科研进展--中国科学院广州分院

碳酸盐团簇同位素（Δ47）具有独特的温度指示特性，在古气候古环境重建研究中占有重要地位。然而，由于地质时期的碳酸盐沉积物容易受成岩蚀变作用的影响，导致其Δ47发生重置而无法准确反映原始碳酸盐沉淀时的环境温度。对此我们有必要理解Δ47如何响应一些关键的成岩蚀变作用如固态重排和重结晶中的同位素效应。剖析这种响应规律或机制一方面有助于我们更好地判断Δ47温度计的可靠性，另一方面也有利于我们应用蚀变碳酸盐样品Δ47来指示成岩温度以及相关的地质过程。自然成岩蚀变环境导致Δ47重置往往是多种过程的共同作用结果，其中碳酸盐矿物的重结晶反应不仅普遍发生在矿物表面，也经常在矿物内部以溶解-再沉淀的形式进行，然而目前对Δ47如何响应内部重结晶过程还尚未明确，理解其中的作用机制对利用蚀变碳酸盐Δ47重建古温度具有重要意义。对此，中国科学院广州地球化学研究所稳定同位素地球化学学科组郭炀锐副研究员、孔凯博士等人开展了一系列文石白云石转化实验，聚焦于文石这类极易受后期成岩作用影响的碳酸盐矿物，研究了文石在高温高水岩比条件下转化成白云石过程中氧同位素（δ18O）和团簇同位素的分馏规律，揭示了文石在溶液环境中重结晶时存在显著的内部水交换作用并导致团簇同位素快速分馏的特征。该研究获得以下重要认识：1）文石的重结晶过程可发生在矿物内部（图1），即使在外部存在溶液的环境下，内部水与矿物间的同位素交换作用因体系的封闭性仅导致微小的δ18O变化但却可产生显著的Δ47重置（图2）；2）文石内部水交换作用，可视为亚微米尺度下的重结晶（溶解-再沉淀），其在高温下导致Δ47的快速变化有别于固态重排效应，其联合外部溶液的重结晶作用共同决定了碳酸盐δ18O与Δ47的“非线性”分馏关系（图3）；3）对于仅部分受后期成岩蚀变作用影响（如未与成岩环境达到平衡）的碳酸盐，内部水交换作用将导致这些样品的Δ47温度“无用武之地”，联合氧同位素温度计推导的流体δ18O值也无法准确指示成岩流体的来源和性质。该研究结果为蚀变碳酸盐团簇同位素的应用敲响了警钟，也预示了未来研究碳酸盐矿物内部水成因及同位素交换反应动力学的重要性。图1 碳酸盐颗粒与内部水（FIn）和外部水（FEx）的交换作用概念模型图2不同含水比例（MW）下模拟内部水与文石交换作用对同位素分馏的影响图3 模拟不同实验温度下文石白云石化过程中内部水和外部水交换作用。其中k值表示内部水交换相对于外部水交换作用的重要性，当k值越高意味着在反应进程中内部水交换作用对同位素分馏的影响越重要。该项研究受国家自然科学基金项目资助，成果近期发表在国际重要地学期刊《Chemical Geology》上。论文信息：Guo, Y.*（郭炀锐）, Kong, K.（孔凯）, Liu, X.（刘熙）, Deng, W.（邓文峰）, Wei, G.（韦刚健）, 2024. Fluid-mediated exchange reaction induces clumped isotope resetting: Insights from aragonite dolomitization experiments. Chemical Geology: 122036.论文链接

2024-03-15

华南植物园揭示豆科和非豆科人工林叶片氮稳定同位素自然丰度指示土壤氮动态的差异

氮稳定同位素自然丰度（δ15N）被广泛用于指示生态系统氮循环特性。豆科树种在全球森林广泛分布，尤其是在热带地区。由于具有共生固氮能力，豆科森林15N丰度受固氮过程中氮气（δ15N=0‰）的影响，其15N模式以及对生态系统氮循环的指示作用可能与非豆科森林存在差异。然而，目前有关两类森林叶片δ15N对土壤氮循环指示作用的差异性以及其对养分有效性变化的响应尚不明确。中国科学院华南植物园郑棉海研究团队依托广东省鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站的长期氮磷添加试验平台，选取豆科人工林（Acacia auriculiformis）和非豆科人工林（Eucalyptus urophylla）为研究对象，对“植物-凋落物-土壤”连续体的δ15N进行了分析，同时监测了土壤氮动态相关指标用以系统地对比养分添加下两类人工林植物和土壤15N的变化趋势以及其对土壤氮循环的指示作用。研究发现，氮添加对叶片δ15N的影响取决于森林类型，非豆科人工林林下植物叶片δ15N在氮添加下显著增加，而豆科林无显著变化。长期养分添加显著改变了两个人工林的土壤氮损失，具体表现为氮添加显著增加了土壤N2O排放以及NO3-淋溶速率，而磷添加表现出相反作用。此外，非豆科人工林叶片δ15N与土壤N2O排放和NO3-淋溶速率之间表现出显著的正相关关系，豆科人工林未表现出显著的相关关系。本研究表明，养分添加下的植物叶片δ15N对土壤氮动态的指示作用在豆科和非豆科森林之间存在差异，该研究结果拓展了15N自然丰度指示生态系统氮循环过程和状态的传统认知。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Plant and Soil（《植物与土壤》）上。中国科学院华南植物园博士生毛晋花（已毕业，现为中国科学院地理科学与资源研究所博士后）为论文第一作者，郑棉海副研究员为通讯作者，毛庆功副研究员为共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-024-06523-y图1. 氮磷添加下豆科和非豆科森林植物叶片δ15N对土壤氮动态的指示作用

