汞是一种自然界存在的极其有害元素，大量储存在煤炭中。由于人类过度的依赖煤炭经济，工业革命以来，煤炭燃烧向大气排放的总汞量就超过了35000吨，成为头号污染源。2013年中国及其他90多个国家共同签署了联合国制定的《汞的水俣公约》，把限制汞排放提升到了全球的高度。
那么，汞是如何进入到煤层中的呢？不同时期煤炭中汞的来源有什么差别，受什么控制？中国科学技术大学地球和空间科学学院的刘桂建教授研究组通过新近发展的稳定汞同位素技术给这些问题一个圆满的答案，并发现地球史上的大气氧含量与煤炭中汞同位素组成有着非常密切的联系。该研究成果最近以特邀综述的形式发表在重要地球化学期刊Earth-Science Reviews上（http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825215300660）。
众所周知，煤炭是由古植物遗体经过漫长的地质演化过程所形成。植物死亡后，其遗体首先在泥炭沼泽中进行腐殖化和凝胶化，形成基本的煤素质（镜质组、壳质组、惰质组），继而在沉积物的覆压下进行成岩作用，伴随着埋藏深度以及温压的升高，最后经过变质作用形成煤炭。显生宙地球演化史上的各个时期都有煤炭的沉积，其中氧气含量最高、植物繁殖最为茂盛的晚石炭-早二叠时期形成的煤炭储量最多。植物体内储存有大量通过叶片气孔固定大气汞（植物成因汞），促使煤发生变质的热液富集有较多的矿化汞（热液成因汞）。另外，介入煤炭沼泽的沉积物也含有地质背景丰度的汞（地质成因汞）。因此，煤炭在地球史上成为汞的一个有效的储库。
刘桂建教授研究组通过与美国地质调查局、法国国家科学研究院、南非和印度煤研究机构合作，采集了世界主要煤田的沉积煤层，利用多接受-电感耦合等离子体质谱高精度地测试了汞同位素组成。结果发现，煤中不同汞的来源具有显著不同的同位素组成。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%)和地质成因汞（54-63%）所控制，而热液成因汞在高变质煤层中才占有主要地位。更为惊奇的是，研究者发现，不同时代沉积煤层汞同位素的非质量分馏值（Δ 199Hg）与大气氧含量具有很好的正耦合关系（如图所示）。通过综合分析其它历史数据，研究者发现煤中惰质组的含量与大气氧含量存在着反耦合的关系。惰质组主要是由森林火灾的木炭形成，而深林火灾的发生概率很大程度上受到大气氧含量的影响（例如，晚石炭-早二叠时期的大气氧含量高达30-35%，远高于当今的21%，当时的森林火灾也较频繁）。据此，研究者提出了煤炭汞同位素演变的一个新观点：较高的氧气含量，导致较高的森林火灾频率，进而导致具有非质量分馏值（Δ 199Hg）偏负的植物成因汞部分烧失。
不同时代煤的非质量分馏值（Δ 199Hg）与大气氧含量的关系
该研究成果受到国家973计划（煤中有害元素分布富集机理及环境污染防治）及校青年基金的资助，第一和通讯作者为我校博士后研究员孙若愚。编辑和三位审稿人都认为，该成果对理解煤中汞的来源以及开拓汞同位素环境地球化学示踪研究具有重要意义，并促进了汞同位素在古地质学和古气候学的相关研究。另外，通过大范围的测试世界煤炭的汞同位素组成，该研究组还建立世界高区域分辨率煤汞同位素数据库，以应用于汞同位素全球循环的相关研究（相关文章请参考Environmental Science & Technology 48：7660-7668）。
（地空学院、科研部）
