开拓创新　推进同位素化学发展——秦礼萍教授

2014-11-26

中国科学技术大学地球和空间科学学院秦礼萍教授，长期致力于同位素天体化学和地球化学的研究，主要研究领域包括：利用短周期放射性同位素定年体系研究太阳系早期物质的凝聚与分异，通过对陨石中金属和重同位素异常的观察来制约太阳系形成时的天文环境，利用金属稳定同位素组成来示踪生物和环境地球化学过程。2012年入选 “青年千人计划”。2014年获欧洲地球化学学会豪特曼斯青年科学家奖，是获此奖项的首位中国人。

1．用短周期同位素体系研究太阳系早期行星的凝聚与分异

使用¹⁸²Hf-¹⁸²W为铁陨石母体核幔分异定年长期存在的一个问题就是受矫正宇宙射线的照射铁陨石中W同位素组成会发生改变，从而很大地影响到定年的准确性。秦教授课题组建立了精确测量W同位素的方法，使定年的精确度＜1百万年。系统测量了许多已知暴露年龄的铁陨石的W同位素组成，并通过比较核反应（陨石受宇宙射线照射会发生一系列的核反应）模型模拟结果和实验测量建立了矫正宇宙射线照射的影响的方法。最后结合Hf-W核幔分异的年龄和球粒陨石热模型模拟来制约铁陨石母体形成的时间。发现这些小行星的形成与公认的太阳系最老的固体（富Ca-Al包体）相差不超过1到2个百万年。这个结果在国际地学著名期刊Earth and Planetary Science Letters上发表，并被作为挑战传统观点原始球粒陨石形成比分异陨石要早的最有力的证据之一，从而引发了一系列关于已经分异的小行星撞击、加入到形成中的地球的讨论和研究。工作中同时还发现IVB组铁陨石有W同位素核异常。这是首例W同位素核异常的报道，并被后来报导多次证实。

2．系统研究⁵⁴Cr/⁵²Cr比值在各类陨石中系统变化的原因

传统认为太阳系物质的同位素组成是很均一的，这就引起了对陨石中⁵⁴Cr/⁵²Cr异常原因的广泛探讨。在此方面秦教师课题组做了三方面工作：首先，确证了这个比值在各类陨石中的非常系统的变化，同时发现普通球粒陨石和碳质球粒陨石尽管有不同的⁵⁴Cr/⁵²Cr，可是却含有相同的⁵⁴Cr/⁵²Cr正异常的载体。其次用Nano-SIMS技术从CI球粒陨石Orgueil中发现多个含⁵⁴Cr/⁵²Cr 正异常的纳米级的Cr的氧化物颗粒，这些颗粒的极端高的⁵⁴Cr/⁵²Cr 比值表明这些载体形成于第二类超新星的内层。发现这些物质可能在太阳系形成之后才随着周围一颗超新星的喷发物到太阳系，从而保留了分布的不均一性。最后利用⁵⁴Cr/⁵²Cr比值在各类陨石中系统变化来研究陨石AlmahataSitta的来源。受NASA SETI Institute邀请参加针对陨石AlmahataSitta的专家团做Cr同位素的工作。这个陨石是首例根据小行星（2008 TC3）撞击地球的轨道找到的小行星碎片（在苏丹境内）。发现这个陨石的⁵⁴Cr/⁵²Cr与原始球粒陨石不同，推翻了ureilite母体类似于球粒陨石的假说。

3．开拓使用Fe/Mn比值示踪洋岛玄武岩岩浆源区

建立了精确测定Fe/Mn比值的ICP-MS方法，发现夏威夷和Tahiti两个洋岛玄武岩源区的Fe/Mn比值比大洋中脊玄武岩和别的洋岛玄武岩高大约10%，认为这是它们的源区受地核物质（高Fe/Mn比值）影响的结果。这个研究为夏威夷等超级地幔柱可能来自核幔边界提供了地球化学证据。同时高Fe/Mn比值能造成源区物质密度的正异常，这为研究地幔循环的动力学模型提供了重要的地球化学的依据。

4．RCH₂和RCH1对Cr（VI）还原过程中的同位素分馏现象研究

研究了在生物刺激情况下反硝化菌——假单胞菌RCH₂和硫酸盐还原菌——脱硫孤菌RCH1对Cr（VI）还原过程中的同位素分馏现象。发现假单胞菌RCH₂ 尽管在有氧和厌氧的情况下还原Cr的速率很相近，可是Cr同位素特征却完全不同，这可能反应了在无氧的条件下细菌的细胞膜的物理特性发生了一定的改变，致使Cr通过细胞膜的扩散速率变低。由于这个过程不会造成同位素分馏，所以使观察到的总的分馏系数偏小。