同位素地球化學(xué)中H、O同位素應(yīng)用的探討

鄧聲保

（東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013）

同位素地球化學(xué)中H、O同位素應(yīng)用的探討

鄧聲保*

（東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013）

同位素地球化學(xué)是研究自然體系中同位素的組成、豐度及在自然作用中分餾和衰變規(guī)律的科學(xué)。在對礦床的研究中，成礦流體的來源，都會用到同位素的方法用于示蹤，探討源區(qū)，例如用到氫的同位素組成δD和氧的同位素組成δ18O來判別來源處，看是來源于大氣降水、巖漿水還是變質(zhì)水，或者共同混合作用的結(jié)果。概述了同位素的概念，論述氫氧同位素的分餾影響因素，可以給后來研究者以更多的啟示。

同位素組成；大氣降水；巖漿水；變質(zhì)水

地球已經(jīng)存在了46億年，而我們?nèi)祟惔嬖诘厍蛏系臅r間卻相對來說極為短暫，地質(zhì)環(huán)境過程是漫長的時期，因此需要我們通過現(xiàn)有的科技手段來探尋自然變更過程，同位素示蹤就是比較有效的方法。同位素地質(zhì)應(yīng)用是同位素地球化學(xué)的重要組成部分和研究的目的，同位素地球化學(xué)的發(fā)展，推動著人類朝著更前一步發(fā)展，地質(zhì)行業(yè)也興旺蓬勃。同位素分析技術(shù)在后來被慢慢地發(fā)展成為單獨的領(lǐng)域。正因為同位素的特殊性和典型性，同位素組成已廣泛地應(yīng)用到隕石、月巖、地球火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖、大氣、生物、海洋、河流、湖泊、地下水、地?zé)崴案鞣N礦床的研究［1-3］。

地球的歷史是一個由大量地質(zhì)事件構(gòu)成的漫長的時間序列，一次地質(zhì)事件（構(gòu)造運動、后期熱液成礦）都是以百萬年（Ma）計算，時間漫長，只有少許地質(zhì)事件發(fā)生的證據(jù)留存至今，難度可想而知，流體包裹體近年來被人所重視，同樣的，同位素示蹤和測年的研究熱度始終都沒有冷卻過。同位素的遷移活動寓于地質(zhì)作用之中，每一次的地質(zhì)作用都伴隨著同位素的遷移、衰變，地質(zhì)事件對核的影響有可能跨越后期作用而被保留下來，因此同位素組成上的一些變化能給我們提供最接近事實的證據(jù)。

H、O同位素作為同位素示蹤的方法可以用來追溯地質(zhì)流體的來源，進(jìn)行判別是地質(zhì)流體是來自于地下水、大氣降水，抑或是地下水與大氣降水混合而成［4-5］。在以前很長一段時間，人們都忽視了大氣降水和海水對成礦的作用［6］，但隨著氫氧同位素技術(shù)的發(fā)展，人們的認(rèn)識也進(jìn)一步加深，開始重視二者在成礦過程中所扮演的角色。當(dāng)然在具體的H、O同位素研究中，也會有其他一些影響因素。下文中，將就H、O同位素的一些概念、分餾特征進(jìn)行總結(jié)。

1　同位素的相關(guān)概念

同位素的表示方法為：“A”，A為某元素的符號，m為其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，m（質(zhì)量數(shù)）=Z（質(zhì)子數(shù)）+N（中子數(shù)），這是我們大家都比較熟知的。應(yīng)用較多的便有：氫同位素：1H、D、3H（T）；碳同位素：12C、13C、14C；氧同位素：16O、17O、18O；硫同位素：32S、33S、34S、36S；鍶同位素88Sr、87Sr、86Sr、84Sr；釹同位素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、150Nd；鉛同位素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb；鈾同位素：235U、238U；銣同位素：85Rb、87Rb；釤同位素152Sm、154Sm、147Sm、148Sm、149Sm等。

同位素豐度：與地殼元素豐度不同，這里指的是某種元素的各種同位素原子數(shù)相對于其原子總數(shù)的百分比。

同位素比值：指的是對同一種元素的兩種同位素豐度之比。與同位素豐度一樣，它也是用來表示天然物質(zhì)中同位素含量的一種方式。習(xí)慣上把重質(zhì)量數(shù)的同位素原子記作比值的分子，輕質(zhì)量數(shù)的同位素原子記作比值的分母。

δ值：然而自然界中，同一元素的2種同位素的差別是很微小的，于是為了能直接表示出這一微小變化，便引入了δ值。δ值是指某一元素樣品中的2種穩(wěn)定同位素的比值相對于某種標(biāo)準(zhǔn)樣品對應(yīng)比值的千分差值，即：

