同位素地球化学调查研究方法综述

同位素地球化学调查研究方法综述

摘要： 同位素地球化学可以分成稳定同位素地球化学和放射性同位素地球化学两类。根据两类同位素的不同特性，继而各自发挥所长，为地球化学研究作出卓越的贡献。例如稳定同位素地球化学是根据自然过程中发生同位素分馏现象的原理，探讨地质过程物质来源与环境条件等问题；[1]放射性同位素地球化学为研究地球或宇宙体的成因与演化，为地球科学从定性研究到定量研究的发展作出了重要贡献。[2]

关键词： 同位素地球化学；稳定同位素；放射性同位素；成岩成矿

1放射性同位素地球化学

凡是原子能稳定存在的时间小于10 17年的核素就是放射性同位素或放射成因同位素,这些同位素多半是原子质量小于83,质量数小于209的核素.

1.1放射性同位素的特性

①衰变作用是发生在原子核内部的反应,反应结果由一种核素变成另一种核素;②衰变不断的自发地进行，并有恒定的衰变比例；③衰变反应不受温度、压力、电磁场和原子核存在的形式等物理化学条件的影响；④衰变前和衰变后核素的原子数只是时间的函数。

1.2同位素地质年代学基础

同位素年代学，是同位素地质学分支之一。利用自然界放射性衰变规律研究测定各种地质体的形成时代的同位素计时方法。它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成时间

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和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律[3]。

根据（一）中的同位素特性，由Rutherford总结出放射性同位素衰变定理，即单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比，数学表达式为： -dN/dt=λN ㈠（注释：式中N为在t时刻存在的母体原子数；dN/dt为t时的衰败速率，负号表示N随时间减少；λ为衰败常数，表示单位时间内发生衰败的原子数的比例数。）放射性同位素的衰变定律是同位素地质年代学的基础。还有一个公式是t=1/λ㏑{[(D/Ds)- (D/Ds)0]/(N/Ds)+1}㈡（注释：N为在t时刻存在的母体原子数；λ为衰败常数；D和D0分别是t时和t=0时的同位素的与原子数；DS是参照同位素；D/Ds代表样品现今的同位素原子数比值，用质谱仪直接测定获得；(D/Ds)0样品初始同位素原子数比值；N/Ds是母体同位素与参照子体同位素原子数比值，一般通过同位素稀释法分析计算获得；）满足（二）式有几个条件：①应当选择适当半衰期的放射性同位素体系；②准备测定衰变常数；③高精度的同位素制样和质谱测定技术；④测定对象处于封闭体系中。

1.3具体实例说明同位素在岩石成因研究中的应用

目前在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最广泛的同位素年代学方法有U-Th-Pb体系、Sm-Nb体系、Rb-Sr体系、K-Ar体系、Ar-Ar体系、Re-Os体系、Lu-Hf体系、14C等

1.3.1锆石U-Pb年龄、Sr-Nd-Hf同位素地球化学与岩石成因

对赣东北鹅湖岩体进行了SHRIMP 锆石U-Pb 年代学、元素和Sr-Nd-Hf同位素地球化学及岩石成因研究。SHRIMP 锆石U-Pb 定年结果表明，鹅湖岩体形成于早白垩世的（121.7±2.9） Ma；岩相学及元素和Sr-Nd-Hf同位素特征表明鹅湖花岗岩属于S 型，主

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要是由地壳深处（至少40 km）的古元古代变质沉积岩发生部分熔融形成的，成岩过程中并没有发生强烈的分离结晶作用和幔源岩浆混合作用，赣东北地区早白垩世伸展构造背景造成的软流圈地幔上涌可能是下地壳岩石发生部分熔融的诱因[4]

1.3.2 H f- N d 同位素岩石成因意义

H f- N d 同位素的解祸现象很可能反映了花岗岩浆形成过程经历过石榴石与熔体的分离过程, 从而导致熔体相富放射成因H f 和高的 εhf(t)值, 而这一过程对岩石的Nd 同位素组成不产生明显影响。结合岩石常量、微量和稀土元素地球化学研究, 该区印支期花岗岩很可能来自中下地壳中元古代变质岩系的部分熔融, 这为深人研究华南早中生代构造演化提供了重要依据[5]。

