稳定同位素在地质上的应用.pptx

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1、会计学1第一页，共67页。1、同位素分类 （1）放射性同位素原子核不稳定(wndng)，能自发地衰变成其它的同位素，目前发现的有1200多种。（2）稳定(wndng)同位素原子核稳定(wndng)不能自发地进行某种核蜕变的同位素。不同的同位素具有不同的丰度值称同位素丰度 1.1 基本概念基本概念第1页/共67页第二页，共67页。轻同位素（C，H，O，S，N），其同位素组成的变化主要由同位素分馏作用引起 放射性成因(chngyn)的Sr、Nd、Pb等同位素组成的变化则主要由母体同位素的放射性衰变引起。第2页/共67页第三页，共67页。1.2 同位素分馏同位素分馏(fnli)同位素分馏是指在一系统

2、中，元素的同位素以不同的比值分配到两种物质(wzh)或物相中的现象。用分馏系数又称分离系数 A-B=RA/RB;RA,RB 分别表示两种物质(wzh)中的同位素比值。第3页/共67页第四页，共67页。物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同质量有关的物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同质量有关的性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分异。凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分异。动力分馏：含有两种同位素的分子，由于

3、质量不同导致它们参加化学反动力分馏：含有两种同位素的分子，由于质量不同导致它们参加化学反应活性的差异。轻同位素形成应活性的差异。轻同位素形成(xngchng)(xngchng)的键比重同位素更易于破裂，因的键比重同位素更易于破裂，因此反应产物特别是活动相中更富集轻同位素。此反应产物特别是活动相中更富集轻同位素。例如，高温下例如，高温下H2SH2S，SO2SO2共存体系中（封闭）同位素交换反应使共存体系中（封闭）同位素交换反应使SO2SO2富富集较重的集较重的34S34S，H2SH2S富集较轻的富集较轻的32S32S。1、同 位 素 分 馏(fnli)分类第4页/共67页第五页，共67页。平衡分

4、馏：在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素公别富集在不同(btn)分子中而发生分异叫做平衡分馏，也称同位素交换反应。达到同位素交换平衡时共存相同位素相对丰度比值为一常数，称分馏系数。如：1/3CaC16O3+H218O1/3CaC18O3+H216O在25时同位素分馏系数=1.0310。生物化学分馏：生物活动和有机反应的同位素分馏效应更强。如植物通过光合作用使12C更多地富集于生物合成有化合物中。因此生物成因的地质体如煤、气等具有最高的12C/13C值。第6页/共67页第七页，共67页。2、影响同位素分馏的因素 （1）同位素质量的影响，是发生同位素

5、分馏的根本原因，差异大，分馏大；（2）反应温度的影响：温度越高，分馏效应减小，温度足够(zgu)时 1 （高温）（低温）（3）化学键性质的影响：一般重同位素优先富集于较强的化学键中。第7页/共67页第八页，共67页。n n1、同位素应用原理n n2、同位素测试仪器n n3、同位素样品制备n n4、同位素样品采集(cij)及加工n n5、同位素的应用及注意事项第8页/共67页第九页，共67页。1、基本原理：带电粒子在磁场中偏转，不同质量数粒子偏转半径不同，从而区分不同的同位素丰度比。基本方程偏转半径：R离子轨道曲半径m原子质量单位U加速电压 B磁场强度(cchng qingd)e电荷（带电荷离子

6、，e=1，e=2）第9页/共67页第十页，共67页。质谱仪原理质谱仪原理(yunl)示示意图意图第10页/共67页第十一页，共67页。2.2 仪器仪器(yq)结构结构激光(jgung)探针质谱工作室第11页/共67页第十二页，共67页。气相色谱/热转换(zhunhun)/同位素比值质谱计 GC/TC/IRMS第12页/共67页第十三页，共67页。真空(zhnkng)系统：要求工作于高真空(zhnkng)状态，主要使用：锅轮分子泵：10-810-9 Pa 钛泵：10-710-8 Pa 机 械 泵（前 级 真 空(zhnkng)）：10-3 Pa进样系统：以适当方式将样品引进 离子源。气体样品：分

