水同位素技术在水文和古气候研究中的应用

水同位素技术在水文和古气候研究中的应用

石膏结晶水（CaSO4·2H2O）的同位素组成已被用作古气候代用物，以追踪地质和水文地质过程。过往研究主要集中在对石膏结晶水（GHW）的18O和2H值以及氘盈余（d-excess）的分析和解释上。近年来随着PICARRO为代表的高精度光谱同位素分析仪的发展，可以进一步研究GHW中的δ17O-δ18O（称为17O盈余）之间的关系，促进水文和古气候学的发展。在GHW的同位素测量中添加17O盈余指标可以提供有关石膏形成的环境条件及其与其他流体的沉积后相互作用的更多信息。研究表明17O盈余对温度影响的敏感性不如d盈余。因此，将GHW记录的17O盈余和d盈余结合起来可以提供有关石膏形成时湿度和温度变化的相对影响的信息。

以下内容来自于Fernando Gázquez et al.于2015年发表文章：

试验方法：

Fernando Gázquez团队开发了一种半自动装置（见下图Figure1），通过将石膏样品在真空中缓慢加热到400°C并低温捕集所释放的水来提取GHW。随后通过PICARRO L2140-i水同位素分析仪测量GHW水样的同位素组成（δ17O，δ18O和δ2H值）。萃取设备可同时脱水5个样品和一种标准品，从而与以前的方法相比，可提高长期精度和样品通量。该设备还可用于在同位素分析之前蒸馏盐水。直接比较通过CRDS获得的GHW中17O过量的结果，然后进行氟化，然后进行O2的同位素比质谱（IRMS）。

PICARRO分析仪增加MCM模块，去除抽提水样中的污染物（VOC，H2S等），这些污染物会产生光谱干扰。

结果：

1. 研究中PICARRO同位素分析对GH17样品的长期分析精度为δ17O值±0.07‰，δ18O值±0.13‰和δ2H值±0.49‰（均为±1SD），氘盈余为±1.1per mil和17O盈余为±8 per meg。

2. 微燃烧模块（MCM）有效提高合成样品和天然样品GHW的17O盈余的测量精度。从Figure5 中明显发现MCM打开与关闭的差异。

3. CRDS / MCM和IRMS两种方法对比（见下图），对合成石膏样品和天然石膏样品的分析产生相似的同位素结果。

结论：

试验证明，新水分提取方法能够与PICARRO最新一代的水同位素分析仪测量石膏结晶水（GHW）的同位素组成（δ17O，δ18O和δ2H值）。 与早期方法相比，新方法具有许多分析优势，包括较好的长期精度，更高的样品通量，减小的样品量以及较小的连续样品之间的记忆效应。

通过此方法可以在GHW和盐水中同时获得17O过量和d过量值。 这可以提供关于在沉积之后石膏形成并随后与其他流体相互作用的条件的附加信息。 尽管目前已经对石膏的分析进行了初步测试，但也可以提取其他水合矿物质。该方法为水同位素示踪剂在水文和古气候研究中的应用提供了新的机会。