元素分析室-沉积与生物地球化学国际研究中心

元素分析室

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元素分析室是地球化学研究领域的核心分析平台，以高精度、多指标、高通量的元素含量检测为核心任务，为地质、环境、矿产等相关研究领域提供关键基础数据支撑。本实验室聚焦全岩总碳（TC）、总硫（TS）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、主微量元素含量、铁组分、磷组分、碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）、碳酸盐结合态荧光有机质（CAFDOM）等的精准定量分析，构建从常量到超痕量、从无机到有机的完整元素检测体系，可满足基础研究、项目攻关、样品检测等求，为地球环境演化、环境质量评价、资源勘探开发等方向提供可靠数据保障。

1. 研究方向与内容

元素分析室以地球化学元素精准定量与环境演化示踪为核心研究方向，围绕地质、环境、沉积地球化学关键科学问题，开展多指标、多尺度、高精度元素分析与应用研究，重点覆盖以下内容：

（1）主量、微量、超痕量元素系统分析：依托高灵敏度 ICP-MS、ICP-MS/MS、ICP-OES 等大型仪器，开展岩石、沉积物、土壤、水样等样品中主量元素、微量元素、稀土元素（REE）的高精度测试，构建全元素定量分析体系，为物源判别、成岩成矿作用、地球化学背景值研究提供基础数据。

（2）C/N/S/P 等生命元素与环境指标分析：利用全自动元素分析仪、分光光度计、原子吸收分光光度计等设备，开展总碳（TC）、总硫（TS）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）及磷组分、铁组分等关键指标的测定，揭示沉积环境氧化还原条件、有机质埋藏、古生产力与营养盐循环过程。

（3）古海洋与古环境重建研究：开展碳酸盐碘钙比（I/Ca）、碳酸盐稀土元素（REE）、碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）、碳酸盐结合态荧光有机质（CAFDOM）等指标的分析，反演古海水化学组成、氧化还原状态、营养盐演化与生命 — 环境协同演化历史。

（4）沉积环境氧化还原判识与成岩作用研究：基于铁组分碳酸盐结合态铁（Fe_carb）、可还原氧化物铁（Fe_ox）、磁铁矿铁（Fe_mag）和黄铁矿铁（Fe_py）连续提取与定量，建立 Fe_HR/Fe_T、Fe_Py/Fe_HR 等判别指标，精准判识氧化、缺氧、硫化等沉积环境，示踪成岩过程中铁、磷、有机质的迁移转化与耦合循环。

（5）环境质量与资源勘探评价研究：面向土壤、水体、大气等环境介质，开展痕量有毒有害元素检测与生态风险评估；面向矿产资源与能源地质，开展元素富集规律、成矿条件、烃源岩品质评价，为资源勘探开发与环境治理提供科学依据。

2. 核心仪器平台

（1）电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，赛默飞世尔，iCAP RQ）

赛默飞世尔iCAP RQ 型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），具备高灵敏度与低检出限，主要用于地质样品中痕量、超痕量微量元素的精准定量分析。

核心技术参数：

u 离子源：27.12 MHz-RF发生器

u 质谱范围：2-290amu

u 灵敏度：中质量数（In）: > 220Mcps/ppm；高质量数（U）: > 300Mcps/ppm

u 检测限：轻质量数小于0.5 ppt；中质量数元素小于0.1 ppt；高质量数元素小于0.1 ppt

功能用途与应用场景：

u 主要用于地质样品痕量及超痕量多元素快速准确分析。可分析元素周期表中所有金属元素，检出限在1ppt以下。同时可分析绝大部分非金属元素，例如As、Se、P、S、Si、Te等，检出限低于1ppb。

u 可同时开展多元素和高通量检测，凭借具有动能歧视功能的氦气碰撞模式（KED Mode），实现样品中全元素的分析。

可开设实验项目与合作研究：
u 矿物和岩石样品微量元素含量定量分析
u 水样、土壤和空气样品中的痕量金属和污染物含量
u 合金、半导体和其他先进材料中的元素组成

（2）三重四级杆电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS/MS，赛默飞世尔，iCAP TQ）

赛默飞世尔 iCAP TQ 三重四极杆电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS/MS），凭借独特的反应池与双四极杆技术，能高效消除复杂基质干扰，可实现地质样品中超痕量、难分离元素的高选择性、高精度定量分析。

