稀有/惰性气体元素是元素周期表中第十八族元素，具有区别于其他族元素的物理化学特性。自然界中稀有气体具有极低的化学反应活性和较低的元素丰度，在地质作用过程中，其化学和同位素组成的变化几乎不受复杂的化学反应和生物作用过程的影响，而仅仅取决于混合、扩散、溶解、吸附及核反应等物理过程。稀有气体的产生可以追溯到宇宙大爆炸，因此经常携带了来自地球深处的信息，被广泛应用于地球科学领域的物质来源和地球化学过程的示踪和定年研究。如He是最轻的稀有气体元素，由3He和4He两个稳定同位素组成。地球的3He主要来源于其最初形成时的太阳星云物质，目前主要赋存于地幔中；而4He主要由U-Th元素的放射性衰变产生, 在地壳中相对富集。通过对地壳、地幔、火山气体以及温泉等地质体中氦同位素比值的研究，科学家可以推测地球内部的热流动、板块构造运动以及地幔源区特征。
图1 稀有气体元素
由于不同类型地质样品中稀有气体通常含量极低且分布不均匀，其含量及同位素比值的精确测量难度较大，需要高灵敏度及高精度静态真空质谱仪。天津大学地球系统科学学院的Thermo Scientific Helix SFT型稀有气体同位素质谱仪，配备有固体熔样炉和全金属高真空稀有气体前处理纯化装置，能够实现各种类型和不同相态样品的稀有气体含量及同位素组成的测试。
一、优良的仪器性能
Helix SFT型稀有气体同位素质谱仪，为扇形磁场静态真空质谱仪，可通过常规的“跳峰”方式，进行全稀有气体同位素组成的测量，但由于其采用分叉飞行管结构设计，尤其适合同时检测 3He 和 4He 同位素，无需进行跳峰操作，从而具有高精度测量He同位素组成的特点。其关键性能指标如下：
l 背景基线：等于或优于 5x10-14 cc STP @36Ar
l 质量轴稳定性：30 分钟内漂移量小于 ±25 ppm @40Ar
l 静态真空：上升率小于 1x10-12 cc STP/min @40Ar
l 灵敏度：He>2x10-4 amp/Torr @400 μA；Ar>1x10-3 amp/Torr @200 μA
图2. Thermo Scientific Helix SFT型稀有气体质谱仪及其前处理纯化系统
本平台目前可开展的检测项目如下表所示。
样品类型 |
测试项目 |
气体样品 |
He同位素比值测量 |
He含量测量 |
4He/20Ne比值 |
Ar同位素比值测量 |
Ar含量测量 |
固体熔样 |
He含量及同位素比值测量(单温度点） |
二、气体样品采集与存储
自然环境样品中稀有气体含量相对较低，极易受大气污染，是影响稀有气体同位素组成的主要原因。所以在稀有气体样品采集及存储过程中，要尽量避免空气污染，同时，由于氦的渗透性极强，所以，需要选择使用渗透率低的采样容器密封样品，或者采用真空密封等技术，以最大限度防止样品中氦的渗漏。由于稀有气体在金属材料中渗透性较低，利用其延展性和锥形垫圈、冷焊等真空密封技术，可获得高真空，因此不锈钢瓶、无氧铜管等是目前稀有气体取样较为理想的采样容器。此外，密度较高的玻璃容器作为短期存储也不失为另一个选项。
三、广泛的应用
稀有气体在地球各圈层(大气、地壳、上地幔、下地幔) 具有独特的元素和同位素组成特征。地球原始稀有气体组分(如3He、20Ne、40Ar、129Xe)是研究地球的起源和演化、定量判识各种地质流体中幔源物质的重要指标；而放射性成因稀有气体组分(如4He、21Ne、40Ar、136Xe)与大气成因组分(如20Ne、36Ar、38Ar、78-84Kr、124-136Xe)的系统分析对示踪地壳流体的来源、反映流体运移、量化储层中气-液相体积、评估流体泄漏程度、确定含水层中逸散性气体污染的存在等方面发挥着重要的作用。本平台可开展测试项目涉及的部分应用领域和典型研究实例如下：
1. 地球内部过程的研究
1.1 地幔动力学：氦同位素（3He/4He）是研究地幔源区组成和地幔对流的重要示踪剂。高3He/4He比值常被认为代表原始地幔成分，对于揭示地幔柱、板块俯冲及地幔熔融等过程发挥重要作用。
图3 地核向地幔柱迁移示意图（Horton et al., 2023）
参考文献：Horton et al., 2023, Highest terrestrial 3He/4He credibly from the core. Nature 623: 90-94 (https://doi.org/10.1038/s41586-023-06590-8).
