金属稳定同位素示踪深部碳循环——机遇与挑战

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稳定同位素技术的发展及其应用

稳定同位素技术的发展及其应用

稳定同位素技术的发展及其应用
稳定同位素技术是一种利用稳定同位素进行研究和应用的技术。

稳定
同位素是自然界中存在的同一元素的不同原子核,其核外电子的数量与质
子数相同,但中子数不同。

稳定同位素相对于放射性同位素来说是稳定的,不会发生放射性衰变。

稳定同位素技术的发展始于20世纪初,随着科学技术的进步和对稳
定同位素研究的认识不断深入,稳定同位素技术逐渐成为一种重要的分析
方法和研究工具。

主要的技术手段包括稳定同位素示踪技术、稳定同位素
分馏技术和稳定同位素成像技术。

稳定同位素分馏技术是利用稳定同位素在化学反应过程中的各向异性
分布规律,通过测定反应前后稳定同位素的含量来研究反应机理和反应速
率等。

例如,利用碳和氧的稳定同位素分析技术可以研究地球化学过程中
的碳循环和氧同位素分馏过程。

稳定同位素技术的发展还面临一些挑战。

首先,稳定同位素的测量和
分析仪器设备相对昂贵,需要专业的仪器设备和技术人员。

其次,稳定同
位素技术在一些领域的应用还需要进一步的研究和验证。

最后,稳定同位
素技术的应用仍存在一些限制,例如样品的处理和前处理过程中可能引入
一些误差。

尽管存在一些挑战,稳定同位素技术仍然具有巨大的发展和应用潜力。

随着科学技术的不断进步,稳定同位素技术将进一步发展,并在更广泛的
领域得到应用。

板块俯冲和岩浆过程中碳循环及深部碳储库

板块俯冲和岩浆过程中碳循环及深部碳储库

DOI: 10.16562/ki.0256-1492.2019092201板块俯冲和岩浆过程中碳循环及深部碳储库张国良1,2,战明君1,2,31. 中国科学院海洋研究所,深海研究中心&海洋地质与环境重点实验室,青岛 2660712. 中国科学院大科学中心,青岛 2660713. 中国科学院大学,北京 100049摘要:地球内部可能存储了地球上大部分的碳,地球的整个地质演化历史都伴随着碳循环。

岩浆过程是重要的CO 2释放途径,引起地表碳的增加。

板块俯冲起动之后,俯冲带成为地表碳重返地球内部的基本途径。

板块俯冲和岩浆过程构成了地表过程和地球内部之间的碳循环,在地质历史时期影响着地表的碳总量,对于宜居地球环境和一些重要矿产资源的形成具有重大意义。

然而,相对地表过程的碳循环而言,国际上对深部碳循环的研究程度和取得的认识远远不足。

对于地球深部碳的富集机制、赋存部位,以及碳在地球内部各圈层之间的交换规律,还存在很大争议。

本文对与深部碳循环密切相关的深部碳储库、岩浆中的碳组成及其对岩浆成因的影响,以及板块俯冲过程中碳行为进行了总结。

结果表明,无论是洋中脊玄武岩或洋岛玄武岩,其源区CO 2组成都存在高度不均一性;与地幔柱有关的深源板内火山岩相对洋中脊具有异常高的CO 2组成,显示深部地幔比上地幔或软流圈更富集碳。

地球的地幔转换带(410~660 km )、大陆岩石圈,甚至下地幔可能是重要的碳储库。

碳酸岩熔体与岩石圈橄榄岩存在化学不平衡,长期的碳酸岩熔体交代作用可能导致大陆岩石圈是个重要碳储库;地幔转换带的高压还原环境可能使得来自上涌地幔或俯冲板片中的碳以金刚石形式存储。

地幔转换带或更深的碳在上涌减压过程中通过氧化还原熔融可以转化为CO 2,对地幔初始熔融和板内火山岩的成因(尤其是碱性火山岩)可能具有至关重要的作用。

综合认为,导致地球内部富集碳的地质作用最可能是长期板块俯冲,但是目前国内外对与板块俯冲过程相关的碳行为和碳通量估算还存在很大的不足,未来有必要针对岩浆过程的CO 2活动行为、俯冲板块中碳的转化行为以及脱碳规律重点开展研究。

基于稳定同位素技术的土壤碳循环研究进展

基于稳定同位素技术的土壤碳循环研究进展

基于稳定同位素技术的土壤碳循环研究进展许文强;陈曦;罗格平;冯异星【期刊名称】《干旱区地理》【年(卷),期】2014(0)5【摘要】植物和土壤是陆地生态系统的重要碳库,而碳同位素技术对各碳库中碳元素的迁移具有很好的指示作用,能够为碳转化研究提供有力证据。

以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳,较少考虑无机碳的作用,但干旱区土壤无机碳在区域碳循环过程中的贡献日益显著,因此干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。

基于碳稳定同位素技术的土壤有机碳循环研究和土壤无机碳动态及其碳同位素研究进展,探讨土壤无机碳与有机碳的转化关系,并对干旱区土壤碳循环研究进行展望,期望从稳定同位素生态学的角度探讨干旱区土壤有机碳和无机碳的转化关系,以推动干旱区土壤碳循环研究,揭示干旱区碳循环过程及其在全球碳循环中的作用。

【总页数】8页(P980-987)【关键词】碳稳定同位素;C3和C4植被;δ13C富集;发生性碳酸盐;土壤CO2【作者】许文强;陈曦;罗格平;冯异星【作者单位】中国科学院新疆生态与地理研究所、荒漠与绿洲生态国家重点实验室,新疆乌鲁木齐830011【正文语种】中文【中图分类】S153【相关文献】1.稳定同位素分析技术在农田生态系统土壤碳循环中的应用 [J], 袁红朝;李春勇;简燕;耿梅梅;许丽卫;王久荣2.稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体固碳研究中的应用进展 [J], 金鑫鑫;汪景宽;孙良杰;王帅;裴久渤;安婷婷;丁凡;高晓丹;徐英德3.基于稳定同位素自然丰度技术的土壤氧化亚氮产生与排放过程研究进展 [J], 黄瑾;余龙飞;李文娟;黄平4.基于稳定同位素自然丰度技术的土壤氧化亚氮产生与排放过程研究进展 [J], 黄瑾;余龙飞;李文娟;黄平5.稳定碳同位素技术在土壤-植物系统碳循环中的应用 [J], 刘微;吕豪豪;陈英旭;吴伟祥因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析随着全球环境问题的日益突出,环境科学的发展成为当今最重要的研究领域之一。

