在长期地质作用过程中，铜同位素可以作为一种有效示踪铜来源的工具，揭示其在自然环境中的生物地球化学循环过程。近年来，关于河流和海洋的研究证明水体中的Cu同位素组成（+0.02 ~ +1.45‰）高于固体地球的平均值（~0‰），前人将其归因于：1）氧化风化过程中重Cu的迁移；2）与重Cu发生有机络合作用的可溶相储库和吸附轻Cu的颗粒物储库之间的平衡分配。Vance等（2008）研究发现长江水体的δ⁶⁵Cu高于世界其他河流，而全球河水的Cu同位素存在Cu浓度越高，δ⁶⁵Cu值越低的趋势。

中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队博士生王倩在导师周炼教授的指导下，对长江流域重庆至南京段干流及部分支流的河水Cu浓度及其同位素组成的变化特征进行了研究，发现长江干流Cu同位素组成（+0.59 ~ +1.65‰）在Cu浓度相同的条件下高于世界其他河流的Cu同位素组成，且Cu同位素组成越正偏，相应的Cu浓度越低，该结果与Vance等（2008）的研究结果一致（图1）。长江上游δ⁶⁵Cu呈逐渐上升趋势，与下游（九江至南京，δ⁶⁵Cu：+0.59 ~ +1.16‰, Cu浓度：25.3 ~ 97.4 nmol/L）相比有较高的δ⁶⁵Cu（+1.01 ~ +1.45‰）和较低的Cu浓度（16.0 ~ 38.9 nmol/L），δ⁶⁵Cu最大值出现在长江中游的广兴洲（+1.65‰）和雷鼓台（+1.50‰）地区（图2）。本文对长江流域Cu同位素的分馏行为进行了分析探讨。

图1. 全球河流Cu同位素组成与Cu浓度关系图。其他河流数据引自Vance et al. (2008)和Guinoiseau et al. (2018)。虚线表示长江干流Cu-δ⁶⁵Cu趋势。

图2. 长江δ⁶⁵Cu分布图。全球河水δ⁶⁵Cu范围和平均值引自Vance et al. (2008)。东乡（Dongxiang）和冬瓜山（Dongguashan）矿床数据分别引自欧阳学财等 (2017)和王跃等 (2014)。

碳酸盐岩和硅酸岩的风化是长江可溶相阳离子的主要来源，从上游至下游硅酸岩风化的贡献逐渐增加。硅酸岩的氧化风化会导致重Cu优先迁移到水体中，从而使河水δ⁶⁵Cu正偏。本研究认为三峡大坝对长江上游和中游Cu同位素的影响和下游大量铜矿床的风化作用是导致长江流域Cu同位素组成高于世界其他河流的主要原因。三峡大坝的建成导致大量悬浮物在三峡库区沉降，轻Cu同位素优先从可溶相移除到固相沉积物中，有机配体则优先络合重Cu使其保留在水体中，这两者的共同作用导致三峡大坝上游顺水流方向Cu同位素组成逐渐正偏，Cu浓度逐渐降低。三峡大坝下游，即长江中游，铜同位素组成持续上升至最大值+1.65‰，与三峡大坝的持续影响有关，长江中上游δ⁶⁵Cu随溶解氧的增加而增加，说明生产力对Cu同位素的地球化学行为有一定的影响。长江下游九江至铜陵地区主要受大量铜矿床的风化作用影响，该区域富集轻Cu同位素的铜矿床的氧化风化作用导致河水Cu含量增加和轻Cu同位素的富集。长江流域Cu浓度和同位素组成之间的相关性反映了上游低Cu浓度—高Cu同位素比值和下游高Cu浓度—低Cu同位素比值河水的保守混合行为。

论文信息：Wang, Q., Zhou, L.*, Little, S. H., Liu, J., Feng, L., & Tong, S. (2020). The geochemical behavior of Cu and its isotopes in the Yangtze River. Science of The Total Environment, 138428.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138428