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同位素地球化学
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2023年2月26日发(作者：wonderwall吉他谱)中山大学研究生学刊(自然科学、医学版)
第27卷第3期JOURNALOFTHEGRADUATESVOL127l3
2006SUNYAT-SENUNIVERSITY(NATURALSCIENCES、MEDICINE)2006
同位素地球化学及其在地学研究中的应用*
汤倩邸文
(中山大学地球科学系)
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;应用和意义
1概述
与生俱来的好奇心,是人类观察和认识世界的动力,我们赖以生存的地球已大约有
46亿岁了,然而我们通过科学的手段来获取大地的信息只有几百年的历史,还有好多
的密码在等着我们来破译。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。
111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
*收稿日期:2006-03-10
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
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。
112同位素的概念
Isotope译为同位素,1913年提出同位素概念,即原子核内质子数同而中
子数不同的一类原子叫同位素[1]。一个元素可以有一种或多种同位素组成。有的元素仅
由稳定同位素(如氧,硫等),稳定同位素的原子核是稳定的,目前还未发现它们能自
发衰变形成其他的同位素。或有的仅由放射性同位素(如铀,钍等)组成。放射性同
位素的原子核是不稳定的,它们能自发的衰变成其他的同位素,最终转变为稳定的放射
成因同位素。有的同位素既含有稳定同位素又含有放射性同位素如铷的2种天然同位素
中,85Rb是稳定同位素,87Rb是放射性同位素。
113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。a(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0
的一门科学[2]。
114自然界同位素成分变化
自然界同位素组成常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,使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少,同时子体
同位素的数量不断增加;另一类是由各种化学核物理过程引起的同位素的分馏,氢、
氧、硫等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。自然界同位素分馏现象可分为两
类:1)同位素热力学分馏,主要研究内容为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气压不同引起的分馏;2)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。
115同位素地球化学在地学研究上的应用
(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。
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5研究生学刊6(自然科学、医学版)二oo六年第三期
2同位素组成的分析方法
为了使质谱仪能方便,准确的测定样品的同位素组成,作氢,氧,碳,硫的同位素
分析时,多数情况下要在质谱测定前,将样品转变为相应的气体,如氢同位素采用氢
气,碳,氧同位素采用二氧化碳气体,硫同位素分析用二氧化硫或六氟化硫气体。作铷
锶铅等放射性同位素体系分析时,要在质谱测定前,将样品经化学处理变为氯化物或硝
酸盐形式。同位素分析基本上由两个步骤构成:(1)样品的制备,将样品用化学(或
物理)手段转化为适合质谱测定的形式,一般是制成气样;(2)质谱测定,将该物质
输入质谱仪中进行同位素比值测定[3]。
211同位素样品的制备
样品的制备基本要求是转化后的形式具有与初始的待测物一致的同位素组成,因此
要求制备的过程中不能发生同位素分馏,并且没有外来的物质加入。
具体要求是:(1)转化率趋于100%,这样才能保证同位素组成不变。这要求除了
样品向待测气体转化的化学反应外,没有消耗待测元素的次级反应;(2)所有试剂,
器皿均不含有可能与样品进行同位素交换的物质,或证明不发生同位素交换;(3)待
测气体必须吸附性低,化学性质不活泼,质量数易于检出;(4)实验系统中没有引入
与待测气体样品质量数相近的其他气体,例如N
2O会对CO2质谱测定带来严重干扰,
