中国科研实验室地质与地球物理研究所成矿元素与同位素分析实验室于2021年4月安装了新一代碰撞反应池(CC)-MC-ICP-MS(Nu Sapphire)。在此基础上，实验室基于前期建立的钾同位素分析方法（Li et al.,2022），顺利获得系统优化碰撞反应池参数及开展针对碳酸盐岩和基性岩等低钾含量样品的化学纯化流程，在钾同位素分析测试能力上取得了显著进展：
（1）大幅提升了分析效率。在标样-样品间插法测试中，钾的上机浓度匹配范围已从国际实验室普遍报道的1%-2%拓宽至20%（Li et al.,2023）。现在，实验室δ⁴¹K的长期精度高达0.050‰（2SD，N=63,BCR-2）（Li et al.,2025a）。
（2）有效拓展了钾同位素的应用范围。团队创新建立了氢氟酸沉淀法，可高效去除样品中的钙、镁、铝等基体元素，并结合常规小体积固相萃取，成功实现了碳酸盐岩、玄武岩等低钾含量样品的钾同位素比值精确测定（Li et al.,2025b）。
（3）系统厘定了多类地质和生物标准品的钾同位素组成。这包括国际与国内各类地质岩石标样（Li et al.,2022,2025a），以及碳酸岩、锰结核、铁建造等低钾含量标样（Li et al.,2022,2025a,2025b；Cui et al.,2025），甚至植物标样（Cui et al.,in press）。这些成果为不同实验室之间的数据比对给予了坚实依据。
基于这些高精度的钾同位素分析方法，实验室研究团队已将钾同位素作为示踪剂，相继在多个前沿领域召开了深入研究：涵盖花岗岩（Ding et al.,2023;Liu et al.,2024）、动物器官（Cui et al.,2023）、碱性岩-碳酸岩（Su et al.,2024）、蛇绿岩（Pan et al.,2024）、伟晶岩（Liu et al.,2025）、板内火山岩（Su et al.,2025）以及植物（Cui et al.,in press）等。这些研究顺利获得跨越动植物、钾肥、岩石、矿物、俯冲起始、板内拉张等多尺度范围，全面揭示了钾同位素分馏行为，为深入理解地球钾元素循环过程给予了重要线索。
下面将重点介绍K同位素分析在板内火山岩和伟晶岩领域的最新研究成果。
苏本勋等-Geology：地球钾循环的新视角：来自陆内岩浆钾同位素的启示
地球的地壳顺利获得俯冲作用不断将钾(K)输送到地幔中，然而这些再循环K的命运仍然不明确。K同位素组成的研究为理解K循环给予了新的视角。早期的研究表明，初始俯冲过程中形成的岩浆通常表现出比典型弧岩浆更高的δ41K值，且两者都比洋中脊玄武岩更富集重K同位素。这表明俯冲物质优先释放了同位素较重的K同位素，暗示了同位素较轻的板块残留物的存在。然而，来自陆内和造山带岩浆的火山样品分析显示，它们的K同位素组成并未表现出较轻的特征，反而与弧岩浆和洋中脊玄武岩的δ41K值重叠。这一现象引发了科学家们对K再循环机制的重新思考。
中国科研实验室地质与地球物理研究所苏本勋研究员等顺利获得对中国东部陆内火山岩的K同位素分析（图1），揭示了K同位素在岩浆形成和演化过程中的复杂行为。
图1 中国东部火山岩分布、主量元素地球化学特征及其与不同构造背景火山岩的对比
研究团队分析了来自26个地点的181个新样品，并结合了来自3个地点的14个已发表数据。结果显示，陆内火山岩的δ41K值范围从-1.330‰到0.126‰，与弧岩浆和洋中脊玄武岩的δ41K值重叠，未表现出预期的总体轻K同位素特征（图2，图3）。
图2 不同构造背景火山岩的K同位素组成特征及其与主量元素的相关性图解
图3 中国东部不同地区火山岩的K同位素特征及其与主量元素的相关性图解
研究提出了两种可能的解释：1）轻K同位素特征可能未在部分熔融过程中转移到熔体中，尤其是在受到脱水板块熔体交代的地幔中；2）初始熔体可能富集轻K同位素，但在富含K的岩浆上升过程中，富K矿物的分离结晶优先结合了这些轻同位素，导致残余熔体中重K同位素的富集。这一机制得到了玄武岩中低δ41K值斑晶的支持。
K矿物在控制再循环K及其同位素的过程中发挥了重要作用。特别是在地幔中，K主要赋存于金云母中，金云母的存在缓冲了熔体中K的活性。实验研究表明，富含K的岩浆是由金云母交代的地幔部分熔融形成的，而残余的金云母则保留了轻K同位素，导致熔体中重K同位素的富集。此外，岩浆上升过程中富K矿物的分离结晶进一步加剧了这一效应。
这项研究不仅揭示了K同位素在地球内部循环中的复杂行为，还为理解俯冲带物质再循环和地幔不均一性给予了新的视角（图4）。富K矿物的存在和分离结晶过程对岩浆中K同位素的变化具有重要影响，这有助于解释陆内和造山带岩浆中K同位素组成的多样性。此外，研究还强调了地幔交代作用在K循环中的关键作用，为进一步研究地球深部物质循环和岩浆形成机制给予了重要线索。
图4 不同构造背景和储库的K同位素组成及其所反映的K循环
