中國科大發(fā)現(xiàn)煤中汞同位素組成與氣候演變的關(guān)聯(lián)

  汞是一種自然界存在的極其有害元素，大量儲(chǔ)存在煤炭中。那么，汞是如何進(jìn)入到煤層中的呢？不同時(shí)期煤炭中汞的來源有什么差別，受什么控制？中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授劉桂建研究組通過新近發(fā)展的穩(wěn)定汞同位素技術(shù)給這些問題一個(gè)圓滿的答案，并發(fā)現(xiàn)地球史上的大氣氧含量與煤炭中汞同位素組成有著非常密切的聯(lián)系。該研究成果最近以特邀綜述的形式發(fā)表在Earth-Science Reviews上，論文第一作者為課題組的博士后、研究員孫若愚。

　　眾所周知，煤炭是由古植物遺體經(jīng)過漫長的地質(zhì)演化過程所形成。植物死亡后，其遺體首先在泥炭沼澤中進(jìn)行腐殖化和凝膠化，形成基本的煤素質(zhì)（鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、惰質(zhì)組），繼而在沉積物的覆壓下進(jìn)行成巖作用，伴隨著埋藏深度以及溫壓的升高，最后經(jīng)過變質(zhì)作用形成煤炭。顯生宙地球演化史上的各個(gè)時(shí)期都有煤炭的沉積，其中氧氣含量最高、植物繁殖最為茂盛的晚石炭-早二疊時(shí)期形成的煤炭儲(chǔ)量最多。植物體內(nèi)儲(chǔ)存有大量通過葉片氣孔固定大氣汞（植物成因汞），促使煤發(fā)生變質(zhì)的熱液富集有較多的礦化汞（熱液成因汞）。另外，介入煤炭沼澤的沉積物也含有地質(zhì)背景豐度的汞（地質(zhì)成因汞）。因此，煤炭在地球史上成為汞的一個(gè)有效的儲(chǔ)庫。

　　劉桂建研究組通過與美國地質(zhì)調(diào)查局、法國國家科學(xué)研究院、南非和印度煤研究機(jī)構(gòu)合作，采集了世界主要煤田的沉積煤層，利用多接受-電感耦合等離子體質(zhì)譜高精度地測(cè)試了汞同位素組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤中不同汞的來源具有顯著不同的同位素組成。利用源混合模型，解析出世界煤中的汞基本由植物成因汞（37-46%)和地質(zhì)成因汞（54-63%）所控制，而熱液成因汞在高變質(zhì)煤層中才占有主要地位。更為驚奇的是，研究者發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)代沉積煤層汞同位素的非質(zhì)量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）與大氣氧含量具有很好的正耦合關(guān)系。通過綜合分析其它歷史數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)煤中惰質(zhì)組的含量與大氣氧含量存在著反耦合的關(guān)系。惰質(zhì)組主要是由森林火災(zāi)的木炭形成，而森林火災(zāi)的發(fā)生概率很大程度上受到大氣氧含量的影響（例如，晚石炭-早二疊時(shí)期的大氣氧含量高達(dá)30-35%，遠(yuǎn)高于當(dāng)今的21%，當(dāng)時(shí)的森林火災(zāi)也較頻繁）。據(jù)此，研究者提出了煤炭汞同位素演變的一個(gè)新觀點(diǎn)：較高的氧氣含量，導(dǎo)致較高的森林火災(zāi)頻率，進(jìn)而導(dǎo)致具有非質(zhì)量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）偏負(fù)的植物成因汞部分燒失。

　　另外，通過大范圍的測(cè)試世界煤炭的汞同位素組成，該研究組還建立世界高區(qū)域分辨率煤汞同位素?cái)?shù)據(jù)庫，以應(yīng)用于汞同位素全球循環(huán)的相關(guān)研究（Environmental Science & Technology 48：7660-7668）。

　　審稿人認(rèn)為，該成果對(duì)理解煤中汞的來源以及開拓汞同位素環(huán)境地球化學(xué)示蹤研究具有重要意義，并促進(jìn)了汞同位素在古地質(zhì)學(xué)和古氣候?qū)W的相關(guān)研究。

　　上述研究成果受到國家“973”計(jì)劃及學(xué)校青年基金的資助。

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不同時(shí)代煤的非質(zhì)量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）與大氣氧含量的關(guān)系