【地球科普】氣體同位素技術：揭示地球物質的來源和演化的利器

1.穩(wěn)定同位素地球化學

穩(wěn)定同位素地球化學是一門研究地球化學元素中穩(wěn)定同位素分布規(guī)律及其在自然界中的地球化學過程中的應用的學科。穩(wěn)定同位素是指在自然界中不會發(fā)生放射性衰變的同位素，因此它們在地球化學過程中的存在狀態(tài)不會發(fā)生改變。穩(wěn)定同位素地球化學的研究內容包括穩(wěn)定同位素的測量、同位素分餾與同位素地質年代學、同位素地球化學循環(huán)過程、同位素地球化學應用等方面。穩(wěn)定同位素地球化學研究主要涉?zhèn)鹘y(tǒng)穩(wěn)定同位素（如：氫、氧、碳、氮、硫）及非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素（即：金屬同位素）。

圖1. 穩(wěn)定同位素地球化學研究涉及的同位素[8]

除此，稀有氣體同位素（即：氦、氖、氬、氪等）在地球科學研究中有著廣泛的應用，可以用來研究地球系統(tǒng)的演化、地球內部的物質循環(huán)、地球化學過程等方面。例如，氦同位素可以用來研究地幔的成分和演化歷史，以及地球內部的地熱活動等。氬同位素可以用來研究大氣的演化歷史、地殼巖石的年齡、地球內部物質的分布和循環(huán)等。氪同位素則可以用來研究地球內部的物質分異過程、地殼巖石的形成和演化等。

圖2. 用于稀有氣體同位素測量的靜態(tài)真空質譜計（圖片來源：中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學分析測試中心網(wǎng)站）

2.傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素（氣體同位素）地球化學
傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學主要研究自然界中輕元素（C/H/O/N/S等）的穩(wěn)定同位素在地球化學過程中的應用的學科，通常使用氣體源同位素比值質譜儀（Gas source isotope ratio mass spectrometer，Gas-IRMS）。這種技術可以用于測量樣品中各種同位素的比例，例如氫、氧、碳、氮、硫等。Gas-IRMS是一種廣泛應用于氣體同位素比值分析技術，它可以測量樣品中各種同位素的比例，從而獲得樣品的同位素組成信息。Gas-IRMS的基本原理是將樣品分子或原子離子化后，通過磁場分離不同質量的同位素，然后利用檢測器對不同同位素的信號進行測量和記錄，最后計算不同同位素之間的比值。在實際分析中，通常將要分析的樣品先轉化為氣態(tài)化合物（如CO2、N2、H2等），再進行質譜分析，所以又稱為氣體同位素分析技術。

圖3. 氣相色譜-氣體同位素質譜聯(lián)用儀（中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心網(wǎng)站）

氣體體同位素技術有廣泛的應用，例如地球化學循環(huán)過程、氣候變化、古氣候重建、生物地球化學和水文地質學等方面。氣體同位素可以通過地球上不同物質的同位素比值進行研究。這些同位素比值受到化學和生物過程的影響，因此它們可以提供關于這些過程發(fā)生的信息。 例如，在氣候變化研究中，氣體同位素技術可以用來研究古氣候記錄，通過分析化石或沉積物中的同位素比值，可以重建過去的氣候變化。在水文地質學中，氣體同位素分析可以用來確定水的來源、流動路徑和水文地質過程。在生物地球化學中，氣體同位素分析可以用來研究生態(tài)系統(tǒng)中不同物種的食物鏈關系和營養(yǎng)循環(huán)?？偟膩碚f，氣體同位素地球化學在多個領域有廣泛的應用，可以提供有關地球化學循環(huán)和生物地球化學過程的重要信息。氣體同位素地球化學是一種研究地球環(huán)境和生物地球化學過程的重要手段，其應用范圍涉及氣候變化、水文地質、生物地球化學、海洋生態(tài)學等多個領域。

3.氣體同位素技術主要應用領域
水循環(huán)和水文地質學：利用氣體同位素質譜測量水中的氫、氧同位素組成，可以研究水的來源、循環(huán)、地下水補給和水文地質問題。植物生態(tài)學：通過測量植物體內的碳、氮同位素組成，可以研究植物的光合作用效率、生態(tài)位、生長環(huán)境等問題。地質學和礦床學：通過礦物和巖石中的同位素組成，可以研究礦物和巖石的成因、演化和地球化學過程。大氣科學和氣候變化：利用大氣中的氧同位素、氮同位素和碳同位素組成，可以研究大氣的循環(huán)、氣候變化和全球變化問題。
油氣地質應用：通過分析油氣中穩(wěn)定同位素的組成，可以研究油氣的來源和演化過程，幫助人們更好地探明油氣資源和評價油氣田勘探開發(fā)前景。氣體同位素技術可以用于研究油氣的成因。油氣主要由有機質經(jīng)過高溫高壓作用形成，不同類型的油氣來源有所不同，其穩(wěn)定同位素比值也存在差異。例如，碳同位素比值可以用于區(qū)分不同類型的烴類物質，如原油、煤、天然氣等，從而判斷油氣的來源和成因。其次，氣體同位素技術可以用于研究油氣的演化過程。油氣在地質過程中經(jīng)歷了多個階段的演化，不同演化階段對油氣的穩(wěn)定同位素組成也會產生影響。例如，硫同位素比值可以用于研究油氣中硫化合物的來源和演化過程，從而幫助人們判斷油氣儲層的類型和形成歷史。氣體同位素可以用于評價油氣田勘探開發(fā)前景。通過對油氣穩(wěn)定同位素的分析，可以研究油氣儲層的物質來源和演化歷史，評價儲層的成藏條件和分布規(guī)律，進而預測油氣田的勘探開發(fā)前景，指導油氣勘探開發(fā)的決策和實踐。