1.3.3 Rb、Sr同位素组成及岩石成因的意义

西华山花岗岩为一多阶段复式岩体。不同阶段花岗岩的钩德含量及同位素组成有显著差异。其中R b 和Sr , 趋向于在晚阶段花岗岩中富集。Sr 的变化趋势与此相反。Rb、Sr 的行为指示该岩体的主体是由岩浆作用形成, 而第一阶段似斑状花岗岩可能和岩浆前锋流体相的交代作用有关。岩体的Rb 一S r 等时线年令为场161.03M a , Sr 被触合比为0.7193属典型的壳源花岗岩[6]

1.4同位素封闭温度及冷却年龄

大多数同位素体系并不能记录样品的形成你年龄，而只能记录样品演化到某一阶段的年龄，具体对应样品的哪个演化阶段，则取决于样品中同位素体系的封闭温度。封闭温度是同位素时钟开始启动时的温度，他取决于元素在样品中扩散的快慢，扩散快，封闭温度

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越低。封闭温度获得方法有三个：地质样品计算、实验法、理论计算法。

2稳定同位素地球化学

凡是原子能稳定存在的时间小于10 17年的核素就是稳定同位素。有81种元素有稳定同位素，稳定核素的总数为274种（包括半衰期＞1015年的放射性核素）。通常以原子核的比结合能（每个核子的平均结合能）ε＝EB/A作为稳定性的量度；EB为核的结合能，A为核子数。ε越大，体系的能量越低，也就越稳定。

2.1稳定同位素地质温度计

2.1.1同位素分馏

指由物理、化学以及生物作用所造成的某一元素的同位素在两种物质或两种物相间分配上的差异现象。引起同位素分馏的主要机制有：①同位素交换反应。是不同化合物之间、不同相之间或单个分子之间发生同位素分配变化的反应，是可逆反应。反应前后的分子数、化学组分不变，只是同位素浓度在分子组分间重新分配。②同位素动力学效应。是指物理或化学反应过程中同位素质量不同所引起的反应速率的差异。在不可逆反应中，结果总是导致轻同位素在反应产物中富集。

2.1.2同位素分馏系数

分馏系数α 表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。其表达式为

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αA-B＝RA/RB

式中A和B表示两种物质(物相),R代表重同位素对轻同位素的比值，如18O/16O，

13C/12C

等。α 值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；α =1时，

物质间没有同位素分馏。

2.1.3 δ值

稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。所以必须采用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准[7]。

2.1.4 在地质学中的应用

稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103lnα 值与T 2成反比,T为绝对温度。103lnα 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈103lnαA-B。因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103lnα值。它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度.

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在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义[8]。

3 总结

本文先后从放射性同位素地球化学和稳定同位素地球化学的基本概念、基本理论、定律方面阐述了同位素地球化学在岩石研究中的应用，同时也从先辈的例子给以说明放射性同位素地球化学为研究岩石的成因与演化，为地球科学从定性研究到定量研究的发展作出了重要贡献。稳定同位素地球化学是根据自然过程中发生同位素分馏现象的原理，探讨地质过程岩石来源与环境条件等问题。总的来说同位素地球化学在岩石研究中作出了卓越的贡献，让岩石成因研究更加前进了一大步。

主要参考文献。

[1]高山，张宏飞.放射成因同位素地球化学[M].地球化学，2012年8月，第五章：152-156

[2]高山，张宏飞.稳定同位素地球化学[M].地球化学，2012年8月, 第六章：202-210

[3] http://baike.baidu.com/view/2375329.htm

[4] 赵 鹏，周 清，靳国栋. 赣东北鹅湖岩体SHRIMP锆石U-Pb年龄、Sr-Nd-Hf同位素地球化学与岩石成因[J]. 高校地质学报，2010 年 6 月，第 16 卷，第 2 期，218-225

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[5] 赵葵东. 南岭西段印支期花岗岩H f- N d 同位素解藕现象及岩石成因意义[J]. 岩石学与地球动力学研讨会，20 06 年，435.

[6] 叶瑛. 西华山花岗岩伽银同位素组成及岩石成因的意义[J].浙江大学报，1989 年5 月 第3 期第23卷 451-453

[7] 魏菊英、王关玉编：《同位素地球化学》，科学出版社，北京，1988。

[8]G.福尔著,潘曙兰、乔广生译:《同位素地质学原理》，科学出版社，北京1983。

地球化学

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