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1、稳定同位素原理及在矿床学稳定同位素原理及在矿床学研究中的应用研究中的应用 -以氢氧同位素为例以氢氧同位素为例曹曹 晓晓 峰峰2008.11 2008.11 11、同位素应用原理同位素应用原理2、同位素测试仪器同位素测试仪器3、同位素样品采集及加工同位素样品采集及加工4、同位素的应用及注意事项同位素的应用及注意事项2放放射射性性同同位位素素原原子子核核不不稳稳定定，能能自自发发地地衰衰变变成成其它的同位素，目前发现的有其它的同位素，目前发现的有1200多种。多种。稳稳定定同同位位素素原原子子核核稳稳定定不不能能自自发发地地进进行行某某种种核核蜕变的同位素。蜕变的同位素。不同的同位素具有不同的丰度
2、值称不同的同位素具有不同的丰度值称同位素丰度同位素丰度基本概念基本概念3 轻轻同同位位素素（C，H，O，S，N），其其同同位位素素组组成成的的变变化化主主要要由由同同位位素素分分馏馏作作用用引引起起 放放射射性性成成因因的的Sr、Nd、Pb等等同同位位素素组组成成的的变变化化则则主主要要由由母母体体同同位位素素的的放放射射性性衰变衰变引起。引起。4同位素效应同位素效应同位素质量差所引起的物理和化学性同位素质量差所引起的物理和化学性质的差异。质的差异。同位素分馏同位素分馏在一系统中，元素的同位素以不同的在一系统中，元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象，用比值分配到两种物质或物相中
3、的现象，用分馏系数又分馏系数又称分离系数称分离系数 表示。表示。A-B=RA/RB;RA,RB 分别表示两种物质中的分别表示两种物质中的同位素比值。同位素比值。5同位素组成同位素组成 值值:样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差千分偏差 （）=（R样样/R标）标）-1）1000R样：样品的同位素比值样：样品的同位素比值;R标：标准样品的同位素比值标：标准样品的同位素比值 0 表明样品较标准样品含较重的同位素表明样品较标准样品含较重的同位素 0 表明样品较标准样品含较轻的同位素表明样品较标准样品含较轻的同位素 =0 表明样品与标准样品同位素比
4、值一致表明样品与标准样品同位素比值一致千分分馏（千分分馏（1000ln1000ln）和同位素分馏值）和同位素分馏值 ：相对富集系数值相对富集系数值指两物质间的同位素组成差别指两物质间的同位素组成差别 1000ln A-B=AB6从严格意义上讲，在周期表中所有元素从严格意义上讲，在周期表中所有元素的不同种同位素由于其质量上存在差别，的不同种同位素由于其质量上存在差别，在自然界的各种物理，化学和生物的反应在自然界的各种物理，化学和生物的反应和过程中都会发生同位素分馏，这些反应和过程中都会发生同位素分馏，这些反应和过程包括：和过程包括：蒸发作用，扩散作用，吸附蒸发作用，扩散作用，吸附作用，化学反应，
5、生物化学反应作用，化学反应，生物化学反应等等。等等。同位素分馏同位素分馏78影响同位素分馏的因素影响同位素分馏的因素（1）同同位位素素质质量量的的影影响响，是是发发生生同同位位素素分分馏馏的的根根本本原因，差异大，分馏大；原因，差异大，分馏大；（2）化化学学键键性性质质的的影影响响：一一般般重重同同位位素素优优先先富富集集于于较强的化学键中。较强的化学键中。（3）反反应应温温度度的的影影响响：温温度度越越高高，分分馏馏效效应应减减小小，温度足够时温度足够时 1 （高温）（高温）（低温）（低温）9（1）同位素分馏程度与相对质量差有关：）同位素分馏程度与相对质量差有关：17O/1810平衡交换反应