CO会严重干扰N2的测定,因此一般是在真空条件下制样[3]。
212质谱仪测定
测定同位素成分的主要设备是质谱仪。质谱仪的工作原理是把待测元素的原子或分
子正离子化,并导入电场和磁场中运动;带正电的质点因质量不同而被分离,测定。质
谱仪由三部分组成:1)离子源:用电子轰击分子使之电离,得到带正电的离子;2)
磁分离器:带正电离子用可调电压加速,进入磁场,磁场使离子装入圆形轨道,按离子
的质量大小分离;3)接受器:分离的离子束聚集于金属环,用电子学或照像的方法记
录[4]。
213同位素测试方法发展趋势
1)微区化:微区化主要是当代测试仪器发展的重要趋势,对同位素也不例外。同
位素测试微区化主要表现为离子探针质谱的应用和激光探针取样的应用。2)自动化:
在电脑控制水平和自动化程度较老一代仪器有明显改进,许多与仪器配套的同位素制样
装置,使水,碳酸盐等的同位素分析样品制备可以自动化进行,提高了效率,减少了人
为误差,减轻了劳动强度3)标准化:为了便于测试数据的对比,国际上正推行标准
化,在同位素测试方面也是如此。标准化主要包含二个方面,一是测试方法的标准化,
二是标准样品的建立和使用[5]。
3同位素地球化学的应用
311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,
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同位素地球化学及其在地学研究中的应用
即可计算物相之间的同位素/平衡0温度。基本的步骤是测定岩石或矿石中两个共生
矿物M
1和M2的同位素组成D1和D2,计算出两者之间的同位素分馏:
v=D
1-D2(1)
假定这两个矿物对处于同位素平衡状态则:
v=D
1-D2U103lnA1-2(2)
带入已知的同位素分馏系数方程:
vUA
1-2x106/T+C(3)(式中A和C可以查表知)
t=
A1-2x106
$-C
-273115(e)
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[6]。
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0,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:T=(Q/R)/ln(-
ART2
cD0/a2
Q(dT/dt)
)。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cm2/s),A为固体几何
形状参数(柱状27,片状817,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=813144J/(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[3]。
312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
应用同位素信息有可能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,
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5研究生学刊6(自然科学、医学版)二oo六年第三期
星体演化等具有独到的意义。
31211地质测年的理论基础
人们很早就在探索测定绝对年代的方法,然而直到发现了元素的放射性后,科学的
测年方法才诞生,其原理是放射性同位素不管其衰变的方式如何,它们的数量随时间的
减少服从于放射性衰变定律,放射性衰变定律是同位素地质年代学的理论基础。根据原
子核放射出的射线的种类,可以将放射性衰变分为以下几种类型:
1)A衰变A-衰变时,放射性母体同位素(X)放出粒子(实际为氦原子核)而
转变为另一个新的子体同位素(Y)
A
Z
X
A-4
Z-2
Y+
4
2
He+E(E为裂变时放出的能量)
2)B-衰变放射性母体同位素在衰变时放出B-粒子(负电子)同时还放出中微
子M。
A
Z
X
A
Z+1
Y+B-+v+E
3)B+衰变放射性母体同位素在衰变时放出B+粒子(正电子)核中微子
A
Z
X
A
Z+1
Y+B++v+E
4)电子俘获衰变这种衰变方式的实质是,放射性母体同位素从它的核外电子壳
层俘获一个电子而转变为新的子体的同位素。
A
Z
X+e-A
Z-1
Y+E
5)核自发裂变指质量数较大的原子核,由于其内部不稳定,在无外力的作用下自
发分裂成两个中等质量数的原子核,同时放射出中子和其他射线的过程。自然界目前只
有238U和235U具有自发裂变现象。
1902年Rutherford通过实验发现原子核衰变反应具有不同于一般化学反应的特殊性
质,归结如下:1)衰变作用是发生在核内部的反应,反应结果由一种核素变为另一种
核素;2)衰变反应是自发的持续地进行的。母体核素按恒定比例衰减;3)反应不受
任何温度,压力,原子存在形式等物理化学条件的影响;衰变母,子体原子数是时间的
函数。归结为公式是:
-dN/dt=KN
