同位素地球化学研究进展

同位素地球化学研究进展1 概述同位素研究是地质学的重要研究手段之一，可以视之为科学研究史上的革命，它的发展极大地加速了许多科学研究进程。

同位素地质应用是同位素地球化学的重要组成部分。

随着放射性现象的发现，同位素的分析逐渐被建立为独立的研究领域。

作为独特的示踪剂和形成环境与条件的指标，同位素组成已广泛的应用到陨石、月岩、火成岩、沉积岩、变质岩、大气、生物以及各种矿床等领域的研究。

通过研究同位素在地质体的分布及在各种地质条件下的运动规律来研究矿物、岩石和矿床等各个领域，成为解决众多地质地球化学问题的强有力手段。

地球的历史是一个由大量地质事件构成的漫长的时间序列，它具有灾变和渐变相间的特点。

我们在认识这一复杂的过程时，主要依据能保留事件踪迹的证据。

同位素的迁移活动寓于地质作用之中，地质事件对地球的影响有可能跨越后期作用而被保存下来，因此同位素组成上的变异常常能提供最接近事实的证据，并且相关研究也用一系列显著成绩证实了这点。

1.1 同位素地球化学的发展现状同位素的丰度和分布的研究正经历着飞跃性的发展。

在不到一百年的时间里，已经取得了非凡的成果，解决了一系列重要的问题，如南非南德斯金矿的成因问题。

此外，随着大量的数据和文章的面世，理论基础的不断完善，实验技术的不断发展，同位素地球化学迄今为止仍在快速的发展着，并不断与其他学科相互渗透形成新的学科分支，如宇宙同位素地球化学、环境同位素地球化学等。

因此，同位素地球化学已非局限于研究地球及其地质现象，而是扩展到了太阳系的其他星体和其他科学领域。

显然，地质学已到了一个新的时期，即同位素地质学时期。

1.2 同位素概念1913年，Soddy提出了同位素概念，即原子内质子数相同而中子数不同的一类原子即为同位素。

一个原子可以有一种或多种同位素。

有的元素仅有稳定同位素（如O、S），稳定同位素的原子核是稳定的，目前还未发现他们能自发衰变形成其他的同位素。

有的仅有放射性同位素（如U、Th）。

放射性同位素原子核是不稳定的，他们能自发的衰变形成其他的同位素，最终转变为稳定的放射成因同位素。

有的同位素既有稳定稳定同位素，也有放射性同位素（如Rb ）。

1.3 自然界同位素成分变化自然界同位素组成呈现一定程度的变化。

引起同位素成分变化的主要过程有两类，一类是放射性同位素衰变；另一类是由各种化学核物理过程引起的同位素的分馏，如氢、氧、硫等同位素的组成变化主要是由同位素分馏引起的。

自然界的同位素分馏分为两种，一种是同位素热力学分馏，主要研究化学平衡和相平衡过程中的同位素效应，包括同位素交换和蒸汽压不同引起的分馏；另一种是同位素动力学分馏，主要研究内容为扩散速度和化学反应速度方面的同位素效应。

其他如溶解与结晶、吸附与解吸等物理作用过程中引起的同位素分馏一般较小。

1.4 同位素地球化学在地质上的应用同位素在地球化学上的地质应用主要有以下几种：（1）同位素地质测年：放射性同位素衰变成为稳定子体，由母体衰减和子体积累可以测定地质体系的形成时代，所以放射性同位素被视为地质时钟。

（2）地质过程的物理化学条件和环境指示：通过对同位素组成的变化可以指示地质过程中围岩的氧化还原环境等理化条件，能够用来测定地球化学过程中的某些强度因子，最重要的非测温莫属，即所谓的地质温度计。

