同位素地球化学在地球科学中的应用❶

2021-10-25侯波姚学钢

化工矿产地质 2021年3期

侯波姚学钢

1 浙江省建德市自然资源综合服务中心，浙江建德 311600 2 中化地质矿山总局浙江地质勘查院，浙江杭州 310002

K.Rankama[1]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其在丰度上的变化进行地质现象研究”的一门科学。该学科是地球化学向更深一个层次发展而产生的一门新分立学科，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以及其演化规律。该学科在地质学中的应用包含两个方面，即同位素地质年代学和稳定同位素地球化学[2-8]。

1 同位素地质年代学

现代地质年代学的基础是20世纪之初Rutherford和Soddy[2]关于天然放射性研究的工作成果。他们提出放射性衰变过程呈指数变化，与化学或者物理学条件无关，只与时间有关，因此，其放射性衰变的速率可以用来计算地质年代。

1.1 同位素计时原理

当岩石或矿物在某次地质事件中形成时，放射性同位素以一定的形式进入矿石、矿物内，之后再不断地衰减，导致放射成因稳定子体逐渐增加。只要准确测定岩石、矿物中放射性衰变成因的母体和子体的含量，就可以根据放射性衰变定律计算出该岩石、矿物的地质年龄。这种年龄测定法称作同位素计时或放射性计时。计时的基本原理就是依据天然放射性同位素的衰变规律，由此测定的地质事件或宇宙事件的年龄，谓之同位素年龄。

1.2 同位素地质年龄表述方式

地质年代学中有两个最常用的年龄计算方法：等时线年龄和模式年龄。

等时线图解是指测定一套成因相同的样品的母体-子体同位素比值的双变量投影图解。当样品组构成一条直线时，就把这条直线叫做等时钱，直线的斜率和样品组的年龄有关（具体模型见1.3.2节）。

模式年龄是表示样品从地幔分离出来的时间，样品最初起源于地幔。对于Sm-Nd体系，模式年龄最为常用，并且具有重要的地质意义，因为用单一母体-子体同位素比值就可以计算岩石的模式年龄。

要提高生产技术，优化生产结构，以更先进的技术来降低成本，提高原料的利用率以及废料的二次回收率，降低成本的同时注重更高的经济收入，由此企业的积极性就会提高，这也就进一步促进了机械自动化的发展。

本结果发现，Nif和CsA联合用药可诱导牙龈增生，且增生程度较单独使用Nif或CsA更为显著，表明二者在诱导牙龈增生方面可能具有协同作用；TGF-β1水平越高，药物性牙龈增生越严重。提示，TGF-β1可能是CsA和Nif的作用靶点，但TGF-β1如何特异性调控牙龈局部发生增生性改变，其具体机制尚不清楚，需要进一步研究。

1.3 同位素测年主要方法

同位素测年法的基本原理是依据天然放射性同位素的衰变规律来进行地质年龄的计算。主要包括U-Pb法、Rb-Sr法、Sm-Nd法、K-Ar法、Re-Os法等[9]。

1.3.1 U-Pb法测年

90年代至今，潮州麦秆画经过不断地尝试与创新，以崭新的艺术面貌与艺术感染力在国内外工艺作品展上屡获佳绩，为潮州优秀的民间工艺美术增添了浓墨重彩的一笔。潮州麦秆画在2009年已列入广东省非物质文化遗产名录，领军人物方志伟在2016年被评为国家级工艺美术师，潮州麦秆画所拥有的艺术价值得我们深入探索与研究。

U-Pb法是古老的同位素地质年代学方法之一，早期由于分析技术不够高，多使用U-Th含量比较高的矿物进行测试，如晶质铀矿、沥青铀矿、独居石等矿物，近年来随着质谱同位素分析技术和U、Pb化学分离技术的进展，锆石、锆石英、独居石、榍石、磷灰石等矿物都可以进行年龄测定[10-14]。

对于U-Th-Pb体系而言，如果体系不封闭或者是发生Pb丢失事件，通过不同的计算方法得出的年龄结果可能不一样，这就需要借助谐和图、两阶段模式和等时线法来处理数据。

选取西宁市36年生不同密度的油松纯林，各林分的海拔、坡向、坡位、坡度等基本一致，抚育措施基本相同。在不同密度林地内设3个具有代表性的样地(20 m×20 m)，测定样方内油松的生长状况。