式中：R——樣品、標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素比值。

樣品的δ值為正數(shù)時，表示樣品相對富含重同位素，如果為負(fù)數(shù)，則表示樣品相對虧損重同位素。

同位素組成：一種泛指各種物質(zhì)同位素含量的稱謂，這個同位素含量包括同位素豐度、同位素比值和δ值三者。

同位素分餾：是指一系統(tǒng)中，某元素的各種同位素原子或分子以不同的比值分配到各種物質(zhì)和物相中的作用。

同位素分餾系數(shù)（α）：某一物質(zhì)中2種同位素豐度之比與另一個物質(zhì)中相應(yīng)2種同位素比值之商。用以表示2種物質(zhì)間同位素的分餾程度。

定義為：

式中：RA——A物質(zhì)的某種元素的同位素豐度之比；

RB——B物質(zhì)中同位素的同位素豐度之比。

當(dāng)αA-B＞1，表示A物質(zhì)相對于B物質(zhì)富同位素；αA-B＜1表示A物質(zhì)相對于B物質(zhì)富輕同位素。αA-B只表示2種物質(zhì)間同一元素的同位素組成相對差別的程度，到底是何種原因造成這一種差別，這就需要通得過其他工作獲知。例如：硫化物-硫酸鹽的硫同位素分餾系數(shù)，可以寫成：

同位素富集系數(shù)（Δ值）：用來表示同一元素在2種物質(zhì)間同位素組成差別的程度。定義為ΔA-B=δA-δB，式中δA和δB分別代表2種不同物質(zhì)同一元素的同位素組成。

2　同位素地球化學(xué)在地學(xué)上的研究應(yīng)用

同位素地球化學(xué)在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的的應(yīng)用涉及以下3個方面：

（1）地質(zhì)過程物理化學(xué)條件和環(huán)境指示：地質(zhì)過程中圍巖的氧化還原環(huán)境等物理化學(xué)條件的改變會引起物質(zhì)的同位素組成發(fā)生變化，因此我們就可以利用這一特性，用來測定地球化學(xué)過程中的某些強(qiáng)度因子，比如在地學(xué)領(lǐng)域的重要運用便是測溫，為許多人所熟知，即所謂的地質(zhì)溫度計［8］。

（2）進(jìn)行地質(zhì)年代的測定：這一方面便是運用元素的放射性衰變原理，利用放射性同位素的半衰期，由母體衰減和子體積累，進(jìn)行時間的計算，應(yīng)用廣泛可以測定地質(zhì)體系的形成時代。目前運用的有：40Ar/39Ar法、（鈾、釷）—鉛法、銣—鍶法等。

（3）地球化學(xué)示蹤：利用同位素組成的差別來反演地質(zhì)作用過程，指示成礦地質(zhì)體來源，比如H、O同位素對成礦流體來源的區(qū)分。

3　氫氧同位素的特征

3.1氫氧同位素的地球化學(xué)性質(zhì)

氫和氧是自然界含量較高的2種元素，它們的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，能和許多元素組成化合物。水是一種重要的氫氧化合物，在整個地球上分布最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計整個地球水圈水的總量達(dá)（1.8～2.7）×1024g。在化學(xué)反應(yīng)中，水是反應(yīng)場所，是溶劑，在地質(zhì)作用過程中，水則是載體，運載著成礦元素及熱量，然后與圍巖發(fā)生水—巖作用，進(jìn)而產(chǎn)生熱液蝕變或成礦。表1展示了氫、氧元素的某些地球化學(xué)參數(shù)。在自然界中氫氧元素分布廣泛，且在各種地質(zhì)作用，氫氧同位素都有舉足輕重的地位，因此，就可以研究氫氧同位素組成的變化規(guī)律和地質(zhì)過程之間的聯(lián)系，反推地質(zhì)事件發(fā)生的大致過程。

表1　氫和氧的某些地球化學(xué)基本參數(shù)［9］

表2　氫氧同位素相對豐度［10］

從表2中可以看出，氧的3個穩(wěn)定同位素中16O的相對豐度最大，已經(jīng)高達(dá)99.759%，17O的相對豐度太少，18O比17O相對豐度稍大，因此氧的同位素相對豐度特征決定了只有18O和16O比值可以用來分析氧的同位素分餾，效果會更明顯。1H的相對豐度已經(jīng)接近100%，2個同位素相對豐度差很大，對于研究分餾效應(yīng)十分有利。

3.2氫、氧同位素分餾機(jī)理

影響氫、氧同位素分餾的因素比較多，不同的影響因素影響的結(jié)果也不同，分餾程度各異，共分為蒸發(fā)凝結(jié)分餾、動力學(xué)分餾和熱力學(xué)分餾。

3.2.1蒸發(fā)凝結(jié)過程中的分餾

（1）蒸發(fā)過程。這里對蒸發(fā)過程的進(jìn)行簡述。自然界中的水一共有9種同位素水分子聚合體，而這9種同位素聚合體劇透不同的質(zhì)量數(shù)，有些較輕，有些稍重，不同質(zhì)量數(shù)的水分子聚合體具有不同的振動頻率，輕質(zhì)量數(shù)水分子的振動頻率高于重質(zhì)量數(shù)的水分子聚合體。因此，在蒸發(fā)過程中，輕質(zhì)量數(shù)的水分子更容易獲得能量而脫離液體界面，隨著這一遷移形式的加劇，剩余液體中便相對富集重質(zhì)量數(shù)的水分子。