6、：平衡交换反应：受温度控制：能斯特定律LnK=-（H/RT）+B反应平衡常数：反应平衡常数：K11瑞利分馏：瑞利分馏：121、同位素应用原理同位素应用原理2、同位素测试仪器同位素测试仪器3、同位素样品采集及加工同位素样品采集及加工4、同位素的应用及注意事项同位素的应用及注意事项13基基本本原原理理：带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中偏偏转转，不不同同质质量量数数粒粒子子偏偏转转半径不同，从而区分不同的同位素丰度比。半径不同，从而区分不同的同位素丰度比。基本方程基本方程偏转半径：偏转半径：R离子轨道曲半径离子轨道曲半径m原子质量单位原子质量单位U加速电压加速电压 B磁场强度磁场强度e电荷（带电荷离
7、子，电荷（带电荷离子，e=1，e=2）14离子源离子源信号接收器信号接收器扇型磁场扇型磁场质谱仪原理示意图质谱仪原理示意图152.2 仪器结构仪器结构激光探针质谱工作室激光探针质谱工作室16气相色谱气相色谱/热转换热转换/同位素比值质谱计同位素比值质谱计 GC/TC/IRMS171、同位素应用原理同位素应用原理2、同位素测试仪器同位素测试仪器3、同位素样品采集及加工同位素样品采集及加工4、同位素的应用及注意事项同位素的应用及注意事项181、根据研究对象和目的，选择有效的研究方法：、根据研究对象和目的，选择有效的研究方法：例例：研研究究火火成成岩岩成成因因，最最好好选选用用H、O、Sr、Pb等等
8、，选选择择S、C效效果果就就不不佳佳，S、C同同位位素素研研究究成成矿矿的的物物理理、化化学学环环境境却却很很有有效效，H、O研研究究成成矿矿来来源源，热热液液蚀蚀变变，S、O地地质质测测温温，效果较好。效果较好。3.1 样品选择（采集）的基本原则样品选择（采集）的基本原则 192 2、根据研究对象、目的和研究、根据研究对象、目的和研究 方法，采集有效的样品方法，采集有效的样品 例例如如，研研究究蚀蚀变变作作用用，抗抗交交换换能能力力差差的的长长石石，黑黑云云母母能能灵灵敏敏地地反反映映蚀蚀变变的的情情况况，抗抗交交换换能能力力的的矿矿物物（石石英英、磁磁铁铁矿矿、白白云云母母）往往往往能能提
9、提供供蚀蚀变变前前的的原原始始同同位位素素特特征征。做做地地质质测测温温时时，石石英英长长石石，不不如如石石英英磁磁铁铁矿矿好好，黄黄铁铁矿矿方方铅铅矿矿，不不如如闪闪锌锌矿矿方铅矿。方铅矿。203.2 注意事项注意事项1、系统性和代表性系统性和代表性 具具体体地地说说就就是是详详细细研研究究地地质质情情况况的的基基础础上上，采采集集岩岩石石或或矿矿物物样样品品要要分分清清原原生生还还是是次次生生的的，是是早早期期的的还还是是晚晚期期的的，以以及及他他们们是是那那个个阶阶段段，那那个个世世代代形形成成的的矿矿物物。另另外外还还要要注注意意不不同同地地质质位位置置的的矿矿物物，岩岩石石样样品品不
10、不能能混混合合，那那怕怕是是同同种种矿矿物物也也不不能能混混合合，同同样样不不同同相相带带，不不同同层层位位和和不同构造位置的样品要分开。不同构造位置的样品要分开。2、严严防防污污染染：由由于于同同位位素素组组成成变变化化较较小小，如如有有污污染染将将影影响响地地质质分分析析，如如做做包包裹裹体体测测定定时时，云云母母类类、角角闪闪石石类类不不能能做做包包体体的的氢氢同同位位素素分分析析。做包裹体的氧同位素不能选含氧主矿物。做包裹体的氧同位素不能选含氧主矿物。3、区区别别对对待待：如如作作地地质质测测温温时时，要要确确保保是是共共生生矿矿物物，对对做做原原生生包包体体要要去掉次生包体。去掉次生
11、包体。5、要有足够的数量。要有足够的数量。213.2 样品处理样品处理根据不同的目的选用不同的矿物：根据不同的目的选用不同的矿物：示踪流体来源用示踪流体来源用H、O同位素，选用蚀变矿物同位素，选用蚀变矿物如石英，方解石和石榴石。如石英，方解石和石榴石。示踪成矿物质来源用示踪成矿物质来源用S，Sr，Pb同位素，选同位素，选用成矿物质如方铅矿、闪锌矿、黄铜矿和黄铁用成矿物质如方铅矿、闪锌矿、黄铜矿和黄铁矿等。矿等。送样要求：对于送样要求：对于H、O同位素同位素,单矿物单矿物5g,0.250.5mm(3565目目)；对于对于S同位素，单矿物同位素，单矿物1g;2223242526271、同位素应用原