2024-03-13

华南植物园发现长期氮和磷添加减少亚热带森林土壤底层微生物残体碳的积累

亚热带森林土壤通常被认为是富氮或贫磷，因此氮和磷输入不仅会影响亚热带森林土壤养分循环，而且还会影响土壤碳循环和碳储量。微生物残体碳在调节森林土壤有机碳稳定性中起着重要作用，但长期氮和磷输入对不同土壤层微生物残体碳的影响仍不清楚。了解不同土层深度微生物残体碳的驱动因素对于准确预测森林土壤有机碳的稳定性和碳储量至关重要。中国科学院华南植物园生态中心范琳杰博士在郑棉海副研究员的指导下，依托广东省鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站的长期氮磷添加试验平台，选取两种典型的亚热带人工林，即大叶相思林（豆科林，Acacia auriculiformis）和尾叶桉林（非豆科林，Eucalyptus urophylla）为研究对象，探索两种亚热带人工林土壤微生物残体碳在不同土层的变化及其对长期氮和磷添加的响应机理。经过长期（12年）的氮磷添加处理，发现不同土层微生物残体碳浓度的响应存在差异。长期氮和磷添加对表层土壤（0-20cm）的微生物残体碳浓度没有显著影响。磷添加显著降低了两种人工林深层土壤（20-40cm）的微生物残体碳浓度，而氮添加仅降低了尾叶桉林深层土壤微生物残体碳浓度，对大叶相思林的影响不显著。氮和磷同时添加降低了大叶相思林的深层土壤微生物残体碳浓度，但对尾叶桉林没有显著影响。进一步发现，深层土壤的微生物残体碳主要受微生物属性和矿物保护的影响，而在表层土壤中，植物碳输入和矿物保护的作用更为重要。对于深层土壤而言，磷添加导致微生物周转和钙结合碳浓度降低，从而减少了微生物残体碳的积累。虽然表层土壤微生物周转和钙结合碳也减少，但由于表层凋落叶分解速度加快及微生物量增加，植入碳的输入和微生物量的增加可能弥补了表层微生物残体碳的减少，导致表层土壤微生物残体碳浓度无显著变化。这项研究表明，长期大气氮沉降和土壤磷缺乏可能会影响亚热带森林底层土壤碳的稳定性，未来研究需要更多地关注森林不同土层（尤其是底层土壤）有机碳的稳定性及其驱动机理，这对于准确理解和预测亚热带森林土壤固碳潜力至关重要。相关研究结果已近期发表在全球变化领域期刊Global Change Biology（《全球变化生物学》）上。中国科学院华南植物园范琳杰博士为论文的第一作者，郑棉海副研究员为通讯作者。华南植物园莫江明研究员、武东海研究员等参与了该项研究工作。该项研究得到国家重点研发-青年科学家项目、中国科学院青年创新促进会项目、国家自然科学基金项目等资助。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.17210图1. 氮和磷添加对豆科和非豆科人工林不同土层微生物残碳的影响图2. 氮和磷添加下豆科和非豆科林不同土层微生物残体碳的响应机制

