地質研究中同位素示蹤技術的應用

楊 兵

（大慶鉆探工程公司地質錄井一公司資料采集第二大隊，黑龍江大慶163411）

存在于自然界中的任何一種元素，其放射性核素與穩定核素都具有相同的化學特性與物理特性，具體來講就是具有稀有穩定核素、放射性核素的分子、原子以及其他化合物，其化學性質與物理性質均無顯著的差異。基于這一特性，當放射性核酸與稀有穩定核素物質與普通物質混合到一起時，不僅不會發生物理與化學等方面的變化，同時也不會破壞客觀世界。在這種原理支持的基礎上，地質研究活動就可以對放射性核素與經過密集化處理的稀有核素實施追蹤，對物質世界的發展與變化進行全面的觀察。

1 同位素示蹤技術的基本原理

不同同位素在相同元素中，由于其原子質量存在差異，因此就具備不同的熱力學性質。在該因素的影響下，同位素的物理、化學作用也就不同，進而形成同位素分餾[1]。目前，同位素分餾主要分為如下兩種類型：

第一種是熱力學平衡分餾，是指能夠和同位素發生熱力學平衡交換反應的相關同位素分餾。方程式如下。

式中：h、k——Plank與Boltzmann的常數；

T——絕對溫度；

M、M＊——輕重同位素的質量；

aA、aB——分子XnA、XmB中交換原子的鍵力常數以及表示化學鍵強弱的關鍵標志。

上式表明，對于不同分子、物相間的熱力學平衡分餾系數103lnα與溫度T2，二者呈反比關系；與相對質量差呈正比關系;與不同分子化學鍵強之差(aBaA)呈正比關系。因此，當若lnαA-B＞0時，aB＞aA，這就表示重同位素主要集中在化學鍵較強的分子、結構與物相當中。

另外一種是動力學分餾，具體是指因輕重同位素分子反應與擴散的差異性而形成的分餾，多數情況下被應用于非平衡過程。分餾系數α為：

式中：K——輕同位素的速率常數；

K＊——重同位素的速率常數。

分析上式可知，反應速度越快，K/K＊就越接近1，動力學分餾就越小，且動力學分餾系數lnα與溫度呈反比關系。而能夠引起同位素變化的另外一種原因則是放射性同位素衰變。本文中以鉛為例：

λ——238U的衰變常數；

t——自礦物成為U、Pb封閉體系所用的具體時間。

通過長時間的分餾、衰變與演化，地球的各個層圈與地質單元都呈現出較為獨特的同位素組成特征。為此，在示蹤成巖與成礦物質的來源，推斷源區的地球化學特征時，就要充分考慮同位素化學性質基本相同這一特點[2]。總之，在地質研究中，同位素示蹤技術已經得到了廣泛的應用，現對其具體應用展開如下分析。

2 地質研究中同位素示蹤技術的應用

2.1 氫氧同位素在示蹤成礦溶液來源與水巖交換中的應用

利用氫氧同位素可以示蹤成礦溶液的來源。作為地球上較為常見的水體，海水和大氣降水在成礦過程中的作用在傳統的地質理論中并沒有得到充分的重視，而是片面的認為，巖漿熱液的唯一來源是成礦溶液。

地熱水與成礦溶液所沉淀出的成礦物質是最為相似的。Craig在1996年對地熱水的δ18O值與δD值進行了分析研究，并表示任何一個地區的地熱水，其δD值都與當地大氣降水的δD值相同。其中，δ18O值會在不同程度上向右漂移，且δ18O的具體漂移程度與熱鹵水的溶質含量與溫度有著十分密切的聯系[3]。同時，Craig認為，之所以氧同位素會發生漂移，這主要是因巖石與大氣降水在溫度較高條件下會發生氧同位素交換反應。但由于水中的氫含量要明顯高于圍巖中的氫含量，因此就會使得地熱水的δD值長期保留了大氣降水的主要特征[4]。除此之外，Craig也證實了，地熱水是經過大氣降水的演變過程而得來的，這就會在一定程度上顛覆了巖漿水是成礦溶液唯一來源的認知。隨后，還有一些研究人員針對該結論進行了大量的研究，并進一步證實了成礦溶液的主要來源并不是巖漿水，而是大氣降水與海水。而H.P.Taylor在1977年也對大氣降水、圍巖間因同位素交換而所引起的同位素變化展開了系統地分析與研究，并明確了封閉體系水巖間同位素交換質量平衡方程與水/巖比的方程，這對于水巖交換反應的研究具有十分重大的影響。

