地質流體穩(wěn)定同位素示蹤

1、碩士研究生地質流體穩(wěn)定同位素示蹤試題一、 名詞解釋（2×5分）1、同位素效應 由同位素質量差所引起的物理和化學性質上的差異。 2、同位素分餾 指在一系統(tǒng)中，某元素的同位素以不同的比值分配到兩種物質或兩相中的現(xiàn)象，是同位素效應的表現(xiàn)。3、同位素分餾系數 在同位素分餾達到平衡的條件下，兩種物質中某元素的相對同位素之比值稱為同位素分餾系數。A-B=RA/RB4、瑞利分餾 分離前不同物相之間保持著熱力學平衡并處于封閉狀態(tài)，但分離后一相物質不斷離開體系，不再與另一相保持平衡。這種在開放體系中進行的過程稱之為瑞利過程，在瑞利過程中發(fā)生的同位素分餾稱之為瑞利分餾。5、等時線 isochron，是指

2、構成單獨熱液體系的不同巖石所遵循的全部軌線族上所有時間相等位置點的連線。二、 簡答題（10×3分）1、簡述A-B、A 、B 和A-B的含義和數學表達式，推導三者數學關系。答：（1）含義和數學表達式： A-B表示在熱力學平衡條件下，A、B兩物質之間的同位素分餾系數，A-B=RA/RB； A表示A物質的同位素比值相對于某標準的該同位素比值的千分差；B表示B物質的同位素比值相對于某標準的該同位素比值的千分差。A()=(RA/RSt)-1×1000，B()=(RB/RSt)-1×1000，其中RSt為某一標準的同位素比值。 A-B表示某同位素在A、B物相中的同位素分餾值，

3、A-B=A-B。（2）三者數學關系的推導：A-B=RA/RB=(RA/RSt)/(RB/RSt)= (A/1000+1)/(B/1000+1)= (A+1000)/(B+1000)；等式兩側取對數得，lnA-B=ln (A+1000)/(B+1000)；lnA-B=ln(A+1000)-ln(B+1000)；利用泰勒式: ln(A+1000)=ln1000+ln(A/1000+1)=ln1000+A/1000-(A/1000)2/2+(A/1000)3/3-(A/1000)4/4+（-1）n-1(A/1000)n/n+(-1)n(A/1000)n+1/(n+1)(1+(A/1000)n+1 ,

4、 (0<<1);利用極限定理，ln(A+1000)ln1000+A/1000；同理可得，ln(B+1000) ln1000+B/1000；故而，lnA-B=ln(A+1000)-ln(B+1000) ln1000+A/1000-(ln1000+B/1000)=10-3(A-B)；即：103 lnA-B=A-B=A-B。2、簡述幾種檢測同位素分餾平衡的常用方法。 答：(1) 共生順序判別法在熱力學同位素平衡條件下，共生礦物之間的重同位素富集順序有規(guī)律地升高或降低，結果表現(xiàn)出為礦物之間的同位素組成呈規(guī)律性的變化，從而構成了礦物同位素組成的共生順序。如果共生礦物的同位素組成與平衡順序相反

5、，指示它們之間或者處于同位素不平衡狀態(tài)，或者是不同階段的產物，或者是不同溫度下形成的。常見礦物的穩(wěn)定同位素組成共生順序有：氫同位素（D）：高溫（>500）：鋰云母>白云母>金云母>角閃石>黑云母>黝簾石；低溫（<400）：蛇紋石>高嶺石>綠簾石>伊利石/蒙脫石>勃姆石>水鎂石>針鐵礦。氧同位素（18O）：石英>方解石>堿性長石>高嶺土>白榴石>電氣石>硬玉>藍晶石>多硅白云母>鈣長石>白云母>綠簾石>蛇紋石>綠泥石>頑火輝石>透

6、閃石>透輝石>普通角閃石>金云母>黑云母>硅灰石>榍石>鋯石>石榴子石>橄欖石>金紅石>磁鐵礦>鈦鐵礦>赤鐵礦>晶質鈾礦>剛玉>尖晶石。碳同位素（13C）：白云石>方解石>CO2>石墨>CH4。硫同位素（34S）：硫酸鹽>>輝鉬礦>黃鐵礦>閃鋅礦磁黃鐵礦>黃銅礦>斑銅礦>方鉛礦>輝銅礦>輝銻礦>輝鉍礦>輝銀礦。(2) 等溫線法這種方法基于同位素分餾方程表達式:1-2-C1-2=A1-2×106/T2。

7、通常選一種最富集重同位素的礦物作為參考礦物（Re），這種礦物與礦物集合體中的其他礦物（Mi）依次配對，以（Re-Mi）-CRe-Mi為Y軸、ARe-Mi為X軸作圖。如果這些共存礦物處于相同溫度下的同位素平衡狀態(tài)，可得到斜率為106/T2的一條直線，并且此直線通過原點，平衡溫度由斜率106/T2計算得到；如果不為106/T2斜率的直線，則表示同位素不平衡。對于多種礦物對可根據擬合的直線斜率由106/T2計算出T。對于擴散控制的同位素交換來說，快速冷卻的體系，具有不同同位素擴散速率的礦物在冷卻過程中必須具有幾乎一致的擴散封閉溫度才能得到一條直線；緩慢冷卻的體系，有不同同位素速率礦物構成的等溫線有時

