科研進(jìn)展

廣州地化所:五硫同位素示蹤非質(zhì)量依賴(lài)分餾效應的來(lái)源和行星化學(xué)啟示

發(fā)布時(shí)間:2023-04-23 來(lái)源:廣州地球化學(xué)研究所
  近二十余年,同位素地球化學(xué)家陸續在隕石、沉積物、冰芯等多種記錄了太陽(yáng)系和地球演化歷史的天然載體中觀(guān)測到多硫同位素(32S、33S、34S、36S)非質(zhì)量依賴(lài)分餾效應(Sulfur Isotope Mass-independent Fractionation; S-MIF)。學(xué)界普遍認為,S-MIF導致的硫同位素33S和36S異常主要通過(guò)含硫分子(如二氧化硫)的短波紫外線(xiàn)光化學(xué)反應產(chǎn)生,是示蹤大氧化事件、板塊運動(dòng)、平流層火山噴發(fā)、火星硫循環(huán)、太陽(yáng)系原行星盤(pán)演化等過(guò)程的重要工具。然而,該同位素效應理論和地學(xué)應用領(lǐng)域的頭上存在一朵“烏云”:在現代地球大氣臭氧層阻隔了短波紫外線(xiàn)到達地面的情況下,為何我們在現代近地面大氣中仍能廣泛觀(guān)測到S-MIF現象?
  為回答該問(wèn)題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室(下稱(chēng)“廣州地化所”)林莽研究員在早年引入了第五個(gè)硫同位素(宇生放射性同位素35S;半衰期約87.4天)作為高層大氣的示蹤物(Lin et al., PNAS 2016),率先開(kāi)展了五硫同位素綜合研究(Lin et al., PNAS 2018)。初步的五硫同位素分析結果顯示,近地面大氣的33S異常與35S相關(guān),表明其產(chǎn)生機制可能與臭氧層上的光化學(xué)過(guò)程相關(guān);而36S異常則與燃燒示蹤物相關(guān),說(shuō)明其產(chǎn)生機制可能涉及燃燒這一非光化學(xué)過(guò)程。為深入探討S-MIF的來(lái)源和化學(xué)機制,更合理地解讀天然樣品數據,提高35S和36S這兩種豐度極低的硫同位素的分析精度和開(kāi)展后續分析尤為關(guān)鍵。
  近年,廣州地化所博士后于曉曉和研究助理林曉敏在林莽研究員的指導下,篩查了影響35S和36S分析精度的潛在因素,提出了較為簡(jiǎn)易的解決方案,自主建立了五硫同位素高精度分析測試平臺。最近,碩士生殷彬晏在林莽研究員指導下,在該測試平臺開(kāi)展了大氣硫酸鹽S-MIF后續研究。研究結果進(jìn)一步支持36S異常與燃燒過(guò)程相關(guān),其化學(xué)機制可能與高溫氣態(tài)硫重組反應中由分子對稱(chēng)性差異引起的同位素效應有關(guān);但33S異常與高層大氣并無(wú)關(guān)聯(lián),表明其來(lái)源和化學(xué)機制比想象中更為復雜,需要在未來(lái)的研究進(jìn)一步深入探討。鑒于類(lèi)似幅度的S-MIF在火星隕石樣品中廣泛存在,研究團隊從比較行星學(xué)角度思考,進(jìn)一步提出,在解讀地外樣品多硫同位素數據時(shí),必須慎重考慮S-MIF來(lái)源和同位素行星化學(xué)的復雜性。若簡(jiǎn)單地以“S-MIF只與光化學(xué)反應有關(guān)”作為數據解讀的基本假設,在通過(guò)火星樣品多硫同位素反演火星古大氣過(guò)程的研究中可能會(huì )得到錯誤結論。
  這一系列研究得到了中科院“從0到1”原始創(chuàng )新項目(ZDBS-LY-DQC035)、基金委專(zhuān)項項目(42241125)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗室重大專(zhuān)項團隊項目(GML2019ZD0308)、國家高層次人才計劃青年項目、珠江人才計劃青年拔尖人才項目的聯(lián)合資助。研究成果分別發(fā)表于化學(xué)期刊《美國化學(xué)會(huì )地球和空間化學(xué)》(ACS Earth and Space Chemistry)和《質(zhì)譜學(xué)快報》(Rapid Communications in Mass Spectrometry),其中,關(guān)于S-MIF化學(xué)機制及其對行星大氣啟示的工作,于4月20日以主封面(Front Cover)文章發(fā)表在2023年第4期A(yíng)CS Earth and Space Chemistry。
  論文信息:
  Xiaomin Lin (林曉敏)#, Xiaomin Yu (于曉曉)#, Mang Lin (林莽)* (2022). Analysis of Atmospheric Radiosulfur at Natural Abundance by a New-type Liquid Scintillation Counter Equipped with Guard Compensation Technology. ACS Earth and Space Chemistry. 6, 7, 1868–1875. (#共同一作)
  Xiaoxiao Yu (于曉曉)*, Binyan Yin (殷彬晏), Mang Lin (林莽)* (2022). Removal of contamination in helium for precise SF6-based Δ36S measurements. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 36(24), e9404.
  Binyan Yin (殷彬晏), Xiaoxiao Yu (于曉曉), Xiaomin Lin (林曉敏), Zhisheng Zhang (張智勝), Yanli Zhang (張艷利), Mang Lin (林莽)* (2023). Toward the origins of quadruple sulfur isotope anomalies in modern sulfate: A multitracer approach and implications for paleo- and planetary atmospheres. ACS Earth and Space Chemistry. 7(4), 800-811.
  

 

  圖1 :(左)多硫穩定同位素 S-MIF 與燃燒示蹤物的相關(guān)性;(右)當期 ACS Earth Space Chem 主封面(Front Cover)。

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