稀土元素稳定同位素是新的非传统稳定同位素体系，有望为探索天体形成、岩浆演化、稀土成矿、大陆风化和海洋循环等过程稀土循环提供新的证据。特别是Ce具有+3和+4两种价态，在氧化过程中表现出与其他稀土元素如Nd明显的差异，但在非氧化过程中Ce与Nd元素具有相似的地球化学行为。因此，理论上Ce和Nd稳定同位素的联合应用能够量化地表的氧化还原状态特别是为氧化过程提供新的证据。然而，这一假定是否实际可行有待证实，而通过对同一地质过程中Ce-Nd稳定同位素分馏行为进行同步监测可准确回答这一问题，不过到目前为止尚没有相关的研究报道。
针对这一科学问题，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白江昊博士后在韦刚健研究员、马金龙正高级工程师、王志兵副研究员和张乐高级工程师等老师的指导下，并与广东省科学院生态环境与土壤研究所钟松雄博士后合作，依托其前期建立的高精度Ce稳定同位素分析技术，对经历氧化风化作用并具有很好的稳定Nd同位素研究基础的海南新生代玄武岩风化剖面HK06开展了系统的研究。
图 1 HK06风化壳 Th，Ce、Ce/Ce*和 142/140Ce值的变化特征
研究结果表明，在该风化剖面中，Ce富集程度越高，其Ce异常值越正，相应的 142/140Ce值也越高；反之，Ce越亏损，其 142/140Ce值则越偏低。这一观察结果表明，强氧化风化过程中Ce元素会发生明显的迁移并伴随着Ce稳定同位素的显著分馏。为了更好地区分氧化与非氧化过程对稳定Ce同位素的影响，作者对风化产物进行了化学分相提取，并分别测定了各个相态的稳定Ce同位素组成。结果显示，在氧化过程中，Mn（氢）氧化物相具有最高的 142/140Ce值（+0.184 0.040‰），这可能归因于Ce(IV)倾向于富集较重的同位素 142Ce（基于质量相关分馏）和/或继承自流体相中的重同位素 142Ce（基于核体积效应）。为了区分这两种分馏效应，未来研究应当同时精确测量样品中的 136Ce/ 140Ce和 142Ce/ 140Ce比值。此外，研究发现Mn氧化物相中的Mn浓度与 Th，Ce和 142/140Ce值均呈现正相关，而与Ce异常无关，表明Mn氧化物中的 142/140Ce值相比Ce/Ce*更可靠地量化表征地表的氧化状态。在非氧化过程中，作者讨论了外部输入、pH值、有机物络合、Fe氧化物吸附/共沉淀以及粘土矿物形成等作用方式对稳定Ce同位素分馏行为的影响。在0.5 mol L -1 HCl交换相和残余相中， 142/140Ce值与 146/144Nd都呈正相关，表明在非氧化过程中稳定Ce和Nd同位素表现相似。基于此，作者提出联合Ce-Nd稳定同位素（ 142Ce- 146Nd）可以作为量化地表亚氧到强氧化状态的新工具。这一指标未来在准确解读地球氧化历史的研究中，可望发挥非常重要的贡献。
图2 Mn氧化物相中Ce元素含量、Ce异常和 142/140Ce的变化特征
图3 非氧化过程中Ce-Nd稳定同位素分馏行为类似
相关成果发表在国际地球科学领域著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》，该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、博士后面上项目和中国科学院广州地化所所长基金等联合资助。
论文信息：Bai J.H.,(白江昊) Wu C.,(吴 超) Wu H.,(吴 昊)Wang, Z. B., (王志兵) Zhang L.,(张乐) Zhong S.X., (钟松雄) Ma J. L.,(马金龙) Wei G.J.* (韦刚健). 142Ce minus 146Nd value as a redox indicator in Earth's surface environments[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 629, 118597. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118597.
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