7、子流进样用分子漏孔 粘滞流进样金属毛细管第13页/共67页第十四页，共67页。离子源：在于将中性分子、原子电离成带电的 离子，然后通过离子束进入(jnr)分析器。主要有下述类型：电子轰击型（气体源为对象）表面热电离型（固体样品）质量分析器:电磁铁 将离子束按质荷比不同分离开来。离子接收器：由一个、带限制狭缝的屏蔽板，抑制电极和金属杯所组成。第14页/共67页第十五页，共67页。n n1、同位素应用原理n n2、同位素测试仪器(yq)n n3、同位素样品制备n n4、同位素样品采集及加工n n5、同位素的应用及注意事项第15页/共67页第十六页，共67页。1、样 品 处 理 过 程 中，要 避

8、免(bmin)发生同位素分馏，产率100%2、制 备 样 品 过 程 中，要 避 免(bmin)外来物质的污染，真空，加热去气。3、制备成质谱分析气体样品，化合物的另一组要有恒定的同位素组成，CO2中测氧，C要恒定。4、要求定量地制备出一种纯气体。5、原始样品要有足够的纯度。3.1样品制备(zhbi)的基本要求第16页/共67页第十七页，共67页。3.2 同位素标准同位素标准(biozhn)为了使同位素资料便于对比，同时消除样品分析过程中有可能的系统误差，必须将样品的同位素组成与某一相应标准(biozhn)物质的同位素组成进行比较，所以需建立统一的同位素标准(biozhn)；第17页/共67页

9、第十八页，共67页。一、国际标准：一、国际标准：作为国际标准必须作为国际标准必须(bx)满足以下几满足以下几点点 1、可以在世界范围内作为零点。2、样品数量大，可以满足长期使用，便 于取得。3、样品的同位素组成均一，性质稳定。4、化学制备，同位素测定手续简便。5、同位素值大致改为天然同位素变化(binhu)的 中间值。第18页/共67页第十九页，共67页。同位素之比缩写符号标准样2D/1HSMOW标准平均大洋水18O/16OSMOW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13C/12CPDB美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石34S/32SCDT美国亚历桑

10、那州卡扬迪阿布洛铁陨石中的陨硫铁第19页/共67页第二十页，共67页。n n1、同位素应用原理(yunl)n n2、同位素测试仪器n n3、同位素样品制备n n4、同位素样品采集及加工n n5、同位素的应用及注意事项第20页/共67页第二十一页，共67页。3.1 样品选择（采集样品选择（采集(cij)）的基本原）的基本原则则 n n由于同位素样品分析种类很多，应用领域各不相同，研究目的各有侧重，因此对分析样品的要求不可能有统一的规范，但和其它地质取样一样，同位素地质分析取得(qd)应遵循一些基本原则。第21页/共67页第二十二页，共67页。1 1、根据、根据、根据、根据(gnj)(gnj)研究

11、对象和目的，选择有效的研究方研究对象和目的，选择有效的研究方研究对象和目的，选择有效的研究方研究对象和目的，选择有效的研究方法：法：法：法：n n例：研究火成岩成因，最好选用H、O、Sr、Pb等，选择S、C效果(xiogu)就不佳，S、C同位素研究成矿的物理、化学环境却很有效，H、O研究成矿来源，热液蚀变，S、O地质测温，效果(xiogu)较好，第22页/共67页第二十三页，共67页。2 2、根据研究对象、目的和研究、根据研究对象、目的和研究 方法方法(fngf)(fngf)，采集有效，采集有效的样品的样品 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

12、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(shyng)(shyng)、磁磁铁铁矿矿、白白云云母母）往往往往能能提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(shyng)(shyng)长长石石，不不如如石石英英(shyng)(shyng)磁磁铁铁矿矿好好，黄黄铁铁矿矿方方铅铅矿，不如闪锌矿矿，不如闪锌矿方铅矿。方铅矿。第23页/共67页第二十四页，共67页。3.2 注意事项注意事项1 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

13、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(jidun)(jidun)，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合，同样不同相带，不同层位和不同构造位置的样品要分开。混合，同样不同相带，不同层位和不同构造位置的样品要分开。2 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

14、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素分析。位素分析。3 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要去掉次生包体。体要去掉次生包体。4 4、生物样品采集要注意部位。生物样品采集要注意部位。5 5、要有足够的数量。要有足够的数量。第24页/共67页第二十五页，共67页。第25页/共67页第二十六页，共67页。第26页/共67页第二十七页，共67页。第27页/共67页第二十八页，共67页。第28页/共67页第二十九页，共67页。第29页/共67页第三十页，共67页。n n1、同位素应用原理n