其中,碳循环作为全球气候变化研究的核心,对了解地球系统的动态变化具有重要意义。

同位素示踪技术作为一种精确而灵敏的分析工具,日益被应用于环境科学中的碳循环解析,为我们深入了解碳循环机制和评估人类活动对环境影响提供了重要的手段。

首先,我们需要了解碳循环在环境科学中的重要性。

碳循环是指地球上碳元素在不同环境介质(如大气、水体、土壤等)之间的相互转化与平衡过程。

这种平衡是复杂而脆弱的,任何外界因素的干扰都会对地球系统产生重大影响。

例如,二氧化碳是温室气体的主要成分之一,其排放和吸收的不平衡将导致全球气候变化。

因此,准确地了解碳循环的机制和过程,对于评估和预测气候变化以及环境管理具有重要意义。

同位素示踪技术作为一种用来标记物质的方法,已经被广泛应用于环境科学领域。

其中,碳同位素示踪技术是研究碳循环的重要手段之一。

碳元素有两种主要的同位素:碳-12和碳-13。

这两种同位素在自然界中的丰度比例是稳定的,但由于环境变化和生物过程的影响,不同介质中同位素丰度的比例会发生变化。

通过测量碳同位素的丰度变化,我们可以推断出碳元素的来源和转化过程。

具体来说,同位素示踪技术将标记同位素(如放射性同位素碳-14)引入环境介质中,然后测量标记同位素与自然同位素的丰度比例变化。

通过对比不同介质中同位素丰度的差异,我们可以推断出碳的运动路径和转化过程。

例如,通过测量大气中二氧化碳中碳-14的丰度,可以估算出大气中二氧化碳的存活时间和源头,从而了解大气中二氧化碳的增长机制。

类似地,同位素示踪技术还可以揭示碳元素在土壤中的储存和释放过程,以及海洋中的碳沉积和迁移等。

同位素示踪技术在环境科学中的应用具有广泛的研究领域。

首先,它可以帮助我们了解全球碳循环过程。

通过对不同环境介质中同位素丰度的测量,可以追踪碳元素在大气、水体和陆地之间的相互转化和平衡过程。

稳定碳同位素技术在岩溶碳循环中的应用

稳定碳同位素技术在岩溶碳循环中的应用
并 有 助 于利 用 其 特 征 研 究 岩溶 形成 与发 育 过 程 。
研究 , 以及 根据 系统 中各个端元 8 值 的差异与 动态变化并
结合 常规 的化学指标 , 可 以判断碳 的源汇 , 把握 区域碳循
环的规律 , 现 已成功运 用在 地球化学 领域等 具体 问题 的
研究 中。
汇的研究 中, 对岩溶作用 的研究是必不可少 的。
稳 定碳 同位素 技术 作为 一项 比较 成 熟 的技术 , 对碳
[ 收稿 日期 】 2 0 1 2—1 2— 3 1 [ 作者简介 ] 熊文斌 ( 1 9 8 9一) , 男, 江西南 昌人 , 硕士研究生 , 研究方向为水环境与同位素示踪 .
第 1 9卷 第 5期
2 0 1 3年 5月
水 利 科 技 与 经 济
Wa t er Co ns e r v a n c y S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y a n d Ec o n o my
Vo 1 . 1 9 No . 5
0 引 言
全球大气 中 C O 的浓 度 已 由工 业 革命 前 的2 8 0 p p m 升高到 2 0 1 0年的3 8 9 p p m, 并 继续 以每 年约2 p p m的速度 增加, 到2 1 世纪末 C O : 浓 度将可 能达 ̄ I ] 7 0 0 p p m, 由此 引 起 的全 球 变 暖 已 成 为 学 术 界 和 各 国政 府 关 注 的 焦 点
Ma y ., 2 01 3
的同位素丰度 为 : C: 9 8 . 8 9 2 %; ”C : 1 . 1 0 8 % 。由于天 然 物质 中, 不 同样 品的同位 素含量差 异甚微 , 用 同位 素丰度 或 同位素 比值很难 显示它 们这种 微小 的差异 , 故而在 碳 同位素的研究引入 8 ” C值 。8 ” C值是指样 品中碳 同位素 比值相对于标准样品对应 比值的千分差值 , 即

菲律宾马尼拉新生代火山岩的Sr-Nd-Pb-Ca 同位素特征: 对南海俯冲过程中深部碳循环的制约

菲律宾马尼拉新生代火山岩的Sr-Nd-Pb-Ca 同位素特征: 对南海俯冲过程中深部碳循环的制约

结果显示: 其源区中加入了约 4%~5%的海相沉积碳盐岩。结合区域构造背景, 认为该火山岩可能是上覆欧
亚大陆陆源沉积物和海洋沉积碳酸盐岩的南海板块沿马尼拉海沟俯冲过程中交代上覆地幔楔, 使得地幔楔
发生部分熔融的产物。
关键词: 岛弧火山岩; Sr-Nd-Pb-Ca 同位素组成; 深部碳循环; 马尼拉
中图分类号: P597
Geochimica ▌ Vol. 47 ▌ No. 6 ▌ pp. 593~603 ▌ Nov., 2018
594
2018 年
derived from the South China Sea plate, which contained high amounts of Eurasian terrigenous sediments and marine carbonates. Thereafter, a partial melting of the metasomatized mantle wedge formed the Manila volcanic rocks. Key words: arc volcanic rock; Sr-Nd-Pb-Ca isotope; deep carbon cycle; Manila
(GPMR201708); 中国博士后科学基金(2015M582003) 作者简介: 马东东(1991–), 男, 硕士研究生, 同位素地球化学研究方向。E-mail: madongdong@ * 通讯作者(Corresponding author): DENG Jiang-hong, E-mail: jhdeng0507@; Tel: +86-532-82893368
Abstract: The deep carbon cycle is an important part of the global carbon cycle. Studying the deep carbon cycle process is helpful in understanding the balance of CO2 in the atmosphere, which is a key factor that affects climate change. This study aims to explore the source of the volcanic rocks and trace the deep carbon cycle by using major and trace elements and Sr-Nd-Pb-Ca isotopic compositions of the Cenozoic high K calc-alkaline arc volcanic rocks in Manila, Philippines. These volcanic rocks are characterized by: (1) enriched LREE and LILE and depleted HREE and HFSE; (2) high 207Pb/204Pb and 208Pb/204Pb ratios, which can be best explained by the incorporation of continent-derived sediments; and (3) lighter Ca isotopic compositions as compared to the upper mantle with an average δ44/40Ca of 0.74‰ ± 0.03‰ (2σ, n = 8), suggesting the possible involvement of marine sedimentary carbonates with low δ44/40Ca into the source of the volcanic rocks. Our model calculation shows that about 4%~5% of the marine sedimentary carbonates were added to the mantle source. Combining with the regional tectonic history, we propose that the source region of Manila volcanic rocks was metasomatized by the subducted fluids

稳定同位素示踪法在环境科学领域中的意义

稳定同位素示踪法在环境科学领域中的意义

稳定同位素示踪法在环境科学领域中的意义概述稳定同位素示踪法是一种广泛应用于环境科学领域的研究手段,通过测量不同物质中同位素的相对丰度变化,可以揭示物质循环和环境过程中的关键信息。

稳定同位素示踪法已被广泛应用于水文地质、生态学、气候变化、海洋科学等领域,并在环境研究和管理中发挥着重要作用。

一、水文地质领域中的应用稳定同位素示踪法在水文地质领域被广泛使用,它可以帮助研究人员确定水的起源、流动路径和时间尺度。

例如,研究人员可以通过测量地下水中水分子的氘同位素含量来确定水的来源,进而分析水资源的补给途径和地下水的补给时间。

此外,稳定同位素示踪法还可以用于研究地表水和地下水之间的相互作用,了解地下水补给源以及地下水对地表水的贡献。

二、生态学领域中的应用稳定同位素示踪法在生态学领域也起到了重要作用,尤其在食物链和食物网研究中。

通过测量不同生物体中的碳、氮、硫等稳定同位素的比例,可以揭示食物链传递关系和能量流动路径。

例如,通过测量食物链中不同营养级的生物体中碳同位素的比例,可以确定有机物的起源和食物链中不同级别生物体的营养关系。

稳定同位素示踪法还可以用于研究生物体迁移和迁徙模式,通过测量生物体中的氢同位素可以确定它们的迁徙路径和迁徙时间。

三、气候变化研究中的应用稳定同位素示踪法在气候变化研究中发挥着关键作用。

以氧同位素为例,通过测量大气中水分子中氧同位素的比例,可以推断出当地的气候信息。

此外,研究人员还可以通过分析大气中二氧化碳的碳同位素含量来了解气候变化对碳循环的影响。

稳定同位素示踪法还可以用于恢复古气候环境,通过测量地质记录中生物体中的氧、碳等同位素比例,可以重建古气候信息,了解过去的气候演变过程。

四、海洋科学研究中的应用稳定同位素示踪法在海洋科学研究中具有举足轻重的地位。

例如,通过测量海水中氧同位素的比例,可以揭示海洋生物的呼吸作用和光合作用过程,在全球碳循环和能量转移中具有重要意义。

此外,稳定同位素示踪法还被用于研究海洋中生物体的迁徙和营养关系,通过测量鱼类、贝类等生物体中的氢、氧、氮等同位素的比例,可以揭示它们的迁徙路径和营养来源。

深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题

深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题

深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题李曙光【期刊名称】《矿物岩石地球化学通报》【年(卷),期】2017(36)2【摘要】镁同位素示踪深部碳循环研究在过去一年取得了很大进展。

这些进展包括蚀变洋壳、沉积物、深海橄榄岩和再循环榴辉岩的Mg同位素组成,具有EM-I 和HIMU同位素特征的低δ^(26)Mg玄武岩成因,低δ^(26)Mg玄武岩熔融p-t 条件的Mg-Sr同位素制约,Mg同位素揭示的大陆岩石圈地幔的碳酸盐交代作用,特提斯洋俯冲板块导致的深部碳循环,和富Na碳酸盐岩浆的Mg同位素分异。

然而仍有许多重要科学问题尚不清楚,包括:(1)如何区分再循环沉积碳酸盐岩和再循环碳酸盐化榴辉岩对地幔Mg同位素的影响?(2)板块俯冲过程中Mg同位素地球化学行为和为什么岛弧玄武岩没有低δ^(26)Mg特征?(3)再循环碳在地幔的储存部位及存留时间?(4)普通碳酸盐岩浆的Mg同位素如何分异?(5)如何示踪那些不含Mg或含Mg很少的再循环碳酸盐,如方解石、文石、菱铁矿?这些问题指明了未来的重要研究领域。

