同位素地球化學中H、O同位素應用的探討

鄧聲保

（東華理工大學地球科學學院，江西南昌330013）

同位素地球化學中H、O同位素應用的探討

鄧聲保*

（東華理工大學地球科學學院，江西南昌330013）

同位素地球化學是研究自然體系中同位素的組成、豐度及在自然作用中分餾和衰變規律的科學。在對礦床的研究中，成礦流體的來源，都會用到同位素的方法用于示蹤，探討源區，例如用到氫的同位素組成δD和氧的同位素組成δ18O來判別來源處，看是來源于大氣降水、巖漿水還是變質水，或者共同混合作用的結果。概述了同位素的概念，論述氫氧同位素的分餾影響因素，可以給后來研究者以更多的啟示。

同位素組成；大氣降水；巖漿水；變質水

地球已經存在了46億年，而我們人類存在地球上的時間卻相對來說極為短暫，地質環境過程是漫長的時期，因此需要我們通過現有的科技手段來探尋自然變更過程，同位素示蹤就是比較有效的方法。同位素地質應用是同位素地球化學的重要組成部分和研究的目的，同位素地球化學的發展，推動著人類朝著更前一步發展，地質行業也興旺蓬勃。同位素分析技術在后來被慢慢地發展成為單獨的領域。正因為同位素的特殊性和典型性，同位素組成已廣泛地應用到隕石、月巖、地球火成巖、沉積巖、變質巖、大氣、生物、海洋、河流、湖泊、地下水、地熱水及各種礦床的研究［1-3］。

地球的歷史是一個由大量地質事件構成的漫長的時間序列，一次地質事件（構造運動、后期熱液成礦）都是以百萬年（Ma）計算，時間漫長，只有少許地質事件發生的證據留存至今，難度可想而知，流體包裹體近年來被人所重視，同樣的，同位素示蹤和測年的研究熱度始終都沒有冷卻過。同位素的遷移活動寓于地質作用之中，每一次的地質作用都伴隨著同位素的遷移、衰變，地質事件對核的影響有可能跨越后期作用而被保留下來，因此同位素組成上的一些變化能給我們提供最接近事實的證據。

H、O同位素作為同位素示蹤的方法可以用來追溯地質流體的來源，進行判別是地質流體是來自于地下水、大氣降水，抑或是地下水與大氣降水混合而成［4-5］。在以前很長一段時間，人們都忽視了大氣降水和海水對成礦的作用［6］，但隨著氫氧同位素技術的發展，人們的認識也進一步加深，開始重視二者在成礦過程中所扮演的角色。當然在具體的H、O同位素研究中，也會有其他一些影響因素。下文中，將就H、O同位素的一些概念、分餾特征進行總結。

1　同位素的相關概念

同位素的表示方法為：“A”，A為某元素的符號，m為其質量分數，m（質量數）=Z（質子數）+N（中子數），這是我們大家都比較熟知的。應用較多的便有：氫同位素：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；鍶同位素88Sr、87Sr、86Sr、84Sr；釹同位素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、150Nd；鉛同位素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb；鈾同位素：235U、238U；銣同位素：85Rb、87Rb；釤同位素152Sm、154Sm、147Sm、148Sm、149Sm等。

同位素豐度：與地殼元素豐度不同，這里指的是某種元素的各種同位素原子數相對于其原子總數的百分比。

同位素比值：指的是對同一種元素的兩種同位素豐度之比。與同位素豐度一樣，它也是用來表示天然物質中同位素含量的一種方式。習慣上把重質量數的同位素原子記作比值的分子，輕質量數的同位素原子記作比值的分母。

δ值：然而自然界中，同一元素的2種同位素的差別是很微小的，于是為了能直接表示出這一微小變化，便引入了δ值。δ值是指某一元素樣品中的2種穩定同位素的比值相對于某種標準樣品對應比值的千分差值，即：

式中：R——樣品、標準樣品的同位素比值。

樣品的δ值為正數時，表示樣品相對富含重同位素，如果為負數，則表示樣品相對虧損重同位素。

同位素組成：一種泛指各種物質同位素含量的稱謂，這個同位素含量包括同位素豐度、同位素比值和δ值三者。

同位素分餾：是指一系統中，某元素的各種同位素原子或分子以不同的比值分配到各種物質和物相中的作用。

同位素分餾系數（α）：某一物質中2種同位素豐度之比與另一個物質中相應2種同位素比值之商。用以表示2種物質間同位素的分餾程度。

定義為：

式中：RA——A物質的某種元素的同位素豐度之比；

RB——B物質中同位素的同位素豐度之比。

當αA-B＞1，表示A物質相對于B物質富同位素；αA-B＜1表示A物質相對于B物質富輕同位素。αA-B只表示2種物質間同一元素的同位素組成相對差別的程度，到底是何種原因造成這一種差別，這就需要通得過其他工作獲知。例如：硫化物-硫酸鹽的硫同位素分餾系數，可以寫成：

同位素富集系數（Δ值）：用來表示同一元素在2種物質間同位素組成差別的程度。定義為ΔA-B=δA-δB，式中δA和δB分別代表2種不同物質同一元素的同位素組成。

2　同位素地球化學在地學上的研究應用

同位素地球化學在地質學領域的的應用涉及以下3個方面：

（1）地質過程物理化學條件和環境指示：地質過程中圍巖的氧化還原環境等物理化學條件的改變會引起物質的同位素組成發生變化，因此我們就可以利用這一特性，用來測定地球化學過程中的某些強度因子，比如在地學領域的重要運用便是測溫，為許多人所熟知，即所謂的地質溫度計［8］。