在以206Pb/238U为纵坐标207Pb/235U为横坐标的图上（图1），可以绘制出放射成因铅与母体铀同位素比值随时间变化的曲线。如果样品对铀和它的子体保持封闭，那么其206Pb/238U和207Pb/235U比值必定落在这条曲线上。这条曲线称作一致曲线。一致曲线上的所有点，都表示t206=t207=t207/206。如果样品发生铅丢失或铀获得，其坐标点应位于一致曲线的下方，而铀丢失的样品数据点则位于一致曲线的上方。

图1 U-Pb体系一致曲线与等时线 Fig 1 Consistency Curve and Isochronous Line of U-Pb System

等时线法是全岩年龄测定中普遍采用的一种数据处理方法。它不仅可以获得样品的真实年龄，而且还可以测得混入矿物的普通铅同位素组成，其优点是不需要做普通铅矫正。凡是具有相同普通铅同位素组成、形成年龄相同的一组岩石或矿物的数据点应当落在等时线上。通过最小二乘法计算出直线的斜率，再由斜率得到样品的年龄。

4.集体决策。专门研究之后对相关错误与否以及是否容错需要进行正式的集体决策，而非进行个人决定，从而体现容错的严肃性与科学性。有学者提出决策的主体为信访局，信访局作为第三方居中决策具有一定的合理性，但他的专业度需要进一步地夯实，特别是针对一些具体的专业案件，诸如消防、规划、城建等专业较强的案件决策，需要决策主体具备一定甚至较强的专业知识背景。

1.3.2 Rb-Sr法测年

Rb-Sr法同位素测年是基于Rb经过衰变生成Sr，由于所积累的放射性Sr的量是Rb含量及时间的函数，根据放射衰变定律及相应的计算公式，可以绘制出铷锶等时线年龄计算图，根据计算的结果代入等时线图表就可以确定矿石或岩体的年龄[15]。Rb-Sr衰变体系具有如下关系：

考察方程（1），表明它等同于一条直线方程y=c+mx，其中c是系统的初始87Sr/86Sr比值。在Rb-Sr等时线图上（图2），具有相同年龄和初始87Sr/86Sr比值的一套同岩浆矿物形成一条称之为“等时线”的直线。求出该线斜率，就可得到这些矿物的年龄。如果其中一个矿物非常贫Rb，那么由该矿物可直接得到初始比值。否则，初始比值由可用数据点的最佳拟合线外推到y轴得到。

从宏观层次来看，高校人力资源管理系统构成极为复杂，该系统属于综合性学科，主要涉及了管理科学、组织技术、信息科学、系统科学与计算机技术等多个学科，系统功能模块非常细致，从而为高校人力资源管理工作的发展起到了重要作用。本文将简单介绍高校人力资源管理系统功能模块，论述基于B／S架构的高校人力资源管理技术，浅析高校人力资源管理系统架构，并综合探讨基于B／S架构的高校人力资源管理系统设计与实现方案。

图2 一套同源岩浆矿物的Rb-Sr等时线示意图 Fig 2 Rb-Sr isochronous graph of a set of homologous magmatic minerals

黑云母、白云母、角闪石和碱性长石的氩同位素研究最为常见。氩扩散的封闭温度可应用于K-Ar和39Ar-40Ar年龄的解释，但是比Sr扩散更难以应用[35-36]。

K-Ar法地质年龄测定，就是利用岩石矿物中K的同位素40K及其衰变所形成的放射成因子体40Ar的含量，来计算岩石或矿物形成的时间，计算年龄的公式为[16-17]：

式中λβ和λe分别为40K的β自衰变常数和40K的K俘获常数，t为计算而得的年龄。

1.4.1 全岩年龄的应用

（1）Rb-Sr体系

然而当n>1时，入侵时间窗口T也是一个随机变量，进而无法确定T内最大入侵次数k的准确取值.但是因为所以与式(6)同理，可求得k的期望为

同样，从样品形成以来，由于40K的衰变，使该样品中现有的放射成因40Ar为：

由（3）、（4）可以得到40Ar/39Ar法的年龄计算公式：

1.4.2 矿物年龄的应用

1.3.4 Sm-Nd法测年

依据147Sm的衰变过程满足下列方程：

这里I指初始丰度，t为系统的年龄。考虑到ωNd变化的可能性（由146Sm衰变），为方便，全部除以144Nd（Nd的次丰富同位素）。因此，得到该方程具有类似于（1）的形式，可作等时线图。

