Clumped 同位素方法的理论研究进展

“Clumped isotope” 方法是指研究地质样品中“稀－稀”同位素体（isotopologue）浓度的方法，如研究CO2中的18O13C16O的浓度。这种方法是由加州理工大学John Eiler教授研究组在几年前首次倡导、发展起来，它开创了一个新的稳定同位素地球化学领域。尽管含两个或多个稀少同位素的分子（或同位素体）通常只占该分子总数的百万分之几，但目前的气相质谱仪已可精确测定这种级别的浓度，使“Clumped isotope”方法的发展越来越不受分析技术上的限制。

这些“稀－稀”同位素体在地球中无处不在，种类繁多，具有提供各种地学过程信息的潜力。目前，John Eiler研究组只开发了其中一种用途：单相物质测温，即仅依靠一种矿物或分子的“Clumped isotope”确定它的形成温度。仅这一应用，就足以使Clumped isotope成为一个令人兴奋的领域。由于在这一领域的突出贡献，John Eiler教授获得了2009年欧洲地球化学学会的创新奖（Epstein奖章），而且目前美国稳定同位素领域的基金和教职申请，都有不同程度向从事Clumped isotope研究的人倾斜的现象，说明这种方法已得到国外同行的广泛重视。

国内Clumped isotope的研究工作是由地化所刘耘课题组首先开展的（唐茂、赵辉、刘耘，矿物学报，2007），他们首次将“Clumped isotope”翻译成“二元同位素”，以区别以前只研究单一同位素浓度的方法。最近，北京大学地理系、南京大学地质系、中科院南京古生物所等多家单位的研究人员，也开展了Clumped isotope的研究，表明其重要性已被越来越多的国内研究者所了解。

Clumped isotope的理论框架是John Eiler课题组在2004年建立的（Wang等, 2004），他们定义了这个领域的两个基本概念：Di和Dmass，并建立了Di和Dmass的计算方法。但是，Clumped同位素领域还有相当多的理论问题未解决，比如动力学分馏效应、计算方法过于繁琐、没有近似方法可以处理含“等同位素体”的分子（即isotopomer，如15N14N16O和14N15N16O）、潜在的一些理论公式未推导等等。由于Clumped同位素的理论体系尚存弱点，也使得这个领域的大量实验数据没有得到有效的理论升华。

最近，地化所矿床室博士生曹晓斌及其导师刘耘研究员，对Clumped isotope的计算方法进行了改进，文章发表在权威地球化学杂志上（Cao and Liu, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2012, 292-303）。他们将其中最关键的一个变量（Di）的原始定义转换为等价的基于能量的定义，并使一些内在性质和定理凸显出来。目前Clumped isotope的精确计算方法在实际操作中只用于很小的分子，稍大一点的体系往往需要借助近似计算方法，而Wang等（2004）的近似方法有几个局限性。比如Wang等（2004）的近似方法不能够处理含等同位素体的体系，但曹晓斌和刘耘的近似方法能够。 众所周知，稍大一些的分子几乎都含有等同位素体，不能处理等同位素体将极大限制计算方法的应用范围。再比如曹晓斌和刘耘的近似方法适用于单替换同位素体的Di为任意值的体系，而Wang等（2004）的近似方法只适合于单替换同位素体的Di值接近于零的体系。曹晓斌和刘耘的近似方法不仅有更大的应用范围，而且同精确方法的结果非常接近，并可以进一步使用校正处理使结果同精确方法几乎一样。

除了改进计算方法，曹晓斌和刘耘还推导了一些新的公式，来描述Clumped isotope的性质和行为。他们还仔细评价了Clumped isotope的非谐效应、频率计算的校正处理的误差等等。这些工作有助于提高对Clumped isotope实验结果的理论解释水平。

原文链接：Xiaobin Cao and Yun Liu (2012) Theoretical estimation of the equilibrium distribution of clumped isotopes in nature. Geochimica et Cosmochimica Acta. Vol.77, 292-303.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（矿床室  曹晓斌 供稿）