（2）進行地質年代的測定：這一方面便是運用元素的放射性衰變原理，利用放射性同位素的半衰期，由母體衰減和子體積累，進行時間的計算，應用廣泛可以測定地質體系的形成時代。目前運用的有：40Ar/39Ar法、（鈾、釷）—鉛法、銣—鍶法等。

（3）地球化學示蹤：利用同位素組成的差別來反演地質作用過程，指示成礦地質體來源，比如H、O同位素對成礦流體來源的區分。

3　氫氧同位素的特征

3.1氫氧同位素的地球化學性質

氫和氧是自然界含量較高的2種元素，它們的化學性質比較活潑，能和許多元素組成化合物。水是一種重要的氫氧化合物，在整個地球上分布最為廣泛，據統計整個地球水圈水的總量達（1.8～2.7）×1024g。在化學反應中，水是反應場所，是溶劑，在地質作用過程中，水則是載體，運載著成礦元素及熱量，然后與圍巖發生水—巖作用，進而產生熱液蝕變或成礦。表1展示了氫、氧元素的某些地球化學參數。在自然界中氫氧元素分布廣泛，且在各種地質作用，氫氧同位素都有舉足輕重的地位，因此，就可以研究氫氧同位素組成的變化規律和地質過程之間的聯系，反推地質事件發生的大致過程。

表1　氫和氧的某些地球化學基本參數［9］

表2　氫氧同位素相對豐度［10］

從表2中可以看出，氧的3個穩定同位素中16O的相對豐度最大，已經高達99.759%，17O的相對豐度太少，18O比17O相對豐度稍大，因此氧的同位素相對豐度特征決定了只有18O和16O比值可以用來分析氧的同位素分餾，效果會更明顯。1H的相對豐度已經接近100%，2個同位素相對豐度差很大，對于研究分餾效應十分有利。

3.2氫、氧同位素分餾機理

影響氫、氧同位素分餾的因素比較多，不同的影響因素影響的結果也不同，分餾程度各異，共分為蒸發凝結分餾、動力學分餾和熱力學分餾。

3.2.1蒸發凝結過程中的分餾

（1）蒸發過程。這里對蒸發過程的進行簡述。自然界中的水一共有9種同位素水分子聚合體，而這9種同位素聚合體劇透不同的質量數，有些較輕，有些稍重，不同質量數的水分子聚合體具有不同的振動頻率，輕質量數水分子的振動頻率高于重質量數的水分子聚合體。因此，在蒸發過程中，輕質量數的水分子更容易獲得能量而脫離液體界面，隨著這一遷移形式的加劇，剩余液體中便相對富集重質量數的水分子。

在封閉系統中，氫和氧同位素分餾所滿足的瑞利方程表示如下：

式中：α——一定溫度下，氫和氧同位素分餾系數；

f——蒸發或凝聚后的殘留分數。

蒸發過程涉及平衡蒸發和不平衡蒸發。

（2）平衡蒸發。這里所說的平衡蒸發就建立在水的蒸發速率足夠緩慢，平衡狀態得以維持。

（3）不平衡蒸發。與平衡蒸發相反，當水的蒸發速率過快，氣-液之間的分餾平衡無法維持。

（4）凝結過程。水蒸氣在高空與顆粒結合液化，實現了由氣態到液態的轉變，在這一過程中氣—液之間處于分餾平衡狀態。在凝聚過程中，根據開放程度，又可以分為封閉系統、開放系統。

3.2.2動力學分餾

細菌分解有機質或細菌氧化甲烷都會產生明顯的氧同位素分餾。其特點是，產物富含輕同位素，殘留物富含中同位素，富含D。

植物的光合作用、呼吸作用以及細菌的還原硫酸鹽和脫碳酸反應，都存在著氫氧同位素動力分餾。

3.2.3熱力學同位素分餾

主要是氣體組分、氣液組分之間的同位素分餾，固液之間的氫氧同位素交換比較典型的便是水—巖作用，因此存在水—巖作用同位素分餾，自然界里礦物之間常會發生共生。自然界中，有許多共生的礦物，共生礦物之間會發生同位素交換的現象，在較長的地質時期，同位素的分餾一直都是平衡的。

4　結語

不同來源的地質流體具有不同的氫氧同位素分餾特征，因此我們進行溯源的時候，就可以利用氫氧同位素的分餾規律對原始成礦流體的特征進行歸納分析。影響同位素分餾的因素較多，有蒸發過程中的氫氧同位素分餾、氫氧動力同位素分餾和熱力同位素分餾，而且分餾程度各不相同，但在具體的求證過程中，也要結合礦床的實際特征進行分析。

在變質作用的研究中，氧同位素應用最為普遍。這是因為變質巖及其各種變質礦物中，既可能保存有原巖組分、變質過程中流體—巖石的相互作用，又可能保存有變質溫度的信息。

氫氧同位素的應用效果較好，準確性高。人們在應用氫氧同位素追溯地質流體來源時候，通常會用到不同來源水的氫氧同位素組成圖，運用圖解來區分巖漿水、大氣降水和變質水。

同位素的應用大大提高了地質科研人員對礦床的研究效率，隨著同位素技術的進一步發展，地質科研會前進一大步。

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P611

A

1004-5716（2016）10-0145-03

2015-11-11

鄧聲保（1991-），男（漢族），江西撫州人，東華理工大學地球科學學院在讀碩士研究生，研究方向：礦床地球化學。