需要注意的是，Sm-Nd等时线法一般应用于简单Rb-Sr法无法解决的问题。最多的情况是用于某种程度上被变质作用扰动的岩石年龄的测定[21]。

1.3.5 Re-Os法测年

形声字是现代汉字的主体，其中形符的表义功能，有助于留学生理解汉字的含义；声符的示音功能，利于留学生了解读音。对外汉语教师运用形声字的这些优势进行教学，不仅可以减轻学生们的负担，而且能够增强他们的信心，激发他们学习汉字的热情。

Re-Os法测年方法是近十几年来新兴的一种以金属矿物为对象的直接测定其年代的方法。它基于是放射性的Re通过β衰变成为Os而引起的锇同位素异常来计算地质年代的方法。Re-Os定年最合适的测定对象是辉钼矿。精确地确定成矿年龄的关键在于用硫化物直接定年[22-23]，如黄铁（铜）矿、辉铜矿等硫化物矿物含少量Re和Os，利用高灵敏度质谱仪，也可以进行Re-Os定年。

1.4 地质年龄数据的应用

农村小学生行为和习惯的成因是复杂的，所以从宏观角度来看，加强对小学生的思想教育，家庭、学校和社会应该结合起来，发挥积极的能量，形成教育合力，纠正农村小学生不良的学习习惯。对英语课堂而言，要重视多媒体在激发学生学习兴趣、情趣上的引导作用，利用多媒体课堂开展丰富多彩的教学活动，利用多媒体积极进行教学评价，强化学生学习荣誉感，让学生养成英语课堂良好学习的好习惯。

全岩体系比矿物年龄更能确定火成岩的结晶年龄或变质作用的高峰年龄。有时还可以确定地壳形成的年龄。

由于Rb-Sr同位素体系非常容易受到流体活动或后期热事件的干扰，所以，Rb-Sr等时结果在限定地壳的形成年龄方面很少能够成功。但可以在不知道原岩年龄的情况下用来限定某个地质事件的年龄，如变质作用年龄、或者蚀变作用的年龄，沉积岩的成岩年龄[24-27]。

40Ar/39Ar法定年是由Sigurgeirsson[2]于1962年首次提出，并在Metrihue[18]和Mitehell[19]详细描述与记录的基础上不断发展起来的。40Ar/39Ar法年龄测定原理是实验测试样品中含钾矿物在核反应堆中用快中子照射而形成39Ar为基础的[20]，即形成反应：

Rb-Sr同位素体系是最常用的同位素全岩定年方法之一且应用范围极广，可应用于成分范围广泛的岩石及单矿物。

临床有研究显示：糖尿病患者自身抗感染能力以及机体组织愈合能力较差，极易发生骨折以及骨质疏松，骨科糖尿病患者一般以手术治疗为主，术后并发症发生率极高，切口极易出现感染、不愈合等情况，一定程度上延长了患者住院时间，增加了住院费用，加重了患者以及家属的心理负担和经济压力，由此可知围术期的护理质量对于患者切口愈合、机体恢复极为重要[4-5]。临床常规护理过于单一、固定，具有机械性、被动行特点，缺乏主动性，护理期间患者会感受到厌烦或者不适，稍有不慎，极易引发护患纠纷，护理效果一般，具有一定的局限性。

（2）Sm-Nd体系

Sm和Nd比Rb，Sr，Th，U和Pb的活动性差得多，可以用来确定那些叠加了年轻地质事件的古老岩石的形成年龄，不同于Rb-Sr和Pb同位素体系在年轻地质事件中会受到干扰，因此，Sm-Nd技术是确定地壳形成年龄的最好的全岩方法。

但147Sm的半衰期太长，年轻的岩石之间Sm/Nd比值变化不大，因此只适用于那些古老的岩石，以及大多数成因相同的岩石。否则此方法容易导致把成因不同和演化历程各异的样品投在同一假等时线上，结出错误的结论[28-30]。

其中J为每次照射样品的照射参数，无量纲，是由标准样品同时照射所标定，t为年龄。

全岩体系计算的地质年龄一般是火成岩的结晶年龄、变质作用峰期年龄或是地壳形成的年龄。随着检测技术的进步，矿物内部的同位素组成可以测得，使得矿物形成的地质年龄测试成为可能。

（1）Rb-Sr矿物年龄

黑云母和白云母适合于用Rb-Sr法定年。利用一个两点等时线法进行年龄的计算，用一个Rb含量低的矿物（如斜长石或者最好用全岩，这样可以避免两者间封闭温度的差别），作为初始值的控制点[31-34]。

