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探秘地球-同位素指纹的奥秘

发布时间：2025/11/14 8:25:11关注度：1177

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张安余马潇

同位素技术

同位素技术是地球化学研究中的“侦探利器”，它通过追踪元素同位素组成的微小差异，来揭示地球乃至太阳系演化的奥秘。

赛默飞拥有一系列完整的同位素质谱类仪器，可以测定元素周期表中几乎所有元素的同位素。

（点击查看大图）

如在上图所示的元素周期表里，标红色点的这类元素的同位素，可用MC-ICPMS质谱（Neoma）和TIMS质谱（Triton系列）来测定；标黄色点的这些非金属元素的同位素，可用G-IRMS质谱(Delta Q, 253 Plus)来测定；绿色点代表了惰性气体元素，可用惰性气体质谱仪(Helix MC)来测定其同位素。

那么让我们一起来看看同位素是如何解密地球的吧。

1. 破解地球年龄之谜：终极时钟

地球到底有多老？

早期的估算方法（如根据海水盐度、地球冷却速率）都非常不准确。

而利用同位素铀-铅定年法，特别是锆石矿物，可以知道地球的年龄。

锆石形成于岩浆中，极其坚硬耐用，能抵抗后期地质作用的改造。它在结晶时会将铀元素锁在晶格中，而排斥铅。因此，我们在锆石中测到的所有铅都是铀放射性衰变产生的。

铀有两个同位素（U-238和U-235）分别衰变成两种铅同位素（Pb-206和Pb-207）。这就像有两块独立的手表，可以相互校验，结果更可靠。

科学家们在澳大利亚杰克山找到了地球上最古老的锆石晶体，通过铀-铅定年，测得其年龄高达 44亿年。这告诉我们，在地球形成后不久（约1.6亿年后），大陆地壳就已经开始形成了。目前测得的地球上陨石的年龄约为45.3-45.7亿年，非常接近地球本身的估计年龄（约45.5亿年）。

仪器介绍：

多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS）可以测试元素周期表中多达40种以上的元素（Sr、Nd、Pb、Hf、U、Li、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn等），可进行的同位素定年体系包括U-Pb、Rb-Sr、Re-Os、Sm-Nd等。

赛默飞于2020年11月在全球推出第二代Neoma MC-ICPMS。除了沿袭Neptune系列MC-ICPMS上述优势设计外，还借助于革新ICP离子源、拓展检测器平台、全新的带质量筛选功能的碰撞反应池、整机全新电路设计、先进的Qtegra软件操作平台以及一系列硬件、软件改进，在Neptune基础上进一步提升了仪器性能。

Neoma MC-ICPMS

2. 追溯生命起源：大氧化事件的“指纹”

地球早期的大气是缺氧的，那么氧气是在什么时候开始大量出现的？

有一个能证明氧气出现时间的关键地质证据：硫同位素。

通常情况下，同位素的分馏与它们的质量差有关（质量分馏）。但在紫外线作用下，会发生一种“非质量分馏”效应，这只有在无氧大气中才能发生。

科学家发现，在距今约24亿年前的古老岩石中，这种异常的硫同位素信号突然消失了，这成为了 “大氧化事件”的决定性证据：因为当时蓝藻细菌通过光合作用产生了大量氧气，改变了大气化学，阻止了非质量分馏的发生。

如果让我们直接去测古氧气的含量，这几乎是不可能的，而通过一个与之相关的、被保存下来的“异常”同位素信号的消失，来反推当时大气成分，则成为了解开谜题的证据。

仪器介绍：

赛默飞共有两款经典的气体稳定同位素质谱仪。一款是经典的253 Plus，一款是最新的Delta Q型号。两款气体质谱仪主要针对C、N、H、O、S五种元素的稳定同位素进行分析测试。

253 Plus IRMS配有10KV电压，磁场偏转半径大，适用于地质、海洋、古气候研究；Delta Q IRMS配有3KV加速电压，磁场偏转半径小，适用于食品、环境、生态等领域研究。

此外两款仪器分别可与EA（元素分析仪）、GC（气相色谱仪）、LC（液相色谱仪）、GB（在线气体平衡装置）等不同外设联用，用于不同样品类型，包括固体、气体、挥发性有机物的单体同位素测试。

253 Plus IRMS

Delta Q IRMS

3. 重建古气候：藏在石头里的温度计

大家有没有想过，我们如何能知道远古时代海洋温度？

地球化学里有一个很重要的方法：氧同位素古温度计。

古代海洋生物（如有孔虫）的碳酸钙贝壳在形成时，会记录下海水的氧同位素信息。¹⁶O比¹⁸O更轻，蒸发时更容易进入水汽。当气候变冷，冰盖扩大，大量的¹⁶O被锁在冰盖中，导致海水中¹⁸O相对富集。同时，生物在较冷的水中形成贝壳时，会更多地吸收¹⁸O到其碳酸钙骨骼中。通过测量深海钻探岩芯中有孔虫化石的¹⁸O/¹⁶O比值，科学家可以重建过去数百万年精确的冰期-间冰期气候旋回，就像在阅读一本地球的温度日记。

仪器介绍：

赛默飞的253 Plus稳定同位素质谱仪加配Kiel IV高精度碳酸盐分析装置是做有孔虫这类珍贵化石样品的有力工具。只需要大约20µg的碳酸盐样品，δ¹³C和δ¹⁸O的分析精度可达到0.04‰和0.08‰。Kiel IV带有抽真空的可控温反应室，可以精确控制反应温度；新的微体积箱可消除微量碳酸盐样品产生的CO₂的粘滞流；两个带有酸定量阀的独立反应体系用于高通量样品分析，确保了高精度碳酸盐样品的准确分析。