同位素相關(guān)信息

氫、氧為分布最廣的元素，氫、氧同位素研究涉及宇宙、月球、地球各層圈，包括巖石圈、水圈、氣圈，特別是各種各樣水的氫、氧同位素研究，它對(duì)多種成巖成礦作用過(guò)程及物質(zhì)來(lái)源具有重要意義。7.3.1水的氫、氧同位素組成一、大自然之中的氫氧同位素自然界氫有H,D和極微量的氚三種同位素，相對(duì)豐度為99.9844%和0.0156%。氫同位素相對(duì)質(zhì)量差最大，同位素分餾也最明顯。氧有160,170,18O三種同位素，其相對(duì)豐度為99.762%、0.038%，0.200%。大氣水大氣水、或雨水，是指新近參加大氣循環(huán)的雨、雪、河、湖、地下水等一類水的總稱。大氣水的同位素組成變化幅度大，8D值從+50到-500%。，5180從+10到-55%。，總的講大氣水比海水貧D和180。大氣水的同位素組成呈有規(guī)律的變化：從赤道到高緯度地區(qū)、從海洋到大陸內(nèi)部、從低海拔到高海拔地區(qū)，重同位素的虧損依次遞增，構(gòu)成所謂的緯度效應(yīng)，大陸效應(yīng)和高度效應(yīng)，以及季節(jié)效應(yīng)，降水量效應(yīng)等。這是由于水在蒸發(fā)、凝聚過(guò)程中的同位素分餾293效應(yīng)，蒸發(fā)時(shí)輕同位素優(yōu)先汽化，凝聚時(shí)重同位素優(yōu)先液化，隨著蒸發(fā)、凝聚過(guò)程的不斷進(jìn)行，造成輕同位素在逐漸增加。雨水線方程或Craig方程大氣水同位素組成的另一特點(diǎn)是5D和5180之間有明顯線性關(guān)系，有5D=85180+10(7.9)稱為雨水線方程或Craig方程，如圖7.1所示。這個(gè)方程的實(shí)質(zhì)是：在T=25°C時(shí)，亦即：5180水-5180汽=9.155D水-5D汽=71.4將上兩式相除，即可得Craig方程。因此方程中的斜率反映了同位素平衡條件下水汽二相氫、氧同位素富集系數(shù)之比，而截距則反映了汽相中氫、氧同位素組成的絕對(duì)值差。但如果只考慮海水蒸發(fā)和大氣凝聚的平衡過(guò)程，則5180海水~0，5D海水~0,處于平衡水汽中的5180汽=-9.14，5D汽=-74，應(yīng)該是5D水=85180，沒(méi)有截距，不完全符合Craig方程，可見(jiàn)式(7.9)是考慮了分餾的動(dòng)力學(xué)特征。由于溫度及過(guò)程進(jìn)行的程度不一，各地區(qū)的氫、氧同位素組成有時(shí)并不嚴(yán)格服從Craig方程，但原則上方程斜率可用特定溫度下大氣水凝聚過(guò)程同位素平衡交換結(jié)果解釋，截距則包含了動(dòng)力分餾結(jié)果，它是由同位素質(zhì)量差、溫度、環(huán)境等諸因素決定的。溫泉地?zé)崴鶕?jù)對(duì)美國(guó)幾個(gè)主要熱泉和我國(guó)西藏地區(qū)地?zé)崽锏墓ぷ鞅砻?，它們主要是大氣降水?jīng)深部循環(huán)的加熱產(chǎn)物。其5D值和緯度效應(yīng)一致，5180值則變化較大，偏向更大值，這種氧同素和大氣降水值的漂移取決于熱水溫度，圍巖的5180值和水巖交換作用中水/巖的比值等。深成熱鹵水熱鹵水是富含金屬成礦物質(zhì)的高濃度鹽水物質(zhì)，熱鹵水的氫、氧同位素大致和大氣水一致，部分來(lái)自深海水。4、巖漿水巖漿水是在高溫巖漿狀態(tài)下始終與巖漿保持化學(xué)和同位素反應(yīng)與平衡的一種水。硅酸鹽熔漿中水的重量可達(dá)5%,人們無(wú)法取得巖漿水的樣品，只能根據(jù)巖漿礦物氣、液包裹體的同位素組成來(lái)推斷。巖漿大多形成于700—1000°C的高溫，高溫下巖漿與水之間的平衡分餾系數(shù)很小。所以也可根據(jù)火成巖和礦物的同位素組成來(lái)估算。大多數(shù)火山巖和深成巖具有比較一致的同位素組成，其范圍是：§180：+5.5?+8.5%o,3D:-40?-80%o。5、變質(zhì)水變質(zhì)水是指區(qū)域變質(zhì)作用時(shí)存在于巖石孔隙或與巖石伴生的水，其同位素組成是通過(guò)礦物包體測(cè)溫和平衡計(jì)算間接得出。在300—600C變質(zhì)溫度下，變質(zhì)水的3180=5%?25%，3D=-20%。?-65%。，主要受原巖性質(zhì)和變質(zhì)溫度控制。來(lái)自地幔的與超基性巖平衡的水稱為原生水或初生水，由于溫度很高，分餾系數(shù)a趨近于1。