矿床地球化学分析

同位素地球化学

在地学研究中的应用

院（系）资源与环境学院

专业班级矿物S152

姓名毛俊

学号201571342

同位素地球化学

在地学研究中的应用

摘要：同位素地球化学研究进展显著,在地学研究中被广泛应用,目前主要应用于以下三个方面: 1.地质过程物理化学条件和环境指示; 2.同位素地质定年; 3.地球化学示踪.本文从综述的角度对同位素应用的理论基础、研究方法和应用及现状进行了较详细的阐述,并指出新的同位素Si、Li、B、Cl及过渡族Cu、Zn、Fe同位素的重要意义及其应用前景

关键词：同位素地球化学；地质学；地球化学示踪；

1 概述

同位素地质应用是同位素地球化学的重要组成部分和研究的目的。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和条件的指标,同位素组成已广泛的应用到陨石、月岩、地球火成岩、沉积岩、变质岩、大气、生物、海洋、河流、湖泊、地下水、地热水及各种矿床的研究。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,矿床等各个领域,成为解决许多重大地质地球化学问题的强大武器。

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,分阶段循环叠加,总体呈单向发展的特征,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,地质事件对核的影响有可能跨越后期作用而被保留下来,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取得了显著的成绩。

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处在一种飞跃的状态中。在以往短短的不到一百年的时间里,自从应用这种新的方法得出初步的解释以来,已经取得了非凡的

成果,解决了争论了上百年的南非南德斯金矿的成因等一系列重要的问题,也有

大量的数据和文章面世,理论基础逐渐完善,实验技术的不断发展使得至今为止

急剧的发展仍然在继续进行着,并不断与其它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,同位素地球化学已远非局限于研究地球及其地质现象,而是扩大到太阳系的其它星体和其它学科领域。并发展到各个领域中。显然地质学已进入到一个新的时期,即同位素时期。

1.2同位素地球化学的研究对象和任务

同位素地球化学也有人称为核素地球化学、核地球化学或同位素地质学。它是地球化学向更深一个层次发展而产生的一门新分支学科,其研究对象是自然界尤其是地质作用和地质体中同位素的丰度及其演化规律。K. Rankama(1950, 1954)曾指出, “同位素地球化学是利用元素的稳定和不稳定同位素及共在丰度上的变

化进行地质现象研究”的一门科学。

1.3同位素地球化学在地学上的应用

1)地质过程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物理化学条件,能够用来测定地球化学过程中的某些强度因子,最重要的是测温,即所谓的地质温度计。

(2)同位素地质定年:放射性同位素衰变为稳定子体,由母体衰减和子体积累,可

以测定地质体系的形成时代,所以放射性同位素可以看成为地质时钟。

(3)地球化学示踪:同位素组成变化不仅能够用来指示地质体的物质来源和地质

体系经历的地球化学过程,而且能指示成矿流体的来源。

2同位素地球化学的应用

2.1同位素质地测温

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。基本的步骤是测定岩石或矿石中两个共生矿物M1和M2的同位素组成δ1和δ2,计算出两者之间的同位素分馏:

解这个一元二次方程,即可得到共生矿物之间的同位素温度。同位素地质温度计的应用前提条件式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”,同位素交换封闭温度是下列因素的函数: (1)元素在矿物中的扩散系数,扩散系数越小,封闭温度越高; (2)矿物的几何形状和粒度,粒度越大,封闭温度越高;(3)岩石冷却速率越大,封闭温度越高。Dodson(1973)提出了计算同位素封闭温度的公式：式中T为封闭温度(绝对温标),Q为扩散活化能(单位为kJ/mol), D。为扩散方程的指前因子(单位为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(单位为cm),dT/dt为冷却速率(单位为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。近年来,不少学者已经提出:作为深入了解矿物成因一种辅助手段,同位素在这方面的意义已日益明显[7]。热液成矿作用涉及各种地质地球化学过程,例如CO2去气作用,流体混合作用,热液/围岩相互作用和次生热液蚀变作用,而热液矿物的稳定同位素组成决定于其沉淀时刻的温度和溶液成分。因此,应用已知的溶液中不同含碳物种与方解石之间在热液条件下的碳氧同位素分馏系数,能够将上述过程对热液方解石碳氧同位素组成变化的影响进行定量模式化。不同地质条件和成矿环境下某些同位素组成会有明显的差异,所以确定成矿流体的来源,可以测定样品的氢氧组成与前人已总结出的流体来源的氢氧数据作一个比较,得出大致的结论,要进一步探讨成矿流体的来源,就可以考虑成矿热液与围岩的水 - 岩反应模式。

2.3灾变事件的地球化学示踪

同位素的组成在不同类型、不同来源和不同时期的岩石中是有所区别的,所以在漫长的地质历史中,同位素组成的突然变化可在某种程度上反映地球灾变事件的发生。例如,分布在世界各地的K/T界面剖面,尽管形成的环境各异,但彼此之间的岩石矿物特征还示有许多共同之处,如87Sr/86Sr,δNd,δD,δ18O,δ13C