應(yīng)用案例

Picarro L2140-i（冰與水的氫氧同位素的分餾平衡）

發(fā)表時間：2024-04-17

瀏覽量：154

點擊藍字

關(guān)注我們FOLLOW US

Equilibrium fractionation of triple-oxygen and hydrogen isotopes between ice and water

Galili N, Sade Z, Halevy I. Equilibrium fractionation of triple-oxygen and hydrogen isotopes between ice and water[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 595: 117753.

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117753

背景介紹

水相（蒸汽、液體和固體）的同位素組成能夠在不同的空間和時間尺度上保存了有關(guān)水文信息。冰的形成和融化是大氣、陸地和海洋水文收支的重要組成部分。不平衡凍結(jié)在自然和人工環(huán)境中很常見。因此，為了在各種環(huán)境中解釋水的同位素組成，了解水的固體和液體之間¹⁸O、¹⁷O和²H的平衡分餾因子至關(guān)重要。

研究方法

冷凍實驗在500ml 模塊化夾套反應(yīng)器中進行（圖1）。連續(xù)監(jiān)測外護套和水的溫度。我們通過調(diào)節(jié)外套溫度來控制冷凍速度?？刂苾鼋Y(jié)溫度在−12到−0.9℃之間，允許冷凍速率在0.01和0.70 ml /h/cm²。在所有實驗中以50rpm的轉(zhuǎn)速連續(xù)攪拌大量水，以避免由于擴散而產(chǎn)生的同位素分餾。在淡水和海水實驗，我們分別使用DDW（低氘水，deuterium depleted water，18 MΩcm）和從東地中海（以色列阿特利特）海岸收集的過濾海水。

圖1.用于限制冰、淡水和海水之間的三重氧和氫同位素分餾的實驗裝置。淡水實驗中用于計算凍結(jié)率的內(nèi)表面積為314.16 cm²。

本文通過Picarro L2140-i光腔衰蕩光譜儀對殘余液態(tài)水和融化冰中的¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H進行了同位素測量，并利用國際標(biāo)準(zhǔn)物VSMOW2和SLAP2進行了校準(zhǔn)。自動進樣針選擇了10μL SGE自動取樣器注射器。在儀器高精度模式下（每次注射9分鐘）注射樣品10次，信號水平在19000至21000 ppmv之間。作者通過安裝Picarro鹽襯墊阱解決高鹽溶液測量精度較低的問題。最終儀器在淡水和海水溶液中的δ¹⁷O、δ¹⁸O和δ²H值的分析精度（1σ）分別為0.050&permil;、0.050&permil;和0.400&permil;

總結(jié)

水在凍結(jié)過程中出現(xiàn)的其三種氧同位素的分餾是水的基本特征之一，了解這一性質(zhì)對于重建自然界中水文循環(huán)過程至關(guān)重要。本文通過限制淡水和海水的分餾平衡，做了一系列控制不同溫度和冷凍速率的冷凍實驗。本文認(rèn)為冷凍速率最低的淡水冷凍實驗，是最接近同位素平衡的，分別產(chǎn)生了¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H的 2.82±0.12&permil;、1.49±0.07&permil;和20.05±0.72&permil;的分餾。最慢的冷凍海水實驗，分別產(chǎn)生¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H的2.92±0.08&permil;、1.55±0.03&permil;和21.18±1.85&permil;的分餾。淡水和海水中的¹⁸O^/16O和²H/¹H分餾估計值彼此之間存在誤差，與過去的估計值大體一致。本文新確定的¹⁷O/¹⁶O分餾將水凍結(jié)過程中的三重氧質(zhì)量依賴性限制約為0.528，盡管結(jié)果仍有較大的不確定性。如果這種質(zhì)量依賴性是準(zhǔn)確的，那么水文循環(huán)中的冰形成和融化過程也將對全球大氣水線上的產(chǎn)生巨大影響。

Picarro L2140-i 同位素水分析儀能夠同時測量δ¹⁸O、δ¹⁷O 和 δD，且 ¹⁷O-盈余的測定精度可優(yōu)于15 per meg（< 0.015&permil; ）?？茖W(xué)家現(xiàn)在有了一個更簡單、更經(jīng)濟的選擇，可以高精度測量液態(tài)和氣態(tài)水中的穩(wěn)定同位素比。

¹⁷O-盈余的測量與 δ¹⁸O 和 δD 的高精度測量相結(jié)合，確保地球科學(xué)家能夠通過研究加深我們對當(dāng)今氣候以及水圈和生物圈之間相互作用的理解，并幫助重建過去的氣候。 ¹⁷O-盈余在自然界中的偏差通常低于 0.1&permil;，所以量化 δ¹⁷O 極小偏差的能力，對于古氣候、（生態(tài)）水文學(xué)和大氣科學(xué)應(yīng)用來說必不可少。

所有三種氧同位素（ ¹⁶O ¹⁸O 和¹⁷O）的高精度測量一度局限于高度專業(yè)化的實驗室。這些實驗室擁有昂貴、復(fù)雜的樣品制備系統(tǒng)，用于同位素比值質(zhì)譜（IRMS）分析。而 Picarro L2140-i 分析儀只需按下按鈕便能對 ¹⁷O-盈余進行精度達到甚至優(yōu)于 15 per meg 的水平進行測量。水樣可以直接引入分析儀，不論是直接以水汽的形式，或者是以蒸發(fā)液態(tài)水的方式。δ¹⁸O、δ¹⁷O、δD 和 ¹⁷O-盈余高效、簡單和同步的測量增加了三種氧同位素研究的可行性。這使科學(xué)家能夠輕松擴展 ¹⁷O-盈余數(shù)據(jù)集，并通過有針對性的實驗室實驗和野外活動探索自然界。

本文編輯：吳闖

如果對該文章內(nèi)容或者儀器應(yīng)用有任何疑問，歡迎與我們聯(lián)系討論：

陳曉峰應(yīng)用與售后經(jīng)理 chenxf@cen-sun.com

高春輝高級應(yīng)用工程師 gaoch@cen-sun.com

前一個：Picarro L2120-i（當(dāng)?shù)睾恿鲗０端峄挠绊懀?/a>

后一個：Picarro L2130-i（溫度和降水控制著藏東南尼洋河流量和水同位素信號的季節(jié)模式）