【总页数】7页(P197-203)【关键词】深部碳;Mg同位素;蚀变洋壳;沉积物;玄武岩;岩石圈地幔;特提斯构造带;碳酸岩岩浆【作者】李曙光【作者单位】中国地质大学(北京)科学研究院同位素地球化学实验室;中国科学技术大学地球与空间科学学院【正文语种】中文【中图分类】P595【相关文献】1.河南嵩县店房金矿区稳定同位素特征及其深部成矿示踪意义 [J], 张智慧;涂恩照;台本华2.云南老王寨金矿床深部地质过程的流体包裹体与稀有气体同位素示踪 [J], 邓碧平;刘显凡;张民;赵甫峰;徐窑窑;田晓敏;李慧;胡琳3.深部碳循环的Mg同位素示踪 [J], 李曙光4.稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体固碳研究中的应用进展 [J], 金鑫鑫;汪景宽;孙良杰;王帅;裴久渤;安婷婷;丁凡;高晓丹;徐英德5.微生物磷脂脂肪酸单体碳同位素示踪碳循环过程 [J], 张一鸣;黄咸雨;谢树成因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析

同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析概述碳循环是指在地球上,碳元素在不同的生物圈、大气圈、水圈和地球圈之间的交换过程。

了解碳循环对于全球气候变化和环境健康至关重要。

同位素示踪技术是一种广泛应用于环境科学领域的方法,通过分析特定同位素在不同环境中的含量与分布,揭示了碳循环的运动和转化机制。

本文将以同位素示踪技术在环境科学中的碳循环解析为话题,探讨其原理、应用和未来发展方向。

原理同位素是指具有相同质子数但中子数不同的元素,根据同位素在自然界中存在的丰度差异,可以利用同位素比值变化揭示碳循环过程中的运动和转化。

其中,碳同位素主要分为^12C和^13C两种,其丰度差异可通过质谱仪进行精确测定。

同时,同位素示踪技术还可以利用放射性同位素如^14C,在环境中追踪碳元素的动态变化。

应用1. 碳源解析:通过分析环境中不同来源的碳同位素比值,可以确定不同碳源在碳循环中的相对贡献,进而了解碳的来源与汇的关系。

例如,利用同位素示踪技术,研究人类活动对大气中CO2浓度的影响,识别化石燃料燃烧和生态系统呼吸等自然过程的贡献,可以提供准确的碳排放评估。

2. 消失过程解析:利用同位素示踪技术可以示踪有机碳的生物降解和无机碳的催化转化等过程。

例如,通过分析^13C同位素在土壤中的分布,研究土壤有机质的分解速率和机制,可以深入了解土壤呼吸作用对全球碳循环的影响。

3. 季节性变化研究:同位素示踪技术可以帮助科学家揭示季节性碳循环的特征和机制。

通过对季节性的植物生长和呼吸过程进行同位素分析,可以确定不同季节中植物对大气中CO2的吸收和释放情况,为气候模型提供可靠的参数。

未来发展同位素示踪技术在环境科学中的应用已取得了令人瞩目的成果,但仍有一些挑战和未解之谜需要进一步研究和探索。

以下是一些可能的未来发展方向:1. 多同位素组合:同时使用多种碳同位素进行示踪分析,可以提供更全面的碳循环信息。

比如,将^13C同位素与氧同位素(^18O和^16O)组合应用于水体中的碳循环研究,可以揭示陆地-海洋碳交换的机制。

稳定同位素示踪技术在地球科学中的应用

稳定同位素示踪技术在地球科学中的应用

稳定同位素示踪技术在地球科学中的应用一、稳定同位素的基本概念稳定同位素是指具有相同原子序数但不同质量数的同一元素中,核外电子数量相同的同位素。

稳定同位素的存在除了对于化学元素的区分外,还有地球科学中的应用。

稳定同位素示踪技术则是指利用稳定同位素的不同相对丰度或者比值来追踪某种过程或者反应,从而研究地球科学领域中的物质循环、生物地球化学和地球化学等方面的问题。

二、稳定同位素的常见应用1. 奥氏体形成机制研究奥氏体是钢材中常见的一种组织形态,其性能优异,广泛应用于工业生产中。

稳定同位素技术可以用于研究其形成机制,例如,利用碳同位素比值分析不同原料在生产过程中的影响,从而寻找更加优化的工艺。

2. 生物地球化学研究稳定同位素示踪技术在生物地球化学中的应用也非常广泛,例如,稳定碳同位素比值和稳定氮同位素比值分析可用于研究海洋、湖泊和河流等水体中的有机物来源、生态系统功能和物质循环等问题。

3. 元素迁移研究稳定同位素示踪技术可以用于研究元素在地球内部的迁移过程,例如,使用氧同位素比值研究熔岩和地幔物质之间的交换过程,对了解地球内部物质循环和成因有着重要作用。

4. 水循环研究稳定同位素示踪技术还广泛应用于研究水循环过程中各个组成部分间的相互作用,例如,通过氢和氧的同位素比值分析降水和地下水之间的关系,来研究水的循环过程。