在封閉系統(tǒng)中，氫和氧同位素分餾所滿足的瑞利方程表示如下：

式中：α——一定溫度下，氫和氧同位素分餾系數(shù)；

f——蒸發(fā)或凝聚后的殘留分?jǐn)?shù)。

蒸發(fā)過程涉及平衡蒸發(fā)和不平衡蒸發(fā)。

（2）平衡蒸發(fā)。這里所說的平衡蒸發(fā)就建立在水的蒸發(fā)速率足夠緩慢，平衡狀態(tài)得以維持。

（3）不平衡蒸發(fā)。與平衡蒸發(fā)相反，當(dāng)水的蒸發(fā)速率過快，氣-液之間的分餾平衡無法維持。

（4）凝結(jié)過程。水蒸氣在高空與顆粒結(jié)合液化，實現(xiàn)了由氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，在這一過程中氣—液之間處于分餾平衡狀態(tài)。在凝聚過程中，根據(jù)開放程度，又可以分為封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)。

3.2.2動力學(xué)分餾

細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)或細(xì)菌氧化甲烷都會產(chǎn)生明顯的氧同位素分餾。其特點是，產(chǎn)物富含輕同位素，殘留物富含中同位素，富含D。

植物的光合作用、呼吸作用以及細(xì)菌的還原硫酸鹽和脫碳酸反應(yīng)，都存在著氫氧同位素動力分餾。

3.2.3熱力學(xué)同位素分餾

主要是氣體組分、氣液組分之間的同位素分餾，固液之間的氫氧同位素交換比較典型的便是水—巖作用，因此存在水—巖作用同位素分餾，自然界里礦物之間常會發(fā)生共生。自然界中，有許多共生的礦物，共生礦物之間會發(fā)生同位素交換的現(xiàn)象，在較長的地質(zhì)時期，同位素的分餾一直都是平衡的。

4　結(jié)語

不同來源的地質(zhì)流體具有不同的氫氧同位素分餾特征，因此我們進(jìn)行溯源的時候，就可以利用氫氧同位素的分餾規(guī)律對原始成礦流體的特征進(jìn)行歸納分析。影響同位素分餾的因素較多，有蒸發(fā)過程中的氫氧同位素分餾、氫氧動力同位素分餾和熱力同位素分餾，而且分餾程度各不相同，但在具體的求證過程中，也要結(jié)合礦床的實際特征進(jìn)行分析。

在變質(zhì)作用的研究中，氧同位素應(yīng)用最為普遍。這是因為變質(zhì)巖及其各種變質(zhì)礦物中，既可能保存有原巖組分、變質(zhì)過程中流體—巖石的相互作用，又可能保存有變質(zhì)溫度的信息。

氫氧同位素的應(yīng)用效果較好，準(zhǔn)確性高。人們在應(yīng)用氫氧同位素追溯地質(zhì)流體來源時候，通常會用到不同來源水的氫氧同位素組成圖，運用圖解來區(qū)分巖漿水、大氣降水和變質(zhì)水。

同位素的應(yīng)用大大提高了地質(zhì)科研人員對礦床的研究效率，隨著同位素技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，地質(zhì)科研會前進(jìn)一大步。

［1］張艷，魏平堂.Sedex型Pb-Zn礦床氫氧同位素地球化學(xué)［J］.綜述礦產(chǎn)勘查，2012，3（3）：374-378.

［2］滕彥國，倪師軍，張成江，曹志敏，羅梅.阿西金礦床流體成礦的地球化學(xué)示蹤研究［J］.貴金屬地質(zhì)，1999，8（2）：104-109.

［3］鄭永飛，傅斌，李一良，肖益林，龔冰.大別山超高壓變質(zhì)作用期前和期后水—巖相互作用的氫氧同位素證據(jù)［J］.中國科學(xué)（D輯），1999，29（2）：113-121.

［4］郭林楠，等.膠東望兒山金礦床氫—氧同位素地球化學(xué)［J］.巖石學(xué)報，2014，30（9）：2481-2494.

［5］楊利亞，等.造山型金礦成礦流體來源與演化的氫—氧同位素示蹤：夾皮溝金礦帶例析［J］.巖石學(xué)報，2013，29（11）：4025-4035.

［6］李延河.同位素示蹤技術(shù)在地質(zhì)研究中的某些應(yīng)用［J］.地學(xué)前緣，1998，5（1-2）.

［7］韓吟文，馬振東.地球化學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2012：246-247.

［8］湯倩，邸文.同位素地球化學(xué)及其在地學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.中山大學(xué)研究生學(xué)刊：自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)版，2006，27（3）：96-108.

［9］尹觀，倪師軍.同位素地球化學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2009：30-31.

［10］陳駿，王鶴年.地球化學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社.

P611

A

1004-5716（2016）10-0145-03

2015-11-11

鄧聲保（1991-），男（漢族），江西撫州人，東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦床地球化學(xué)。