硼(B)地球化学

硼有两种稳定同位素 (10B, 11B)以及13种放射性同位素(从7B 到 21B,不包括稳定同位素)。硼的稳定同位素是唯一天然纯在的硼， 10B 和 11B分别占天然硼的20%和80%。

boron isotopes

地球化学研究中常用的两种硼同位素(左)和另外13种放射性硼同位素(右)

硼同位素比值的离散范围代表了不同的地球系统物质和环境条件。因此硼同位素被广泛应用于地球化学指纹、污染源追踪、污染预测、全球碳循环和海洋环流等研究。

硼同位素测试样品类型：: 贝壳、珊瑚、碳酸盐和水
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视频节选自BETA实验室在线研讨会：硼同位素分析

古气候学与古海洋学

海水中溶解的硼主要以两种化合物的形式存在，分别是硼酸 (H3BO3 or B(OH)3) 和硼酸盐 (BO3-3 or B(OH)4−), 这两种形式的硼同位素分馏明显，例如硼酸中富含较重的11B)，含量为27.2%。这两种化合物的相对比例和pH值密切相关，如下图所示：

B(OH)3 + H2O ↔ B(OH)4− + H+

高pH ↔ 低pH

硼主要以硼酸盐的形式存在于生物碳酸盐和无机碳酸盐中。然而，生物碳酸盐(如壳)中硼的同位素种类和浓度取决于pH值。因此，海洋生物碳酸盐岩的硼同位素组成反映了海水pH值。

Boron and pH in sediments 北大西洋过去 δ11B万年间沉积物里的海洋碳酸盐中δ11B和pH值的相关性(Chalk等人.2019)。
当海洋的pH值低时，硼通常以B(OH)3,的形式融入到壳中，而B(OH)4−则是在高pH值时被吸收。通常，海洋pH值每增加0.1单位，海洋生物成因的碳酸盐岩中δ11B的值增加约1%。海水pH值会因为溶解了更多二氧化碳(CO2)而降低，因此可以用δ11B作为指标，来估算大气中CO2浓度(pCO2)和海洋碳酸盐岩含量。这些信息有助于我们更好的理解历史上的气候条件和全球碳循环的变化。硼与海洋pH值之间的这种关系，可以用于海洋环流的分析，甚至还被用作末次冰消期海洋碳泄漏的证据(Martínez-Botí等人.2015)。
chemical composition of boron

两种硼化合物的百分比与pH值的关系(https://jpt.spe.org/comparison-methods-boron-removal-flowback-and-produced-waters)

延伸阅读：

稳定同位素与古气候研究

贝壳、珊瑚和其他碳酸盐

地球化学指纹和污染源追踪

硼广泛应用于工业（润滑油、助熔剂，添加剂）、农业（肥料里的微量营养素）、还有家用方面（漂白剂）。硼是一种在钢铁制造中提高材料淬透性的重要添加剂。例如，硼钢在核工业中被广泛用于屏蔽系统和控制核反应，因为它天然具有吸收中子的能力。在其他行业，一种被称为硼酸钠(“硼砂”)的硼化合物被广泛用于清洁剂中，去除污渍和霉菌，以及用于化妆品中的防腐剂和缓冲剂。

Boron Release New

据估算，1972年释放到环境中的硼达数吨(数据来自EPA-68-01-3201.1976)。

不同来源的水的硼和氮同位素比值特征(Briand等.2013)。

由于硼被广泛应用于不同的产品中，而被定期地释放到环境中。根据美国环境保护署（EPA,1976）提供的数据，仅在1972年，总共有3.55万吨硼被释放到环境中，其中73%的硼直接进入水系中。硼的释放问题尤其严峻，因为硼在环境中不会被破坏，而且可以通过分离和附着在土壤、沉积物和水中的其他颗粒而改变其形态。由于硼是植物生长所必需的营养物质，它最终可以进入食物(蔬菜和水果)。

参考文献

Briand, C., Plagnes, V., Sebilo, M., Louvat, P., Chesnot, T., Schneider, M., Ribstein, P. and Marchet, P., (2013). Combination of nitrate (N, O) and boron isotopic ratios with microbiological indicators for the determination of nitrate sources in karstic groundwater. Environmental Chemistry, 10(5), pp.365-369. DOI: 10.1071/EN13036

Chalk, T.B., Foster, G.L. and Wilson, P.A., (2019). Dynamic storage of glacial CO2 in the Atlantic Ocean revealed by boron [CO32−] and pH records. Earth and Planetary Science Letters, 510, pp.1-11. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.12.022

EPA (Environmental Protection Agency), (1976). Chemical technology and economics in environmental perspectives. Task II- Removal of Boron from wastewater. Environmental Protection Agency, Office of Toxic Substances, Washington, D.C. 20460

Giri, S.J., Swart, P.K. and Pourmand, A., (2019). The influence of seawater calcium ions on coral calcification mechanisms: Constraints from boron and carbon isotopes and B/Ca ratios in Pocillopora damicornis. Earth and Planetary Science Letters, 519, pp.130-140. DOI: 10.1016/j.epsl.2019.05.008

Martínez-Botí, M.A., et al. (2015). Boron isotope evidence for oceanic carbon dioxide leakage during the last deglaciation. Nature, 518(7538), pp.219-222. DOI: 10.1038/nature14155