2024-03-14

广州地化所：城市地区有机气溶胶挥发性分布的定量表征: 热解析和分子测量结果的相互比较

挥发性是有机气溶胶（OA）最重要的物理化学性质之一，挥发性高低决定OA的气固分配过程，进而影响其大气生消机制。基于挥发性的量化表征（饱和蒸气压浓度C*的分布）是模型模拟二次有机气溶胶（SOA）生成的关键，准确量化OA的挥发性分布及其影响因素有助于促进对SOA模拟的准确性。目前，测量环境OA挥发性的通常利用加热方法加速气溶胶挥发过程，并通过气溶胶测量仪器检测，结合动力学模型或者经验法模拟该挥发过程，以量化有机气溶胶的挥发性分布；随着OA在近分子水平上的测量和研究的发展，应用分子结构或分子元素组成的参数化方法估计OA的挥发性也越来越广泛，然而不同方法之间挥发性估计的差异仍不明确，导致OA挥发性量化仍有较大不确定性。特别是城市地区一次源排放和二次生成过程复杂，有机物分子成千上万，不同方法对环境OA挥发性测量的估算影响，尚无系统性研究。而针对其OA中关键含氮组分，有机硝酸酯（R-ONO2，简称pON）的研究更是十分缺乏，阻碍了对OA在大气中动态生成和老化的模拟与认识。为了量化城市环境OA的挥发性及不同挥发性估计方法之间的差异，中国科学院广州地球化学研究所陈卫博士在胡伟伟研究员的指导下，在中国的华南珠江三角洲特大城市广州开展了综合外场观测。在观测中基于多种测量技术，采用五种方法估算了OA和pON的挥发性分布（表1）：其中包括基于测量环境OA热解析曲线（OA挥发比例随温度变化）的（1）经验法和（2）动力学模型法；（3）基于官能团挥发性贡献的SIMPOL模型法和（4）基于有机分子元素组成的参数化方法，以及（5）基于有机分子气体和颗粒相分配的气固分配法。方法（1）和（2）的热解析曲线由热解析管与气溶胶质谱仪联用（TD-AMS）测量得到。方法（3）和（4）分别基于膜采样的电喷雾源（ESI-）傅里叶变换离子回旋共振分析仪（FT-ICR-MS）和配有在线气体气溶胶进样口的化学电离质谱仪（FIGAERO–CIMS，碘离子源）两套环境OA分子式计算得到。方法（5）的数据由FIGAERO–CIMS测量得到的气态和颗粒态有机物提供。本研究对不同挥发性估算方法进行了综合评价，发现城市地区环境有机气溶胶OA在不同方法间呈现出的挥发性高低趋势为: TD-AMS经验法≈TD-AMS动力学模型法≈SIMPOL模型法（FT-ICR-MS）<参数化方法（FT-ICR-MS）<气固分配法（FIGAERO-CIMS）<SIMPOL模型法（FIGAERO-CIMS）<参数化方法（FIGAERO-CIMS）。具体来说，基于TD加热法量化的OA挥发性的方法（1）和（2）具有较好的一致性。当假设该观测期间环境OA主要由有机硫酸酯、有机硝酸酯和羧酸基团组成时，基于FT-ICR的SIMPOL模型量化的OA挥发性分布（方法3）与两种加热法的挥发性一致，验证了这三种方法的有效性。但基于FI-ICR-MS测量的参数化方法（方法4）与前三种方法存在较大差异，高估环境OA的挥发性约2个数量级(>100倍)，且目前文献报道的不同参数化方案之间的估算结果亦不同。这表明基于有机分子组成的参数化方法目前仍存在较大的不确定性，在利用该方法阐述有机气溶胶挥发性结果时，需要考虑该不确定性，而参数化方案仍需进一步细化与改进。基于FIAGERO-CIMS测量结果的气固分配法估算的OA挥发性分布（方法5）较其他方法偏差较大，仅分布于较狭窄的饱和蒸汽压范围内 (0≤饱和蒸气压log C*≤4 μg m-3)。这种狭窄的挥发性分布结果主要由于FIGAERO-CIMS中进样口气溶胶挥发加热而导致有机物分子热解，以及质谱中碘离子源的选择性较强，利于测量含氧等有机极性物种两个原因主导。与FT-ICR相比，FIGAERO-CIMS测量到的OA种类较少，特别缺乏含S和极性较弱的含N物种。针对大气中的有机硝酸酯（pON），基于TD加热法和SIMPOL模型结果发现pON挥发性分布在log C*≤-9和≥2 μg m-3时贡献的质量分数均较高，表明pON中既存在较多的低挥发性组分，也存在相当一部分半挥发性组分。其中同时含N和S的有机物种（CHONS，推测为硝基有机硫酸盐）可贡献pON质量的约28%，突出了非均相/液相反应对城市地区pON形成的重要贡献。综上所述，本研究对环境有机气溶胶不同挥发性估算方法进行了系统的评估，并用不同方法量化了城市环境有机气溶胶和有机硝酸酯的挥发性分布，为研究城市地区OA和pON的挥发性测量和认识提供了新的视角，为城市地区气溶胶二次生成机制的研究提供基础科学依据。图1 根据不同方法计算的有机气溶胶（OA）挥发性分布：（a）基于热解析曲线的经验法和动力学模型法；基于FT-ICR数据集的（b）SIMPOL模型法 (Pankow and Asher 2008) 和（c）参数化方法 (Isaacman-VanWertz and Aumont 2021; Li, Poschl, and Shiraiwa 2016)；以及基于FIGAREO-CIMS数据集的（d）气-固分配法、（e）SIMPOL模型以及（f）参数化方法。图2（a）颗粒有机硝酸盐（pON）、无机硝酸盐（主要是硝酸铵）和实验室生成的纯硝酸铵颗粒物的TD热解析曲线；（b）基于TD-AMS系统测量的NO+, NO2+,CxHyN+, CxHyON+的热解析曲线；（c）基于两种热解析管加热法估计的pON的挥发性分布：包括经验法 (Faulhaber et al., 2009) 和本研究自行搭建动力学模型；基于FI-ICR测量的（d）SIMPOL模型 (Pankow and Asher, 2008) 和（e）参数化方法 (Li et al., 2016; Daumit et al., 2013) 估计的pON挥发性分布图。（f）不同挥发性估计方法得到的极低挥发性（ELVOC）、低挥发性（LVOC）和半挥发性（SVOC）占总OA的比例，右轴显示算术平均饱和蒸汽压浓度（C*）的log值。本研究成果近期发表在国际知名期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres上，相关定量研究结果为理解城市地区有机气溶胶的挥发性及不同挥发性研究方法差异提供了新的认知。论文第一作者为中国科学院广州地球化学研究所博士研究生陈卫，中国科学院广州地球化学研究所胡伟伟研究员为通讯作者。本研究受到国家自然科学基金委基金（42375105, 42230701, 41875156）、国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室开放项目（2021080540）、国家重点研发计划项目（2022YFC3701000、2021YFA1601800）、广东省珠江人才计划（2019QN01L9480)广东省科技研究基金（2023B1212060049）等项目的联合资助。论文信息： Chen, W. ★（陈卫），Hu, W.*（胡伟伟），Tao, Z.（陶梓），Cai, Y.（蔡义宇）, Cai, M.，（蔡明甫），Zhu, M.（朱明），Ye, Y.（叶宇晴），Zhou, H.（周怀姗），Jiang, H.（姜鸿兴），Li, J.（李军），Song, W.（宋伟），Zhou, J.（周嘉仪），Huang, S.（黄山），Yuan, B.（袁斌）, Shao, M.（邵敏），Feng, Q.（冯茜丹），Li, Y.（李颖），Isaacman-VanWertz, Gabriel，Stark, Harald，Day, Douglas A.，Campuzano-Jost, Pedro，Jimenez, Jose L. , and Wang, X.（王新明）: Quantitative Characterization of the Volatility Distribution of Organic Aerosols in a Polluted Urban Area: Intercomparison Between Thermodenuder and Molecular Measurements, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129(4), e2023JD040284,论文链接

