同位素地球化学

在地学研究中的应用

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值有明显的突变。深海钻探表明,该边界附近的δ18O突然飘移,相当于温度突然上升了8～ 13℃ ;同时δ13C下降了达3‰。这样大δ13C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～ - 7‰ ,设一个1018g级的彗星的1/4为碳,其陨落可使大洋δ13C下降1.5‰[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～ 13℃ ,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0.5 × 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CaCO3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δD,δ18O的降低,所以在残留的难溶物质中,δD,δ18O的丰度也是增大的。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CO2,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”即著名的“构造隆升驱动气候变化”假说。

2.4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,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。

2.5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。

3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,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”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CO2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。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。

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