三、稳定同位素技术的优势稳定同位素技术相对于其他技术有其独特的优点,其中包括:1. 稳定性高。

由于稳定同位素的存在形式是核外电子的数量差异,因此不会产生放射性衰变产生的辐射,也不会发生自然衰变转化成其他元素。

2. 分析量少。

相对于其他同位素分析方法,稳定同位素分析的样品量一般只需要毫克或者微克级别,大大降低了分析成本。

3. 信息获取全面。

稳定同位素技术可以用于研究物质循环、成因、生态系统功能和水文循环等方面的问题,信息获取的范围非常广泛。

四、未来展望稳定同位素示踪技术的应用将会越来越广泛,未来的发展趋势也将更加高效、准确和多元化。

同位素电池器件的技术挑战与解决方案

同位素电池器件的技术挑战与解决方案

同位素电池器件的技术挑战与解决方案同位素电池器件的技术挑战与解决方案同位素电池器件是一种新型的电池技术,通过利用同位素的特性,实现能量的高效转化和储存。

然而,同位素电池器件在实际应用中面临着一些技术挑战。

接下来,我们将逐步分析这些挑战,并提出相应的解决方案。

首先,同位素电池器件面临的第一个挑战是同位素的获取和稳定性。

同位素是相对稀有的元素,因此其获取成本较高。

此外,许多同位素具有不稳定的性质,容易进行衰变,从而导致能量损失。

为了解决这一问题,可以采用以下策略。

首先,可以通过改进同位素的提纯和分离技术,提高同位素的纯度和产量。

其次,可以寻找更加稳定的同位素,并进行相关的研究和开发工作,以提高同位素电池器件的稳定性和寿命。

第二个挑战是同位素电池器件的能量密度和功率输出。

同位素电池器件的能量密度通常较低,无法满足一些高能耗应用的需求。

此外,同位素电池器件的功率输出较弱,无法支持一些高功率应用的使用。

为了解决这一问题,可以采用以下解决方案。

首先,可以通过改进同位素电池器件的设计和结构,提高其能量密度和功率输出。

例如,可以增加同位素的活性表面积,提高反应效率和能量转化效率。

其次,可以探索多种同位素的组合和混合,以提高能量密度和功率输出。

第三个挑战是同位素电池器件的安全性和环境友好性。

同位素电池器件中的同位素通常具有放射性,如果处理不当,可能会对人体和环境造成危害。

此外,同位素电池器件的制造和处理过程中可能会产生有害物质和废弃物,对环境造成污染。

为了解决这一问题,可以采用以下解决方案。

首先,可以加强同位素电池器件的安全控制和管理,确保同位素的安全使用和处理。

例如,可以建立严格的安全标准和操作规程。

其次,可以开展相关研究和开发工作,探索更加环境友好的同位素电池器件材料和制造工艺。

综上所述,同位素电池器件在实际应用中面临着一些技术挑战。

然而,通过改进同位素的获取和稳定性、提高能量密度和功率输出、加强安全性和环境友好性等方面的措施,可以有效解决这些挑战,推动同位素电池器件的发展和应用。

化学反应中的同位素示踪技术发展前景

化学反应中的同位素示踪技术发展前景

化学反应中的同位素示踪技术发展前景同位素示踪技术是指利用同位素替代元素来追踪或标记化学反应中的物质转化过程的一种技术。

这项技术在众多领域中都得到了广泛应用,如医学、环境科学、农业等。

本文将探讨同位素示踪技术的发展前景以及其在不同领域中的应用。

一、同位素示踪技术的原理和分类同位素示踪技术基于同位素的特性进行研究,同位素是原子核中具有相同质子数但不同中子数的同一种元素。

同位素具有相同的化学性质,但在物理性质上有所不同,如质量、稳定性等。

利用同位素的这些特性,可以通过示踪同位素在化学反应中的转化或迁移,了解反应的过程和机理。

根据同位素示踪技术的原理和应用对象,可以将其分为放射性示踪技术和稳定同位素示踪技术两类。

放射性示踪技术是利用放射性同位素进行示踪,通过放射性衰变的特性来分析反应过程。

稳定同位素示踪技术则是利用稳定同位素进行示踪,通过同位素分馏和同位素比值变化来研究反应。

二、同位素示踪技术在医学上的应用在医学领域中,同位素示踪技术被广泛应用于诊断和治疗。

例如,放射性同位素示踪技术可以用于肿瘤的检测和治疗。

通过注射放射性同位素标记的药物,可以追踪药物在体内的分布情况,为肿瘤的定位和治疗提供准确的信息。

此外,稳定同位素示踪技术也被用于研究药物的吸收、分布、代谢和排泄过程,为药物研发提供理论依据。

三、同位素示踪技术在环境科学中的应用在环境科学研究中,同位素示踪技术能够提供关于物质迁移、沉积和循环的重要信息。

例如,利用放射性同位素示踪技术可以研究地下水的流动和重金属的迁移。

稳定同位素示踪技术可以用于研究大气、水体和土壤中的元素循环过程。

这些研究有助于了解人类活动对环境的影响,优化环境管理和保护策略。

四、同位素示踪技术在农业中的应用在农业领域中,同位素示踪技术发挥着重要的作用。

例如,利用放射性同位素示踪技术可以研究植物的吸收和运输机制,优化植物的养分供应和施肥策略。

稳定同位素示踪技术可以用于研究土壤养分循环、植物水分利用效率等问题。

稳定同位素技术在碳循环中的应用

稳定同位素技术在碳循环中的应用

稳定同位素技术在碳循环中的应用摘要:稳定同位素技术近年来被大量应用于各个生态系统碳循环机理方面的研究。

如碳稳定同位素示踪技术通过更加深入地研究示踪分子的相对反应速率、同位素分馏机理等,为解决生态系统可能面临的各种问题提供了前提条件。

文章介绍了稳定同位素技术的特征,总结了近年来稳定同位素技术的方法及其在各生态系统碳循环研究中的一些应用实例,提出了当前研究存在的问题以及对未来的展望。

关键词:稳定同位素技术;碳循环;碳同位素近年来,由于全球人类持续燃烧的矿物燃料以及其他各类工业生产活动,二氧化碳的年平均排放量约4.8%,因此大气中CO2浓度急剧升高,打破了自然界中原有的平衡,导致全球各地气候变暖,成为威胁人类和自然资源可持续发展的全球性环境安全问题。

而碳循环与大气CO2浓度的变化有直接联系,影响全球气候的稳定,是生态系统对全球变化响应的综合性表现,因此成为全球变化相关研究的重要理论内容之一。

随着分析技术的不断进步,采用稳定同位素技术研究碳循环成为当前解析生态界碳的动态迁移与分配的一大热点,如通过同位素分馏等基本分析方法来检测的变化,有效区分了CO2的源与汇,或通过该技术指示各碳库中碳元素的迁移规律等。

一、稳定同位素及其技术的特征自原子核的质子和中子被发现后,一种新型应用技术——稳定同位素技术逐渐兴起,在生态学研究的诸多领域中,稳定同位素技术因其安全、灵敏和准确等特点而被广泛应用。

其中,碳稳定同位素不仅是一种天然的示踪元素,也是重要的生命元素和自然成分。

13C天然存在,无放射性,充分地弥补了放射性同位素的不足,具有无衰变、无污染、安全、不受环境条件限制等诸多优点,可以代替某些元素的放射性同位素难以检测的示踪实验,广泛应用于各生态系统的碳循环研究中。

因而碳稳定同位素技术可以很好地指示各碳循环中碳元素的迁移,为碳转化研究提供了有效证据。

二、稳定同位素技术在碳循环中的应用实例1、稳定同位素技术应用的主要方向在生物学和地球化学循环过程中,稳定同位素技术具有独特的稳定同位素化学效应。

稳定同位素示踪技术在环境科学中的应用

稳定同位素示踪技术在环境科学中的应用

稳定同位素示踪技术在环境科学中的应用环境问题的严重性日益突出,并且在近年来得到了越来越大的关注。

稳定同位素示踪技术是环境科学中的一项重要工具,它可以广泛应用于气候变化、水文地质、生物地球化学、土壤科学等领域。

本文将详细介绍稳定同位素示踪技术的基本原理,以及在环境科学中的实际应用情况。

一、稳定同位素示踪技术的基本原理同位素是指原子核中质子数相同但中子数不同的同一种元素,同位素分为放射性同位素和稳定同位素两种。

稳定同位素示踪技术是利用同位素间微量差异的原理,通过测量同一物质中不同同位素在天然界中的含量比值,再通过某些化学反应、生理过程等使其中某个同位素相对含量发生变化,从而研究不同过程的动力学、来源、去向等问题。

其中最常用的是碳、氢、氧、氮、硫、铅等稳定同位素。

在这里以碳稳定同位素为例,斯文森效应表明,植物利用大气中的二氧化碳进行光合作用,叶片中的13C/12C比值与大气中14C/12C比值成正比。

而稳定同位素是不会衰变的,各种有机物质中的13C/12C比值与植物组织中14C/12C比值的变化趋势相同。

利用合适的仪器可以测定13C/12C比值,从而推算出组织中的14C/12C比值,进而测定出样品中的时间。

二、1.气候变化稳定同位素示踪技术可以从古代天然记录中获取气候变化信息。

如冰川、珊瑚、岩石等中存在各种稳定同位素,它们的含量比例与当时气候改变的速度和程度相关。

利用这些天然记录,可以重建出过去几百年、几千年的气候变化历史。

2.水文地质水资源是人类赖以生存的重要资源,稳定同位素示踪技术可以对其来源、流动和变化等方面进行研究。

比如,利用氢氧稳定同位素探测水的来源以及水的混合程度,可以对地下水资源进行管理和保护。

同时,水体中的氢氧稳定同位素含量与气候因素有关,通过测量水中13C /12C比值、18 O /16 O 比值可以推算出水的蒸发过程、前缘的来源。

3.生物地球化学稳定同位素示踪技术在生物地球化学领域的应用特别广泛,可以应用于研究植物光合作用、碳循环、营养循环以及能量传递等方面。

稳定同位素示踪技术在农业中的应用

稳定同位素示踪技术在农业中的应用

稳定同位素示踪技术在农业中的应用稳定同位素示踪技术(Stable isotope tracer technology)是近年来发展起来的一种现代分析技术,在农业领域中有着广泛的应用。

这种技术基于同位素比例分析的原理,通过将标记同位素引入试验样品中,计算稳定同位素之间的比例变化,以揭示其代谢和运动方式,从而进一步探究作物养分吸收利用规律等问题。

本文将重点详细介绍稳定同位素示踪技术在农业中的应用。

一、稳定同位素示踪技术的原理稳定同位素示踪技术的基本原理是利用同位素比值测定物质在代谢过程中的分布、转化、运动等过程的信息。

同位素是一种原子量相等、电子结构相同但质量不同的物质,例如同一元素的质子数不同的核素。

稳定同位素是指不放射性的同位素。

稳定同位素示踪技术可以通过添加稳定同位素标记化合物或利用大气中稳定同位素示踪元素的比例变化等方法,重点考察同位素比值的变化,以推断样品组分的代谢和运动情况。

从而完成对指定物质在生物体内转化过程的定量研究。

其最大特点是可以使用生物体内的代谢物质作为稳定同位素示踪元素,没有放射性污染问题。

而同位素比例分析技术可以快速分析、高效定量,有较高的分析灵敏度和准确性。

二、稳定同位素示踪技术在农业领域中的应用1.养分吸收利用规律的探究稳定同位素示踪技术可以应用于农业领域中的养分吸收利用规律的探究。

例如,利用氮(N)示踪可定量测定作物与环境中不同形态的氮利用效率,进而评估作物对氮的利用高效性以及肥料利用率。

利用碳(C)同位素示踪,可以回溯作物的光合作用过程及其与土壤碳循环和有机碳贮积之间的关系。

稳定同位素示踪技术主要应用于稻田、果树、小麦、玉米等重要农作物的营养动态及其土壤养分与生物循环的研究。

2.土地污染及其影响因素研究稳定同位素示踪技术也可应用于农业领域中的土地污染及其影响因素研究。

例如,利用稳定同位素示踪指标可以对土壤中的重金属、放射性元素等进行监测评价及来源确认。

同时可以通过稳定同位素技术跟踪其与植物生长之间的关系,以评估土壤污染对植物生产和环境质量的影响。

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环
段先哲;牛苏娟;李赛;李南;孙浩然;郭聪;肖文舟;隋清霖;冯鹏;贺海洋
【期刊名称】《地质论评》
【年(卷),期】2022(68)4
【摘要】地球深部碳循环对全球气候变化、生命探索和岩石圈演化的研究具有重要意义。