15、 n2、同位素测试(csh)仪器n n3、同位素样品制备n n4、同位素样品采集及加工n n5、同位素的应用及注意事项第30页/共67页第三十一页，共67页。（1 1）陨石、月样的稳定同位素；）陨石、月样的稳定同位素；（2 2）现代大气圈、生物圈、水文去圈的同位素分布规）现代大气圈、生物圈、水文去圈的同位素分布规律；律；（3 3）古气候、古温度、古地理环境；）古气候、古温度、古地理环境；（4 4）岩石、矿床的成因、物质来源、探矿指标；）岩石、矿床的成因、物质来源、探矿指标；（5 5）成矿、成矿的物理）成矿、成矿的物理化学条件化学条件(tiojin)(tiojin)及形成及形成温度；温度；（6

16、6）地幔及地壳演化、地球早期历史、大气圈、水圈、）地幔及地壳演化、地球早期历史、大气圈、水圈、生物圈的演化；生物圈的演化；第31页/共67页第三十二页，共67页。1、同位素地质同位素地质(dzh)温度计的原理温度计的原理 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 ln 1/T2 1/T2 高温高温 ln ln 1/T 1/T 低温低温我们可以用分馏曲线或函数关系我们可以用分馏曲线或函数关系(gun x)(gun x)表示，例如，白云母表示，例如，白云母 H2OH2O的分馏方程：的分馏方程：103 ln=2.38(106T-2 103 ln=2.

17、38(106T-2）3.893.89 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-B=（A+1000A+1000）/（B+1000B+1000）或或 A-B=103lnA-B A-B=103lnA-B算出算出103lnA-B 103lnA-B 数值，然后根据同位素分馏方程或同位素分馏数值，然后根据同位素分馏方程或同位素分馏曲线可算出温度来。（外部计温法）曲线可算出温度来。（外部计温法）第32页/共67页第三十三页，共67页。文献或分馏方程(fngchng)中通常给出的是矿物水之间的同位素分馏方程(fngchng)：103lnA-H2

18、O=A1（106T-2）+B1103lnB-H2O=A2（106T-2）+B2 两式相减即可得到两种矿物间的同位素分馏方程(fngchng)103lnA-B=（A1 A2）（106T-2）+（B1B2）第33页/共67页第三十四页，共67页。矿床矿床(kungchung)的同位素组的同位素组成成 n n水是成矿溶液的主要成份，查明水的成因，是任何成矿理论首先必须解决的问题，利用H、O同位素比值能够明确断定成矿溶液中水的来源和蚀变溶液的成因，测定矿石矿物和脉石(mish)矿物的S、C的来源，共生矿物可以测温。第43页/共67页第四十四页，共67页。一、成矿溶液一、成矿溶液(rngy)的的H、O同

19、位同位素组成素组成n n1、测定(cdng)方法n n （1）直 接 测 定(cdng)矿石矿物或脉石矿物中液体包裹体的同位素组成；n n（2）矿物H2O计算法n n 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；第44页/共67页第四十五页，共67页。第46页/共78页矿物水 a b 温度(wnd)区间(oC)石英水 3.38106 -3.40 200500 碱长石水 2.15 106 -3.82 350500 方解石水 2.78 106 -3.40 0800 白云母水 2.38 106 -3.89 350650第45页/共67页第四十六页，共67页。中国地质大学地

20、球科学学院地球化学系制作(zhzu)，2021年9月30日更新 第47页/共78页 例如：以石英、方解石共生矿物(kungw)对为例：1000 ln石英-水=3.38106T-2-3.40 1000 ln方解石-水=2.78106T-2-3.40 则石英方解石氧同位素温度计为：1000 ln石-方=(3.38-2.78)(106T-2)+-3.40-（-3.40）1000 ln石-方=石-方=0.60（106T-2）外部测温法，可用来计算水介质的氢、氧同位素组成。其条件是，当某矿物(kungw)的氢、氧同位素组成及其形成温度是可知时，便可根据有关方程，计算出介质水的氢、氧同位素组成：1000

21、ln矿物(kungw)水=18O矿18O水=(/T2)+b 其中18O矿、T已知，a、b是待定常数，则可计算出成矿溶液的H、O同位素组成。第46页/共67页第四十七页，共67页。2、影响成矿溶液重影响成矿溶液重H、O同位同位 素组成素组成(z chn)的因的因素素（1）成矿溶液的来源（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(yunsh)同位素特点；（4）成矿溶液的的化学成份发生变化。第47页/共67页第四十八页，共67页。二、成矿二、成矿(chn kun)溶液的溶液的S、C同位同位素组成素组成 1 1、测定方法：测