核心技术参数： u 配备质量预选器和碰撞/反应池：可使用标准模式（STD模式）、碰撞模式（KED模式）和反应模式（CCT模式）进行干扰的消除和样品分析，标配四路气体质量流量控制器。 u 标准模式下（No Gas）随机背景：＜1 cps (4.5amu)，He 模式随机背景：＜0.5 cps (4.5amu）。
功能用途与应用场景： u 具有出色的干扰去除功能，对于基质复杂的样品进行分析时能获得卓越的检出限，从而得到更加准确的结果。 u 除了常规岩石、土壤、水样的高精度微量元素测试，还可利用质量预选器+碰撞反应模式，消除碳酸盐样品稀土（REE）分析中Ba对REE的干扰，提供高精度REE测试。
可开设实验项目与合作研究： u 碳酸盐碘钙比：该方法通过弱酸溶解提取碳酸盐晶格中的碘，构建出I/Ca或I/(Ca+Mg）指标，用于指示水体氧化还原状态。 u 碳酸盐REE：通过弱酸溶解提取碳酸盐晶格中的稀土元素，利用TQ-ICP-MS测试样品的REE含量，获取REE配分曲线和Ce异常等指标，指示氧化还原状态、碳酸盐成岩作用等。 u 可外接激光剥蚀系统，开展原位高精度元素含量测试。

（3）全自动元素分析仪（EA，赛默飞世尔：FlashSmart）

赛默飞世尔 FlashSmart 全自动元素分析仪（EA）集成了动态快速燃烧与高温裂解功能，可实现在线连续流模式下对固体、液体样品中C、N、S、H、O元素的组成进行快速、自动化测定。

核心技术参数：

u 燃烧温度：配备两个独立炉体，CHNS 模式温度达 950℃，O 模式温度达 1060℃。动态闪速燃烧（改良杜马斯法），确保样品完全氧化。

u 载气及检测器：使用氦气或氩气作为载气，热导检测器（TCD），适用于常规 CHNS/O 分析。

功能用途与应用场景：

u 通过燃烧同时或单独测定碳、氮、硫元素含量。目前覆盖碳氮模式与碳氮硫模式。

u 可用于土壤、沉积物、过滤物、植物等样品的分析，测定其中的氮、碳、硫元素含量。

开设实验项目与合作研究：
u 沉积物（岩）TC（总碳）、TS（总硫）和 TN（总氮）测定。
u 烃源岩TOC（总有机碳）测定（需前处理）。

（4）电感耦合等离子光谱仪(ICP-OES，谱育科技：EXPEC 6000)

谱育科技 EXPEC 6000 型电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES），具有宽线性范围与多元素同步检测能力，可快速、精准完成地质样品中主量及中低含量微量元素的批量定量分析。

核心技术参数：

u 自激式全固态射频电源

u 等离子体观察方式：双向观测

u 全固态RF发生器，频率：27.12MHZ，耦合效率大于80%；RF功率：700—1350W，连续可调，最大可达1600W

功能用途与应用场景：

u EXPEC 6500系列光谱仪采用垂直矩管双向观测技术，轴向观测获得高灵敏度，径向观测避免基体干扰，实现了仪器更高的检测灵敏度、更宽的线性动态范围、更优的稳定性。

u 适用于岩石样品主量元素分析，能够实现岩石样品中主量元素（如Si、Al、Fe、Ca等）的精准定量分析，检测限可达ppb级别。

开设实验项目与合作研究：

u 土壤和岩石样品中主要金属元素的测定。

u 土壤和岩石样品中非金属元素（如P）含量测定。

u 泥页岩中P组分含量测定。P组分包括可交换/弱吸附态磷（P_sorb）、铁氧化物结合态磷（P_Fe）、自生钙结合态磷（P_auth）、碎屑态磷（P_det）及有机磷（P_org）。P组分反映了不同的沉积环境、早期成岩过程和磷循环信息，可以直接支撑古环境重建、水体富营养化或成岩作用的研究。

（5）电感耦合等离子光谱仪（ICP-OES，华普通用：ARCOS）

华普通用 ARCOS 电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）具备多元素同时分析能力与宽线性动态范围，可高效、精准完成地质及环境样品中主、次量元素的批量定量检测。