研究成果发表于Geology（苏本勋，白洋，汤艳杰，肖燕，李文君，赵勇伟，Frédéric Moynier. Earth’s K recycling: Perspective from K isotopes of intracontinental magmas. Geology,2025,53: 264-268. DOI: 10.1130/G52773.1.）。研究得到了国家自然科学基金（42350001）和国家重点研发计划(2023YFF0804301)资助。
刘善科等-AG：矿物钾肥中的钾同位素分馏机制及其对全球钾循环的意义
钾（K）是植物生长必需的三大营养元素之一。然而，随着农作物对K元素的持续吸收及土壤中K的淋溶作用加剧，全球范围内的土壤K资源呈现日益耗竭趋势。矿物K肥作为重要的补K手段已被广泛应用，但其对地表K循环的影响仍缺乏定量约束。近年来，K同位素（δ41K）因其在示踪土壤–植物–水系统中K迁移过程中的潜力，逐渐成为研究K循环的有力工具。然而，关于K同位素在矿物K肥中的分馏行为及其控制机制仍不明确，是当前制约K循环研究的关键科学问题之一。
中国科研实验室地质与地球物理研究所刘善科高级工程师选取由钾长石经人工水热蚀变制备的矿物K肥为研究对象，系统测定其总K、酸溶K、水溶K及水不溶但酸溶K等组分的K同位素组成。结合高精度(CC)-MC-ICP-MS(Nu Sapphire)分析方法，构建热力学与动力学分馏机制相结合的框架，并将实验结果与自然风化过程中的K同位素行为对比分析。
研究使用了中国七个地区的钾长石作为原料，经190 °C、24 小时的水热合成反应制备矿物K肥，分析其K同位素组成（图1）。取得了如下主要研究认识：
（1）矿物K肥中δ41K值范围为−0.755±0.023‰至−0.095±0.020‰，其中水溶K显著富集重K同位素，符合自然风化过程中重K向流体富集的趋势（图2）。
（2）理论模型表明，K–O键控制的热力学分馏机制主导K向溶液的迁移，而扩散控制的动力学分馏在一定程度上抵消该效应，从而解释了实验中观测到的分馏幅度小于理论值的现象。
（3）水热反应制备矿物K肥过程中形成的蚀变矿物Tobermorite倾向于富集轻K同位素，但其高比表面特性又吸附富集重K，两者共同作用使得K同位素组成趋于中和，展现出复杂的分馏特征，与自然风化过程中粘土的K同位素行为相似。
（4）矿物K肥与植物吸收作用可使土壤及河流中δ41K值升高，这一过程可能部分解释现代海水中δ41K值偏高的原因，提示K肥施用对全球K循环具有潜在的长期影响（图3）。
图1 实验流程示意图，展示了矿物K肥的制备步骤及不同K形态（如水溶K、酸溶K、水不溶酸溶K）的分离提取过程
图2 钾长石蚀变和花岗岩风化过程中K同位素的分馏对比示意图。(a) KMF中“水不溶但0.5 mol/L酸溶K”的δ41K值与其对应K转化率的关系图；(b) 矿物K肥中水溶K的δ41K值与其对应K转化率的关系图；(c) 风化花岗岩样品的δ41K值与化学风化指数（CIA）的关系图，图中红色五角星表示Teng等（2020）报道的未风化花岗岩样品；红线表示靠近花岗岩风化剖面附近溪流水体中K同位素的变化趋势
图3 全球K循环示意图，说明K肥施用对全球K循环有潜在的长期影响
该研究首次系统揭示了矿物K肥中K同位素的分馏机制，提出“热力学K–O键控制 + 动力学扩散驱动”的耦合机制模型，为K同位素在土壤–植物系统中作为地球化学示踪工具的应用给予了理论支撑。同时，该研究为认识人类活动在全球K循环中的作用，特别是现代海洋K同位素组成的形成过程，给予了新的视角。
研究成果发表于Applied Geochemistry (刘善科，苏本勋，李文君，刘建明. Potassium isotope fractionation of potassium-bearing mineral fertilizers and its implications for global potassium cycle[J]. Applied Geochemistry,2025,183: 106343. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2025.106343.)。研究得到第二次青藏科考资助。
【实验室K同位素系列论文】
Li W,Cui M,Pan Q,et al. High-precision potassium isotope analysis using the Nu Sapphire collision cell (CC)-MC-ICP-MS[J]. Science China Earth Sciences,2022,65(8):1510-1521.（见亮点报道《基于碰撞反应池多接收等离子体质谱的K-Ca-Fe同位素高精度分析》）
Li W,Zhao Y,Su B,et al. Experimental investigation of improved tolerance for concentration mismatch in potassium isotope analysis on a hexapole collision cell MC-ICP-MS (Nu Sapphire)[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2023,38(3):603-608.
