自然界中汞的稳定同位素不仅表现出显著的质量分馏（通常用δ²⁰²Hg表示），也表现出奇数和偶数非质量分馏效应（通常用Δ¹⁹⁹Hg和Δ²⁰⁰Hg表示）。汞的稳定同位素通常能有效区分其火山和非火山来源，近年来沉积岩石中的汞含量和汞同位素广泛应用于古火山活动的示踪。然而，火山活动并非汞富集的唯一原因，生物质燃烧、土壤侵蚀、海洋氧化还原状态的变化也可能导致沉积岩中汞富集及其同位素分馏效应，成岩阶段有机-无机相互作用也将对沉积岩中汞信号产生影响，相关研究认识仍有较大争议、有待进一步工作的开展。

中国科学院广州地球化学研究所博士生赵冠宇在合作导师廖泽文研究员的指导下，深入探讨成岩阶段有机-无机作用对汞赋存状态及同位素演化的影响，他们在多个沉积剖面中发现，非硫化地层存在协同变化的汞同位素质量与非质量分馏记录，伴随着汞的富集，δ²⁰²Hg负向偏移而同时Δ¹⁹⁹Hg稍向正偏（图1）。他们的研究指出这一协同变化的汞同位素质量与非质量分馏信号可能是在早期成岩阶段产生的。这暗示着以往通过简单的线性相关性分析来研究汞在黑色页岩中的赋存状态的方法存在不足之处，因为实际地质样品中汞的分布可能是非线性的；并且即使汞含量与某种潜在的汞的赋存相态参数相关性良好也不能表明汞赋存在该相态之中。

图1：埃迪卡拉系陡山沱组（A）、下寒武统玉尔吐斯组（B）、中元古代洪水庄组（C）汞沉积地球化学记录

研究团队选择华南埃迪卡拉系凤滩剖面为研究对象，通过对岩石主体以及干酪根（传统干酪根制备方法无法去除黄铁矿，得到的干酪根为有机质—黄铁矿复合物，下文称OPF）中汞含量分析，发现全岩样品汞含量与总有机碳（TOC）、总硫（TS）、全岩铝含量（Al）相关性差，与铁含量（Fe）存在弱相关性（图2A-D）。OPF样品汞含量（Hg-OPF）与OPF中黄铁矿含量（FeS₂）、OPF硫含量（OPF-S）和全岩汞含量（Hg-Bulk）存在正相关关系；与OPF碳含量存在负相关关系（图2E-F）。从这些结果可以推测出凤滩剖面黑色页岩汞主要赋存在黄铁矿中，并且OPF继承了全岩大部分汞。

图2：凤滩剖面全岩与OPF样品相关性分析图

作者同时发现较高汞含量的全岩和OPF样品存在和剖面中非硫化区域相同的协同变化的汞质量与非质量分馏信号，即汞含量高的样品具有偏负的δ²⁰²Hg和稍正偏的Δ¹⁹⁹Hg（图3）。

图3：凤滩剖面黑色页岩全岩与有机质黄铁矿复合物（OPF）汞同位素组成图

图例的大小与汞的含量呈正相关关系，红色、蓝色误差棒代表汞同位素的分析误差（2SD）

作者认为这一协同变化的汞同位素质量与非质量分馏信号是在早期成岩阶段形成的。在沉积物中，有机质被降解，与有机质结合的汞被释放到孔隙水中，随着黄铁矿的形成，孔隙水中的汞会与黄铁矿结合（图4）。这个过程可以使剖面岩石中的δ²⁰²Hg产生负向偏移，Δ¹⁹⁹Hg产生正向偏移。因此，我们认为剖面中这种耦合的δ²⁰²Hg负向偏移的同时Δ¹⁹⁹Hg稍向正偏的汞同位素信号很可能与汞在早成岩阶段的累积和赋存相态转变有关。

上述研究表明成岩阶段有机-无机相互作用对沉积岩中汞信号有明确影响，在使用汞含量和同位素重建火山活动时，应对汞的赋存相态以及早期成岩作用对汞同位素的影响进行评估。

图4：早期成岩环境中汞同位素质量与非质量分馏形成过程示意图

本研究得到多圈层油气富集理论项目（THEMSIE04010104）资助。研究成果近期发表在期刊Chemical Geology上。

论文信息：Zhao, G.（赵冠宇）, Deng, Q.（邓倩）, Cheng, B.（程斌）, Wang, Y.（王云鹏）& Liao, Z*（廖泽文）. (2025) Paired mass-dependent and mass-independent Hg isotope excursions through non-euxinic intervals: Signals of post-depositional Hg isotope fractionation? Chemical Geology, 681, 122718. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2025.122718

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254125001081