圖4. 利用碳氫同位素特征對油氣進行分類[8]

4.氣體同位素技術主要手段
氫氧同位素：氫氧同位素示蹤技術是穩(wěn)定同位素地球化學中應用最廣泛的一種技術。在水文地質、水資源調查、水文氣象學等領域，該技術可以用于研究地下水來源、水文循環(huán)和降水來源等問題。在生態(tài)學領域，氫氧同位素技術可用于研究植物水分來源、土壤水分循環(huán)等問題。同時，氫氧同位素技術還可以用于古氣候重建和海洋生態(tài)學等領域。碳同位素：碳同位素示蹤技術是一種研究生物地球化學和碳循環(huán)的重要技術。在生態(tài)學領域，該技術可用于研究不同類型植物和土壤有機物來源和轉化過程，以及碳循環(huán)等問題。在地質學領域，碳同位素技術可用于古氣候重建和古生物學等領域。氮同位素：氮同位素示蹤技術是一種研究氮循環(huán)和生物地球化學過程的技術。在生態(tài)學領域，該技術可用于研究生物體內不同類型氮元素來源和轉化過程，以及氮循環(huán)等問題。在氣候變化研究中，氮同位素技術可用于研究古氣候條件下不同生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)過程。硫同位素：硫同位素示蹤技術是一種研究地質和環(huán)境地球化學過程的技術。在石油和天然氣勘探領域，該技術可用于研究油氣成藏和油氣運移等問題。在研究生態(tài)系統(tǒng)中的硫循環(huán)過程方面，硫同位素技術可用于研究硫代謝和硫酸鹽還原過程。

圖5.甲烷乙烷碳同位素在油氣地球化學中的應用[9]

5.氣體同位素技術及未來發(fā)展
提高測量精度和分辨率：隨著技術的不斷進步，氣體同位素測量的精度和分辨率已經(jīng)得到很大提高。未來的發(fā)展方向是進一步提高穩(wěn)定同位素測量的精度和分辨率，以滿足更高級別的科學研究需求。新的氣體同位素示蹤技術：傳統(tǒng)的穩(wěn)定同位素示蹤技術主要集中在氧、碳、氮、硫等元素上，未來的發(fā)展方向是發(fā)展新的氣體同位素示蹤技術，以拓展穩(wěn)定同位素在地球化學、環(huán)境科學、生命科學等領域的應用。傳統(tǒng)氣體穩(wěn)定同位素地球化學已經(jīng)在地球科學、生命科學、環(huán)境科學等領域得到廣泛應用。未來的發(fā)展方向是推廣氣體同位素技術的應用，讓更多的研究人員和行業(yè)工作者了解和使用穩(wěn)定同位素技術，促進其在實際應用中的發(fā)展。開展多學科交叉研究：傳統(tǒng)的氣體穩(wěn)定同位素在地球化學、環(huán)境科學、生命科學等領域的應用已經(jīng)取得了很大進展。未來的發(fā)展方向是進一步加強多學科交叉研究，將穩(wěn)定同位素技術與其他學科相結合，探索新的科學問題和應用領域。總之，氣體穩(wěn)定同位素地球化學在未來仍然有廣闊的發(fā)展空間，技術的不斷提高和應用的拓展將進一步推動其在地球科學、生命科學、環(huán)境科學等領域的發(fā)展和應用。
（作者注：科普文章旨在將專業(yè)的知識用簡明易懂的語言傳達給盡量多的讀者，因此寫作過程中需要在專業(yè)性和易懂性之間取得平衡，這對作者來說是一項很有挑戰(zhàn)性的任務。在文章的編寫過程中，作者盡可能地核查和使用可靠的資料以確保文章的準確性和可信度。然而，由于知識的廣度和深度，以及個人專業(yè)知識的限制，仍然有可能存在遺漏和不足之處。因此，我們歡迎讀者提出任何關于本文的補充、修改或糾正，以幫助我們不斷完善和改進文章的質量。作者簡介：李中平，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心研究員，中國地質學會同位素地質專業(yè)委員會委員，中國礦物巖石地球化學學會氣體地球化學專業(yè)委員會秘書長。感興趣的領域為氣體地球化學、同位素地球化學、分析地球化學等；聯(lián)系方式：Email：lizhongping@lzb.ac.cn）

參考文獻：

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