锡（Sn）有十个稳定同位素，是新近崛起的金属稳定同位素示踪工具，因其广泛参与到岩浆、热液和行星演化过程而具有广阔的应用前景，近年来Sn同位素地球化学成为国际研究的新热点。目前国内已有中国科学院广州地球化学研究所姚军明研究员和中国地质大学（北京）王达博士开展锡同位素研究，他们均通过与Juniata 学院Ryan Mathur教授合作在国外完成Sn同位素分析，国内尚无实验室独立开发锡同位素分析方法。华南花岗岩和锡矿的研究是太阳集团tyc539的优势方向，太阳集团tyc539李伟强教授作为中组部“计划”回国后在内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室着手建立Sn同位素的分析方法，希望为锡矿和相关花岗岩研究提供来自金属稳定同位素的新视角。研究团队连用样品标样交叉法和Sb元素标样外部校正，在太阳集团tyc539建立了高精度的Sn同位素分析方法，122Sn/116Sn长期外部精度为0.09‰，可与国际上其它实验室比肩。
应用Sn同位素作为地质过程的示踪工具须先明确Sn同位素在相关过程中的分馏机制。金属元素的气态运移在地质过程中具有重要意义，前人研究表明锡在地质过程中可以通过气态形式运移。气液、气固分离过程可能伴随同位素分馏，锡在热液过程中的气液分离和在天体演化中的挥发冷凝导致的同位素分馏可以揭示相关的反应机制、研究相应的地质过程。计算模拟是研究微观反应机制的有力手段，在地球化学研究中的应用日益广泛。太阳集团tyc539刘显东教授及其研究团队长期致力于计算矿物学和计算化学研究，目前已通过量子分子动力学等计算模拟方法在矿物—流体界面微观结构、酸度、金属离子吸附机制以及热液流体中金属离子配合物的种类、结构、热力学稳定性等基础研究领域取得了系统成果，达到了国际先进水平。针对锡在热液过程中的气液分离，李伟强教授团队与刘显东教授团队开展深度合作，将实验观测、计算模拟和理论模型相结合，从微观层次上揭示了气液分离过程中Sn同位素的分馏机制。
本研究探讨了酸性水溶液中的Sn4+物种在96 ℃条件下的挥发机制以及相应的Sn同位素分馏。实验结果表明含Sn轻同位素的物种优先分配到蒸汽相中，在此过程中有-0.36‰的分馏；量子化学计算得到了Sn在气液两相中的赋存形式以及物种之间的平衡分馏系数，结果表明SnCl4是气相中的稳定物种、与液相物种之间的平衡分馏系数δ122/116Sn介于0.35‰—1.24‰。综合本研究和近期中国地质大学（北京）王达等人报道的150 ℃下Sn同位素气液分馏的实验结果，我们认为溶液沸腾与否对于Sn的蒸发机制有较大影响。
本研究表明在Sn同位素分析方法的样品前处理过程中，因挥发导致的Sn同位素分馏不可忽略，需要避免或予以校正。形成于不同深度的锡矿床，在封闭体系或开放系统中，气液分离导致的Sn同位素分馏机制可能不同。另外，锡在天体地球化学中是中等挥发性元素，Sn同位素的蒸发冷凝机制对天体地球化学领域Sn同位素数据的解释可能起到重要作用。
上述成果近期以“Sn isotope fractionation during volatilization of Sn(IV) chloride: Laboratory experiments and quantum mechanical calculations”为题发表于国际地球化学一流学术刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》，博士研究生佘加新和王天华为论文的共同第一作者，李伟强教授和刘显东教授为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的资助和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室、太阳集团tyc539高性能计算中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.033