Ding Z Y,Liu S K,Su B X,et al. Potassium isotope fractionation during granite differentiation and implications for crustal K isotope heterogeneity[J]. Lithos,2023,448: 107176.
Cui M M,Moynier F,Su B X,et al. Stable potassium isotope distribution in mouse organs and red blood cells: implication for biomarker development[J]. Metallomics,2023,15(7):mfad033.（见亮点报道《小白鼠不同器官中钾、钙稳定同位素的组成特征及分馏机制》）
Liu S,Li W,Su B,et al. K isotopic fractionation in K-feldspar: Effects of mineral chemistry[J]. American Mineralogist,2024,109(9):1523-1534.（见亮点报道《晶体化学对锂、钾同位素行为的制约》）
Pan Q Q,Xiao Y,Su B X,et al. Tracing material transport during subduction inception: Insights from potassium isotopes in the crustal sequence of the Troodos ophiolite[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta,2024,373: 259-270.（见亮点报道《初始俯冲过程中流体活动的记录及意义：来自Troodos蛇绿岩洋壳序列钾同位素的证据》）
Su B X,Pan Q Q,Bai Y,et al. Potassium isotope fractionation during silicate-carbonatite melt immiscibility and phlogopite fractional crystallization[J]. American Mineralogist,2024,109(3):591-598. （见亮点报道《金云母分离结晶及熔体不混溶过程中的K同位素分馏》）
Cui M M,Moynier F,Su B X,et al. Determination of K Isotope Compositions in Sedimentary Rocks and Their Implications for Discriminating Sediment Origin[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry,2025,39(10):e10015.
Li W J,Liu S K,Liu Y H,et al. Potassium isotopic analysis of trace levels of K in basaltic and carbonate samples using an HF precipitation per-separation method and collision cell MC-ICP-MS[J]. Microchemical Journal,2025a,213: 113551.
Li W,Gao B,Pan Q,et al. Potassium Isotope Ratios (δ41K) of Eighteen Chinese Rock Reference Materials[J]. Geostandards and Geoanalytical Research,2025b.
Liu S,Su B,Li W,et al. Potassium isotope fractionation of potassium-bearing mineral fertilizers and its implications for global potassium cycle[J]. Applied Geochemistry,2025,183: 106343.
Su B X,Bai Y,Tang Y J,et al. Earth's K recycling: Perspective from K isotopes of intracontinental magmas[J]. Geology,2025,53(3):264-268.