8、會給出較低的表面溫度，這需要將其與受流體滲濾所產生的退變質平衡等溫線進行區(qū)分。(3)圖解垂線判別法該方法是取兩個共生礦物與某一參考物相相聯(lián)系，應用有關的礦物-參考物相體系同位素分餾方程，在103ln對1/T2坐標圖上畫出分餾曲線；制定參考物相的同位素組成，計算出各礦物與參考物相之間的同位素分餾并分別在分餾曲線上投影。如果各投影點的連線在分餾曲線圖解上近于垂直，指示這兩共生礦物之間存在同位素平衡，所對應的兩個同位素溫度在誤差范圍內相互一致。對于不垂直的礦物對，它們之間的同位素組成沒有平衡，或具有不同來源，或為不同階段的產物。(4) -圖解法該方法常用于開放體系同位素交換，其判斷共生礦物之間是否處

9、于同位素平衡的原理在于y=x+103lny-x，以x、y為坐標軸作坐標圖，將數據點投影到圖中，如果數據點的分布在斜率1的直線上，表明共生礦物的同位素分餾達到平衡，并利用截距103lny-x計算出平衡溫度。若數據點偏離圖解中的直線，說明體系為非平衡分餾。(5) -圖解法-圖解法常用于封閉體系同位素交換，在-圖解中，以每種礦物的值為y軸，以礦物對值為x軸，兩條斜率相反的直線之間有夾角。一般對于兩相封閉體系，其總的同位素組成為：s=x1×1+x2×2。式中s代表體系，Xi為相i的摩爾分數，且x1+x2=1。在-空間中，根據質量守恒可得，1=x2×12+s，2= -x1&

10、#215;12+s。其成立的前提條件有：體系中相1與相2含量之比保持常數；s值保持常數；相1與相2之間的同位素交換是引起體系內各相i變化的唯一原因。當體系中只存在兩相，且x1+x2=1即可滿足上述條件。3、簡述氧同位素地質測溫常用方法。答：氧同位素地質測溫廣泛應用于研究地球上的各種巖石和礦石，甚至是隕石和月巖物質的形成溫度。根據測定對象不同，氧同位素地質測溫可分為外部測溫法、內部測溫法和單礦物測溫法三種。(1) 外部測溫法只測定一種礦物同位素，另一相（通常為液相）采用某一假定值，根據已知礦物水間的分餾方程來計算礦物形成的溫度。最常用于古溫度測定。采用這種方法時，必須首先知道礦物沉淀時介質水的同

11、位素組成。通常假定古海水的氧同位素組成與現(xiàn)代海水相同，只要測定海相化石殼層礦物的氧同位素組成，就能估計出化石動物生存時的古海水的溫度。與海水平衡的生物成因碳酸鈣的氧同位素測溫方程為t()=16.45-4.31×（C-W）+0.14×（C-W）2；式中C為化石樣品中碳酸鈣的氧同位素組成，它是碳酸鈣與100%磷酸在25反應放出的CO2氣體的18O值（PDB標準）；W為生物生長的水的氧同位素組成，它是指25時與水平衡的CO2氣體的18O值（PDB標準）。方解石和文石的古溫度方程：t()=17.04-4.34（Cc-W）+0.16（Cc-W）2t()=13.85-4.54（Arg-

12、W）+0.04（Arg-W）2式中Cc、Arg和W值均是以PDB標準表示的18O值。硅藻SiO2-H2O體系的氧同位素古溫度方程：t()=17.2-2.4（Si-W-40）-0.2（Si-W-40）2；磷灰石-H2O溫度計：t()=111.4-4.3（18OP-18OW）。(2) 內部測溫法該方法又分為兩類溫度計：、礦物水溫度計通過測定某含氧礦物的氧同位素組成及與其密切共生的不含氧礦物中原生包裹體水的同位素組成來代替介質水的同位素組成，應用已知的礦物-水體系分餾系數計算溫度。由于礦物的形成溫度及其形成溫度時，便可根據有關分餾方程計算沉淀出這些礦物的介質水的氧同位素組成，進而推測介質水的來源和演

13、化。、礦物礦物溫度計通過測定密切共生的含氧礦物的同位素組成，應用已知的礦物-礦物體系分餾系數計算溫度。成功礦物對同位素地質測溫要求：礦物對間達到分餾平衡；礦物對間足夠大；礦物對間103ln隨溫度變化明顯；有已知的分餾方程；無后期同位素退化。(3) 單礦物測溫法在地質過程中同一礦物內部容易達到氧同位素平衡，通過分別測定含羥基礦物中不同結構位置上氧的同位素組成，應用合適的分餾系數就可以測定礦物的形成溫度。對于從大氣降水中沉淀的粘土礦物來說，由于其中含有氫和氧兩種元素的同位素，而水的氫、氧同位素組成遵循大氣降水線關系，從而構成了一種單礦物同位素溫度計。設某粘土礦物與水間氫、氧同位素間有分餾方程：10