2024-03-14

真菌直线型四环混源萜生物合成机制研究获进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）闫岩研究员团队在真菌直线型四环混源萜ochraceopones的生物合成与酶反应机制研究方面取得新进展，相关成果“An Enzymatic Carbon-Carbon Bond Cleavage and Aldol Reaction Cascade Converts an Angular Scaffold into the Linear Tetracyclic Core of Ochraceopones”在线发表于Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）。助理研究员李艳芹、硕士丛梦静为共同第一作者，研究员闫岩、王俊锋与张长生为共同通讯作者。混源萜（meroterpenoids）是一类部分分子骨架来源于萜烯的天然产物，它们具有复杂多样的化学结构及广泛的生物学活性。这些丰富的骨架结构既可能来源于萜烯部分多样化的重排与环化，也可能来源于其非萜烯部分如聚酮、吲哚、莽草酸等丰富的后修饰。因此其生物合成途径中可能蕴含了大量新颖的酶促化学反应机制，深入研究这些酶学机制将为我们创建具有新型骨架结构和生物学活性的药物先导提供基础。真菌直线型四环混源萜ochraceopones具有优异的抗病毒和抗炎活性，然而其由常见的四元折线型结构转化为独特的直线型结构所涉及的化学合成和酶学反应机制却极具挑战性。研究团队早期从一株南极土壤来源真菌Aspergillus ochraceopetaliformis SCSIO 05702中分离得到了一类四环混源萜类化合物ochraceopones（化合物1-4，7）（J Nat Prod, 2016,79:59-65）。基于基因组学及生物信息学分析定位了负责该类化合物生物合成的基因簇（图1），通过构建构巢曲霉异源表达体系，联合体外微粒体实验及蛋白表达，成功鉴定和表征了负责化合物ochraceopones形成的所有生物合成酶，并阐明了完整的生物合成途径（图2）。图1. 直线型四环混源萜ochraceopones的生物合成基因簇图2. 直线型四环混源萜ochraceopones的生物合成途径推测在这项研究中，研究团队证明了ochraceopones的线性四环骨架是由同一个折线型前体即ochraceopone E（7）衍生而来。通过体外氘水标记的微粒体实验，证实了化合物7生成16涉及的碳-碳键断裂反应不是自发进行的，而是由多功能细胞色素P450-OchH催化完成。其通过将C13位羟基形成氧自由后促发C13-C14键断裂，而后通过羟基化形成十元环的中间体18，之后自发形成化合物16（图3）。图3. OchH的功能表征为了验证16作为真实底物的正确性，研究团队将16与基因簇内其余后修饰基因在构巢曲霉中进行了生物转化，并通过体外微粒体与蛋白的联合反应证实了该反应过程。结果显示，异构酶OchL通过催化分子内的羟醛反应将经过多步修饰的碳-碳键断裂形成的十元环重新连接，形成了一个新的碳-碳键而呈现出最终的线性四环化合物3（图4）。图4. 三环到线性四环骨架ochraceopones的生物转化表征然而，在异源表达及体外反应过程中，除了获得一系列不能被继续转化的途径副产物如化合物19、19’、21和23之外，均没有检测到反应的真正中间体（图4）。但是就观察到的实验结果表明在目前的生物反应体系中，随着氧化后修饰的多步积累，反应的真实底物在缺乏其后续生物转化酶的条件下无法稳定存在。肯定的是，根据分离到的一系列副产物及对其形成机制的推测，可以确定整个反应中间过程存在的真实性。总之，本研究鉴定并表征了合成ochraceopones的所有生物合成酶，并证明了完整的生物合成途径。证实了ochraceopones类化合物是由OchHJGL催化的酶级联反应将常见的折线型四环前体合成独特线性四环骨架结构。其中，多功能细胞色素P450-OchH负责催化自由基形成并引发C-C键断裂和随后的C12的羟基化，然后OchJ催化C15羟基化和OchG催化C15-OH脱氢。最后，醛缩酶OchL通过催化分子内羟醛反应导致新的C-C键形成而构建最终的线性四环骨架。OchH和OchL的发现及其功能阐明将为寻找更多新的P450酶和醛缩酶提供途径。然而，由于OchL底物的不稳定性，可能需要通过合成更稳定的底物衍生物来进一步研究其催化机理。上述研究工作得到了国家重点研发计划、海南省科技计划三亚崖州湾科技城科技创新联合项目、国家自然科学基金、中国科学院王宽诚率先人才计划“卢嘉锡国际团队项目”和海南省自然科学基金等的资助。相关论文信息：Yanqin Li， Mengjing Cong，Wengui Wang, Xiufeng Zhang, Yiguang Zhu, Yongxiang Song, Wenjun Zhang, Hua Xiao, Yonghong Liu, Changsheng Zhang, Junfeng Wang, and Yan Yan. An Enzymatic Carbon-Carbon Bond Cleavage and Aldol Reaction Cascade Converts an Angular Scaffold into the Linear Tetracyclic Core of Ochraceopones. Angew Chem Int Edit,2024. doi.org/10.1002/anie.202403365文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202403365

