同位素地球化学中H、O同位素应用的探讨

2016-10-12邓声保

西部探矿工程 2016年10期

关键词：氢氧同位素成矿

邓声保

（东华理工大学地球科学学院，江西南昌330013）

同位素地球化学中H、O同位素应用的探讨

邓声保*

（东华理工大学地球科学学院，江西南昌330013）

同位素地球化学是研究自然体系中同位素的组成、丰度及在自然作用中分馏和衰变规律的科学。在对矿床的研究中，成矿流体的来源，都会用到同位素的方法用于示踪，探讨源区，例如用到氢的同位素组成δD和氧的同位素组成δ18O来判别来源处，看是来源于大气降水、岩浆水还是变质水，或者共同混合作用的结果。概述了同位素的概念，论述氢氧同位素的分馏影响因素，可以给后来研究者以更多的启示。

同位素组成；大气降水；岩浆水；变质水

地球已经存在了46亿年，而我们人类存在地球上的时间却相对来说极为短暂，地质环境过程是漫长的时期，因此需要我们通过现有的科技手段来探寻自然变更过程，同位素示踪就是比较有效的方法。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，同位素地球化学的发展，推动着人类朝着更前一步发展，地质行业也兴旺蓬勃。同位素分析技术在后来被慢慢地发展成为单独的领域。正因为同位素的特殊性和典型性，同位素组成已广泛地应用到陨石、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［1-3］。

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，一次地质事件（构造运动、后期热液成矿）都是以百万年（Ma）计算，时间漫长，只有少许地质事件发生的证据留存至今，难度可想而知，流体包裹体近年来被人所重视，同样的，同位素示踪和测年的研究热度始终都没有冷却过。同位素的迁移活动寓于地质作用之中，每一次的地质作用都伴随着同位素的迁移、衰变，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一些变化能给我们提供最接近事实的证据。

H、O同位素作为同位素示踪的方法可以用来追溯地质流体的来源，进行判别是地质流体是来自于地下水、大气降水，抑或是地下水与大气降水混合而成［4-5］。在以前很长一段时间，人们都忽视了大气降水和海水对成矿的作用［6］，但随着氢氧同位素技术的发展，人们的认识也进一步加深，开始重视二者在成矿过程中所扮演的角色。当然在具体的H、O同位素研究中，也会有其他一些影响因素。下文中，将就H、O同位素的一些概念、分馏特征进行总结。

1　同位素的相关概念

同位素的表示方法为：“A”，A为某元素的符号，m为其质量分数，m（质量数）=Z（质子数）+N（中子数），这是我们大家都比较熟知的。应用较多的便有：氢同位素：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；锶同位素88Sr、87Sr、86Sr、84Sr；钕同位素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、150Nd；铅同位素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb；铀同位素：235U、238U；铷同位素：85Rb、87Rb；钐同位素152Sm、154Sm、147Sm、148Sm、149Sm等。

同位素丰度：与地壳元素丰度不同，这里指的是某种元素的各种同位素原子数相对于其原子总数的百分比。

同位素比值：指的是对同一种元素的两种同位素丰度之比。与同位素丰度一样，它也是用来表示天然物质中同位素含量的一种方式。习惯上把重质量数的同位素原子记作比值的分子，轻质量数的同位素原子记作比值的分母。

δ值：然而自然界中，同一元素的2种同位素的差别是很微小的，于是为了能直接表示出这一微小变化，便引入了δ值。δ值是指某一元素样品中的2种稳定同位素的比值相对于某种标准样品对应比值的千分差值，即：

式中：R——样品、标准样品的同位素比值。

样品的δ值为正数时，表示样品相对富含重同位素，如果为负数，则表示样品相对亏损重同位素。

同位素组成：一种泛指各种物质同位素含量的称谓，这个同位素含量包括同位素丰度、同位素比值和δ值三者。

同位素分馏：是指一系统中，某元素的各种同位素原子或分子以不同的比值分配到各种物质和物相中的作用。

同位素分馏系数（α）：某一物质中2种同位素丰度之比与另一个物质中相应2种同位素比值之商。用以表示2种物质间同位素的分馏程度。

定义为：

式中：RA——A物质的某种元素的同位素丰度之比；

RB——B物质中同位素的同位素丰度之比。

当αA-B＞1，表示A物质相对于B物质富同位素；αA-B＜1表示A物质相对于B物质富轻同位素。αA-B只表示2种物质间同一元素的同位素组成相对差别的程度，到底是何种原因造成这一种差别，这就需要通得过其他工作获知。例如：硫化物-硫酸盐的硫同位素分馏系数，可以写成：

同位素富集系数（Δ值）：用来表示同一元素在2种物质间同位素组成差别的程度。定义为ΔA-B=δA-δB，式中δA和δB分别代表2种不同物质同一元素的同位素组成。

2　同位素地球化学在地学上的研究应用

同位素地球化学在地质学领域的的应用涉及以下3个方面：

（1）地质过程物理化学条件和环境指示：地质过程中围岩的氧化还原环境等物理化学条件的改变会引起物质的同位素组成发生变化，因此我们就可以利用这一特性，用来测定地球化学过程中的某些强度因子，比如在地学领域的重要运用便是测温，为许多人所熟知，即所谓的地质温度计［8］。