中国东部岩石圈是地球深部碳循环的重要场所,其减薄和破坏与深部碳循环密切相关。

中生代太平洋板块俯冲是制约中国东部岩石圈减薄和破坏的关键,对华北克拉通和华南板块的大规模金属成矿作用具有重要作用。

笔者等系统阐述了Mg示踪地球深部碳循环原理,例举了镁同位素示踪中国东部深部碳循环的实例,论述了中生代俯冲的古太平洋板块所释放的碳酸盐熔体/流体与地幔相互作用,是造成中国东部地幔具有普遍的轻Mg同位素组成的重要原因。

此外,指出轻镁同位素的多解性,提出多同位素联合示踪是未来研究地球深部碳循环的趋势。

【总页数】16页(P1345-1360)
【作者】段先哲;牛苏娟;李赛;李南;孙浩然;郭聪;肖文舟;隋清霖;冯鹏;贺海洋
【作者单位】南华大学资源环境与安全工程学院;稀有金属矿产开发与废物地质处置技术湖南省重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P61
【相关文献】
1.浙北地区晚中生代侵入岩锆石U-Pb年代学及Hf同位素地球化学:成因演化过程及其构造环境示踪
2.深部碳循环的Mg同位素示踪
3.中国东部主要黄土分布区的Sr-Nd同位素物源示踪研究
4.稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体固碳研究中的应用进展
5.深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题
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稳定碳同位素技术在土壤植物系统碳循环中的应用

稳定碳同位素技术在土壤植物系统碳循环中的应用

例如,在有机质的分解过程中,细菌和真菌会优先吸收轻同位素(如12C), 留下重同位素(如13C)在土壤中。通过比较新老有机质中的碳同位素组成,我 们可以了解有机质的分解速率和土壤碳的动态循环。
此外,稳定同位素分析技术还可以用于研究土壤中的氮循环。在农田生态系 统中,氮的主要来源是施用的化肥。通过比较农作物、土壤和化肥中的氮同位素 组成,我们可以了解氮的矿化、固定和转化过程,以及氮在土壤-植物系统中的 迁移和利用效率。
3、土壤有机碳的固存和分解:土壤有机碳的固存和分解是土壤碳循环的重 要环节。稳定碳同位素技术可以帮助我们理解这个过程中的碳来源、传输和储存 机制。例如,当土壤中的有机物质分解时,其同位素指纹可能会发生变化,这为 我们提供了判断有机物质分解程度的重要线索。
4、农业实践的影响:农业实践如施肥、灌溉等都会影响土壤植物系统的碳 循环。通过稳定碳同位素技术,我们可以评估这些农业实践对土壤有机碳固存的 影响,从而为优化农业管理策略提供科学依据。例如,某些特定的肥料可能会引 入与当地土壤不同的碳源,这就可以通过稳定碳同位素技术进行识别。
参考内容二
引言
土壤碳循环是地球碳循环的重要组成部分,对于气候变化、生态系统功能和 农业生产等方面具有重要影响。准确理解和研究土壤碳循环过程是制定相关环境 政策和农业实践的基础。近年来,碳同位素技术得到了广泛应用,为土壤碳循环 研究提供了新的方法和视角。本次演示将介绍碳同位素技术在土壤碳循环研究中 的应用和意义。
稳定碳同位素技术在土壤植物系统 碳循环中的应用
目录
01 一、稳定碳同位素技 术的基本原理
03 三、前景展望
二、稳定碳同位素技
02 术在土壤植物系统碳 循环中的应用
04 应用价值的地球化学工具,尤其在理解和 解决土壤植物系统的碳循环问题中,其作用不容忽视。通过追踪碳元素的同位素 指纹,科学家们能够更好地理解碳的来源、传输和储存过程,进而为保护和改善 农业生态环境提供科学依据。

稳定同位素示踪技术在生态环境研究中的应用

稳定同位素示踪技术在生态环境研究中的应用

稳定同位素示踪技术在生态环境研究中的应用稳定同位素示踪技术是一种用稳定同位素所标记的物质来追踪物质在生物体系中的流向和转化的技术。

这项技术具有高精度、高可靠性的特点,已被广泛应用于生态环境研究中。

本文将介绍其应用与优势。

一、稳定同位素示踪技术的基本原理稳定同位素示踪技术利用不同同位素相对丰度的差异来追踪物质在生态系统中的流向和转化。

稳定同位素是指质子数不变、中子数不同的同种元素。

在自然界中,同种元素的不同同位素存在着一定的相对丰度,其比值可以通过质谱等仪器测定。

通过分析生态系统中物质的同位素比值的变化,可以揭示其在生态系统中的流动规律、生物、化学转化过程等信息。

二、稳定同位素示踪技术在生态环境研究中的应用1. 碳同位素示踪技术碳是生物体系中最常见的元素,也是地球上最常见的元素之一。

稳定同位素示踪技术中,以13C、14C为代表的碳同位素被广泛应用于生态系统中的有机物质的碳循环研究。

通过13C标记的有机物质可以推断出在生态系统中的有机物质的生产来源和转化过程,如光合作用中CO2的转化能力、土壤中有机物的来源等。

2. 氮同位素示踪技术氮是生物体系中不可或缺的营养元素,通过稳定同位素示踪技术,可以研究氮在生态系统中的流向和转化过程,如鱼类食物中的氮成分、原生动物对有机物的初始分解、土壤中化学、生物反应过程的变化等。

3. 氢同位素示踪技术氢是水分子的成分之一,在稳定同位素示踪技术中,利用氢同位素分析水的运移情况、水-土壤-植物系统的异质同位素内循环、动物饮水水源等信息。

4. 氧同位素示踪技术在生态系统中,氧同位素示踪技术可用于水的来源及其质量的研究,如大气水湿滞过程中的同位素分布。

三、稳定同位素示踪技术的优势1. 非放射性示踪:与放射性示踪技术相比,稳定同位素示踪技术不会产生放射性废物和辐射污染,对人体和环境无害。

2. 高精度:稳定同位素示踪技术样品处理比较简单,并且稳定性较高,测量精度高。

3. 应用广泛:稳定同位素示踪技术在生态环境研究中可应用于不同类型的生物体系和环境领域。

深部碳循环的Mg同位素示踪

深部碳循环的Mg同位素示踪

深部碳循环的Mg同位素示踪李曙光【期刊名称】《地学前缘》【年(卷),期】2015(022)005【摘要】大洋板块俯冲导致的深部碳循环可影响地球历史的大气CO2的收支情况及气候变化.沉积碳酸盐岩是地球中轻镁同位素的主要储库,它通过板块俯冲再循环进入地幔有可能引起地幔局部的Mg同位素组成不均一性.因此,在这样一个基本假设基础上,即俯冲岩石的镁同位素在变质脱水和岩浆过程中不发生显著变化,镁同位素有可能成为深部碳循环的示踪剂.前人研究已经证明岩浆过程不会发生显著锾同位素分馏.然而,至今对俯冲、变质过程镁同位素的分馏程度以及低δ26 Mg玄武岩成因还属未知.为此,本研究聚焦在高温高压条件下碳酸盐的稳定性和相转换、板块俯冲过程中的镁同位素行为、循环碳酸盐对地幔镁同位素组成可能产生的影响.【总页数】17页(P143-159)【作者】李曙光【作者单位】中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京100083;中国科学技术大学地球与空间科学学院中国科学院壳幔物质与环境重点实验室,安徽合肥230026【正文语种】中文【中图分类】P597.2【相关文献】1.云南老王寨金矿床深部地质过程的流体包裹体与稀有气体同位素示踪 [J], 邓碧平;刘显凡;张民;赵甫峰;徐窑窑;田晓敏;李慧;胡琳2.稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体固碳研究中的应用进展 [J], 金鑫鑫;汪景宽;孙良杰;王帅;裴久渤;安婷婷;丁凡;高晓丹;徐英德3.深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题 [J], 李曙光4.板块俯冲和岩浆过程中碳循环及深部碳储库 [J], 张国良;战明君5.采动影响下矿区深部地下水循环氢氧稳定同位素示踪 [J], 陈陆望;殷晓曦;陈园平因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

