科研动态

广州地化所在五硫同位素示踪非质量依赖分馏效应的来源和对行星化学启示取得研究进展

  •   近二十余年,同位素地球化学家陆续在陨石、沉积物、冰芯等多种记录了太阳系和地球演化历史的天然载体中观测到多硫同位素(32S、33S、34S、36S)非质量依赖分馏效应(Sulfur Isotope Mass-independent Fractionation; S-MIF)。学界普遍认为,S-MIF导致的硫同位素33S和36S异常主要通过含硫分子(如二氧化硫)的短波紫外线光化学反应产生,是示踪大氧化事件、板块运动、平流层火山喷发、火星硫循环、太阳系原行星盘演化等过程的重要工具。然而,该同位素效应理论和地学应用领域的头上存在一朵“乌云”:在现代地球大气臭氧层阻隔了短波紫外线到达地面的情况下,为何我们在现代近地面大气中仍能广泛观测到S-MIF现象?

      为回答该问题,国科大导师、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(下称“广州地化所”)林莽研究员在早年引入了第五个硫同位素(宇生放射性同位素35S;半衰期约87.4天)作为高层大气的示踪物(Lin et al., PNAS 2016),率先开展了五硫同位素综合研究(Lin et al., PNAS 2018)。初步的五硫同位素分析结果显示,近地面大气的33S异常与35S相关,表明其产生机制可能与臭氧层上的光化学过程相关;而36S异常则与燃烧示踪物相关,说明其产生机制可能涉及燃烧这一非光化学过程。为深入探讨S-MIF的来源和化学机制,更合理地解读天然样品数据,提高35S和36S这两种丰度极低的硫同位素的分析精度和开展后续分析尤为关键。

      在林莽研究员的指导下,广州地化所博士后于晓晓和研究助理林晓敏筛查了影响35S和36S分析精度的潜在因素,提出了较为简易的解决方案,自主建立了五硫同位素高精度分析测试平台;国科大硕士生、广州地化所殷彬晏同学在该测试平台开展了大气硫酸盐S-MIF后续研究。研究结果进一步支持36S异常与燃烧过程相关,其化学机制可能与高温气态硫重组反应中由分子对称性差异引起的同位素效应有关;但33S异常与高层大气并无关联,表明其来源和化学机制比想象中更为复杂,需要在未来的研究进一步深入探讨。鉴于类似幅度的S-MIF在火星陨石样品中广泛存在,研究团队从比较行星学角度思考,进一步提出,在解读地外样品多硫同位素数据时,必须慎重考虑S-MIF来源和同位素行星化学的复杂性。若简单地以“S-MIF只与光化学反应有关”作为数据解读的基本假设,在通过火星样品多硫同位素反演火星古大气过程的研究中可能会得到错误结论。

      这一系列研究得到了中科院“从0到1”原始创新项目(ZDBS-LY-DQC035)、基金委专项项目(42241125)、南方海洋科学与工程广东省实验室重大专项团队项目(GML2019ZD0308)、国家高层次人才计划青年项目、珠江人才计划青年拔尖人才项目的联合资助。研究成果分别发表于化学期刊《美国化学会地球和空间化学》(ACS Earth and Space Chemistry)和《质谱学快报》(Rapid Communications in Mass Spectrometry),其中,关于S-MIF化学机制及其对行星大气启示的工作,于4月20日以主封面(Front Cover)文章发表在2023年第4期ACS Earth and Space Chemistry。

      论文信息:

      1.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsearthspacechem.2c00360

      2.https://analyticalsciencejournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/rcm.9404

      3.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsearthspacechem.2c00104

     

    图1 :(左)多硫稳定同位素 S-MIF 与燃烧示踪物的相关性;(右)当期 ACS Earth Space Chem 主封面(Front Cover)。

    责编 :韩明瑞