（2）氩法年龄

1.3.3 K-Ar、Ar-Ar法测年

（3）Sm-Nd矿物年龄

含石榴石的矿物组合能够给出精确的Sm-Nd矿物等时线年龄，因为石榴石的Sm/Nd比值很大，可以精确地确定矿物等时线的斜率，对于早古生代年龄的误差只有4～10Ma。石榴石年龄可以用石榴石和另外一个矿物（如斜长石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石）之间拉成的等时线来测定。没有石榴石的矿物等时线虽然Sm/Nd比值变化范围较窄，但是仍然可以给出合理精度的年龄，误差为±20Ma[37-40]。

（4）锆石的U-Pb法定年

小女儿从南方工厂赶来，给英带来一大堆营养品。天气晴朗，太阳正暖和，女儿给英梳头洗脸，搀扶着英在医院内走动，晒太阳。英的子宫依然还有黏稠的排液，女儿打来一盆温水，给母亲反复清洗。英一点也不觉得害羞。英告诉女儿，自己用的纸巾只剩几片了。这毕竟是女人的事情，英不好意思叫丈夫去超市买。女儿将纸巾塞给英，她就得赶火车返回工厂。英叫女儿赶快走，要不然就误车了。女儿告诉英，自己下个月还会来。女儿离开后，英躲着丈夫在洗手间偷偷哭泣。英显然是太难受了，瞬间泪水涟涟。

一群锆石的206Pb/235U投影作图趋于线性排列与谐和曲线相交于上下两个交点，给出上交点年龄和下交点年龄。谐和曲线是238U/235U两者衰变给出一致年龄所构成的曲线。不一致曲线线性排列（不协和直线）的一般解释是Pb的丢失（或者U的获得），它在谐和曲线的上下交点都具有岩石学意义。长英质岩石中从岩浆直接结晶的锆石的不一致直线在谐和曲钱的上交点可用来对结晶作用进行定年。古老地壳重熔花岗岩中可能含有继承锆石，在这种情况下，下交点可以给出新生锆石结晶年龄（岩浆的结晶作用年龄），上支点给出地壳源区的年龄。沉积岩中碎屑锆石可以定出其物源区的年龄，而变质岩中的锆石可以定出其原岩的年龄。对于变沉积岩而言，则给出原岩物源区的年龄[41-45]。

1.4.3 模式年龄的应用

模式年龄是对样品从地幔源区分离出来的时间的估计。因此，对于火成岩和变火成岩而言，模式年龄可以很好地解释地壳形成的年龄。但必须满足如下几个前提：①已知地幔源区的同位素组成；②从地幔源区分异出来之后，子体/母体同位素间没有发生分馏；③母体和子体同位素保持不活动性。对火成岩或沉积岩的同位素而言，这些条件通常都难以满足，因而目前很少见到有计算Rb-Sr体系的模式年龄。然而，Nd同位素在确定了参照的储库（CHUR或DM）后，常可用来计算赋有意义的模式年龄，对于亏损地幔模式年龄还必须选定亏损地幔演化曲钱。

花岗质岩石的模式年龄可用来估计其源区的年龄。对于幔源花岗岩而言，模式年龄给出了地幔分馏作用而成的玄武质岩石演化为花岗岩的时间。因此由古老地壳重熔形成的花岗岩给出的模式年龄可以代表地壳源区的年龄。这是由于壳内分异作用不会大规模地改变源区的Sm/Nd比值。然而，若花岗岩是地壳和地幔混合物源的产物，计算的模式年龄则没有明确的实际指示意义。

碎屑沉积岩的模式年龄可以提供他们的物质源区的形成年龄，在其形成过程中碎屑锆石的Sm/Nd的分馏很小。然而，由于许多大陆沉积岩是不同物源区物质的混合产物，实验所得的模式Nd年龄往往是沉积岩的平均模式年龄。

2 稳定同位素地球化学示踪

同位素地球化学示踪主要是利用稳定同位素及放射成因子体同位素的变化来了解岩石、矿物、流体的成因与物质来源。由于稳定同位素的分馏与物理化学条件有关，因此，由平衡的矿物或矿物-流体系统的稳定同位素组成也可示踪体系形成时的温度、逸度或pH值、高度、海平面变化等[46-50]。

