汞(Hg)是一种全球分布的有毒重金属元素，也是唯一能以单质形式(Hg0)在大气中长距离传输的重金属元素。近些年来，由于人类活动的增加，汞的排放量已经达到工业化以前的3-5倍。汞从点源排放到大气后，能通过大气运移造成全球性的汞污染，最终会通过大气干沉降或湿沉降到地表，对表层生态系统造成危害。更为重要的是，汞进入水体以后，可以发生甲基化反应，生成神经毒素甲基汞(MMHg)。甲基汞一旦进入动物体，会在肝脏、肾脏或者中枢神经系统富集，造成毒害。同时，甲基汞具有生物累积性，通过食物链富集，鱼体中的甲基汞浓度可较水体高上万倍，并最终可能对食用鱼体的人类造成危害。因此，系统认识自然界，特别是水体中汞的来源、迁移转化过程和归趋至关重要。　　近些年来，汞同位素已经展示了在示踪汞的来源和生物地球化学过程方面的巨大潜力。研究表明，几乎所有生物地球化学过程都会使汞同位素发生质量分馏，从而使地球各个圈层中的汞同位素组成有所差异，为应用汞同位素进行源解析奠定了理论基础。但是，应用汞同位素示踪时面临的最大难题是如何区分源的同位素信息和过程中产生的同位素分馏。这个难题产生的原因是目前大多数汞同位素研究主要关注汞的来源，仅有少数研究刻画了汞同位素在几个特定生物地球化学过程中的分馏，而造成许多自然过程汞同位素分馏的程度和机制还不清楚，亟待进一步研究。　　钙华是一种广泛分布的碳酸盐，主要形成于洞穴、河流或者溪流中。由于钙华通常在地表沉积，对环境、气候变化更加敏感，所以钙华中的同位素信息可为古气候重建提供科学的基础数据。以往氧、碳、钙、镁、钡、锶等同位素体系研究表明，在过饱和的泉水里，碳酸盐沉积过程会导致明显的同位素分馏，为重建古气候奠定了理论基础。但目前钙华沉积过程中的汞同位素分馏的方向、程度和机制均尚不清楚。　　另外，湖泊在全球汞的生物地球化学循环中起着重要作用。一旦湖泊受到重金属（如汞）污染，可对水生生态系统，甚至人类健康造成巨大威胁。由于超低浓度的限制，目前关于湖水汞同位素分馏的研究还极其有限，更缺乏对湖泊内部过程汞同位素分馏的认知。特别在高纬度森林湖泊中，有机物(TOC)含量高，水的颜色较深，在夏季受光照和温差影响下，湖水会明显分层，可能会造成同一水体不同层面具有的不同的Hg同位素分馏驱动机制。　　鉴于此，选择云南省白水台钙华沉积台地两个沉积体系，在国际上率先开展了表生碳酸盐岩沉积过程汞同位素研究，初步判定了该特定自然过程汞同位素分馏及其机制。此外，还对分布在北欧芬兰和瑞典的7个富含有机物的森林湖泊水体汞同位素进行了首次研究，发现不同水层中的奇数汞同位素非质量分馏明显不同。在对两个特定的水环境汞同位素分馏研究中，主要获得以下结论:　　(1)所有钙华样品中的Hg同位素值(δ202Hg)都较水体偏轻，说明Hg在钙华沉积过程中发生了同位素分馏（δ202Hg分馏达-3.77‰），轻的Hg同位素优先富集到固体钙华中，重的Hg同位素则趋向于保留在水体。这可能是受动力学过程同位素分馏效应的影响。　　(2)钙华沉积过程中的Hg同位素分馏受水的温度控制。在单一沉积体系（渠道系统和彩池系统）内，温度越高，Hg同位素分馏程度越小。但是对比两个系统发现，水温更高的彩池系统中的Hg同位素分馏反而更大，这与在两个系统内部发现的趋势完全相反，这可能是由两个系统的水动力条件不同所导致，因此判断，温度可能不是影响Hg同位素分馏的主要或直接原因。　　(3)沉积速率与Hg同位素分馏程度成较好的负相关关系，沉积速率越大，分馏程度越小。跟温度不同的是，不但在单个（渠道或彩池）系统内Hg同位素分馏受沉积速率控制，将两个系统统一研究后其变化趋势仍然一样，两个系统的样品中的Hg同位素分馏都受沉积速率控制。这说明与其他同位素体系（如Ca、Mg和Sr等）类似，沉积速率可能是影响Hg同位素分馏的主要因素。　　(4)沉积速率越低，Hg同位素分馏越大，但是随着沉积速率继续减小到一定程度，Hg同位素分馏没有继续增大，反而减小。结合以往相关研究，提出了一个概念分馏模型，来阐述沉积速率如何控制Hg同位素分馏。当Hg离子被吸收进方解石中的速率大于Hg离子从方解石中释放的速率时，造成Hg同位素质量分馏，轻的汞同位素优先沉积到固体，而且沉积速率越大，分馏越大;当沉积速率继续增加时，固液界面中的Hg同位素变重，而“新”的轻Hg同位素来不及从溶液中补充，所以固液界面上变重的Hg同位素会进入方解石中，导致方解石中Hg同位素值升高，分馏变小，即沉积速率越大，Hg同位素分馏越小。该模型成功解释了钙华中Hg同位素分馏程度先随着沉积速率的减小而变大，然后又减小的变化趋势。　　(5)芬兰和瑞典湖泊水体在夏季分层十分明显，Hg浓度在垂直剖面上逐渐增加，与TOC的趋势吻合，说明在高TOC的湖泊中，大部分汞都与有机物结合。　　(6)湖水δ202Hg和△199Hg从表层到底层逐渐减低，可能是由于湖泊内生过程造成汞同位素分馏。表层湖水中的△199Hg/△201Hg斜率为1.03，和二价无机汞光致还原实验结果一致，说明表层湖水汞同位素可能受到了光致还原过程的影响;在中层湖水巾的△199Hg/△201Hg斜率为1.19，介于光致还原过程(△199Hg/△201Hg=1)和甲基汞光降解过程(△199Hg/△201Hg=1.36)的实验结果之间，预示着两种过程的混合;而在深水层中，△199Hg/△201Hg斜率为1.64，与实验和计算得到的二价汞黑暗还原过程的斜率（1.65左右）几乎完全一致，表明深水层中的Hg同位素分馏主要受暗还原过程控制。这是首次在自然界中观测到二价汞暗还原过程同位素分馏。　　(7)不同水层汞同位素变化不是源的贡献造成。不同水层中的Hg可能有不同的来源，而△199Hg/△201Hg斜率的变化也有可能代表源的同位素信息的不同，为了排除这种可能性，用湖水颜色代表光照强度验证其对各层湖水中△199Hg的影响，发现光照对表层湖水影响最大，对中层湖水Hg的影响略小于表层湖水，而光照几乎不影响深层湖水中的Hg。这是由于表层的光致还原过程和甲基汞光降解过程都需要光的参与，而Hg的黑暗还原过程不需要光的参与，所以深层湖水的△199Hg不受光照的影响。因此，认为△199Hg/△201Hg斜率的变化可能是由湖泊内部过程引起的。