2024-03-12

香港牡蛎三倍体新品系培育及推广应用获重要进展

近日，中国科学院南海海洋研究所喻子牛研究员团队，在香港牡蛎三倍体新品系培育方面获重要进展，发现香港牡蛎杂交型三倍体（四倍体X二倍体）对诱导型（CB诱导）三倍体在生长、存活率和可育性方面的显著优势，并成功进行了示范养殖证实；相关研究成果发表于国际水产领域专业期刊Aquaculture。香港牡蛎是我国华南沿海地区重要的大宗养殖贝类，2022年产量约为185万吨，占全国牡蛎产量的29%，不仅是广东海水贝类养殖业的重要支柱种，也是南海海洋牧场和牡蛎礁的主要组成成分。香港牡蛎三倍体应用是华南沿海牡蛎提质增效、种业升级发展中的重要途径。该团队自2013年开始专注牡蛎多倍体技术研发，前期已建立了牡蛎新型四倍体诱导和稳定群系构建的国内首个专利技术。此前国内尚没有关于杂交型香港牡蛎三倍体的相关报道。该研究对二倍体（2N）、诱导型三倍体3N-CB (2N♂×2N♀，抑制第二极体释放)和杂交型三倍体3N-TD (4N♂×2N♀)的生物性状（生长、存活、繁育特性和倍性组成）进行了跟踪比较研究，并开展了基因型和位点间的互作分析。结果表明：(1) 两类三倍体均比二倍体具有显著的生长、存活和不育性优势；(2) 杂交型三倍体比诱导型三倍体的卵裂率、D幼率和幼虫存活率更高，更适合于产业规模化苗种生产；(3) 杂交型三倍体比诱导型三倍体在养殖期生长更快、存活率和倍性的稳定性更高，具有更好的生产性能和产业化推广应用价值。团队还开展了香港牡蛎新品系（杂交型三倍体）的示范推广养殖，在广东阳江和广西防城港、北海等海域取得良好养殖效果，2项相关专利获得技术转化应用，有效提高了相关牡蛎种苗企业的经济效益。该研究得到了广州市重点研发计划、广东省重点研发计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目和国家贝类产业技术体系等项目资助。副研究员秦艳平为论文第一作者，研究员张跃环和喻子牛为并列通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2024.740759 图1：牡蛎二倍体（2N）、诱导型和杂交型三倍体（3N-CB、3N-TD）制备原理图 2 2N、3NCB和3NTD的幼虫倍性组成和表型特征