水的同位索組成接近巖石，其3180=6%?8%，3D=-50%±20%。，是根據(jù)幔源金云母的D/H比值估算的。二、巖石中的氫、氧同位素1.火成巖火成巖中氫主要存在于角閃石、黑云母等含水礦物。其3D值可從-30%。到-180%。,與巖石類型及成因沒(méi)有簡(jiǎn)單的明確關(guān)系?；鸪蓭r中氧同位素組成總的變化范圍約為3180從5%。?13%。。其變化趨勢(shì)是從基性到酸性，3180值依次增大。火成巖的3180值變化與其組成礦物的3180密切相關(guān)，其造巖礦物的3180同樣反映了與巖漿結(jié)晶分異順序相一致的變化規(guī)律。即從孤立島狀四面體的橄欖石到鏈狀輝石、層狀云母和架狀長(zhǎng)石、石英，3180依次升高。這種變化規(guī)律首先是與各礦物的結(jié)晶溫度有關(guān)，溫度越高，同位素分餾越弱，3180越低，其次和礦物的晶體化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因?yàn)楣杷猁}中陽(yáng)離子與氧結(jié)合力及陽(yáng)離子的質(zhì)量大小控制著分子的振動(dòng)頻率，鍵愈短，則鍵力愈大、振動(dòng)頻率就高，陽(yáng)離子質(zhì)量愈小，振動(dòng)頻率也愈高。而從同位素分餾理論來(lái)看，振動(dòng)頻率高的氧原子的硅酸鹽富180，這就說(shuō)明為什么石英中3180最高。未遭受后期地質(zhì)作用疊加的巖石中各種礦物的3180值亦成有規(guī)律變化，如花崗巖中達(dá)到氧同位素平衡時(shí)的3180值，依次有石英（8—11）、堿性長(zhǎng)石（7—9）、斜長(zhǎng)石（6—9）、白云母、角閃石（6—7）、黑云母（4—7）、磁鐵礦（1—3）等。各礦物間相差1%l2%，如果不符合以上順序或偏離太大，則說(shuō)明平衡可能遭到了破壞。幔源鎂鐵質(zhì)巖石具有很窄的3180值，一般為5%l7%。，與球粒隕石一致。愈向酸性，巖石中3180愈大且分散，這種變化可由諸多因素造成，如巖漿的結(jié)晶溫度、巖漿水的3180、巖漿分離結(jié)晶作用、巖漿與圍巖及水溶液的作用、以及在固相線下礦物重新平衡所產(chǎn)生的退化效應(yīng)等。2.沉積巖沉積巖中的氫、氧同位素組成主要受二種因素控制：一是水巖同位素交換反應(yīng)，低溫下分餾強(qiáng)，如碳酸鹽巖、粘土巖具高的§180和5D值。二是生物沉積巖中的生物分餾，往往造成巖石中很高的8180和5D值?？傮w上講沉積巖以富180和D為特征。碎屑巖的同位素成分有時(shí)未與環(huán)境達(dá)到平衡，以石英為主的碎屑巖的8180u8%o—15%。。自生石英和碎屑石英組成不同。在沉積條件下，砂粒級(jí)石英的同位素交換很弱，在搬運(yùn)、沉積和成巖過(guò)程中不會(huì)改變?cè)瓉?lái)的同位素組成，因此碎屑石英的8180值可用來(lái)鑒別是火成成因還是變質(zhì)成因。長(zhǎng)石也有類似的情況。粘土巖或粘土礦物主要是硅酸鹽礦物化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物，部分是沉積和成巖作用形成，其同位素組成取決于其粘土一水體系的平衡分餾，粘土礦物形成過(guò)程中介質(zhì)水的組成和環(huán)境溫度。&D=A5180+B研究表明，粘土礦物的氫、氧同位素關(guān)系可用下式表達(dá)：8D=A8180+B其中A取決于氫、氧同位素分餾程度比，與環(huán)境溫度有關(guān)，B取決于體系中水的同位素組成對(duì)蒙脫石：8D=7.38180-260對(duì)高嶺石：8D=7.58180-220該方程大致平行Craig線，但在相同8180情況下其8D值明顯偏低。3■變質(zhì)巖由于變質(zhì)巖原巖物質(zhì)的多樣性和變質(zhì)作用溫度范圍的寬廣性，其同位素組成變化范圍也很大。各種含羥基礦物的8D可從-30%?-110%。在許多情況下和火成巖含水礦物和沉積粘土礦物的8D值重疊。變質(zhì)巖的8180也介于火成巖和沉積巖之間，為6%。?25%。變質(zhì)巖及其礦物的氧同位素組成可提供有關(guān)原巖性質(zhì)、變質(zhì)溫度、礦物反應(yīng)機(jī)理、流體相(水蒸汽、C02)的來(lái)源和數(shù)量、同位素交換的程度等方面的重要信息。4■氧同位素地質(zhì)溫度計(jì)同位素地質(zhì)溫度計(jì)測(cè)定的是地質(zhì)體中同位素平衡的建立和“凍結(jié)”時(shí)的溫度。