式中:N为t时刻存在的母体原子数;dN/dt为t时的衰变速率,负号表示N随时
间减少;K为衰变速率常数。由上式知:
K=-
dN
dt
#1
N
K为单位时间内发生衰变的原子的比例数,K对于一个原子讲,的物理意义为单位
时间内发生衰变的概率。对于给定的衰变的反应为一个常数,用实验的方法测定,单位
为a-1,s-1等。
将上式由t=0到t求积分,整理得:
ln
N
NO
=-Kt
100
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
N。为t=0式的衰变母体原子数。由此得:
N=N。.e-Kt
设衰变产物子体原子数为D,当t=0时,D
0=0,经过t时间衰变反应:D=N。-N=
D0+N(eKt-1);
所以整理得t=
1
K
ln(
D-D0
N
+1)
所以只要采用先进的化学分离技术和质谱同位素分析手段测定
D-D0
N
,就可根据上
式计算地质体的同位素年龄。所计算的年龄,对火成岩来说,代表岩浆冷凝结晶的时
间,对沉积岩来说,代表沉积或成岩的时间。
31212地质测年的方法
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D
0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D
0实际上是有差别的,该法忽略了这种不同,因而是有误差的。所以引入
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D
0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,D
0和t是未知的,可以设想,如果
在某一地质体空间不同部位采集多个样品,则各个样品所包含的t和D
0是相同的,而D
和N值可能存在差别,由此,对采用同一地质体的一组样品,可将D=D
0+N(eKt-1)
式构成一组Y=A+BX的直线方程。A为D
0
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D
0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;Pb-Pb等时线法等。
313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CO
2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
101
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行定量模式化[8]。
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。
314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,DNd,DD,D18O,D13C值有明显的突变[9]。深海
钻探表明,该边界附近的D18O突然飘移,相当于温度突然上升了8~13e;同时D13C
下降了达3j。这样大D13C的突变,从质量平衡角度看,要求把整个地球的生物圈的碳
都纳入海洋,而碳质球粒陨石总碳的可取-6~-7j,设一个1018g级的彗星的1/4为
碳,其陨落可使大洋D13C下降115j[3],而同时在K/T剖面Iridium(ppb)的值在粘土
层明显增大,而Iridium是宇宙物质,所以科学家们预测在65百万年时,有陨石撞击地
球,很有可能落入海水中,引起大量的水喷到大气中,导致地表温度上升8~13e,生
物不能适应温度的突变,大量死亡灭绝,其中包括恐龙;大量的水和二氧化碳,甲烷等
温室效应的气体的存在,导致硅酸盐风化速率也加大,降水也随着加大,从而把大量的
陆地物质带入海洋中去,而海水中的Sr,Nd等元素的来源有:1)海底黑烟囱,1@
1018g/ma;2)河流带来的陆源物质3@1018g/ma;3)深海沉积物只有015@1018g/ma。
因而海水中的上述元素的来源主要是河流带来的陆源物质。而海水中的沉积物,珊瑚骨
的CaCO
3直接来自海水,在此过程中,由于珊瑚的Sr、U同位素组成代表其形成时期周
围海水的同位素组成即近似代表沉积的海水的值,所以Sr、U等固体同位素的分馏可以
忽略,所以在粘土层可见Sr,Ir的元素的丰度明显加大,由于Nd的强耐风化,抗干扰
的能力,导致是在残留的难溶的物质中,其丰度明显增大;大量的降水使得当时海水
DD,D18O的降低,所以在残留的难溶物质中,DD,D18O的丰度也是增大的[10]。用同位
素的丰度和组成突变推测发生在65百万年的陨石撞击地球灾变事件,得到广大学者的
认可。同样,在40百万年时,87Sr/86Sr同位素的突然增大,也论证在当时有特殊的事件
发生。由于海水中的87Sr/86Sr同位素主要是来自陆源的物质,所以可以把同位素组成的
突增同世界上主要的河流)))长江和黄河的源头青藏高原的不断隆起联系起来,由于源
头的隆起,大面积的陆地抬升,造成河流的落差加大,流速加大,河水的流通量也大大