核心技术参数：

u 光谱范围：130-770nm

u 高频发生器：频率27.12MHZ；RF功率500—2000W

u 等离子体观察方式：炬管垂直放置，双侧向同时观测

u 检测系统：CMOS固体检测器，像素分辨率：≤0.003nm

功能用途与应用场景：

u 该系统具有全谱直读、光室密闭充氩、轴向和径向同时观测的特点，可以准确（RSD＜1%）、快速（1min内测试超过70个元素）地分析样品中的元素含量，并且无需吹扫即可直接检测远紫外区元素（特征光谱波长＜200 nm），能有效克服传统ICP-OES难以准确测试Cl、Br、I、P等阴离子元素的难题。

开设实验项目与合作研究：

u 水样、岩石、土壤样品中的主、次量元素含量分析

u 碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，CAP）分析：CAP 是目前少数能直接、连续记录古海水磷酸盐水平的指标，可以直接重建古海洋溶解磷含量，指示古海洋环境与成岩过程，约束地质关键期的生命－环境协同演化。

（6）沉积岩铁组分测试平台

沉积岩铁组分测试平台配置有黄铁矿提取和收集装置及原子吸收分光光度计（普析，TAS-990F），可进行沉积物/沉积岩中铁组分提取和定量。

核心技术参数：

u 铁组分分类根据化学物不同相划分为四种类型：碳酸盐结合态铁（Fe_carb）、可还原氧化物铁（Fe_ox）、磁铁矿铁（Fe_mag）和黄铁矿铁（Fe_py）。

u 铁组分实验包括两部分内容：利用化学程序萃取法获得Fe_carb、Fe_ox 和 Fe_mag，利用铬还原方法提取Fe_py。

功能用途与应用场景：

u 铁组分多被用作沉积环境的氧化还原指标，用来指示现代、显生宙、前寒武纪时期水体的缺氧、氧化环境。依据Fe_carb、Fe_ox、Fe_mag和Fe_py的总和与总铁（Fe_T）的比值即Fe_HR/Fe_T来定义缺氧和氧化环境。

u 在缺氧环境下，依据Fe_py /（Fe_carb+Fe_ox+Fe_mag+Fe_py）的比值，即Fe_Py/Fe_HR可将缺氧环境进一步细分为硫化与含铁两种环境类型。

开设实验项目与合作研究：

u 沉积物/沉积岩中碳酸盐结合态铁（Fe_carb）、可还原氧化物铁（Fe_ox）、磁铁矿铁（Fe_mag）的提取与定量。

u 沉积物/沉积岩中黄铁矿（Fe_py）提取和定量。

3. 成果展示（示例）

本实验室的技术平台已稳定运行，成功服务了多家国内外科研单位，并支撑了多项国家级科研项目与高水平研究，产出了一系列具有影响力的科研成果，例如：

（1）解密埃迪卡拉纪海洋磷循环

依托技术：碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）分析（分光光度计）、碳酸盐碳/氧同位素（δ¹³Ccarb、δ¹⁸Ocarb）（IRMS，赛默飞世尔：MAT 253 plus）、硫同位素（δ³⁴SCAS）（IRMS，赛默飞世尔：Delta Q）、铁组分分析（沉积岩铁组分测试平台）等。

成果：该成果利用该实验室研发的能够直接追踪古海洋磷含量波动的碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）技术，重建了地质关键期埃迪卡拉纪（635-539 Ma）古海洋溶解磷含量演化，发现了埃迪卡拉纪海洋生命营养元素磷含量和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的解耦关系，提出了海洋外部因素是驱动埃迪卡拉纪海洋乃至整个早期地球海洋从缺氧向氧化转变的原始动力假说，这一成果揭示了前寒武纪海洋维持漫长缺氧状态的根本原因和早期地球缺氧海洋最终实现氧化的根本机制，极大深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解。这一成果对于早期地球海洋环境下相关矿产资源和油气资源的形成和勘查也有重要的启示意义，研究成果发表于Nature（Matthew Dodd, et al., 2023）。

(2) 揭示大氧化事件（GOE）期间海洋磷与大气氧的耦合机制

依托技术：碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）分析（ICP-OES，华普通用：ARCOS）及配套元素分析。

成果：利用碳酸盐结合态磷（CAP）新指标，首次重建了GOE期间全球海洋磷浓度的同步演化，发现其与δ¹³C正漂移（Lomagundi事件）协同变化。结合生物地球化学模型，证实海洋磷有效性的阶段性激增是驱动早期大气快速增氧的关键机制，成果发表于Nature Communications （Matthew S. Dodd, et al., 2026）。

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