中国石油勘探开发研究院：李茜等-U同位素分馏行为及其在环境地球科学中的应用研究进展

近年来,研究铀(U)及其同位素有关的地球化学指标在地球环境科学领域发挥着越来越重要的作用。

为加快我国U同位素发展和应用,本文系统回顾了近20年来U及其同位素的地球化学行为、U同位素分析测试技术、U循环与地表U同位素组成、U同位素分馏机理以及U同位素在环境科学领域的应用进展与技术壁垒。

综述表明:U作为氧化还原敏感元素,在自然和人为活动中,U同位素存在显著分馏现象。U同位素已初步成功应用于示踪现代陆地表生环境系统中U的分布、迁移和扩散行为,重建地质历史时期环境与生命协同演化过程等地球环境科学领域。

但总体而言,国内外U同位素研究工作仍处于起步阶段,多数局限于定性分析,在应用中也存在一些问题亟待解决,例如:特殊价态的U同位素仍无法测量,这制约了进一步对氧化还原过程中U同位素分馏机理的认识;地下水U污染处理手段缺失,表生沉积物的U同位素测试数据缺乏系统性和区域性,大气定量源计算解析模型还未完全建立;碳酸盐岩成岩过程中的U同位分馏机理尚不清楚,其分馏校正因子难以确定;黑色页岩包含海水和沉积物混杂的化学信号,难以准确扣除局部无效分馏信号;对非重大地质事件时期的关注较少导致无法恢复地球完整的氧化还原历史;U同位素高温地球化学分馏机理与应用基本处于空白等。

未来,进一步改善U同位素测试技术,提高仪器检测分析精度,进行更系统的U同位素测试,建立各类型U同位素数据库,深化U同位素分馏机理认识,筑牢U同位素应用基石,尝试U同位素在更多领域的探索,以及将U同位素与其他氧化还原系统相关的示踪剂联合使用以提高示踪的准确性和可靠性,是U同位素研究的主要方向。本文对进一步推动我国U同位素在环境地球科学领域中的应用具有深远意义。

文中主要图件

结论与展望

U资源对于国防安全和国家能源具有无法替代的重要性。随着对U及其同位素的地球化学行为、U同位素分析测试技术、U循环与地表U同位素组成和U同位素分馏机理的认识愈发清晰,U同位素已初步应用于示踪现代陆地表生环境系统中U的分布、迁移和扩散行为,重建地质历史时期环境与生命协同演化过程等地球环境科学领域。但总体而言,国内外U同位素研究工作仍处于起步阶段,多数局限于定性分析,在应用中也存在一些问题亟待解决。

(1)U同位素测试技术需要进一步深入研究。U5+极不稳定,容易发生歧化反应,一部分生成U4+,一部分生成U6+,这导致氧化还原过程中的U同位素分馏机理复杂,难以确定微观过程中U同位素分馏机理,因此后续可以对特殊价态的U同位素测量开展更多的工作。

(2)随着我国核电的发展和铀矿冶业的复兴,U污染源的示踪问题需要予以高度重视。未来还需要更加可靠且持久的地下水U污染处理手段,需要开展更为系统的、区域范围更大的表生沉积物的U同位素测试,需要进一步建立和完善大气定量源计算解析模型。

(3)目前海相沉积物的U同位素已经成为定性确定古海洋氧化状态的重要工具,并可作为定量示踪全球氧化还原状态转化时间、持续时间和程度的指标。碳酸盐岩由于受到早成岩及重结晶作用影响,需要考虑成岩等作用影响因素,成岩作用分馏效应矫正需进一步研究;利用黑色页岩U同位素时需要准确扣除局部分馏信号;理论上可以用一个校正因子来校正这些因素导致的偏移,但是这种影响的大小在不同的环境下可能有很大的差异。

(4)目前绝大多数研究主要针对“重大特殊地质事件”开展,如大氧化事件开始时间、生物大灭绝时期大气氧化还原状态与生物灭绝之间的关系等,但对非事件时期的关注较少,这不利于恢复地球完整的氧化还原历史,非事件时期的氧化还原状态还有很多可研究空间。

(5)在地球科学领域内,U同位素在地表风化、物源示踪、颗粒破碎年龄计算等低温地表地球化学方面的热度与日俱增,但U同位素高温地球化学分馏机理与应用有待深入挖掘。

总而言之,在环境科学与地球科学领域中,U同位素的研究与应用还处于起步阶段。进一步改善U同位素测试技术,提高仪器检测分析精密度,进行更系统的U同位素测试,建立各类型U同位素数据库,深化U同位素分馏机理认识,筑牢U同位素应用基石,尝试U同位素在更多领域的探索,以及将U同位素与其他氧化还原系统相关的示踪剂联合使用以提高示踪的准确性和可靠性,是未来U同位素研究的主要方向。

引用本文

李茜, 朱光有, 李婷婷, 陈志勇, 艾依飞, 张岩, 田连杰. U同位素分馏行为及其在环境地球科学中的应用研究进展[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 447-471.

LI Xi, ZHU Guangyou, LI Tingting, CHEN Zhiyong, AI Yifei, ZHANG Yan, TIAN Lianjie. Uranium isotope fractionation and application of uranium isotopes in environmental geosciences—a review[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(2): 447-471.