（3）地球化学示踪：同位素组成的变化不仅可以用来指示地质体的物质来源和地质体经历的地球化学过程，而且还可以指示成矿流体的来源。

2 同位素地球化学的应用2.1 同位素地质测温根据地质体系中共存物相之间的同位素的分馏大小，应用已知的同位素分馏系数，即可计算物相之间的同位素“平衡”温度。

计算公式为：()℃15.27310621--∆⨯=-CA t 式中Δ为两个共生矿物的同位素分馏，A 和C 可以查表获得，通过上式即可获得共生矿物之间的同位素温度[1]。

同位素地质温度计的应用前提条件是共存物相之间达到并保持同位素平衡。

当根据共存物相的同位素组成确定某一地质体的形成温度时，首先要判断所计算的同位素平衡温度温度是否可靠，因此需要进行同位素平衡检查。

同位素平衡温度T 越低，两相之间的同位素分馏越大，因此对温度的变化越灵敏；同位素分馏系数方程中的参数A 越大，指示两物之间同位素分馏越大，因此对温度变化越灵敏。

同位素地质测定结果值的大小和意义取决于该同位素元素在矿物中的扩散性质。

由于矿物的扩散系数时温度的函数，当一个体系处于高温下时，稳定同位素可以在各矿物之间扩散并很快达到平衡。

随温度降低，扩散系数减小，矿物之间的扩散逐渐减慢，到一定温度时，扩散完全停止。

这种随地质体系冷却同位素交换终止时温度，称为“封闭温度”。

Donson （1973）提出了计算同位素封闭温度的公式：()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=dt dT Q a D ART R Q T c 202ln 式中T 为封闭温度（绝对温标），Q 为扩散活化能（单位是kJ/mol ），D 0为扩散方程的指前因子（单位是cm 2/s ），A 为固体几何形状参数（柱状27，片状8.7，球状55），a 为有效扩散半径（单位是cm ），dT/dt 为冷却速率（单位是K/s ），R 为气体常数（8.3144J/（mol·K ））。

封闭温度的概念对岩石和矿床的同位素测定结果和冷却速率有重要的意义。

例如对同意矿物而言，氧同位素交换的封闭的温度比氢同位素的高，因此会出现矿物氧同位素组成保存了高温记录，而氢同位素组成则反映低温条件这种现象。

在应用封闭温度概念解释同位素地质测温的结果时，要满足Dodson (1973)公式的前提条件，由此得出的推论才有科学意义。

例如，常见的造岩矿物中长石的氧扩散速率最快，因此含大量长石的岩石就基本满足于无限的储库进行氧同位素交换的条件[2]。

2.2 同位素地质测年在解决复杂地质作用问题的应用中，同位素的测年不单局限于地质体的年龄，充分应用同位素信息还可以追溯复杂地质过程的多期历史，以致推测成岩成矿以前阶段的演化。

这对研究前寒武纪地质构造史，地球形成初期的物质演化，以及研究陨石、月岩、星体演化等具有重要的意义。

因为在漫长的地质历史事件是复杂的且岩石的物质来源是多变的，所以根据实际情况，地质测年通常有以下几种方法：（1）模式年龄法：因为在岩石形成时，大多数都会有初始D0，可以根据地质产状，扣除初始的D0是一种简单的方法。

但该法已经假定了一个初始的D0值，在同一产状的岩石的初始D0实际上是有差别的，该法忽略了这种不同，因而是有误差的，因此引入了等时线法。

（2）等时线法：应用等时线法实测研究对象的初始D0比值，计算年龄可以大大提高测定精度，同时求得地质体的初始D0是一个重要的地球化学参数，可以用于推测成岩以前演化阶段的地质环境。

D和N可以有样品实测，D0和t是未知的，可以设想如果在某一地体空间不同部位采集多个样品，则各个样品所包含的t和D0是相同的，而D和N值可能存在差别，因此对采用同一地质体的一组样品，可将D=D0+N( eλt－1)式构成一组Y = A + BX的直线方程。