12、理同位素应用原理2、同位素测试仪器同位素测试仪器3、同位素样品采集及加工同位素样品采集及加工4、同位素的应用及注意事项同位素的应用及注意事项28 同位素标准同位素标准 为为了了使使同同位位素素资资料料便便于于对对比比，同同时时消消除除样样品品分分析析过过程程中中有有可可能能的的系系统统误误差差，必必须须将将样样品品的的同同位位素素组组成成与与某某一一相相应应标标准准物物质质的的同同位位素素组组成成进进行行比比较较，所所以以需需建建立立统统一一的的同同位位素标准；素标准；29同同位位素素之之比比缩写符号缩写符号标准样标准样2D/1HSMOW标准平均大洋水标准平均大洋水18O/16OSMOW标准平
13、均大洋水标准平均大洋水18O/16OPDB美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石13C/12CPDB美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石34S/32SCDT美美国国亚亚历历桑桑那那州州卡卡扬扬迪迪阿阿布布洛洛铁铁陨陨石石中中的的陨陨硫硫铁铁30（1）陨石、月样的稳定同位素；）陨石、月样的稳定同位素；（2）现代大气圈、生物圈、水文去圈的同位素分）现代大气圈、生物圈、水文去圈的同位素分布规律；布规律；（3）古气候、古温度、古地理环境；）古气候、古温度、古地理环境；（4）岩石、矿床的成因、物质来源、探矿指标；）岩石
14、、矿床的成因、物质来源、探矿指标；（5）成矿、成矿的物理）成矿、成矿的物理化学条件及形成温度；化学条件及形成温度；（6）地幔及地壳演化、地球早期历史、大气圈、）地幔及地壳演化、地球早期历史、大气圈、水圈、生物圈的演化；水圈、生物圈的演化；稳定同位素应用领域同位素应用领域31H、O同位素在矿床学中的应用同位素在矿床学中的应用水水是是成成矿矿溶溶液液的的主主要要成成份份，查查明明水水的的成成因因，是是任任何何成成矿矿理理论论首首先先必必须须解解决决的的问问题题，利利用用H、O同同位位素素比比值值能能够够明明确确断断定定成成矿矿溶溶液液中中水水的的来来源源和和蚀蚀变变溶液的成因，共生矿物可以测温。溶
15、液的成因，共生矿物可以测温。32天然水天然水物相改变及交换反应时水的物相改变及交换反应时水的氢氧同位素组成变化氢氧同位素组成变化33海洋水海洋水由于海洋库远大于水汽，即由于海洋库远大于水汽，即M海水海水M水汽，所水汽，所以海水蒸发过程可以看做是开放体系过程，以海水蒸发过程可以看做是开放体系过程，M海海水水 ，18O海水海水=0。实测海洋水的同位素组成变化范围很小，实测海洋水的同位素组成变化范围很小，18O=01，D=010 前寒武纪的情况可能不同，若认为大洋水起源于岩前寒武纪的情况可能不同，若认为大洋水起源于岩浆水的话，那么岩浆水同位素的组成对于重建大洋浆水的话，那么岩浆水同位素的组成对于重建
16、大洋历史是一个重要参数，大部分在高温下与岩浆平衡历史是一个重要参数，大部分在高温下与岩浆平衡的岩浆水的的岩浆水的18O=+6 8，D=-50 -80 3435大气降水大气降水指雨雪等各种形式的降水以及由它们组指雨雪等各种形式的降水以及由它们组成的地表水（如河水、湖水）和浅层地成的地表水（如河水、湖水）和浅层地下水（如井水），其下水（如井水），其18O=-54 31，D=-300 131，平均，平均18O=-4 ，D=-22。具有纬度，高度，季节和大陆效应。具有纬度，高度，季节和大陆效应。3637地热水地热水中性、氯化物型地热水和地热汽的D-18O关系1.局部大气降水或稍微加热的近地表地下水；2
17、.热泉地热水；3.高温高压地热汽。38孔隙水、建造水、盆地卤水孔隙水、建造水、盆地卤水美国大陆建造水和油田卤水的氢氧同位素组成关系（据美国大陆建造水和油田卤水的氢氧同位素组成关系（据Taylor，1974）39初生水、岩浆水和变质水初生水、岩浆水和变质水初生水：初生水：18O=61，D=6020。岩浆水：岩浆水：18O=+6 8，D=-50 -80 变质水：变质水：18O=+5 25，D=-70 -20 40水岩反应公式：Wi水+Ri岩石=Wf水+Rf岩石原理：水/岩反应导致了热液矿床蚀变 围岩的同位素异常4142影响成矿溶液重影响成矿溶液重H、O同位同位素组成的因素素组成的因素（1）成矿溶液