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ResearchDeep Matter &Energy—ReviewTracing the Deep Carbon Cycle Using Metal Stable Isotopes:Opportunities andChallengesSheng-Ao Liu ⇑,Shu-Guang LiState Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,Chinaa r t i c l e i n f o Article history:Received 29June 2018Revised 25January 2019Accepted 6March 2019Available online 2May 2019Keywords:Deep carbon cycle Calcium isotopes Magnesium isotopes Zinc isotopesa b s t r a c tThe subduction of marine carbonates and carbonated oceanic crust to the Earth’s interior and the return of recycled carbon to the surface via volcanism may play a pivotal role in governing Earth’s atmosphere,climate,and biosphere over geologic time.Identifying recycled marine carbonates and evaluating their fluxes in Earth’s mantle are essential in order to obtain a complete understanding of the global deep car-bon cycle (DCC).Here,we review recent advances in tracing the DCC using stable isotopes of divalent metals such as calcium (Ca),magnesium (Mg),and zinc (Zn).The three isotope systematics show great capability as tracers due to appreciable isotope differences between marine carbonate and the terrestrial mantle.Recent studies have observed anomalies of Ca,Mg,and Zn isotopes in basalts worldwide,which have been interpreted as evidence for the recycling of carbonates into the mantle,even into the mantle transition zone (410–660km).Nevertheless,considerable challenges in determining the DCC remain because other processes can potentially fractionate isotopes in the same direction as expected for carbonate recycling;these processes include partial melting,recycling of carbonated eclogite,separation of metals and carbon,and diffusion.Discriminating between these effects has become a key issue in the study of the DCC and must be considered when interpreting any isotope anomaly of mantle-derived rocks.An ongoing evaluation on the plausibility of potential mechanisms and possible solutions for these challenges is discussed in detail in this work.Based on a comprehensive evaluation,we conclude that the large-scale Mg and Zn isotope anomalies of the Eastern China basalts were produced by recycling of Mg-and Zn-rich carbonates into their mantle source.Ó2019THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license(/licenses/by-nc-nd/4.0/).1.IntroductionThe fate of marine carbonates during subduction has profound significance for the global carbon cycle,as they represent the major carbon-bearing phases that are recycled into our planet’s interior.In the early Earth’s mantle,the presence of both high geothermal gradients and mantle convection rates resulted in variable subduc-tion rates that reduced the likelihood of adding crustal carbon into the deep mantle [1].As Earth’s mantle cooled,the mantle environ-ment of subduction zones could permit the influx of crustal car-bonates beyond the depth of arc magma generation,resulting in the more efficient addition of crustal carbon to the deep mantle.The transport of Earth’s surface carbon into the mantle by sub-ducted slabs and its return to the surface through the degassingof volcanoes constitute the global deep carbon cycle (DCC)[2],which is one of the major factors controlling the distribution of car-bon in all terrestrial reservoirs [3,4].The study of the DCC has invoked a number of scientific issues,including:identification of recycled crustal carbon;the storage,speciation,and fluxes of deep carbon;partial melting of carbonated mantle;and the proportion of subduction-related carbon and primary mantle-derived carbon in the total carbon dioxide (CO 2)released by volcanism.Among these issues,a definite identification of recycled marine carbonates in the Earth’s mantle is a first and key step in DCC research.Carbon isotopes have been widely applied to trace the DCC [2],but strong fractionation induced by magma degassing makes it dif-ficult to elucidate recycled carbonate in volcanic rock sources based on carbon isotopes alone.Although the efficient subduction of organic carbon may play an important role in the rise of Earth’s atmospheric oxygen [5],about 95%of subduction-related and pri-mary mantle-derived carbon is inorganic carbon [6],and their car-bon isotopic compositions are not significantly different.Thus,it is⇑Corresponding author.E-mail address:lsa@ (S.-A.Liu).also difficult to identify recycled surface carbon in Earth’s mantle using carbon isotopes alone.The stable isotopes of divalent metals such as calcium(Ca),magnesium(Mg),and zinc(Zn),which occur as major or trace constituents in carbonate,can be used to identify recycled carbonate in the mantle,primarily due to the limited influence of degassing on isotopic composition of the magmas and the large contrast in isotopic composition between marine carbonates and the terrestrial mantle.In past years,detectable anomalies of Ca,Mg,and Zn isotope compositions(expressed as d44/40Ca=[(44Ca/40Ca)sample/(44Ca/40Ca)SRM-915aÀ1]Â1000, d26Mg=[(26Mg/24Mg)sample/(26Mg/24Mg)DSM-3À1]Â1000,and d66Zn=[(66Zn/64Zn)sample/(66Zn/64Zn)JMC3-0749LÀ1]Â1000,respec-tively)have been widely reported in mantle-derived rocks world-wide,including Hawaii[7],Eastern China including Hainan Island [8–15],the Tibetan Plateau[16–18],the Emeishan large igneous province(ELIP),and Tarim large igneous province(TLIP)[19–21], New Zealand[22],and Vietnam[23].With the exception of New Zealand,Vietnam,and Hainan Island of China,the studies on most of these locations have speculated that the storage of a large amount of recycling marine carbonates in the mantle is related to subduction of carbonate-bearing oceanic crust.The application of metal stable isotopes in tracing DCC is inno-vative and has been rapidly developed in recent years;however,it is critically challenged by the following important facts or poten-tial difficulties:①Ca,Mg,and Zn isotopes may be fractionated during partial melting of the mantle and the subducted oceanic crust;②carbonated eclogites in subduction zones also possess extremely light Mg isotope compositions but commonly contain little carbon;③isotope anomalies of mantle-derived rocks may be dependent on the species of carbonates being subducted/recy-cled;④carbon and metal cations(Mg,Ca,and Zn)in carbonate may be decoupled during both slab subduction and return of CO2-bearing magmas into the surface;and⑤diffusion-driven kinetic isotope effects may occur in magma sources or when mag-mas ascend through the overlying lithosphere.In view of poten-tially causing isotope fractionation in the same direction as expected for carbonate recycling,these processes must be taken into account while applying metal isotopes to DCC research.In this paper,we review the major advances in the application of metal stable isotopes to DCC;more importantly,we provide an ongoing evaluation of the plausibility of potential mechanisms and possible solutions for these difficult challenges.2.Principle of the use of metal stable isotopes for tracing DCCTo apply the stable isotopes of metals of interest to the study of DCC,three key prerequisites are needed:①a distinctive isotopic off-set must exist between marine carbonates and the terrestrial man-tle;②the isotopic compositions cannot be significantly changed or fractionated during the subduction processes,partial melting, and magmatic differentiation;and③the elemental concentration ratios of carbonate to the mantle must be large enough to modify the isotopic composition of the hybridized mantle.The efficiency of carbon subduction is usually largely controlled by the carbonate contents of the sediment column,and is partly linked to the latitude of the trench.The distribution of carbonate in the surface sediments of oceans is mainly controlled by surface productivity,dissolution,and dilution by noncarbonate biogenic and nonbiogenic sediment[24].At the Earth’s surface,divalent metal carbonates(i.e.,Ca,Mg,Sr,Ba,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,Cu,Cd, and Pb)constitute the main species of carbonate[25],such as cal-cite(CaCO3),magnesite(MgCO3),dolomite(CaMg(CO3)2),rhodo-chrosite(MnCO3),smithsonite(ZnCO3),and siderite(FeCO3). Calcium and magnesium are the two most abundant cations in car-bonates and constitute the endmember components of Ca-rich and Mg-rich carbonates,respectively.The Mg concentration(C)ratio of magnesite to the mantle(C(Mg)magnesite/C(Mg)mantle)is close to1, and the Ca concentration of calcite is one order of magnitude higher than that of the fertile mantle($3.5wt%,[26]).Thus,the Mg and Ca concentration ratios of carbonate to the mantle could be sufficiently large to significantly alter the Mg–Ca isotope com-position of the mantle.Trace Zn2+can replace Mg2+and incorporate into the crystal lattice of carbonate minerals[27].Although Zn is trace in calcic carbonate(highly variable,but with an average of $20l gÁgÀ1[28]),the low Zn concentration of the mantle ($55l gÁgÀ1;[29])results in a high C(Zn)carbonate/C(Zn)mantle ratio($0.4),which is sufficient to modify the Zn isotope composition of the mantle.In particular,dolomite and magnesite in ultrahigh-pressure metamorphic(UHPM)rocks,such as the deeply sub-ducted slab,can have very high Zn concentrations of up to147 and449l gÁgÀ1,respectively[30].There are significant isotopic offsets between carbonate and the terrestrial mantle for Ca,Mg,and Zn isotopes(Fig.1)[31–58].The large isotope differences between marine carbonate and