解锁同位素的时空密码——地球化学家李延河的科研求索之路

不久前，由中国地质科学院矿产资源研究所（以下简称“资源所”）研究员李延河主持的国家重大科研仪器设备研制项目“新型高精准度激光探针稳定同位素微区原位分析系统研制”通过基金委验收，弥补了此前稳定同位素微区原位精细测定的诸多缺陷。有心人发现，这是李延河经历无数个“首次”之后，又一次在稳定同位素地球化学分析领域拿出的“颠覆性”创新成果。 

转换思路，推动关键技术升级换代 

矿物微区原位分析可以根据岩相学特征对不同矿物颗粒、生长环带、子矿物等进行微区原位分析，精细刻画成岩成矿过程，揭示常规方法无法观测到的现象和规律，其技术进展在国际上长期备受关注。 

李延河告诉记者，在传统激光探针稳定同位素微区原位分析技术中，激光仅用于微区加热，于是有两个难以解决的问题长期存在，一是由于因温度梯度和边界效应导致激光加热的边缘区域温度低，反应不完全，产生明显同位素分馏；二是因氧化剂/氟化剂与激光加热区外的基体组分反应，导致本底升高。“这两个问题难以利用标准样品准确校正解决，严重影响了传统激光探针微区原位分析结果的精密度和准确度，制约了传统激光探针稳定同位素微区原位分析技术的发展。” 

科研需求呼唤着不少中外科学家攻关这一难题，但始终未能突破。 

从2017年到2024年，李延河带领项目组转换思路、另辟蹊径，舍弃了将激光作为微区加热工具的传统思路，将激光剥蚀微区取样与分析气体制备分开，由原地同步进行，改为异地先后完成；采用紫外激光剥蚀样品，经典方法制备分析气体，弥补了反应不完全、试剂与基体反应等设计缺陷。 

如今，地质工作者可利用项目研发的4种微区原位自动在线分析系统和方法，对硫化物和硫酸盐的硫同位素，碳酸盐、单质碳和有机质碳的碳同位素进行微区原位精细分析。实践显示，新型激光探针稳定同位素微区原位自动在线分析技术的精密度、空间分辨率和分析效率相对传统激光探针和常规方法均大幅提升，可推动传统稳定同位素常规离线分析技术的升级换代，同时弥补了LA-MC-ICPMS和SIMS稳定同位素微区原位分析技术的某些不足，具有广阔的应用前景。 

“我们利用新型激光探针微区原位分析技术，对白云鄂博铁—铌—稀土矿中方解石、白云石和菱铁矿开展了微区碳同位素对比研究，对矿床成因提出了新制约；对天然和人造金刚石开展了微区碳同位素对比研究，找到一种鉴别人造与天然金刚石的新方法。”  

相关的工作还在推进。“2025年，我们将进一步优化新型激光探针稳定同位素微区原位分析系统参数和实验条件，继续推动传统稳定同位素分析方法升级换代。目前我们希望与有实力的仪器厂家达成合作，加速设备商品化进程，尽快把公益性的科研成果推向应用。”李延河说。 

见微知著，探寻矿物生成演化奥秘 

李延河从小便喜欢化学，为了以后能从事与化学有关的工作，他高考填报志愿时选择了长春地质学院岩矿测试与找矿地球化学系的找矿地球化学专业。“当时只注意到了化学二字，对地质找矿毫无概念。” 

阴差阳错走进了地质工作的大门，李延河倒是越干越有兴趣，特别是博士毕业后专门研究稳定同位素，更是品出了滋味——用同位素地球化学方法破解地球奥秘，有意思，更有意义。“回忆过往，很庆幸当初那个糊里糊涂的选择。” 

与小时候设想的化学工作不同，搞地球化学是要跋山涉水的。化学是手段，找矿是目标。身在国家级矿产资源研究的科研大所，李延河心中也特别希望用好稳定同位素这把“钥匙”，帮助揭开更多大矿床的生成之谜、赋存之谜、演化之谜。 

于是，他的履历中有着太多有关“同位素+找矿”的“首次”：首次在新疆吐—哈内陆盆地超大型硝酸盐矿床中发现氧同位素非质量分馏效应，证明硝酸盐由大气光化学反应形成，硝酸盐矿床为大气气溶胶成因，厘清硝酸盐迁移演化轨迹和富集成矿机制；首次发现硫同位素非质量效应与BIF类型之间的关系，揭示Algoma型和Superior型BIF均由海底喷气作用形成，二者属于同一成矿系统，在空间上可相互过渡；提出BIF中硅－铁韵律层由周期性海底热液活动形成，破解了困扰地质学家多年的硅－铁韵律层成因之谜；首次提出弓长岭式磁铁富矿成矿溶液由大气降水演化而来，而非变质或混合岩化热液，发现“去硅富铁”是弓长岭富铁矿的主要成矿机制…… 

2023年，李延河团队获得了中国有色金属工业协会科技进步奖二等奖，内容则是膏盐层控矿理论创新与找矿突破。 

膏盐层与找矿有什么关系？ 

李延河解释说，膏盐层中所含有的硫酸盐氧化剂，是变价元素成矿的重要条件，同时膏盐层还可以向成矿系统提供矿化剂，是MVT型（密西西比河谷型）铅锌多金属硫化物矿床和岩浆型Ni-Cu-PGE矿床等成矿的关键因素，因而，在长江中下游等地区，膏盐层与玢岩铁矿、矽卡岩铁矿空间分布一致。可惜的是，在很长一段时间内，膏盐层在内生金属矿床成矿中的作用一直没有得到“解密”，导致控矿机理不明，制约相关成矿理论发展，影响找矿效果提升。 