22、定方法：（1 1）测定矿物包裹体的测定矿物包裹体的S S、C C同位素组成同位素组成（2 2）物物理理化化学学(huxu)(huxu)分分析析法法（封封闭闭系系统统必必须须具具备备两两个个条条件件，一一是是含含矿矿流流体体中中，各各种种水水溶溶液液含含硫硫化化合合物物之之间间达达到到了了化化学学(huxu)(huxu)和和同同位位素素平平衡衡，二二是是含含硫硫矿矿物晶出时，必须与水溶液含硫化合物保持化学物晶出时，必须与水溶液含硫化合物保持化学(huxu)(huxu)、同位素平衡）、同位素平衡）（3 3）图解法图解法（4 4）热力学计算法热力学计算法第48页/共67页第四十九页，共67页。2、影

23、响(yngxing)因素（1）硫源对成矿溶液中S同 位 素 组 成 的 影 响(yngxing)；（2）成矿溶液载冷却和迁移过程中的同位素变化；（3）混合作用的影响(yngxing)；（4）交 代 作 用 的 影 响(yngxing)。第49页/共67页第五十页，共67页。第50页/共67页第五十一页，共67页。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作(zhzu)，2021年9月30日更新 第57页/共78页 （二）氧同位素的应用 1.讨论(toln)有关岩石的成因问题 幔 源 镁、铁 质 岩 石 18O/16O与 球 粒 陨 石 基 本 一 致（2.032.0410-3），其18O变化范围很窄

24、(57)。这是用氧同位素来判断幔源岩石的重要证据之一。这与矿物化学键对18O同位素选择富集有关。而花岗岩值较高，而且变化范围较大，主要是其成因及源区较复杂所致：“I”型花岗岩 18O10 “S”型花岗岩 18O10 第56页/共67页第五十七页，共67页。根据根据根据根据SheappardSheappard（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿(chn(chn kun kun)带氧、氢同位素组成的研究：带氧、氢同位素组成的研究：带氧、氢同位素组成的研究：带氧、氢同位素组成的研究：第

25、57页/共67页第五十八页，共67页。根据Sheappard（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，18O，D稳定，不随纬度而变化；青盘岩化带（泥化带）绢云母，18O，D随纬度而变化，具明显“纬度效应”。这一规律示踪的地球化学信息(xnx)：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要的作用；斑岩矿床成矿蚀变流体是多源的。第58页/共67页第五十九页，共67页。硫同位素地球化学硫同位素地球化学(d(d qi hu xu)qi hu xu)n nS有四

26、种(s zhn)同位素:32,33,34,35n n地球化学中，常用34S/32S的变异来示踪第59页/共67页第六十页，共67页。n n地幔，34S=0n n超基性岩、基性岩，34S变化很小，接近(jijn)0n n海水：富SO42-,34S =(+10,+40)n n沉积硫化物：富S2-,34S =(-40,+40)第60页/共67页第六十一页，共67页。n n表生条件下，硫同位素变异的主要过程表生条件下，硫同位素变异的主要过程(guchng)(guchng)是硫酸是硫酸盐在细菌的作用下还原，其次是盐在细菌的作用下还原，其次是H2SH2S和和SO42-SO42-的同位素交换。的同位素交换。

27、n n两种过程两种过程(guchng)(guchng)均是：均是：34S34S优先富集于氧化态更高的优先富集于氧化态更高的SO42-SO42-中，硫化物富中，硫化物富32S32S第61页/共67页第六十二页，共67页。S同位素地球化学同位素地球化学(d qi hu xu)应用应用（1）解决矿床成因(chngyn)和成矿物质的来源（2）地质温度计：闪锌矿-方铅矿1000 ln =A*106/T2 =34S(sph)-34S(gl)=1000 ln（3）地球化学找矿第62页/共67页第六十三页，共67页。第63页/共67页第六十四页，共67页。首先：同位素的应用应注意其使用条件；其次：要在样品处理过程中防止污染;最后:所有的分析都是建立在地质条件上的，始终要注意地质填图和钻孔编录资料(zlio)的利用，不要陷入数字游戏中；第66页/共67页第六十七页，共67页。