14、3ln×10/T2+BH；103lnOO×10/T2+BO；與礦物處于同位素平衡的水服從如下大氣降水線關系：D 18O10。因為103ln=DM-D；所以，D=DM-103lnDM-×10/T2-BH；同理， 18O = 18 O-103ln 18 O-O×10/T2-BO ；整理得單礦物測溫方程為：(8O-)×10/T2 18O-DM+(BH-8BO+10)。三、 計算題（20×2分）1、假設一巖漿在1000°C發(fā)生瑞利去氣作用，初始巖漿的D值為60，巖漿與水蒸汽之間的氫同位素分餾系數m-g為1.015，求當 f為0.95

15、、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10、0.05時水蒸汽的D值，并繪出水蒸汽的D值隨f的變化曲線。解：（1）由題意可得，g-m=1/m-g=1/1.015=0.985 由瑞利分餾分離相A的同位素組成公式：A=（0+1000）（1-f）/（1-f）-1000可知：Dg=（D0+1000）（1-fg-m）/（1-f）-1000因此，當f分別為0.95、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10、0.05值時，Dg值可如下表所示：殘留分數f0.950.90.80.70.60.5水蒸汽Dg ()-73.7

16、5-73.38-72.60-71.77-70.85-69.82殘留分數f0.40.30.20.10.05水蒸汽Dg ()-68.67-67.34-65.74-63.67-62.27（2）水蒸汽的D值隨體系殘留巖漿分數(f)的變化曲線，如圖3.1所示。圖3.1 水蒸氣的D值隨體系殘留巖漿分數(f)的變化曲線2、假如一花崗閃長巖，新鮮巖石的18O=8，D值為60，與大氣降水（初始18O=15，D值為130）在一封閉體系內在溫度400450°C下發(fā)生水/巖反應（氧同位素富積系數rock-water=2， 氫同位素富積系數rock-water=10）。求當水巖比W/R為0.95、0.80、0

17、.60、0.40、0.20、0.05時，蝕變巖石的18O和D值，并作出蝕變巖石18O和D隨水/巖比的變化圖解。解：（1）根據水-巖反應體系達到同位素平衡時，蝕變巖石的18O和D值有：18ORf=18ORi+W/R×（18OWi+18Orock-water）/(1+W/R)；DRf=DRi+W/R×（DWi+Drock-water）/(1+W/R)由于18ORi=8，DRi=60，18OWi=-15，DWi=130，氧同位素富積系數rock-water=2， 氫同位素富積系數rock-water=10，因此當水巖比W/R為0.95、0.80、0.60、0.40、0.20、0.

18、05時，蝕變巖石的18O和D值可如下表所示：水巖比W/R0.950.800.600.400.200.05蝕變巖石18ORf ()-2.23-1.330.1252.004.507.00蝕變巖石DRf ()-89.23-86.67-82.50-77.14-70.00-62.86（2）蝕變巖石18O和D隨水/巖比的變化圖解如圖3.2和3.3所示： 圖3.2 蝕變巖石18O隨水/巖比的變化關系 圖3.3 蝕變巖石D隨水/巖比的變化關系四、討論題（20分）討論下表中不同礦區(qū)成礦流體的來源。Table 4 Sample orderSamplelocality18OQDH2O18OH2OTemperatur

19、e（SMOW）（SMOW）（SMOW）1D7Zhangbaling 10.8-52.25.0350ºC2D51-2Zhangbaling 6.4-75.30.6350ºC3G3Zhangbaling 9.5-70.43.7350ºC4D52-1Zhangbaling 12.1-63.76.3350ºC5D25Zhangbaling 6.6-56.60.8350ºC6SS-435-1Sansandao-527.557SS-70-13Sansandao-488.558SS-375-4Sansandao-528.859SS-375-7Sansanda

20、o-536.5510SSD1Sansandao-507.7511SSD3Sansandao-677.8512JJ-190-2Jiaojia-627.2513JJ-190-13Jiaojia-864.3714JJ-190-14Jiaojia-854.1715Jjiao1Jiaojia-597.7516Jjiao2Jiaojia-595.2517LN-20Linnan-84-4.618LN-18Linnan-85-4.81995LN-1Linnan-86-7.420LL-190-12Linlong-592.621LL-190-122Linlong-682.422LL-190-1Linlong-612.623LL-190-111Linlong-722.524LL-190-2Linlong-763.625D22-3Dazhuangzi-62-2.226D22-4Dazhuangzi-70-327D22-5Dazhuangzi-57-6.528D22-6Dazhuangzi-72-7.4解： （1） Zhangbaling礦區(qū)樣品18OH2O的計算：已知絕對溫度T=350+273.15=623.15K；根據Clayton et al.(1972)研究，當溫度介于200500時，實驗測定的石英-水體系氧同位素平衡分餾方程為：103 lnA-B=18OQ -18OH2O