的增加,带入大量的陆源物质进入海洋中,在河流奔海的过程中,有效的增加了化学风
化,硅酸盐风化吸收大量的CO
2,控制了大气中CO2含量,地球内部构造运动对大气
CO2的输出和地表硅酸盐风化消耗CO2不平衡,造成了大气中的浓度明显下降和全球温
度的下降,形成了新时代的/冰室效应0即著名的/构造隆升驱动气候变化0假说。
315古气候变异的示踪
在第四纪古气候研究方面,同位素发挥着重要的作用,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
102
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
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[11]。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CO
2对树木生长来说是物料条件,
高的降水量和CO
2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CO
2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CO
2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D13C呈负
相关的关系[12]。由此可知在干旱少雨和大气CO
2含量低年平均气温低的地区树木年轮
中测定D13C的相对较低。因此可以用树轮的D13C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CO
2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,为近十多万年来冰期-间冰期的交替历
史建立了许多标准剖面[13]。
316石油和天然气的地质勘探研究
过去在石油天然气方面的同位素研究主要是了解不同环境下油气在稳定同位素组成
上的差别,不同组分之间的稳定同位素的分馏,起源稳定同位素组成与成熟度的关系等
基本问题。近年来更多地出现将同位素直接用于汽油普查的研究成果。如在AIG-1会
上,英国的Coleman介绍了用氢氧同位素组成变化研究油层中两种来源水混合造成的水
同位素组成不均一性,为探究油田中油和水运动方式和途径提供了资料。加拿大的
Krouse等用碳同位素方法监测油砂原地处理过程,为油砂合理开发提供了一种简便监测
手段。英国的Clayton对石油裂解气化时的碳同位素分馏进行研究,发现氢是决定裂变
速度的关键因素。Johansen和Raheim则用87Sr/86Sr比值的变化研究油田中成岩反应机制
和物质迁移形式,甚至进行储油(气)区水动力系统的填图。Faure也用锶同位素组成
研究油层中卤水的混合稀释过程[14]。
4非传统稳定同位素研究的最新进展
自从放射性现象的发现,人们开始了大量的研究,越来越多的同位素被人们所认
识。尤其是进入到80年代,质谱仪的测试技术的进步,特别是新一代多接收电感耦合
等离子体质谱仪(MC-ICPMS)应用在同位素地球化学中,测定精确度越来越高,甚至
达到十二万分之二,很多微小的同位素差异都可以被测试出来,大大的开拓了同位素的
研究领域。而在早已为人熟知的稳定同位素地球化学中,除了C,N,O,H外,科学
家们又发现了S,iL,iC,lB,Ga,Mg和过渡元素Fe,Cu,Mg等非传统性同位素,这
几种元素已经在宇宙化学、矿床学,海洋学等研究领域显示出优越性,随着研究工作的
近一步深入和测试技术的进步,非传统稳定同位素等有望在地球和行星科学中取得更广
103
5研究生学刊6(自然科学、医学版)二oo六年第三期
泛的应用,成为具有巨大前景的一种新的地球化学研究手段。
411硅同位素研究及应用
尽管硅同位素的质量相差较大,但由于Si同位素之间的相互分馏较小和缓慢,小
于7j所以长期以来一直是把它做为稳定同位素,现在可以将硅质岩等样品粉碎到200
目,进行煅烧,去除有机质,后用HCl浸泡,除去其中的菱铁矿等硫化物,在550-
600e条件下,将样品与BrF5反应15小时,收集形成的SiF4气体,送MAT25/EM型质
谱仪分析D30Si同位素组成[3]。测试精度可达到011j。硅在溶液中主要呈单分子硅酸
形式存在,硅在溶液中的沉淀实际是硅酸的聚合过程,是一个化学过程,为不可逆反
应。Si同位素可以有效示踪成矿物质来源,特别是用来研究热水沉积矿床的成因。从动
力学角度看,化学反应中轻同位素D28Si优先进入Si-O四面体沉淀,所以30Si在热泉中
沉积有很低的负值,所以可以近一步说明BIF和硅华是典型的热水沉积。同样万德芳等
人研究表明结核核心Si同位素组成的负值也能说明其成因是热水成因。
表1结核核心物质Si同位素组成
S样号取样地区
D30Si
NBS-28
j
5234西北丘陵-0.3
5389东南丘陵-0.3
5392西南海山-0.3
5459南部平原-0.2
5302中部海山链-1.0
