中國科大發(fā)現(xiàn)煤中汞同位素組成與氣候演變的關聯(lián)

  汞是一種自然界存在的極其有害元素，大量儲存在煤炭中。那么，汞是如何進入到煤層中的呢？不同時期煤炭中汞的來源有什么差別，受什么控制？中國科學技術大學教授劉桂建研究組通過新近發(fā)展的穩(wěn)定汞同位素技術給這些問題一個圓滿的答案，并發(fā)現(xiàn)地球史上的大氣氧含量與煤炭中汞同位素組成有著非常密切的聯(lián)系。該研究成果最近以特邀綜述的形式發(fā)表在Earth-Science Reviews上，論文第一作者為課題組的博士后、研究員孫若愚。

　　眾所周知，煤炭是由古植物遺體經(jīng)過漫長的地質演化過程所形成。植物死亡后，其遺體首先在泥炭沼澤中進行腐殖化和凝膠化，形成基本的煤素質（鏡質組、殼質組、惰質組），繼而在沉積物的覆壓下進行成巖作用，伴隨著埋藏深度以及溫壓的升高，最后經(jīng)過變質作用形成煤炭。顯生宙地球演化史上的各個時期都有煤炭的沉積，其中氧氣含量最高、植物繁殖最為茂盛的晚石炭-早二疊時期形成的煤炭儲量最多。植物體內(nèi)儲存有大量通過葉片氣孔固定大氣汞（植物成因汞），促使煤發(fā)生變質的熱液富集有較多的礦化汞（熱液成因汞）。另外，介入煤炭沼澤的沉積物也含有地質背景豐度的汞（地質成因汞）。因此，煤炭在地球史上成為汞的一個有效的儲庫。

　　劉桂建研究組通過與美國地質調查局、法國國家科學研究院、南非和印度煤研究機構合作，采集了世界主要煤田的沉積煤層，利用多接受-電感耦合等離子體質譜高精度地測試了汞同位素組成。結果發(fā)現(xiàn)，煤中不同汞的來源具有顯著不同的同位素組成。利用源混合模型，解析出世界煤中的汞基本由植物成因汞（37-46%)和地質成因汞（54-63%）所控制，而熱液成因汞在高變質煤層中才占有主要地位。更為驚奇的是，研究者發(fā)現(xiàn)，不同時代沉積煤層汞同位素的非質量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）與大氣氧含量具有很好的正耦合關系。通過綜合分析其它歷史數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)煤中惰質組的含量與大氣氧含量存在著反耦合的關系。惰質組主要是由森林火災的木炭形成，而森林火災的發(fā)生概率很大程度上受到大氣氧含量的影響（例如，晚石炭-早二疊時期的大氣氧含量高達30-35%，遠高于當今的21%，當時的森林火災也較頻繁）。據(jù)此，研究者提出了煤炭汞同位素演變的一個新觀點：較高的氧氣含量，導致較高的森林火災頻率，進而導致具有非質量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）偏負的植物成因汞部分燒失。

　　另外，通過大范圍的測試世界煤炭的汞同位素組成，該研究組還建立世界高區(qū)域分辨率煤汞同位素數(shù)據(jù)庫，以應用于汞同位素全球循環(huán)的相關研究（Environmental Science & Technology 48：7660-7668）。

　　審稿人認為，該成果對理解煤中汞的來源以及開拓汞同位素環(huán)境地球化學示蹤研究具有重要意義，并促進了汞同位素在古地質學和古氣候學的相關研究。

　　上述研究成果受到國家“973”計劃及學校青年基金的資助。

　　文章鏈接

不同時代煤的非質量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）與大氣氧含量的關系