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硫化物是一类很重要的矿物,是大多数金属的主要来源,具有重大的经济价值。研究硫化物矿物的硫同位素分馏对于探讨成矿物质来源以及成矿作用过程具有非常重要的意义。然而,由于硫化物的复杂性和开展相关实验的难度,对于硫化物中硫同位素分馏的研究尚为薄弱。虽然硫化物在自然界中的含量比硅酸盐少,但是因为其结构和化学性质的较大差异,使硫化物中包含大量有明显特征区别的矿物。根据阴离子的特点硫化物可以分为简单硫化物、复硫化物、硫盐。本文主要研究的是简单硫化物及复硫化物中的硫同位素分馏。 复硫化物也包括很多不同类型的矿物,例如二硫化物、硫砷化物、硫锑化物等。黄铁矿型结构的二硫化物,包含了第一周期过渡族金属从Mn到Zn等元素与S形成的一系列二硫化物。这一系列矿物在结构化学、电性、磁性等物理、化学性质上呈现出极好的多样性。研究黄铁矿型结构的黄铁矿、方硫钴矿、方硫镍矿和方硫锰矿的硫同位素分馏,可以获取由金属元素替换引起的硫同位素分馏的定量关系,从而丰富过渡族金属复硫化物中硫同位素分馏的数据与资料。此外,黄铁矿、方硫钴矿、方硫镍矿结构中的硫原子能被砷原子、锑原子替换而形成铁、钴、镍的硫砷化物、硫锑化物。研究这些非金属元素之间的替换对硫同位素分馏的定量影响,也是硫同位素分馏体系研究中不可或缺的部分。 本文按照硫化物的成分和结构特征,利用基于密度泛函微扰理论的第一性原理研究了简单硫化物、黄铁矿型二硫化物以及铁、钴、镍的二硫化物、硫砷化物、硫锑化物中的硫同位素分馏。对比已开展过硫同位素分馏实验研究的硫化物,本文计算结果与其吻合得很好,说明基于密度泛函微扰理论的第一性原理研究硫化物之间的硫同位素分馏是可行的,利用第一性原理研究无实验结果可比对的其它硫化物中硫同位素分馏是合理的,研究结果能应用于其它地球科学研究。对本文开展研究的五种简单硫化物矿物,34S富集的顺序为闪锌矿>辰砂>硫镉矿>硫锰矿>方铅矿,其硫元素多同位素32S、33S、34S和36S之间存在一定的比例关系,这种比例关系可以表示为δ34S=1.940δ33S及δ36S=1.891δ34S,与Hulston和Thode的研究成果δ34S=(1.94±0.01)δ33S和δ36S=(1.89±0.01)δ34S非常一致。对于黄铁矿型结构的二硫化物,34S的富集顺序为黄铁矿>方硫钴矿>方硫镍矿>方硫锰矿,这种富集顺序可能意味着,结构相同的硫化物中硫同位素的分馏主要取决于金属原子与硫原子成键的键强。对于铁、钴、镍的二硫化物、硫砷化物和硫锑化物,34S在这九种矿物中的富集顺序为毒砂>黄铁矿>辉钴矿>硫锑铁矿>方硫钴矿>硫锑钴矿>方硫镍矿>辉砷镍矿>锑硫镍矿。研究表明:当硫化物中的阴离子对类型相同时,硫同位素的分馏主要决定于金属原子-硫原子键的键强度,34S的富集顺序与阳离子的种类有关,即铁的硫化物>钴的硫化物>镍的硫化物。不过,非金属原子-硫原子键对硫同位素分馏的影响依旧是一个期待解决的难题,硫化物中非金属元素的替换对硫同位素分馏产生的影响更为复杂。本文的研究有助于拓展稳定同位素地球化学的理论研究,扩大硫化物中硫同位素研究的应用领域,丰富稳定同位素知识库。