（2）进行地质年代的测定：这一方面便是运用元素的放射性衰变原理，利用放射性同位素的半衰期，由母体衰减和子体积累，进行时间的计算，应用广泛可以测定地质体系的形成时代。目前运用的有：40Ar/39Ar法、（铀、钍）—铅法、铷—锶法等。

（3）地球化学示踪：利用同位素组成的差别来反演地质作用过程，指示成矿地质体来源，比如H、O同位素对成矿流体来源的区分。

3　氢氧同位素的特征

3.1氢氧同位素的地球化学性质

氢和氧是自然界含量较高的2种元素，它们的化学性质比较活泼，能和许多元素组成化合物。水是一种重要的氢氧化合物，在整个地球上分布最为广泛，据统计整个地球水圈水的总量达（1.8～2.7）×1024g。在化学反应中，水是反应场所，是溶剂，在地质作用过程中，水则是载体，运载着成矿元素及热量，然后与围岩发生水—岩作用，进而产生热液蚀变或成矿。表1展示了氢、氧元素的某些地球化学参数。在自然界中氢氧元素分布广泛，且在各种地质作用，氢氧同位素都有举足轻重的地位，因此，就可以研究氢氧同位素组成的变化规律和地质过程之间的联系，反推地质事件发生的大致过程。

表1　氢和氧的某些地球化学基本参数［9］

表2　氢氧同位素相对丰度［10］

从表2中可以看出，氧的3个稳定同位素中16O的相对丰度最大，已经高达99.759%，17O的相对丰度太少，18O比17O相对丰度稍大，因此氧的同位素相对丰度特征决定了只有18O和16O比值可以用来分析氧的同位素分馏，效果会更明显。1H的相对丰度已经接近100%，2个同位素相对丰度差很大，对于研究分馏效应十分有利。

3.2氢、氧同位素分馏机理

影响氢、氧同位素分馏的因素比较多，不同的影响因素影响的结果也不同，分馏程度各异，共分为蒸发凝结分馏、动力学分馏和热力学分馏。

3.2.1蒸发凝结过程中的分馏

（1）蒸发过程。这里对蒸发过程的进行简述。自然界中的水一共有9种同位素水分子聚合体，而这9种同位素聚合体剧透不同的质量数，有些较轻，有些稍重，不同质量数的水分子聚合体具有不同的振动频率，轻质量数水分子的振动频率高于重质量数的水分子聚合体。因此，在蒸发过程中，轻质量数的水分子更容易获得能量而脱离液体界面，随着这一迁移形式的加剧，剩余液体中便相对富集重质量数的水分子。

在封闭系统中，氢和氧同位素分馏所满足的瑞利方程表示如下：

式中：α——一定温度下，氢和氧同位素分馏系数；

f——蒸发或凝聚后的残留分数。

蒸发过程涉及平衡蒸发和不平衡蒸发。

（2）平衡蒸发。这里所说的平衡蒸发就建立在水的蒸发速率足够缓慢，平衡状态得以维持。

（3）不平衡蒸发。与平衡蒸发相反，当水的蒸发速率过快，气-液之间的分馏平衡无法维持。

（4）凝结过程。水蒸气在高空与颗粒结合液化，实现了由气态到液态的转变，在这一过程中气—液之间处于分馏平衡状态。在凝聚过程中，根据开放程度，又可以分为封闭系统、开放系统。

3.2.2动力学分馏

细菌分解有机质或细菌氧化甲烷都会产生明显的氧同位素分馏。其特点是，产物富含轻同位素，残留物富含中同位素，富含D。

植物的光合作用、呼吸作用以及细菌的还原硫酸盐和脱碳酸反应，都存在着氢氧同位素动力分馏。

3.2.3热力学同位素分馏

主要是气体组分、气液组分之间的同位素分馏，固液之间的氢氧同位素交换比较典型的便是水—岩作用，因此存在水—岩作用同位素分馏，自然界里矿物之间常会发生共生。自然界中，有许多共生的矿物，共生矿物之间会发生同位素交换的现象，在较长的地质时期，同位素的分馏一直都是平衡的。

4　结语

不同来源的地质流体具有不同的氢氧同位素分馏特征，因此我们进行溯源的时候，就可以利用氢氧同位素的分馏规律对原始成矿流体的特征进行归纳分析。影响同位素分馏的因素较多，有蒸发过程中的氢氧同位素分馏、氢氧动力同位素分馏和热力同位素分馏，而且分馏程度各不相同，但在具体的求证过程中，也要结合矿床的实际特征进行分析。

在变质作用的研究中，氧同位素应用最为普遍。这是因为变质岩及其各种变质矿物中，既可能保存有原岩组分、变质过程中流体—岩石的相互作用，又可能保存有变质温度的信息。

氢氧同位素的应用效果较好，准确性高。人们在应用氢氧同位素追溯地质流体来源时候，通常会用到不同来源水的氢氧同位素组成图，运用图解来区分岩浆水、大气降水和变质水。

同位素的应用大大提高了地质科研人员对矿床的研究效率，随着同位素技术的进一步发展，地质科研会前进一大步。

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［5］杨利亚，等.造山型金矿成矿流体来源与演化的氢—氧同位素示踪：夹皮沟金矿带例析［J］.岩石学报，2013，29（11）：4025-4035.

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