式中：f——水與巖石交換后的最終態；

W——雨水的原子百分數；

R——巖石的原子百分數；

Δ——指其與水巖間的同位素分餾系數，Δ=δf巖-δf水。

但H.P.Taylor在1977年的研究中發現，與實際情況相比，水巖同位素交換模式存在明顯的不同。第一，水巖同位素交換時的溫度不是固定的；第二，位置不同，水/巖比也不同；第三，大部分體系為開放體系；且部分體系是無法滿足同位素平衡要求的。基于此，Ohmoto在1986年對H.P.Taylor的水巖同位素交換模式進行了調整，且提出了累積W/R比概念。

在1995年，兩階段水巖同位素交換模式被張理剛正式提出，并明確指出，巖石交換氧同位素與大氣降水不僅可以大大降低蝕變圍巖的δ18O值，同時也能夠促使蝕變圍巖的δ18O值高于主巖[5]。綜上所述，將同位素示蹤技術應用到地質研究中，可以根據蝕變圍巖的低18O中心或者是高18O中心指導找礦工作的順利開展。

2.2 硅同位素在示蹤礦床成因中的應用

在地殼中，分布最為廣泛的一種元素就是硅。而在自然界中，由于硅大多是以硅氧四面體的形式存在的，因此其同位素熱力學分餾較小，無價態變化，且也不會引起明顯的硅同位素變化[6]。再加上硅同位素的分析精度較低，這就導致硅同位素在地質研究中得不到有效的應用。在1988年，丁悌平創建了世界上第一種精度較高的硅同位素分析法，此法除了可以分析地質樣品中的硅同位素組成，同時也在一定程度上為地質研究中硅同位素的應用打開了大門。

據研究顯示，可以導致硅同位素變化的關鍵因素就是硅同位素動力學分餾。根據相關的實驗研究結果顯示，相比于30Si，28Si在溶液中是優先沉淀的，而最早沉淀的硅δ30Si值是最低的，最后沉淀的硅δ30Si值是最高的。同時，硅同位素動力學分餾的δ30Si都為負值[7]。例如我們所熟知的馬里亞納海底黑煙囪，其硅質物δ30Si值就在-3.1～-0.4之間，硅華δ30Si值在-3.4～0.2之間。與上述情況存在明顯差異的是，在風化過程中，礦物會被逐步溶解，最終融入到水溶液當中。而礦物溶解的過程中是先從晶體表面逐層開始的，部分是由晶體裂隙逐層開始的，因此在這一過程中并不會存在可以明確分辨的硅同位素分餾。但硅質的沉淀過程卻并不相同，其輕同位素分子H284SiO4會優先聚合，并與原地的Al2O3進行結合，最終形成粘土礦物后逐步的沉淀下來[8]。而該過程針對于重同位素分子來講，最大的不同就是其溶解物質會被河水與地表水帶走。在搬運期間完成沉淀、分餾與演化，最終沉淀在海洋中形成淺海相硅質巖，其δ30Si值在多數情況下偏高。

總之，因硅質巖、粘土礦物的成因存在差異，硅同位素的特征表現也明顯不同，且這些特征在后期的改造與變質過程中也不會發生較大的變化[9]。為此，將硅同位素應用到地質研究中是十分有必要的，可以用于示蹤脈石英硅質來源、判別硅質巖與粘土礦物成因的一種有效手段。

3 結束語

綜上所述，在地質研究中，同位素示蹤技術的應用一定要遵循科學性與實用性原則。同時，要想進一步提升同位素示蹤技術信息采集的高效性與準確性，在開展地質研究活動時就要充分考慮掃描地的環境、天氣情況以及地理環境，并且要保證用于支持同位素示蹤技術的同位元素要具備顯著的放射性特征，以便工作人員的觀察與研究，在最大程度上減少同位素示蹤技術在地質研究中的誤差。