2024-03-08

广州地化所：再循环大洋岩石圈地幔在北冰洋地幔中广泛存在

俯冲洋壳的再循环一直被认为是造成地幔组成不均一的主要原因。然而，占俯冲大洋板块90%以上体积的大洋岩石圈地幔，其俯冲之后的命运却并不明确。　　近日，中国科学院广州地球化学研究所杨阳特任研究员与美国哈佛大学及塔尔萨大学的科研人员合作，通过对北冰洋Gakkel洋脊西部火山区和中部弱岩浆活动区267件玄武岩样品（图1）的系统研究，发现Gakkel西部发育正常厚度洋壳的区域，主要产出亏损的N-MORB，且其岩浆组成从西到东显示出系统的地球化学变化，揭示了地幔逐渐亏损，部分熔融程度逐渐降低的过程。而Gakkel中部洋壳极度不发育出现大部分橄榄岩出露的地区，却产出富集的E-MORB，但主量元素却亏损CaO，具有极低的CaO/Al 2O 3比值。提出Gakkel西段地幔是“饱满”但“亏损”的，而中段地幔是“贫瘠”但“富集”的。饱满和贫瘠代表了它们熔融产生岩浆的能力，而亏损和富集则指它们在微量元素上的富集程度。且中部地幔的潜在温度极低，以此提出，极度贫瘠的地幔源区再加上异常低的地幔潜在温度的综合作用下，形成了极少岩浆的Gakkel中段少岩浆作用区。　　综合北冰洋洋脊岩石的地球化学组成及其分布，研究提出新生的大洋岩石圈中保留了前世的“记忆”，指示了其下方存在再循环大洋岩石圈地幔组成的难熔地幔端元，且比例从西到东逐渐增加（图2），直至在弱岩浆活动区无法形成足够的洋壳，从而使得再循环大洋岩石圈地幔直接出露在海底。定量计算发现，板块构造以来全球俯冲大洋岩石圈地幔的体积几乎等同于下地幔的总体积。因此提出，俯冲的大洋岩石圈地幔将再循环至对流地幔中，并形成新生大洋岩石圈的一部分。图1 北冰洋Gakkel洋脊样品分布及岩石圈结构示意图图2 北冰洋Gakkel洋脊地幔组成　　该研究成果发表于国际权威地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》，该研究受到国家基金委和中国科学院青年创新促进会项目资助。　　论文信息： Yang A.Y. (杨阳), Langmuir C. H., Michael P. J., The significance of recycled oceanic mantle lithosphere beneath the Arctic Gakkel Ridge. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 626 https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118553翻译搜索复制

2024-03-07

广州地化所：碎屑斜长石元素和Sr同位素组成示踪嫦娥五号月壤来源

研究月壤的物源对于认识月表在外动力地质作用下物质迁移过程具有重要的意义。斜长石是月壳中含量最丰富的矿物。早期的研究利用月壤中的碎屑斜长石的An值频谱来示踪月壤的物源。然而，月表不同岩石类型（如高地斜长岩、镁质岩套、月海玄武岩等）中的斜长石An值具有较大的变化范围，且相互重叠（图1），仅依靠斜长石An值来示踪月壤物源存在较大的不确定性。图1 月海玄武岩（a）高地斜长岩和镁质岩套（b）中的斜长石An值分布　　针对该问题，中国科学院广州地球化学研究所月球样品研究小组的张乐高级工程师及合作者统计了前人报道的月表不同岩石类型中斜长石的元素和初始Sr同位素组成，发现Sr含量和Sr同位素在不同的月表岩石类型中存在显著的差异：高地斜长岩和镁质岩套中的斜长石具有低的Sr含量和初始Sr同位素；克里普岩中的斜长石具有高的初始Sr同位素；月海玄武岩具有高的Sr含量和中等的初始Sr同位素（图2）。这些特征暗示联合使用碎屑斜长石的元素含量和Sr同位素组成可更有效地示踪月壤的来源。图2 月表不同岩石类型(a)和嫦娥五号样品（b）中的斜长石的初始Sr同位素组成　　该研究首次对嫦娥五号月壤中的碎屑斜长石开展了主量元素和微量元素以及Rb-Sr同位素的分析。根据Sr含量和An值之间的相关性，嫦娥五号碎屑斜长石可分为三组（图3）：normal-Sr（group A）、high-Sr（group B）和low-Sr（group c）。图3 嫦娥五号碎屑斜长石（圆形）和玄武岩屑中的斜长石（三角形）Sr（a）和La（b）含量与An值相关性　　A组和B组的斜长石与嫦娥五号玄武岩碎屑中的斜长石的元素和Rb-Sr同位素组成一致，表明A组和B组的斜长石来源于原地玄武岩的风化破碎（图4）。在分析的82个碎屑斜长石中，只有两颗斜长石（~2.4%）被归类为C组，其Sr同位素与A组和B组斜长石显著不同，表明其具有不同的来源。图4 嫦娥五号碎屑斜长石Rb-Sr同位素　　其中一颗C组斜长石具有高的 87Sr/ 86Sr比值（0.70242）和稀土元素含量（图3），可能来源于富含KREEP成分的Sharp B撞击坑或Aristarchus撞击坑（图5）。另一颗C组斜长石具有极低的 87Sr/ 86Sr比值（0.69908）和中等偏高的An值（92.3），暗示其母岩可能为镁质岩套，可能来自于Pythagoras撞击坑。该项研究表明，碎屑斜长石的元素和Sr同位素组成是示踪月壤物质来源的有效工具。图5 嫦娥五号着陆区周边地质概况图；蓝色线展示了C组碎屑斜长石可能来自的撞击坑　　该研究主要受中国科学院广州地球化学研究所所长基金和中国科学院重点部署科研专项的资助，已发表于国际期刊《Icarus》。　　论文信息：Zhang Le* (张乐), Yang Ya-Nan (杨亚楠), Chen Zhi-Ming (陈志铭), Wang Cheng-Yuan (汪程远), Cui Ze-Xian (崔泽贤), Zhang Yan-Qiang (张彦强), Xu Yi-Gang (徐义刚). 2024. Elemental and Sr isotopic compositions of plagioclase as an indicator of lunar source-rock type: Insights from Chang'e 5 plagioclase fragments. Icarus, 413: 116002. 　　论文链接翻译搜索复制

