综述：镍同位素地球化学综述：重点关注高温和低温地质过程中的分馏现象

《Journal of Asian Earth Sciences》：Review of nickel isotope geochemistry: with a focus on fractionation in high-temperature and low-temperature geological processes

　　赵宇浩|李曦|朱光友|栾国强|郑凯航|陈洪洲|张洁志|孙宇航 中国武汉，长江大学地球科学学院，430100 **摘要** 双峰技术和多收集器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）的联合应用有效校正了程序性和仪器性质量偏差，实现了稳定镍同位素的高精度测量。这些进展使镍同位素系统成为解决地球与行星科学前沿问题的强大工具。本文系统回顾了镍同位素研究的最新进展，涵盖了其基本的地球化学行为以及不同地质储库中的同位素组成差异，并深入探讨了高温和低温地质过程以及生物地球化学循环中的关键分馏机制。研究表明，月球、火星和灶神星的次球粒陨石镍同位素特征并非由核幔分异或巨型撞击事件驱动，而是反映了它们行星前体物质的固有镍同位素异质性。在高温过程中，行星核幔分异、岩浆硫化物分离和分馏结晶均可引发镍同位素分馏。在地球表面系统中，大陆风化、矿物吸附与沉淀以及微生物代谢等过程也是影响镍同位素变化的重要因素。基于这些理论，镍同位素系统已被成功应用于揭示地球-月球系统的起源、古元古代大氧化事件、新元古代“雪球地球”冰期结束、二叠纪末期大灭绝事件以及岩浆硫化物矿床的形成机制。未来，进一步理解分馏机制并改进各种储库的同位素组成数据将是该领域持续发展的关键。 **引言** 镍是一种具有铁亲和性和硫亲和性的过渡金属元素（Siebert等，2012），原子序数为28，外层电子构型为3d84s2，在自然界中主要以+2氧化态存在（图1）。这种地球化学性质决定了其在地球演化过程中主要分配到地核（5.35 wt%）和地幔（0.2 wt%），而大陆地壳中的镍含量相对较低，仅为59 μg/g（McDonough等，1995；Javoy等，2010；Rudnick和Gao，2003）。在晶体化学层面，由于Ni2+与Mg2+和Fe2+具有相似的离子半径和电子构型，它可以通过同形替代轻松进入铁镁质硅酸盐矿物（如橄榄石、辉石）的晶格中，从而在基性和超基性岩石中富集镍（Liu，1984；Zhao等，2025）。在岩浆分异过程中，镍表现出与地幔矿物相的亲和性，优先进入地幔矿物相，导致地壳和地幔之间的镍浓度差异显著（Kind等，2002；Sobolev等，2005；Sobolev等，2007；Lynn和Warren，2021）。此外，在生物地球化学循环中，镍作为必需的微量元素，在甲烷菌中的甲基辅酶M还原酶（MCR）和高等植物中的脲酶等关键金属酶的活性中起着重要作用（Dixon和Gazzola，1975；Ragsdale，2009）。 自然界中镍有五种稳定同位素，其质量数和自然丰度分别为58Ni（68.08%）、60Ni（26.22%）、61Ni（1.14%）、62Ni（3.63%）和64Ni（0.93%）（Gramlich等，1989；Wang等，2012；Wieser等，2013）。在镍同位素研究中，NIST SRM 986是国际标准物质，因此镍同位素组成通常表示为：‰δ60Ni = [(60Ni/58Ni)sample / (60Ni/58Ni)NIST SRM 986-1] × 100%。 早期的镍同位素研究主要集中在开发稳健的分析方法和研究行星地球化学中与质量无关的镍同位素变化（Cook等，2007；Steele等，2011）。随着双峰技术和多收集器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术的成熟，程序性（化学）和仪器性质量偏差得到了有效校正，从而实现了质量依赖性镍同位素的高精度测量。镍同位素的研究重点逐渐转向了不同地球储库中的同位素组成（Quitté和Oberli，2006；Cameron等，2009；Gall等，2012；Gueguen等，2013）以及分馏机制（Steele等，2011；Steele等，2012；Tang和Dauphas，2012；Fujii等，2014；Foster等，2018）。镍同位素系统为研究地球和行星的吸积过程（Wang等，2021；Wang等，2023；Zhu等，2022、2023、2025、2025、2026）、二叠纪末期大灭绝事件（Li等，2021）、新元古代“雪球地球”事件（Zhao等，2021）、古元古代大氧化事件（Wang等，2019）以及各种高温地质过程（Gall等，2017；Klaver等，2020；Saunders等，2020、2022）提供了新的视角和方法论框架。例如，现已明确，整个硅酸盐地球（BSE）富含轻质镍同位素，这不是由于核幔分异或巨型撞击事件，而是由于其行星前体物质的固有同位素异质性所致；而上部大陆地壳则表现出重质镍同位素的富集特征，这是由于硫化物风化过程中轻质镍同位素优先释放并输送到海洋中造成的。 尽管镍同位素地球化学研究发展迅速，但仍存在一些关键挑战尚未解决。例如，高温过程中镍同位素分馏的行为和主导机制仍存在争议（Gall等，2017；Klaver等，2020；Saunders等，2020、2022；Zhu等，2022、2023、2025、2026）。生物地球化学循环和低温过程中的分馏机制及其控制因素需要进一步精确量化（Li等，2021；Wang等，2019；Zhao等，2021）。因此，本文旨在系统回顾质量依赖性镍同位素分馏领域的最新研究进展，总结不同地质储库中镍同位素组成的特征，整合高温和低温地质过程中的分馏规律和控制因素，并展示其在揭示岩浆硫化物矿床形成、古元古代氧化事件、新元古代“雪球地球”事件、二叠纪末期生物大灭绝以及地球-月球系统起源中的应用潜力（Cameron等，2009；Gall等，2012；Gueguen等，2013；Fujii等，2014；Foster等，2018；Li等，2021；Wang等，2019；Zhao等）。