1.2 地壳与地幔相互作用：通过氦、氖和氩的同位素比值，可以研究地壳和地幔之间的物质交换，揭示地壳岩浆活动和构造演化过程。
图4 3He/4He比值与地震波速度空间分布对比图（Zhang et al., 2021）
参考文献：Zhang et al., 2021, Linking deeply-sourced volatile emissions to plateau growth dynamics in southeastern Tibetan Plateau. Nature Communications 12: 4157 (https://doi.org/10.1038/s41467-021-24415-y).
2. 年代学和地质事件的定年
2.1 放射性同位素定年：作为低温热年代学手段，(U+Th)/He法对于量化构造隆升历史发挥了重要作用。
参考文献：Schwartz et al., 2020, Unraveling the exhumation history of high-pressure ophiolites using magnetite (U-Th-Sm)/He thermochronometry. Earth and Planetary Science Letters 543: 116359 (https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116359).
2.2 宇宙射线暴露年龄：宇宙成因核素（3He和21Ne）用于定年陨石、月岩及地表岩石的暴露和埋藏年龄，帮助研究地球与行星表面演化历史。
图5 不同气候背景原位宇宙成因核素 10Be-21Ne数据汇总图（Yang et al., 2021）
参考文献：Yang et al., 2021, In situ cosmogenic 10Be, 26Al, and 21Ne dating in sediments from the Guizhou Plateau, southwest China. Science China Earth Sciences, 64: 1305-1317 (https://doi.org/10.1007/s11430-020-9744-6).
3. 地表环境与气候变化的研究
地下水循环与水文过程：稀有气体（如3He、4He和40Ar）作为惰性示踪剂，用于研究地下水的起源、年龄和流动路径，为水资源管理和古水文学提供重要信息。
参考文献：Warr et al., 2022, 86Kr excess and other noble gases identify a billion-year-old radiogenically-enriched groundwater system. Nature Communications 13: 3768 (https://doi.org/10.1038/s41467-022-31412-2).
4. 地质灾害与能源资源评估
4.1 火山与地震监测：火山气体中3He/4He的变化可用于监测火山活动，为火山喷发的预测提供线索。氦的异常释放也可作为地震前兆研究的重要指标。
图6 土壤He/CO2排放比和地震事件的时间变化图（Pérez et al., 2024）
参考文献：Pérez et al., 2024, Volcanic soil gas 4He/CO2 ratio: a useful geochemical tool for real-time eruption forecasting. Scientific Reports 14: 7985 (https://doi.org/10.1038/s41598-024-57666-y).
4.2 油气与矿产资源勘探：稀有气体（特别是氦和氩）用于识别油气田的成因、勘探油气藏以及评价矿床中挥发物的来源与演化。
图7 基于扩散模型的威利斯顿盆地地下水He和N2浓度剖面图（Cheng et al., 2023）
参考文献：Cheng et al., 2023, Primary N2–He gas field formation in intracratonic sedimentary basins. Nature 615: 94-99 (https://doi.org/10.1038/s41586-022-05659-0).
5. 工程与环境科学
稀有气体作为示踪剂用于识别环境中气体的来源（如工业污染、地下气体泄漏）。
图8 稀有气体示踪CO 2扩散演化路径（Ju et al., 2022）
参考文献：Ju et al., 2022, Constraining the effectiveness of inherent tracers of captured CO2 for tracing CO2 leakage: Demonstration in a controlled release site. Science of The Total Environment 824: 153835 (https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153835).
四、联系预约
科学主管（负责仪器方法开发与设备运行保障）：
徐胜（教授），电子邮箱：sheng.xu@tju.edu.cn。
技术主管（负责仪器日常管理、仪器的正常运转与科学使用及样品接收）
孙传强（工程师），联系电话：15222891716（优先），电子邮箱：suncq@tju.edu.cn。