可用于示踪的稳定同位素较多，常见的有硫-铅同位素、氢氧同位素、硼同位素等[51-53]。本文以硫、铅及氧同位素在热液矿床成因研究中的运用为例，简述同位素地球化学示踪的应用。

2.1 硫同位素对成矿物质来源的指示作用

成矿物质来源示踪是硫同位素应用最广的内容，也是热液成矿作用研究的核心问题。基本思路是通过对比矿石中硫同位素与岩浆岩、被岩浆岩同化的围岩及矿区围岩蚀变过程中迁移与沉淀规律，说明它们之间是否存在成因关系以及硫化物矿床中的硫的来源[54]。

最为经典的就是同位素分馏大本（Ohmoto）模式[55]，该模式认为热液矿物硫同位素组成是总硫同位素组成、氧逸度（fO2）、pH、离子强度和温度的函数。因此，热液硫化物的硫同位素组成，不仅取决于其源区物质的δ34S值，而且与成矿流体演化的物理化学条件有关。

过去往往认为δ34S变化范围宽，中值为负值则被解释为沉积来源，且很可能混有生物成因；δ34S变化范围窄小则认为是岩浆-热液成因；δ34S中值接近于0则被认为是幔源硫。这可能过于简单，因为同位素示踪应用前提是同期同位素载体分馏达到平衡，在分馏不平衡时，依据同位素信息不足以做出准确判断。在具体应用过程中必须结合大本模式，判断同位素分馏状态，才可进行准确的示踪判别[56]。

2.2 铅同位素对成矿物质来源的指示作用

铅同位素研究的基本思路与硫同位素基本一致，也是通过对比矿石中铅同位素与岩浆岩、围岩等的铅同位素特征，以说明其物质来源。通常，高μ值的铅一般来自上地壳；低μ（238U/204Pb）值和低ω（232Th/204Pb）值的铅则被认为源于上地幔；低μ高ω值的铅是典型的下地壳铅[57-58]。据此，Doe等于1979年提出了铅构造判别模式[57]，而后Zartman等进行修改完善[59]，形成了如今可用于判别铅来源的铅构造模式图解（图3）。

图3 铅同位素构造环境演化图 Fig 3 Tectonic environmental evolution graph of lead isotopes

除了与典型的地球化学储库对比之外，有学者研究发现，钍铅的变化以及钍铅与铀铅同位素组成的相互关系对于地质过程与物质来源能提供更为全面的指示信息，朱炳泉等[60]根据不同类型岩石铅同位素的特征和已知成因的矿石铅对比，作出了不同成因类型矿石铅的Δβ-Δγ变化范围图解（图4）。

分析电厂汽轮机在运行作业中涉及的作业机组设备较多，涉及的运行程序也较多。因此从实际运行现状方面分析，为有效的提升电厂汽轮机的检修及维护作业质量，维护检修人员在实际作业中应从落实凝汽器检修维护，叶轮检修维护，油系统检修维护，大轴检修维护，以及异响及振动现象的检修维护方面进行落实。另外在实际落实检修维护作业中，还应注重落实易损件检修维护中的监控作业，以及状态检修技术的落实和应用。

图4 铅同位素Δβ-Δγ成因分类图 Fig 4 Genetic classification by Δβ-Δγof lead isotopes

但需要注意的是，图3及图4在运用的过程中，有可能出现多解性[61-63]，此时成矿物质的源区讨论，还应结合区域动力学背景具体分析，在不违背区域构造演化背景的情况下，图3与图4的结果才最能反映矿石铅的来源。

2.3 氧同位素对成矿流体来源的指示作用

地壳主要是由含氧硅酸盐和铝硅酸盐组成，含氧矿物的分布极为广泛，因此研究地质体中的氧同位素分布及其变化规律，对于探讨成矿流体的来源具有及其重要的意义。

使用多功能测温仪（型号DT-131）测量土壤表层（0~20 cm）温度（ts），每组重复3次。使用照度计（HT-8318）测量群落顶部（距离地面 60 cm处）光照度（Il），每组重复 3次。在每个样地内使用直径 5 cm的土钻沿着对角线采集 5钻土壤（0~20 cm），混合后立即装入铝盒，带回实验室称量湿重，然后在105 ℃下烘干称量干重，最后计算其土壤含水量（SWC），计算公式如下：

魏菊英和王关玉[6]对不同地球化学储库中的δ18O做了一个统计，结果如下图（图5）。