镓（Ga）在矿物表面吸附过程中的同位素分馏首次研究进展

Ga位于元素周期表第四周期，第IIIA族，与铝（Al）化学性质相似，但相对于仅有单一稳定同位素的主量元素Al，Ga是具有两个稳定同位素的微量元素，因此Ga同位素不但能为进一步认知Ga地球化学循环提供新工具，还有助于深入探索Al的地球化学性质。然而，迄今很多地质储库中的Ga 同位素组成尚不清楚，一些基本地球化学过程中Ga 的同位素分馏程度和机制也还是未知数，亟待进行深入研究。众所周知，吸附过程对于充分了解金属离子在水岩作用、生物吸收以及大陆风化作用中的迁移转化及机理起着至关重要的作用。多种金属（如，Mo、Ge和Zn）在矿物吸附过程中已证明会产生显著的同位素分馏。

鉴于此，中科院地球化学研究所陈玖斌研究员课题组利用在2016年新建的高精度Ga同位素分析方法（Yuan et al., 2016）的基础上，率先开展了Ga在矿物表面吸附过程中的同位素分馏研究。研究选取作为地球表层普遍存在并是微量元素迁移的重要载体方解石和针铁矿两类矿物。结果表明，较轻的Ga同位素（⁶⁹Ga）会被优先吸附到矿物（方解石和针铁矿）表面，且方解石表面吸附过程中的同位素分馏大于针铁矿表面吸附过程，其 △⁷¹Ga_{solid-solution}分别为 -1.27‰ 和 -0.89‰。造成分馏的主要原因是Ga从水溶液吸附到矿物表面发生了形态转变（共价键数和键长），水体中Ga(OH)₄^– 会优先吸附到方解石和针铁矿表面分别形成 >Ca-O-GaOH(OH₂)⁴⁺ 和 >FeOGa(OH) ₂⁰，从而使共价键由4转变为6，且Ga-O键长变长，分别从水体中的1.84 Å增加到1.94 Å与1.96 Å。

研究结果表明Ga作为新开发的同位素体系，在地学各领域研究中有着重要应用前景。根据此研究结果，有机物吸附过程也会产生类似的Ga同位素分馏，预示着Ga同位素可以用于示踪生物地球化学过程。特别是在低比值的水/碳酸盐岩与水/铁（氢）氧化物的表层环境下，水体较颗粒物而言可能富集重的Ga同位素（⁷¹Ga），但需要进一步研究。该成果发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》，原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703717307822。

（陈玖斌课题组供稿）

图：吸附实验δ⁷¹Ga_solution和 δ⁷¹Ga_calcite（A）/ δ⁷¹Ga_geothite（B）（实测值与理论推算值）与Ga吸附量的关系