分析精度?011j(分析者:矿床所万德芳等)
412锂同位素研究及应用
锂同位素示踪是近几年发展起新兴的稳定的同位素地球化学方法。由于锂同位素质
量分馏大,在自然界的地质体里含量又少,所以精确测定地质样品中的锂同位素组成很
困难。直到上世纪90年代建立了锂同位素高精度的分析方法,才使得锂同位素进入实
际的应用阶段。目前,锂同位素地质应用才刚刚起步,主要集中在太阳系核聚合过程、
热液活动和洋壳蚀变、壳幔物质循环过程以及示踪卤水起源和演化等方面。锂同位素大
的质量分馏和在不同的地质体存在着截然不同的D6Li值,所以锂同位素有着很广泛的
应用前景[15]。目前,锂同位素在研究星云形成过程和宇宙事件,洋壳蚀变和海底热液
活动,壳-幔物质循环和板块俯冲作用过程,判断卤水起源和演化等方面的研究中成效
显著。
41211锂同位素测试方法
目前建立的锂同位素高精度的测试方法主要有以下三种。
第一种:热电离质谱法(TIMS)
将样品中的Li通过一定的化学分离方法提纯出来,转化成Li
2B4O7或Li3PO4后,用
TIMS法测量其锂同位素组成。分析精度可达013j,所需样品量约为250ngLi[16]。
104
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
第二种:多接收等离子体质谱法(MC-ICP-MS)[17]
该方法分析精度为111j,比TIMS法稍差。但它也有许多优点:所需样品量少(约
40ngLi),测试速度快(每个样仪器分析只需8分钟)。与TIMS法相同,样品也需通
过一定的化学分离方法,将Li分离纯化后才能通过质谱仪测量。
第三种:离子探针法(Ionprobe)[18]
该方法使用的较少,主要用于陨石的同位素组成测量,分析精度较差(约110j~
314j)。该方法的优点是样品无需通过复杂的化学分离纯化过程。
413硼,氯同位素研究及应用
硼、氯都是海洋和盐卤水及相关体系中的相对富集元素,硼、氯各有两种稳定同位
素分别为10B和11B以及35Cl和37Cl。在很多含盐度较高的环境下是硼,氯相对富集的场
所,硼,氯和盐度成正相关的关系,所以较多的应用与高盐度的环境有关的示踪。
自然界硼同位素组成变化很大,不同地球化学库中不但硼同位素组成不同,而且硼
的浓度相差很大,而且它虽然是一种微量元素,但它在自然界分布很广,如海洋等含盐
度较高的场所,还有在火成岩和变质岩中电气石石一种十分常见的矿物。硼在天然样品
中被氧所束缚,以B(OH)
4
-或B(OH)
3形式存在,硼不参加氧化还原化学反应,在自
然界,硼同位素的分馏由样品中硼所处的结构比例所决定。在蒸发作用、离子交换、气
相或液相扩散、吸附作用的过程中都会由于硼同位素在不同结构相中的相对富集程度而
产生分馏[19]。10B在B(OH)4
-中相对富集,11B在B(OH)3结构中相对富集[20]。海水
中B主要是三次配位B(OH)
3和四次B(OH)4
-存在,前者为后者的4倍。11B优先进
入B(OH)
3,而10B优先进入B(OH)-
4,矿物中B主要以四次配位B(OH)-
4,流体中
以三次配位B(OH)
3为主;B(OH)-
4较B(OH)3优先进入珊瑚等生物体,同时pH
值也控制碳酸盐的B含量和D11B组成[21]。所以可以用珊瑚中的D11B组成来检验海水的
pH值。同时无污染的D11B较高,如果下降很快,可能是受到农药等的污染。所以也可
应用于环境的监控。自然界氯同位素的分馏主要是由于37Cl和35Cl的质量差所引起的。
硼、氯在地球化学中表现为不相溶元素,硼、氯均不参与在地质体的演化过程中,更多
的是随着水体的迁移而在海洋、湖泊等沉积环境条件下相对富集,或与其流经的围岩发
生交换和沉积作用,伴随着上述过程的进行,硼、氯同位素组成发生变化并记录了地质
体演化条件的变化,因而对硼、氯同位素地球化学研究在探讨地下水、热液蚀变或交
换、表生湖、海相沉积环境等方面显示出特殊的作用。
414过渡族金属同位素研究及应用
由于同位素分析方法的改进和多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的应
用。近年来过渡族金属元素(Cu,Zn和Fe)同位素地球化学有了长足进步,成为国际
地学领域的一个前沿研究方向。但对自然界中各类地质体和生物的过渡族元素同位素组
成了解还不是很多,目前仍处在数据积累阶段。Cu同位素在自然界中的变化最大,D65
Cu值为-3170j~+2105j;Zn和Fe同位素变化比Cu同位素变化小,D66Zn值为-
0164j~+1116j,而D56Fe值为-1162j~+0191j。自然界中各种无机过程(从
高温到低温)和生物有机过程均能使Cu,Zn和Fe同位素发生分馏。Cu、Zn和Fe在
自然界中广泛分布于各类矿物、岩石、流体和生物体中,并广泛参与成岩成矿作用、热
105
5研究生学刊6(自然科学、医学版)二oo六年第三期
液活动和生命活动过程。因此,这些过渡族金属元素同位素已在陨石和宇宙化学、矿床
学,海洋学和生物学等领域的研究中取得了显著成效,并将成为地球科学中具有巨大应
