地化所研究对稳定同位素平衡分馏核心基础理论进行修正

2010-12-12 00:01 来源: 中国科学院
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  稳定同位素的比率(如18O/16O、13C/12C等)在不同矿物或分子中不一样,之间的差别称为同位素分馏。平衡态下的矿物或分子之间的同位素分馏,可以用来指示物质形成温度和过程的一些信息,是地球化学最重要的基本研究工具之一。有关同位素平衡分馏的核心基础理论,即所谓的“Bigeleisen-Mayer公式”或者“Urey模型”(Bigeleisen and Mayer, 1947; Urey, 1947),是稳定同位素地球化学的基石。Urey(1947)一文开创了“稳定同位素地球化学”,并被认为是二十世纪最重要的科学贡献之一,因为它引发了至少几万项科学研究。目前欧洲地球化学学会最高奖项――地球化学终身成就奖,就被命名为“Urey奖章”。

  随着质谱仪等分析仪器技术的进一步发展,对稳定同位素分馏的测定越来越精确,基于简谐振动和刚性转动近似的Urey模型或Bigeleisen-Mayer公式已逐渐无法满足新的需要,对该理论进行超越简谐近似的修正,就是非常必要和紧迫的工作。在Bigeleisen、Wolfsberg和Richet等前人工作基础上,中科院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室博士生刘琪及其导师刘耘研究员,对这一核心基础理论进行了四年多的详细研究和修正,最近取得突破性进展,成果发表在地球化学权威杂志Geochimica et Cosmochimica Acta上(Liu et al. 2010, GCA, 6965–6983)。

  刘琪等人重新推导了几十个高级校正公式,他们首先在文章中明确指出了存在的几种不恰当使用Urey模型的方式,发现其中一些具有重要贡献的(如振动激发态的非谐校正项、内转子校正项等)存在较大数值误差,他们不仅推导出了更精确的公式,还提供了简单的近似计算方式。他们将重新推导的大量公式编写成一个计算软件,并关联到著名量子化学计算软件中,通过使用量子化学方法获取体系的一些高级光谱能量项,然后用于稳定同位素平衡分馏计算。这种计算比前人使用实验光谱分析的计算更精确,而且可以应用于大分子体系(真实体系),为地学领域广泛提高稳定同位素分馏理论计算精度提供了一个目前最精确的方式。

  刘琪等人的工作发表后获得很多赞赏,已收到来自美国、法国很多国际同行的祝贺电子邮件,被认为是为稳定同位素分馏计算树立了一个新标杆。比如,计算地球化学权威专家、美国加州大学戴维斯分校地质系James Rustad教授,来信说道:“这会是一篇高引用的文章,…我很长时间以来一直想写一篇这样的文章,但是一直没能办到,所以我必须承认我有一点失望,因为你们(在这个研究项目上)击败了我。”