2024-03-06

广州地化所：电气石微区B-Sr同位素分析标样研制

电气石是一种硼硅酸盐矿物，广泛分布于多种岩石类型和热液矿床中。其元素和同位素组成是反演岩浆-热液演化历史、示踪成岩成矿过程和指示沉积物物源的有效指标。电气石具有高的B含量，使其成为开展原位B同位素分析的理想矿物。最近的研究表明，一些电气石含有中等的Sr含量和极低的Rb含量，具有开展原位Sr同位素分析的潜力。基体匹配的天然电气石标样是开展微区B-Sr同位素的必要条件。然而，目前国内外各实验室报道的电气石标样相对匮乏，且这些标样都没有Sr同位素数据。　　为此，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室陈绮静博士在张乐高级工程师、任钟元研究员和夏小平研究员的指导下，并与桂林理工大学余红霞工程师合作，筛选了三个新的厘米级天然电气石晶体GIGT、XJ-1和XJ-3（图1），采用多种分析测试手段详细评价了这些矿物晶体的B和Sr同位素的均一性。激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）分析显示，GIGT、XJ-1和XJ-3均具有均一的B同位素组成，且激光分析结果（ 11B = -12.63 0.51，-11.90 0.64，-11.91 0.64；图2）与MC-ICP-MS溶液测定的结果（ 11B = -12.65 0.12，-11.90 0.24，-11.89 0.19）一致。XJ-1的Sr含量相对较高（~160 ppm），Rb/Sr <0.0005。LA-MC-ICP-MS分析获得的XJ-1的平均87Sr/86Sr为0.70827 0.00021（图3），与溶液MC-ICP-MS测定结果（0.70825 0.00002）在误差范围内一致。该研究表明，GIGT、XJ-1和XJ-3均可作为原位B同位素分析的外部校正标样，XJ-1可作为原位Sr同位素分析的监控标样；可满足国内外数十家实验室长期使用。图1 GIGT、XJ-1和XJ-3电气石晶体照片图2 激光微区和溶液法获得的GIGT、XJ-1和XJ-3电气石的B同位素组成图3 激光微区和溶液法获得的XJ-1电气石的Sr同位素组成　　该研究成果在线发表于国际分析期刊《Journal of Analytical Atomic Spectrometry》，该研究受到中国科学院广州地球化学研究所所长基金和中国科学院相关项目资助。　　论文信息： Chen Qijing (陈绮静), Wang Ri-Jing (王日晶), Yu Hong-Xia (余红霞), Zhu Guan-Hong (朱冠虹), Zhang Yan-Qiang (张彦强), Xia Xiao-Ping (夏小平), Ren Zhong-Yuan (任钟元), Zhang Le* (张乐). Potential tourmaline reference materials for microbeam B and Sr isotopic analyses. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. DOI: 10.1039/D3JA00395G.翻译搜索复制

