同位素分馏从而模糊了Zn同位素包含的源区信息，限制了Zn同位素的应用。因此，深入理解Zn同位素在矿物溶液界面的分配行为及其分馏机理尤为重要。本文选取地球表层环境中广泛分布的氧化锰矿物钙锰矿，研究Zn同位素在其表界面的分馏行为及其微观机制。
结果表明，Zn同位素在钙锰矿表面的分馏明显受到吸附密度(Zn/Mn摩尔比)的影响。在低吸附密度条件下(Zn/Mn < ~0.013)，较轻的Zn同位素会被吸附到钙锰矿表面，使得轻的Zn同位素残留于溶液中，固液两相呈现弱的负分馏为Δ⁶⁶Zn_{adsorbed-aqueous} = -0.1 ± 0.04‰；而随着吸附密度的增加，即Zn/Mn从0.013增加到0.052，固液两相的同位素分馏值逐渐增大从-0.1 ± 0.04‰ 变为 0.05 ± 0.06‰。EXAFS结果表明，在低吸附密度条件下，Zn在钙锰矿表面以外圈吸附为主，对应Zn-O键长为2.07 Å；而在高吸附密度下，Zn主要以外圈吸附和内圈吸附络合的混合结构存在，对应Zn-O键长为2.00 Å。此外，密度泛函理论计算估计了钙锰矿外圈吸附态与内圈吸附态Zn与水溶态Zn的分馏因子分别为0.02‰和0.89‰。
综上，我们认为低吸附密度下，Zn在钙锰矿表面以外圈络合为主，固液两相同位素呈现弱的负分馏(Δ⁶⁶Zn_{adsorbed-aqueous} = -0.1 ± 0.04‰)；而Zn在高吸附密度下形成以外圈吸附和内圈吸附络合的混合结构，同位素分馏值为外圈和内圈吸附态Zn产生的同位素分馏因子两端元混合的结果，呈现趋于正向的分馏为Δ⁶⁶Zn_{adsorbed-aqueous} = 0.05 ± 0.06‰。本文将Zn同位素在钙锰矿/溶液界面差异的分馏现象与Zn的微观结构联系起来，为我们解释Zn同位素在地球表层系统中的分配提供了重要思路。
 

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