用前景的一种新的地球化学手段例如Fe在具重要价值的海底Fe-Mn结壳和BIF带中就
是一个重要的研究方法之一。但Cu同位素的分馏原理和规律还没有形成具体和明确的
体系,所以尽快开展Cu同位素的分馏原理和规律,已是Cu同位素地球化学发展和应用
的当务之急[22]。
同时由于过渡族金属元素在生物体中均十分活泼,因此它们的同位素组成变化有可
能用于示踪生物圈和地圈之间的相互作用和用于示踪这些元素进入生物体的途径和在生
物生长过程中的作用[23]。
5同位素地球化学研究的前景
自然界同位素变化既有规律性也有其复杂性,常常是/不识庐山真面目0,矿床地
球化学研究犹如/瞎子摸象0,能否能采集到具有充分代表性的样品进行地球化学分析
至关重要;对控制自然界同位素变化原理的理解仍然是有限的,矿床同位素地球化学研
究的方向之一就是不断发展和完善这些原理。理论模式则有助于我们高屋建瓴的分析问
题,因此已成为国际上同位素地球化学研究的前沿方向之一。
近年来,同位素地质应用表现出五个明显的趋向:即对陨石和星际物质的研究,对
壳幔关系的研究,对地表圈层的研究,对资源和环境方面的实际应用的研究,新测试方
法的应用开拓研究。其中尤其是后三个方面的研究更为活跃。除了大家熟知的/稳定同
位素地球化学0已形成一门独立的学科外,稳定同位素还广泛的应用于其他的学科,科
学家通过C,N的同位素分析可以知道农作物施肥的最佳配比和时间;科学家通过N,
C同位素分析,从而推断古人食物习性的化学信息,通过C,O同位素分析,可以知道
古代陶瓷制品,珠宝玉器的源产地及文物鉴定;通过O同位素分析,可以知道古代海水
的温度及当时的环境状态;而研究大洋中H,O同位素还可以知道大洋海流的流向,从
而获得对军事,渔业具有价值的资料,近年来,科学家还把稳定同位素应用于医学领
域,只要喝上一口专配的糖水,测试人体呼出的CO
2中的C同位素比值,就可准确的
判断被测试者是否患了胃溃疡。将同位素直接应用到人体,作为一种示踪试验而在诊断
上利用的情况,也是不少的。如利用32P测量血浆和血球的量,利用贫血者对Fe的高吸
收率来测定人体是否贫血。但一般是用极微量[24]。还可以通过C,N同位素分析来确定
红酒的生产地。在商检工作中,目前C同位素分析已成为进出口蜂蜜必检的一项防假的
技术指标。
同位素地球化学是地质学与化学、物理学、以及高精密分析测试和实验技术相结合
的新型学科。随着人类对地球的起源、演化历史及其物质组成等方面的深入研究,以及
对其它星球的探索,同位素地球化学日益占有重要地位。如果说,自上个世纪60年代
以来,地球化学已成为固体地球化学重要的支柱之一的话,则同位素地球化学也已发展
为地球化学的重要支柱。回顾近一百年若干涉及多学科的固体地球化学的重大成就常不
同程度与同位素地球化学有关。同位素地球化学使地球和它的众多地质体及若干天体的
106
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
时间演化逐渐定量化,并开拓了构造发育与成岩成矿机制研究的思路。可以毫不夸张地
说,如果缺少了同位素地球化学这一分支的重要贡献,整个地球化学事业就会显得缺少
生机[25]。
致谢:衷心感谢中山大学的孙晓明教授和的悉心指导和提出的宝贵修改意见及张恩
副教授所给予的帮助
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IsotopegeochemistryandItsApplicationinGeologicalStudies
TangQianDiWen
(DepartmentofEarthSciences,SunYat-senUniversity)
Abstract:Theprogressofisotopegeochemistryresearchisremarkablenowadaysandithasbeenwidelyapplied
inthegeologicalresearchesandatpresentmainlyadoptedinthefollowingthreeaspects:tethephys-i
ca-lchemicalconditionandenvironmentduringthegeologicalprocess;ofisotopeingeochronology;
persummarizesprincipleofdating,researchmethods,applicationandpresent
situationoftheisotope,pointoutthesignificance、futureresearchfieldandapplicationofthenewisotopeS,i
L,iB,ClandthetransitionmetalisotopeCu,Zn,Fe.
Keywords:Isotopegeochemistry;Geology;Geochemistrytracing;Applicationandsignificance
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