2024-03-05

广州地化所：攀枝花层状岩体Mo同位素研究揭示铁钛氧化物分离结晶对岩浆Mo同位素分馏的影响

　　钼是一种多价态难熔且中等亲铁元素。自然界不同样品存在较大的Mo同位素分馏。例如，相对于Mo标准溶液NIST SRM 3134，硅酸盐地球和大陆地壳的 98/95Mo分别为-0.20‰和0.00‰-0.40‰；黑色页岩和海相碳酸盐岩具有相对较重的Mo同位素（-1‰ – +2‰）。代表俯冲板片的洋中脊玄武岩型榴辉岩具有相对较轻的Mo同位素（-1.0‰ – -0.13‰）；俯冲沉积物通常具有轻但相对变化大的Mo同位素（-2‰ – 0.16‰）。尽管Mo同位素在不同的地质储库之间表现出大的差异，但利用Mo同位素示踪岩浆起源仍存在诸多的不确定性。其中一个重要的争论点是岩浆分异过程是否可以造成显著的Mo同位素分馏。已有的研究主要集中在探讨硅酸盐矿物分离结晶对Mo同位素的影响。除了硅酸盐矿物外，铁钛氧化物（如磁铁矿和钛铁矿）在岩浆分异过程中也发挥着重要的作用，并且其Mo含量远高于许多硅酸盐矿物。由于缺乏相关研究，铁钛氧化物分离结晶对Mo同位素分馏的影响目前尚不清楚。针对该问题，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室张乐高级工程师联合李杰正高级工程师、任钟元研究员和王志兵副研究员等人选择峨眉山大火成岩省中的攀枝花镁铁质层状岩体为研究对象，系统测定了全岩样品和分选的主要造岩矿物（单斜辉石、斜长石、磁铁矿和钛铁矿）的Mo同位素组成和含量，并获得以下认识：　　（1）攀枝花全岩样品Mo含量变化较大（图1）：0.06 – 0.35 ppm；整体具有与硅酸盐地球类似的Mo同位素特征（–0.20‰ 0.20‰）。主要造岩矿物Mo含量为：斜长石≈单斜辉石（~0.05 ppm）< 磁铁矿≈钛铁矿（~0.5 ppm）；并展示出显著的Mo同位素分馏：磁铁矿（–0.57‰ 0.26‰）<单斜辉石（–0.23‰ 0.16‰）<钛铁矿（0.19‰ 0.20‰）<斜长石（0.54‰ 0.32‰）。　　（2）基于磁铁矿和钛铁矿间的Mo同位素差异（ 98/95Mo Mt–Ilm = –0.76‰），推测Mo在这两种矿物间的分馏系数为0.99924。结合前人关于攀枝花岩体Fe同位素的研究（ 56/54Fe Mt–Ilm ~ 0.75‰），可获得如下Fe-O键强顺序： IVFe Mt 3+ > IVFe I1m 2+ > VIFe Mt 3+ > VIFe Mt 2+ 。　　（3）瑞利分离结晶模拟显示（图2），由于斜长石和单斜辉石具有低的Mo含量，这两种矿物的分离结晶并不能显著改变岩浆的Mo同位素组成。相反，Mo含量较高的磁铁矿和钛铁矿的分离结晶将显著改变岩浆的Mo同位素组成。由于Mo的分配行为以及钛铁矿和磁铁矿的结晶顺序与岩浆的氧逸度相关，氧逸度也是控制岩浆Mo同位素分馏的一个关键因素。　　该研究对俯冲带岩浆和月海玄武岩Mo同位素研究也具有一定启示意义：俯冲带重Mo同位素的岩浆一般归因于板片俯冲过程释放的流体具有重的Mo同位素特征，而板片内残留的金红石具有轻的Mo同位素组成。俯冲带岩浆一般具有高的氧逸度，磁铁矿是岩浆晚期重要的结晶相。由于磁铁矿具有轻的Mo同位素特征，磁铁矿的分离结晶也将促使岩浆具有重的Mo同位素组成。月幔具有低的氧逸度，钛铁矿是月海玄武岩的主要造岩矿物。前人的数据显示月海高钛玄武岩的Mo同位素略重于月海低钛玄武岩（ 98/95Mo highTi_lowTi = 0.04）。由于钛铁矿具有重的Mo同位素特征，高钛玄武岩和低钛玄武岩的Mo同位素差异可以解释为高钛岩石受到了钛铁矿堆晶作用的影响，或者高钛玄武岩重的Mo同位素特征是继承自其受钛铁矿堆晶作用影响的月幔源区。需要注意的是目前报道的月海玄武岩Mo同位素数据十分有限（3个低钛+1个高钛），需要开展更多的月海玄武岩Mo同位素研究来厘清高钛和低钛玄武岩的差异。图1 攀枝花层状岩体柱状图（a）,全岩和主要造岩矿物的Mo含量（b）和Mo同位素（c）组成图2 瑞利分离结晶模拟　　该研究主要受中国科学院广州地球化学研究所所长基金和中国科学院相关项目的资助，已发表于国际期刊《American Mineralogist》。　　论文信息：Zhang Le* (张乐), Li Jie (李杰), Zhang Yan (张艳), Peng Bing-Yu (彭冰玉), Wang Zhi-Bing (王志兵), Ren Zhong-Yuan (任钟元). 2024. Molybdenum isotopic fractionation in the Panzhihua mafic layered intrusion in the Emeishan large igneous province, southwest China. American Mineralogist, 109: 328-632. 　　论文链接翻译搜索复制

2024-03-05