矿床同位素的示踪技术—以岩浆岩为例

姚赟胜

摘要：同位素成矿作用示踪理论、技术和方法，是矿床地球化学研究的重要基础，也是了解矿床物质活化、迁移、富集以及成矿源区和成矿流体演化过程的重要手段。因此来说矿床同位素示踪技术在其中发挥了不可替代的重要作用。本文以放射性、稀有气体、及氯、锂同位素示踪技术为主浅述在岩浆岩矿床的应用。

关键词：矿床同位素示踪；稀有气体； 放射性同位素

1同位素示踪技术基本原理

同一元素由于不同同位素之间的原子质量不同，热力学性质方面也有微小的差异。由于这种差异引起同位素的分馏，从而导致同位素的组成在物理、化学作用发生了变化。同位素经过长期的分异、分馏、衰变演化过程，使地球不同地质单元及不同圈层之间具有明显不同的同位素组成特征。因此，可根据同位素具有基本相同的化学性质，示踪成岩、成矿物质的来源，推断源区的地球化学特征[1]。除此还可依据矿物同位素组成及同位素分馏规律去有效的示踪矿物形成时的演化过程和物化条件。

2放射成因同位素示踪

到目前为止，有关放射性元素的同位素研究工作主要集中于研究成岩，成矿作用以及地球演化等过程，在地幔地球化学端元划分的研究中也取得了很多的成果。Sr、Nd 、Pb、及Os等放射成因同位素在幔源岩研究中应用及其广泛。放射成因同位素衰变而导致的同位素组成有明显的差异，利用这些差异可以追溯岩浆的起源及其演化。

在岩浆作用过程中，当地慢部分熔融时，Re在熔融液相中富集，为不相容元素，而Os却常保留在残余固相中，为高度相容元素，在此程中表现出了不同的地球化学行为[2]。由于地壳相对富Re，混入的地壳物质愈多产生的放射187Os含量就越高，在地球的壳、幔、核分异作用过程中造成Re、Os在地壳、地慢、和地核中的比值有较大的差异。因此Re-Os体系是研究壳、慢、核物质运移的极好示踪剂。

在与基性、超基性有关的铜镍硫化物矿床中，可以利用187Os/188Os的比值在壳，幔岩石中的明显差异来确定的成矿物质的来源。此外，将Re-Os同位素体系与其他元素或同位素比值结合起来联合示踪已成为一种新的趋势[3]。（如新疆菁布拉克铜镍矿床中橄榄辉长岩和硫化物样品中同位素组成及Re-Os含量，认为硫化物中低的187Os/188Os值、低的 Re/Os值及高的Os含量暗示了成矿物质源于地幔）。

3稀有气体同位素示踪

在稀有气体中， 研究与应用最多的是He、Ne，Ar同位素， 其中以He同位素的研究程度最高，由于其同位素组成在地壳与地幔中极不相同，所以在研究地球内部流体的来源以及运移机制和演化历史中有重要作用，同时在示踪壳-幔相互作用过程中被视为灵敏的指示剂。

稀有气体同位素比值的意义及应用领域极为广泛：3He/4He 等用于区分构造环境，探讨地球圈层结构；3He/20Ne-4He/20Ne用于计算地幔氦输出量；20Ne/22 Ne，21Ne/22Ne等用于溯源；4He/40Ar（放射源）用于讨论岩浆房深度等[4]。

氦同位素在自然界中的变化范围非常大，其氦同位素组成因不同成因和来源而不同。宇宙射线作用产出3He ， 使宇宙成因氦3He/4He比值高达10-1。地壳富含U、Th 等放射性元素，U、Th衰变产生4He ，使地壳岩石的3He/4He比值非常低，一般为n×10-8。地幔中放射性元素含量很低，基本保持了地球形成时原始氦的同位素组成。其中下地幔的3He/4He比值最高为4.48×10-5[5]，大气氦的3He/4He 比值很稳定，为1.4×10-6。MORB（大洋中脊玄武岩）的典型3He/4He值为（8±1）Ra，而OIB（洋岛玄武岩）和地幔柱的3He/4He比值大于8-8.5Ra， 即高于MORB值，且变化较大[6]。MORB源区的3He/4He比值为1.2×10-5左右。所以氦同位素已成为示踪幔源组份、区分地壳、地幔岩石、划分地幔类型、研究地幔柱构造的重要手段。

4其他同位素的示踪

氯有2个稳定同位素（35Cl，37Cl），由于质量差所引起了氯同位素的分馏，其表现为不相容元素，在地质体演化过程中记录了氯同位组成的变化，因此被广泛的应用于环境的检测、热液蚀变或交换、海相沉积环境热液等。此外，因氯具有低粘滞性和强挥发性的特性，所以在壳-幔物质相互作用中具有的良好指示剂。

锂是碱金属元素又是中度不相容元素，且在地壳中比地幔中富集。锂的两种稳定同位素 （6Li和7Li）在相对质量上具有较大差异导致了明显的同位素分馏，研究发现在近地表的分馏程度为-20‰-40‰。此特性使得 Li同位素体系在地表到地幔的流体与矿物之间相互作用方面具有良好的地球化学指示剂。（如常用于示踪热液活动与洋壳蚀变的关系以及壳—幔物质循环等重要的地质过程）。

参考文献

[1]李延河，1998，同位素示踪技术在地质研究中的某些应用[J]，岩石学报，5（1）：275-279.

[2]史仁灯， 郝艳丽，黄启帅，2008，Re-Os同位素对峨眉山大火成岩 省成因制约的探讨[J]，岩石学报，24（ 11）：2516-2518.

[3]胡瑞忠，温汉捷，苏文超等，2014，矿床地球化学近十年若干研究进展[J]，矿物岩石地球化学通报，33（2）：131-133.

[4]马锦龙，陶明信，2003，幔源岩类中的稀有气体同位素与Sr、Nd、 Pb同位素研究进展[J]，矿物岩石地球化学通报，22（1）：70-72.

[5]Marty B，Pik P，Gezabegn Y，1996，Helium isotopic bariation in Enthiopian Plume laba：nature of magmatic source and limit on lower mantle contribution[J]， Earth Planet Sci Lett，144：223-237.

[6]李晓斌，陶明信，2007， 地幔柱稀有气体同位素示踪研究的进展及其意义[J]，地质通报，26（12）：1006-1067.endprint