silicate reservoirs primarily reflect isotope fractionation generated during the release of metals into seawater by continental weathering and during carbonate precipitation from seawater.Boron isotopes (d11B)have also shown potential in tracing recycled crustal mate-rials in sources of carbonatitic melts[59];however,in this paper, we focus on the stable isotopes of divalent metals(Ca,Mg,and Zn).For Ca and Mg,carbonates are enriched in the lighter isotopes in comparison with the terrestrial mantle(i.e.,d44/40Ca carbonate< d44/40Ca mantle[60];d26Mg carbonate<d26Mg mantle[31,61]),although it has been demonstrated that the d44/40Ca values of sedimentary carbonates varied with time and some carbonates have higher d44/40Ca ratios relative to the mantle[32].By contrast,carbonates are more enriched in the heavier Zn isotopes in comparison with the mantle(d66Zn carbonate>d66Zn mantle)[10,33],and no evidence has been found to indicate that the d66Zn values of sedimentary carbonates varied over geologic time[33,34].Therefore,negative anomalies of Ca and Mg isotopes(i.e.,lower d44/40Ca and d26Mg rel-ative to those of the mantle)and positive anomalies of Zn isotopes (i.e.,higher d66Zn relative to that of the mantle)in igneous rocks—if any—may imply the incorporation of recycled sedimentary carbon-ates in the rock sources.Due to the distinctive calcium and magnesium contents in Ca-rich and Mg-rich carbonates,the recycling of different species of marine carbonate would impose different Mg–Ca isotopic effects on mantle-derived rocks,such that a combination of Mg and Ca isotopes can quantitatively constrain the speciation of subducted carbonates(see Section4.3for details).Since Zn2+(0.74Å)has a similar ionic radii to Mg2+(0.72Å)and mainly substitutes for Mg2+in silicates[62],high-temperature processes(e.g.,magmatic differentiation and thermal diffusion)are expected to fractionate Mg and Zn isotopes in an identical direction.Therefore,whether light Mg or heavy Zn isotope signatures of igneous rocks reflect recycled carbonates in the sources or isotope fractionation induced by high-temperature processes may be effectively distinguished by combining Mg isotopes with Zn isotopes.During plate subduction,Mg isotopes are found to be limit-edly fractionated[63].The subducted mafic crust can preserve its primary isotope signature even after deep subduction to the ultrahigh-pressure eclogite facies.Magnesium isotopes are also not significantly fractionated during magmatic differentiation [31,64].Siliciclastic sediments have heavy Mg isotope composi-tion due to preferential release of light Mg during continental weathering[65],which is in contrast to carbonate sediments; thus,Mg isotopes can be used to discriminate recycled carbonates from siliciclastic sediments.Pons et al.[66]reported progressive decline of Zn isotope ratios during subduction of ultramafic crust(serpentinites),with heavy Zn isotopes preferentially being released into thefluids by incorporatingS.-A.Liu,S.-G.Li/Engineering5(2019)448–457449with ZnCO 3and/or ZnSO 4.Dehydrated serpentinites have a slightly lighter Zn isotope composition (d 66Zn =0.16‰±0.06‰)than pre-dehydrated ones (0.32‰±0.08‰).By contrast,during subduction of the mafic oceanic crust,d 66Zn value do not vary across metamorphic facies and the eclogites retain a mid-ocean ridge basalt (MORB)-like isotope composition [67].Siliciclastic sediments have d 66Zn values similar to or slightly lower than those of the mantle [68],which is also in contrast to the heavy d 66Zn of carbonate;thus,Zn isotopes can be used to discriminate between recycled carbonates and siliciclastic sediments.Mag-matic differentiation is found to fractionate Zn isotopes,but the magnitude of fractionation is considerably limited (<0.1‰)[35,69].No data is available for Ca isotopes in subduction-related samples,so this clearly needs future investigation.In particular,it is unclear whether selective dissolution of different species of carbonates within the subducted slab causes calcium isotope fractionation,so this topic deserves investigation.Over-all,isotope fractionation of Mg and Zn (and possibly of Ca)dur-ing subduction-related dehydration is much smaller than the large isotope offset between carbonate and the mantle,making these isotopes powerful tools for tracing the circulation of sedi-mentary carbonates from the Earth’s surface to the mantle.3.Advances on application of Ca,Mg,and Zn isotopes to DCC All data available in the literature for basalts with Ca,Mg,and Zn isotope anomalies were compiled,are plotted in Fig.2[7–12,14–16,18,19,21–23,31,38,43,70–74],and are briefly summa-rized below.This dataset is large (n >600)and represents an important step of applying metal stable isotopes to the study of DCC.During the review process of this paper,at least nine papers reporting new data and detectable variations of calcium,magnesium,and zinc isotopes in mantle-derived rocks (peridotites and basaltic rocks)were published [36,37,70–76],highlighting the rapid development of these three isotope systematics in tracing DCC.3.1.Calcium isotopesTwo studies have reported detectable variations of Ca isotopes in basaltic rocks and linked these variations to recycling of carbonates.Huang et al.[7]found light Ca isotope signatures in Hawaiian basalts (d 44/40Ca =0.75‰–1.02‰)relative to the fertile mantle (0.94‰±0.05‰[38]).They observed decreasing d 44/40Ca with increasing 87Sr/86Sr and Sr/Nb ratios,and attributed the light Ca isotope compositions to recycling of ancient carbonate compo-nent ($4‰)in the Hawaii plume.Recently,Liu et al.[18]reported lower d 44/40Ca values of volcanic rocks from Tengchong in South-west China (0.67‰–0.80‰)compared with the fertile mantle.A binary mixing model using Mg–Ca isotopes shows that 5%–8%car-bonates dominated by dolostone have been recycled into the man-tle sources.The recycled carbonates were proposed to have originated from the Indian oceanic crust.Significant calcium isotope variations have also been found in mantle peridotite xenoliths [36–38,77],but the results and explanations differ considerably.Zhao et al.[77]reported extreme d 44/40Ca variation (À0.08‰to 0.92‰)in peridotitic xenoliths from the North China Craton,and attributed the cou-pled light Ca–Fe isotopic signatures in these Fe-rich peridotites to kinetic isotope fractionation during melt-peridotite reaction.No clear role of recycled carbonate was illustrated in that study.Chen et al.[36]reported relatively high d 44/40Ca ratios for clinopyroxene (+0.84‰to +1.17‰)and orthopyroxene (+0.82‰to +1.22‰)in peridotite xenoliths from Fanshi area in the North China Craton.The heavy Ca isotope signature in the metaso-matic clinopyroxenes,which were formed via metasomatism by both carbonatite melt and carbonate-rich silicate melt,was proposed to reflect a characteristic of evolved sediment-derived hydrous carbonate melts [36].These authors further predicted that significant Ca isotope fractionation may have occurred during the subduction of carbonate sediments.Recently,Ionov et al.[37]reported calcium isotope data for mantle xenoliths containing metasomatic calcite from the Siber-ian Craton.These authors found that the d 44/40Ca ratios of the metasomatized peridotites (+0.81‰to +0.83‰)do not signifi-cantly deviate from that of the fertile mantle (<0.15‰),and the acid-leachates (carbonates)and leaching residues have sim-ilar d 44/40Ca values.The authors therefore asserted that Ca iso-topes have little use as a tracer of carbonate recycling [37].Overall,it seems that the calcium isotope data of mantle peri-dotites is immensely complex,making it difficult to simply relate it to carbonaterecycling.Fig.1.Data collection for (a)Ca,(b)Mg,and (c)Zn isotopic compositions of sedimentary carbonates,carbonated eclogite,and mantle peridotites.Bulk silicate Earth (BSE)values (represented by the grey band)are from Ref.[38]for d 44/40Ca (relative to SRM-915a),Ref.[31]for d 26Mg (relative to DSM-3),and Ref.[43]for d 66Zn (relative to JMC3-0749L).Data are compiled from the following sources:sedimentary carbonates:d 44/40Ca [32]and references therein,d 26Mg [45–50],and d 66Zn [33,34];carbonated eclogite:d 26Mg [44];peridotites:d 44/40Ca [36–41],d 26Mg [31,51–57],and d 66Zn [35,42,43,58].450S.-A.Liu,S.-G.Li /Engineering 5(2019)448–4573.2.Magnesium isotopesAn important superiority of Mg isotopes relative to other iso-tope systems (e.g.,Ca and Zn)is the huge difference of Mg isotope composition between marine carbonates and the terrestrial mantle (up to 5‰;Fig.1).In addition,compared with the large contrast in isotope abundances between 40Ca and 42Ca or 44Ca,and the strong interference of 40Ar on 40Ca that represents a significant obstacle to the precise measurement of Ca isotope ratios [78],the analysis of magnesium isotopes is more convenient.These superiorities make Mg isotopes the most commonly applied tracer for the DCC to date.Below,we review the studies that reported Mg isotope anomalies in basalts separately on the basis of regional occurrence of these rocks.3.2.1.East AsiaYang et al.[8]reported the first Mg isotope anomaly in alkaline basalts from the north and central North China Craton.They found an abrupt decline of d 26Mg ratios in <110Ma basalts relative to >125Ma basalts,and attributed this transition to subduction of the West Pacific slab beneath Eastern China in the late Mesozoic.Huang et al.