A为D0是直线截距，B为N是直线斜率。

在地质体中测五个以上的一组样品，作图得一直线，线性越好，结果越佳。

利用EXCEL等工具软件可以拟和得出A和D0的值。

最常用的是以上两种，其实在实际中，还有U—Pb谐和曲线法是利用238U 与235U，以及206Pb与207Pb有相同的丢失性质的设想，实测的样品的曲线和谐和曲线有两个交点，上交点就代表结晶年龄，下交点代表岩石变质年龄。

此外有时还使用Pb—Pb等时线法等。

下面将重点介绍Re—Os测年。

Re—Os同位素体系为金属矿床形成时代和壳幔地质研究开辟了新的途径。

它是确定金属矿床成矿年龄的最直接最有效的方法。

Re—Os法测定成矿年龄的对象是辉钼矿等金属矿物[3]。

Re、Os分别为亲铜元素和亲铁元，可以进入金属硫化物晶格中，所以可直接测定矿石矿物的年龄。

对中条山铜矿峪斑岩铜矿中的含辉钼矿硫化物采用ICP—MS同位素稀释法进行Re—Os同位素年龄测定。

首次获得2个Re—Os同位素等时线年龄，其值分别为( 2947±28) ×106a与( 2108±32)×106a。

说明铜矿峪斑岩铜矿的形成不是一个单一的成矿过程，而是一个多期的复合成矿过程，为确定铜矿峪斑岩铜矿的成矿年龄及建立该矿床的成矿演化模式奠定了重要基础。

此外，一些学者正研究利用载金矿物黄铁矿测定成矿时代。

同时，由于Re、Os的元素相容性不同，导致不同地球化学储源库具有不同的Os同位素特征，特别是地壳和地幔具有截然不同的Os同位素特征，据此可以用来研究壳幔地球化学演化、壳幔相互作用、地幔柱的起源、讨论不同类型矿质和岩浆的来源[4]。

Os 同位素的示踪研究表明，岩石圈地幔在大陆溢流玄武岩(CFB)的形成过程中起着重要的作用，地幔柱的起源与核幔边界的地质演化有关。

2.3 古气候示踪在第四纪古气候研究方面，同位素也同样发挥着重要的作用，从1947年Urey将同位素概念纳入植物系统之后，由于同位素技术的先进性(已成为研究古气候不可或缺的重要手段)和植物材料的优越性(同时具有多种可测同位素及强连续性，高分辨率和准确的定年)，由此关于植物(主要为树轮)同位素分析越来越为科学家所重视，并被广泛的应用于古气候、古大气成分、人类活动情况、河流水位的变化等多个领域。

树木生长层与周围的大气保持同位素平衡，然而每一层停止生长后即停止与外界的同位素的交换而保持原有的同位素记录。

大气降水量和大气中的CO2对树木生长来说是物料条件，高的降水量和CO2可以为树木提供更多H2O和CO2来进行光合作用，这时如果有适宜的温度和充足的光照，树木生长将加快加剧，产生宽的年轮，而同样的条件也有利于光合作用过程中碳同位素的分馏，大量的CO2进入到树木体内，12C优先进入有机碳架，余下富13C 的CO2将通过树木在这条件下加剧了的呼吸作用而被排出树木体外，与大气中CO2快速混合，这使得树木碳同位素组成贫13C，造成空气中CO2的浓度和δ13C 呈负相关的关系。

由此可知在干旱少雨和大气CO2含量低年平均气温低的地区树木年轮中测定δ13C的相对较低。

因此可以用树轮的δ13C可以大概预测当时的气候在当代，也可以用此法监测大气中的CO2浓度。

深海中的有孔虫、浅海珊瑚、淡水介形虫、溶洞钟乳石、地表黄土、高山和极地冰盖，盐湖沉积物的碳—氧和氢—氧同位素研究，近十多万年来冰期—间冰期的交替历史建立了许多标准剖面。

2.4 确定矿床成因矿床学者了解矿床以及矿床形成的学问是通过非常谨慎的观察获得的，从而使所提出的假设得以建筑在进行综合观察的能力和地质学以及其它基础科学基本知识的基础上，在这种科学的研究的方式下, 新的事实一定会不断地被揭露出来。