汞是一種自然界存在的極其有害元素，大量儲存在煤炭中。那么，汞是如何進入到煤層中的呢？不同時期煤炭中汞的來源有什么差別，受什么控制？中國科學技術大學教授劉桂建研究組通過新近發展的穩定汞同位素技術給這些問題一個圓滿的答案，并發現地球史上的大氣氧含量與煤炭中汞同位素組成有著非常密切的聯系。該研究成果最近以特邀綜述的形式發表在Earth-Science Reviews上，論文第一作者為課題組的博士后、研究員孫若愚。

　　眾所周知，煤炭是由古植物遺體經過漫長的地質演化過程所形成。植物死亡后，其遺體首先在泥炭沼澤中進行腐殖化和凝膠化，形成基本的煤素質（鏡質組、殼質組、惰質組），繼而在沉積物的覆壓下進行成巖作用，伴隨著埋藏深度以及溫壓的升高，最后經過變質作用形成煤炭。顯生宙地球演化史上的各個時期都有煤炭的沉積，其中氧氣含量最高、植物繁殖最為茂盛的晚石炭-早二疊時期形成的煤炭儲量最多。植物體內儲存有大量通過葉片氣孔固定大氣汞（植物成因汞），促使煤發生變質的熱液富集有較多的礦化汞（熱液成因汞）。另外，介入煤炭沼澤的沉積物也含有地質背景豐度的汞（地質成因汞）。因此，煤炭在地球史上成為汞的一個有效的儲庫。

　　劉桂建研究組通過與美國地質調查局、法國國家科學研究院、南非和印度煤研究機構合作，采集了世界主要煤田的沉積煤層，利用多接受-電感耦合等離子體質譜高精度地測試了汞同位素組成。結果發現，煤中不同汞的來源具有顯著不同的同位素組成。利用源混合模型，解析出世界煤中的汞基本由植物成因汞（37-46%)和地質成因汞（54-63%）所控制，而熱液成因汞在高變質煤層中才占有主要地位。更為驚奇的是，研究者發現，不同時代沉積煤層汞同位素的非質量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）與大氣氧含量具有很好的正耦合關系。通過綜合分析其它歷史數據，研究者發現煤中惰質組的含量與大氣氧含量存在著反耦合的關系。惰質組主要是由森林火災的木炭形成，而森林火災的發生概率很大程度上受到大氣氧含量的影響（例如，晚石炭-早二疊時期的大氣氧含量高達30-35%，遠高于當今的21%，當時的森林火災也較頻繁）。據此，研究者提出了煤炭汞同位素演變的一個新觀點：較高的氧氣含量，導致較高的森林火災頻率，進而導致具有非質量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）偏負的植物成因汞部分燒失。

　　另外，通過大范圍的測試世界煤炭的汞同位素組成，該研究組還建立世界高區域分辨率煤汞同位素數據庫，以應用于汞同位素全球循環的相關研究（Environmental Science & Technology 48：7660-7668）。

　　審稿人認為，該成果對理解煤中汞的來源以及開拓汞同位素環境地球化學示蹤研究具有重要意義，并促進了汞同位素在古地質學和古氣候學的相關研究。

　　上述研究成果受到國家“973”計劃及學校青年基金的資助。

　　文章鏈接

不同時代煤的非質量分餾值（Δ ¹⁹⁹Hg）與大氣氧含量的關系