[9]expanded the low-d 26Mg anomaly to Cenozoic alkaline basalts from South China.Tian et al.[11]and Wang et al.[15]further found low-d 26Mg values in Cenozoic alkaline basalts from Northeast China.Collectively,these studies have expanded the large-scale Mg isotope anomalies of Eastern China basalts to an area of more than 1000000km 2.Li et al.[12]presented a more comprehensive Mg isotope dataset including arc basalts from the circle-Pacific region,basalts from the western part of the North China Craton,and basalts from the Hainan hot spot.These authors found that low-d 26Mg anomalies only occur in Eastern China and are not present in the western North China Craton;based on Mg–Sr isotope modeling,they proposed that the recycled carbon-ate is mainly composed of dolomite ±magnesite [12].High-resolution seismic tomography showed that the Pacific slab is sub-ducting beneath the Japan Islands and becomes stagnant in the mantle transition zone (410–660km)beneath Eastern China [79].The low-d 26Mg anomaly of basalts in the mainland of Eastern China coincides with the stagnant Pacific slab in the mantle transi-tion zone beneath Eastern China,suggesting that the large-scale low-d 26Mg anomalies indicate the location of recycled Mg-rich car-bonates in the mantle transition zone beneath Eastern China [12].Su et al.[14]also reported a large Mg isotope dataset on a suite of continental basalts from East Asia,and found a decreasing d 26MgFig.2.A data compilation for basalts with isotope anomalies of (a)Mg,(b)Ca,and (c)Zn reported in the literature.Mantle values (represented by the grey band)are from Ref.[38]for d 44/40Ca,Ref.[31]for d 26Mg,and Ref.[43]for d 66Zn.Data are compiled from the following sources:d 26Mg,Northeast China [11,15,70],North China Craton [8,12,14],South China Block [9,12,14],Hainan Island [12],ELIP [19],Pitcairn Islands [74],TLIP [21],Tengchong [18,72],Lhasa terrane [16],Vietnam [23],New Zealand [22],and Jeju Island [71];d 44/40Ca,Tengchong [18]and Hawaii [7];d 66Zn,South China Block [10],North China Craton [10],and Shandong Peninsula [73].S.-A.Liu,S.-G.Li /Engineering 5(2019)448–457451trend with increasing distance from the present subduction trench. They attributed these variations to westward subduction of the Pacific oceanic plate beneath East Asia.More recently,Kim et al.[71]extended the low-d26Mg anomaly in alkaline volcanic rocks to Jeju Island,Korea,and similarly linked it to the stagnant,sub-ducted,carbonate-bearing Pacific slab in the mantle transition zone beneath East Asia.3.2.2.Tethyan subduction zoneThe Tethyan subduction zone is another important area where low-d26Mg signatures have been widely observed in mantle-derived rocks.Liu et al.[16]found light Mg isotope compositions of Cenozoic ultrapotassic rocks from south Tibet,and attributed the observations to the recycling of carbonated pelites during sub-duction of the Neo-Tethyan oceanic crust.Ke et al.[17]reported low d26Mg signatures and negative correlation between d26Mg and d18O values for Cenozoic syenites from the Pamir syntaxis, located in the western Himalayan–Tibetan orogen.Modeling on the basis of Mg–O–Sr isotope data indicated that the recycled car-bonate is mainly limestone with minor dolostone,suggesting that the metasomatism occurred at depths shallower than60–120km. Liu et al.[18]also found low-d26Mg signatures together with low d44/40Ca values for the Tengchong volcanic rocks in the southeast-ern Tibetan Plateau.These studies indicate that recycling of marine carbonate into the mantle may have been widespread during sub-duction of the Tethyan oceanic crust before and during the Ceno-zoic.Recently,Tian et al.[72]reported low Mg isotope ratios (À0.51‰toÀ0.33‰)in basalts and andesites from Tengchong, and attributed the low-d26Mg anomalies as well as the extremely high Th/U(6.5–8.3)to dolomite dissolution by slab-derived super-critical liquids in subduction zones.rge igneous provincesCheng et al.[21]reported low-d26Mg anomalies(À0.45‰to À0.28‰)in basalts,mafic–ultramafic layered intrusions,diabase dykes,carbonatites,and mantle xenoliths in kimberlitic rocks from the TLIP.These authors proposed two distinct mantle domains as the sources of the TLIP basalts:①a lithospheric mantle source for basalts and mafic–ultramafic layered intrusions,which was modified by calcite/dolomite and eclogite-derived high-silicon (Si)melts,as evidenced by enriched Sr–Nd,heavy oxygen,and light Mg isotope compositions;and②a plume source for carbonatite, nephelinite,and kimberlitic rocks,with the involvement of magne-site or periclase/perovskite.Tian et al.[19]reported the mantle-like Mg isotope composition of Permian basalts from the ELIP.They proposed that sedimentary carbonates recycled into the lower mantle beneath the ELIP were very limited(<2%).Thus,whether or not marine carbonates can be carried into the lower mantle remains open to debate and requires further study.3.2.4.Low-d26Mg anomalies proposed to be unrelated to the recycling of carbonateFive studies have proposed different explanations for low-d26Mg anomalies observed in basalts from other regions,rather than recycling of marine carbonates.Wang et al.[22]reported Mg isotope data for high-time-integrated l=238U/204Pb mantle (HIMU)-like intraplate basalts from New Zealand(À0.47‰to À0.06‰).Based on the negative relationship between d26Mg and (Gd/Yb)normalized these authors attributed the observed low-d26Mg anomalies to recycling of carbonated oceanic crust(eclogites)in the mantle source.On the basis of high Fe/Mn and Ca/Al,and the absence of negative Hf and Ti anomalies,Li et al.[12]argued that the low-d26Mg anomalies of basalts from Hainan Island were caused by recycled oceanic eclogites.Sun et al.[70]presented negative correlations between d26Mg values and TiO2contents for potassium-rich basalts from Northeast China,and attributed the low-d26Mg anomalies to recycling of carbonated eclogites. More recently,Hoang et al.[23]reported Mg isotope data for late Cenozoic intraplate basaltic rocks from Central and Southern Vietnam(À0.62‰toÀ0.28‰),and proposed a hybridized source containing peridotite and recycled oceanic crust(carbonated eclogites).Wang et al.[74]found low-d26Mg anomalies in Pitcairn Island basalts with a typical EM1affinity.Considering the low Ca/Al ratios,these authors proposed that carbonate–silicate inter-action in the subducted sediments exhausted the carbonates but incorporated the isotopically light magnesium of the carbonate into silicates.The latter were subducted into the deep mantle and resulted in the observed low-d26Mg anomalies.3.3.Zinc isotopesZinc isotopes are a novel tracer for the DCC recently developed by Liu et al.[10].These authors analyzed Zn isotope data for Meso-zoic to Cenozoic basalts from Eastern China that had been previ-ously analyzed for Mg isotopes.The<110Ma basalts were shown to have elevated d66Zn values and display a negative corre-lation between d66Zn and d26Mg,which were interpreted as a result of the recycling of marine carbonates in the mantle source.Given the high Zn concentration of these basalts and the positive rela-tionship between d66Zn and Zn concentration,Liu et al.[10]argued that the recycled carbonate is Zn-rich and is most likely dominated by magnesite.This argument provides independent evidence for determining the species of recycled carbonate during subduction of the West Pacific slab beneath Eastern China.Recently,Wang et al.[73]presented a systematic variation of Zn isotopes with Sr–Nd isotopes and incompatible elements(e.g.,Nb, Th,and Zn)in nephelinites,basanites,and alkali olivine basalts from the Shandong Peninsula in Eastern China(Fig.2).Compared with nephelinites and high-alkali basanites that have elevated d66Zn ratios reflecting carbonate metasomatism of the sources, alkali olivine basalts and low-alkali basanites show a gradual decline of d66Zn with SiO2,and have Zn–Sr–Nd isotopic and chem-ical compositions that are shifted toward those of an enriched lithospheric mantle.The authors proposed that infiltration and reaction of silica-undersaturated melts with the lithospheric man-tle result in the transition of strongly alkaline melts into weakly alkaline melts,and could be one of the most common causes of compositional diversity in natural alkaline lavas.4.Challenges and questionsAs discussed above,many studies have already reported Ca,Mg, and Zn isotope data for basalts,and have linked the observed isotope anomalies to possible recycling of marine carbonate.How-ever,considerable challenges exist and call into question the unique linkage between the isotope anomalies observed in basalts and carbonate recycling in mantle sources.In particular,several processes can potentially fractionate isotopes in the same direction as expected by carbonate recycling.In this section,particular attention is paid to evaluating the plausibility of these potential mechanisms and providing possible solutions for these chal-lenges—aspects that have been commonly overlooked in earlier work.Our aim is to call attention to the interpretation of isotope data instead of simply linking any isotope anomaly to the carbon-ate effect without evaluating other possibilities in detail in future studies.4.1.Partial melting effectThe improved precision of isotope analysis has led to thefinding that calcium,magnesium,and zinc isotopes may be fractionated452S.-A.Liu,S.-G.Li/Engineering5(2019)448–457。

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