项目组深入宁芜—庐枞玢岩型铁矿、大冶/邯邢式矽卡岩型铁矿、会泽和毛坪MVT型铅锌矿床，深入研究了膏盐层与矿床的时空关系和硫、氧同位素组成特征，阐明了膏盐层在内生金属矿床成矿过程中的关键作用和控矿机制，并建立了膏盐层—玢岩/矽卡岩铁矿—硫铁矿三位一体成矿模型和双层结构找矿模型，以及膏盐层—有机质—铅锌矿三位一体二阶段成矿模型，大大推动了玢岩、矽卡岩型铁矿和MVT型铅锌矿的找矿突破。 

近年来，稳定同位素在找矿中的作用日益凸显，他参加的“我国富铁矿成矿理论创新与实践”斩获国土资源科学技术奖一等奖， “贵州铜仁高地‘大塘坡式’锰矿的成矿机制”“还原性含碳质围岩在斑岩铜矿成矿中的作用”等研究，也获得了业内的广泛关注和高度赞誉。 

挑战未知，与地球化学“用一生相恋” 

李延河特别喜欢挑战难题，更擅长打破常规。“有时候，跳出固有思维模式，就会产生新的灵感、新的发现。” 

斑岩铜钼矿是我国重要的战略性矿产资源。当许多科学家高度关注成矿母岩浆的起源与演化时，李延河却将目标集中在“还原性围岩在斑岩铜/钼矿成矿中的作用”上。 

“这是个被长期被忽视的方向。高氧化性岩浆是形成斑岩铜/钼矿床必要条件，我希望通过课题搞清楚是什么触发了高氧化性成矿岩浆热液的还原与成矿，这也是关系斑岩铜/钼矿成因和高效评价的重大科学谜题。” 

从2020年到2023年，李延河带领课题组以甲玛、德兴、普朗和宾厄姆等大型－超大型斑岩铜矿，南泥湖－三道庄-上房沟、沙坪沟、曹四夭和Mt. Emmons等大型－超大型斑岩钼矿为例，研究了斑岩铜/钼矿区域分布与还原性围岩之间的空间关系及成因联系，探讨了斑岩成矿系统氧化还原状态转变及触发机制。 

研究发现，碳质围岩中有机质热解/碳一水反应产生的甲烷是重要还原剂，甲烷沿构造裂隙扩散进入斑岩成矿系统，无需成矿斑岩与围岩直接接触即可与成矿溶液中发生还原反应，使铜钼等成矿元素沉淀富集。若围岩中碳质含量高，产生的甲烷量多，铜钼矿体主要产在斑岩体之中；若围岩中碳质含量低，产生的甲烷不足，则铜钼矿体主要赋存于岩体与围岩的内外接触带；如果碳质围岩中还原组分在热液阶段加入，将有利于形成大矿富矿。 

据此，课题组首次提出并论证了含碳质围岩中甲烷等还原性气体组分的加入是引发斑岩铜钼成矿系统氧化－还原转换和矿质沉淀的关键，并建立了高氧化性岩浆—还原性围岩—斑岩铜钼矿三位一体成矿模型，提出“高氧化性斑岩+还原性富碳质地层/中基性火山岩”是高效评价斑岩能否形成大型铜钼矿的新指标，解决了困扰矿床学家多年的难题。 

去年，李延河又为自己的团队开启了一个新的任务：通过自然科学基金面上项目研究白云岩化的科学问题，着力点仍然是“转换思路”。 

他告诉记者，白云岩化与MVT型铅锌矿（一种重要的铅锌矿床类型）关系极为密切，另外白云岩中发育多种空隙，是重要的优质油气储层，全球60%的油气资源储存在白云岩中，因此该研究在实际找矿和油气勘查中具有重要应用价值。 

“我们将从全新的角度研究白云岩和白云岩化问题，力争解决这个困扰科学家200多年的世纪难题！”看得出，这样大难度的挑战让他兴趣满满、斗志昂扬。 

李延河自认为是一个“没有太多要求”的人，但熟悉他的人都知道，他喜欢挑战、有股子闯劲。遇到难题，他有时候会选择一个人爬山，一步一步，边想边走，缓慢而坚定，站在峰顶，视野心境打开，解题的思路也有可能豁然开朗。 

当然，比起灵感乍现，李延河更加笃信的是学习和积累。他对学生最常说的一句话就是“大胆设想、谨慎求证”。他认为，想象力是创新的源泉，科学最伟大的进步都是由崭新的大胆的想象力所带来的，但突破传统的思想，不是空中楼阁，更不能哗众取宠，必须基于大量的研究和来自实验实践的严谨考证。这也是他在科研中秉持的原则和操守。 

“我愿意，与地球化学‘用一生相恋’，在地球46亿年的年轮里，寻找照亮未来的光。”或许，李延河通过同位素这样无法用肉眼直接感知的信息密码，更容易‘看到’时间背后矿物生成的本质，探查一种流淌在动荡历史中的自然规律；或许，这就是一位地球化学科学家心中的终极浪漫。