由于同位素交換反應(yīng)是等體積分子置換，并不引起晶體結(jié)構(gòu)本身的變化，因而同位素地質(zhì)測(cè)溫不受壓力變化的影響，無(wú)需考慮壓力校正。同位素交換反應(yīng)的平衡分餾系數(shù)a是溫度的函數(shù)，a和溫度T之間關(guān)系的確定，既可從理論上計(jì)算，也可實(shí)驗(yàn)測(cè)定，但兩者往往有較大不同，故常用實(shí)驗(yàn)法確定。一般有：1000lna=A/T2+B(7.10)其中A，B為常數(shù)，與礦物種類有關(guān)，T是絕對(duì)溫度，此式即為同位素地質(zhì)溫度計(jì)基本公式。公式的適用范圍大致是100°C—1200°C。當(dāng)溫度接近或低于100°C時(shí)，下列關(guān)系更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1000lna=A'/T+B'即簡(jiǎn)化分餾系數(shù)和溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)很難得到礦物與礦物之間的同位素交換反應(yīng)數(shù)據(jù)，一般都是測(cè)定礦物與水之間分餾關(guān)系，然后根據(jù)同位素富集系數(shù)相加原理?yè)Q算成礦物與礦物之間分餾方程。表2.1和圖7.2列出了某些礦物對(duì)的同位素計(jì)溫方程和分餾系數(shù)與溫度關(guān)系圖。表2.1中A，B含義如公式（7.10）所示。由圖7.2和表2.1可知石英一磁鐵礦礦物對(duì)具有最靈敏的氧同位素地溫計(jì)。因?yàn)槭⒌摹?80最大而磁鐵礦的§180最小，所以兩者有最大的分餾系數(shù)，而且石英、磁鐵礦分布比較廣泛，在火成、變質(zhì)、熱液等各種礦床中緊密共生，所以石英磁鐵礦氧同位素溫度計(jì)應(yīng)用最廣，可靠性也較強(qiáng)。氫同位素地溫計(jì)無(wú)論在研究程度上還是地質(zhì)應(yīng)用上遠(yuǎn)不如氧同位素地溫計(jì)。5■礦物一礦物氧同位素計(jì)溫方程據(jù)Bottinga和Javoy（1975）*卩為長(zhǎng)石中鈣長(zhǎng)石的克分子百分?jǐn)?shù)要得到一個(gè)可信的同位素地溫計(jì)，其前提是：測(cè)定的二礦物是共生的，而且達(dá)到了同位素平衡；礦物對(duì)形成之后，其同位素組成不再發(fā)生變化，被“凍結(jié)”，未受后期作用改造；希望礦物對(duì)化學(xué)組份有明顯差別，共生礦物對(duì)的§差值要大；待測(cè)溫度應(yīng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)有效應(yīng)用范圍內(nèi)。自然界共生礦物達(dá)到同位素平衡的判別有二種方法：一是圖解法，根據(jù)不同礦物對(duì)的分餾曲線和溫度關(guān)系，將不同礦物對(duì)的點(diǎn)連成直線，若這些直線近于垂直、溫度相似，說(shuō)明達(dá)到平衡。二是共生礦物按其晶體化學(xué)特性應(yīng)有規(guī)律改變其同位素值，對(duì)§180，依次降低的順序應(yīng)該是：石英、正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、白云母、黑云母、角閃石、輝石、橄欖石、磁鐵礦，如果各礦物的同位素組成符合上述規(guī)律，也說(shuō)明達(dá)到平衡。氧同位素地溫計(jì)測(cè)得的是同位素平衡時(shí)的溫度，并不等于其結(jié)晶溫度。如深成巖的同位素富集系數(shù)△值一般高于火山巖，說(shuō)明它是在比火山巖還低的溫度下達(dá)到平衡，由于深成巖的埋藏深度大，保溫良好，冷卻速度很慢，因而改變了原有同位素組成，在更低的溫度下達(dá)到了新的同位素平衡。所以深成巖的同位素溫度計(jì)，應(yīng)當(dāng)注意這種現(xiàn)象。氧同位素測(cè)溫的另一個(gè)應(yīng)用是通過(guò)測(cè)定生物碳酸鈣殼層與水之間的氧同位素組成來(lái)確定古海洋的溫度。Epstein等提出的經(jīng)驗(yàn)公式是：t=16.9-4.2（§'C-§'W）+0.13（§'C-§'W）2對(duì)生物沉淀的霰石，Grossman等給出如下公式：t=19.00-3.52（§，C-§'W）+0.03（§'C-§'W）2式中§'C是25°C時(shí)碳酸鈣與100%磷酸反應(yīng)所釋放出的CO2的§1