18、的来源（2）成矿溶液载迁移过程中，由于温度降低和与通道周围的岩石发生同位素交换；（3）加入成因不同的流体，会改变成矿溶液的原始同位素特点；（4）成矿溶液的的化学成份发生变化。43成矿溶液的成矿溶液的H、O同位素组成测定方同位素组成测定方法法（1）直接测定矿石矿物或脉石矿物中液体包裹体的同位素组成；（2）矿物H2O计算法 根据矿物的同位素组成和温度，利用同位素分馏方程计算成矿流体的同位素组成；44同位素地质温度计同位素地质温度计 在基本原理部分已讲述温度对同位素分馏的影响在基本原理部分已讲述温度对同位素分馏的影响 ln 1/T2 高温高温 ln 1/T 低温低温我我们们可可以以用用分分馏馏曲曲线
19、线或或函函数数关关系系表表示示，例例如如，白白云云母母 H2O的分馏方程：的分馏方程：103 ln=2.38(106T-2）只要测定一对同位素平衡矿物对的只要测定一对同位素平衡矿物对的值，就可以利用：值，就可以利用：A-B=（A+1000）/（B+1000）然然后后根根据据同同位位素素分分馏馏方方程程或或同同位位素素分分馏馏曲曲线线可可算算出出温温度度来来。（外部计温法）（外部计温法）或或者者直直接接测测定定共共生生的的两两种种矿矿物物之之间间的的同同位位素素分分馏馏系系数数计计算算矿矿物物对平衡温度（内部计温法）对平衡温度（内部计温法）45第第46页/共共78页矿物矿物 水水 a b a b
20、 温度区间温度区间(o oC)C)石英石英 水水 3.3810 3.38106 6 -3.40 200500 -3.40 200500 碱长石碱长石 水水 2.15 10 2.15 106 6 -3.82 350500 -3.82 350500 方解石方解石 水水 2.78 10 2.78 106 6 -3.40 0800 -3.40 0800 白云母白云母 水水 2.38 10 2.38 106 6 -3.89 350650 -3.89 35065046第第47页/共共78页 例如：以石英、方解石共生矿物对为例：例如：以石英、方解石共生矿物对为例：1000 ln石英石英-水水106T-2-3
21、.40 1000 ln方解石方解石-水水106T-2-3.40 则则石英石英方解石氧同位素方解石氧同位素温度计为：温度计为：1000ln石石-方方=(3.38-2.78)(106T-2（-）1000 ln石石-方方=石石-方方（106T-2）47根据根据Sheappard（希派特）对南北美洲环西太平洋（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿带氧、氢同位素组成的研究：斑岩成矿带氧、氢同位素组成的研究：48根据根据Sheappard（希派特）对南北美洲环西太平洋斑（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿带氧、氢同位素组成的研究，从北到南采集两种岩成矿带氧、氢同位素组成的研究，从北到南采集两种类型的蚀变
22、矿物，测定其氢、氧同位素组成：类型的蚀变矿物，测定其氢、氧同位素组成：钾化带蚀变黑云母钾化带蚀变黑云母，18O，D稳定，稳定，不随纬度而不随纬度而变化；变化；青盘岩化带（泥化带）绢云母青盘岩化带（泥化带）绢云母，18O，D随纬度随纬度而变化，而变化，具明显具明显“纬度效应纬度效应”。这一规律示踪的地球化。这一规律示踪的地球化学信息：斑岩铜钼矿床钾化带蚀变以岩浆水作用为主导，学信息：斑岩铜钼矿床钾化带蚀变以岩浆水作用为主导，而围岩中青盘岩化蚀变当地围岩中的大气降水起到了重而围岩中青盘岩化蚀变当地围岩中的大气降水起到了重要的作用；要的作用；斑岩矿床成矿蚀变流体是多源的。斑岩矿床成矿蚀变流体是多源的。4950