1、第三节 同位素地球化学和同位素分 馏效应及其地质意义 引 言自从 T.J.Thmoson（ 1913） 发现氢的氖元素、F.W.Aston利用他制造的第一台质谱计先后测定氖、氩、氪等 71种元素中共发现 202种同位素后；同位素地球化学被广泛应用于各科学领域的研究。首先用于地质方面研究是 A.Holmes（ 1932， 1937， 1938）， 他运用钙、铅同位素进行了矿石的成因探讨；在 H.C.Urey（ 1947）论述了同位素物质热力学性质基础上， S. Epstein（1953）、 H.P. Taylor（ 1967， 1968）、 R.N. Clayton（ 1961， 1963）、
2、H. Ohmoto（ 1972） 及 J.R.ONeil （1968， 1977） 等进行了广泛地质应用研究，逐渐使得同位素地球化学在地质上的应用趋于成熟。目前，在地学领域已被广泛地探讨各种地质体成因和形成环境，当前广泛用于矿床研究领域的同位素有 S、 H-O、 C-O、 N、 Si、 Li、 B、 Sr-Nd、 Re-Os、 普通 Pb及 Ar、 He等同位素比值和同位素体系。可分为：稳定同位素、稳定同位素和稀有气体同位素。 一、 稳定同位素 轻元素的稳定同位素表示方法和分馏（ 1）表示方法目前，以发现稳定同位素数目大约 300多种，而目前应用在 矿床研究领域的稳定同位素主要有 S、 H-O
3、、 C-O、 N、 Si、 Li、 B等。通常用轻稳定同位素的组成来表示（ ）， 这是因为： 原子量小，同位素组成变化大； 同一元素的轻同位素与重同位素的质量差大，如 2-1H/1H=100%、 13-12C/12C=8.3%、 18-16O/16O=12.5%、 34-32S/32S=6.3%； 它们形成的化学键以强共价键为特征； 碳、硫、氮具有可变的电价； 同一元素的轻同位素比重同位素具有更高的丰度。 轻稳定同位素的比值（ R） 可定义为样品中某种元素的两种稳定同位素比值（ R样 ）相对标准样品中相应比值（ R标 ）的千分差： =（ R样 - R标 ） / R标 1000同位素分馏是指在一
4、系统中，某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象；同位素分馏系数 值，表达形式为：A， B=RA/RB，R表示两种物质的同位素比值，当 A， B1表示物质A比物质 B富集重同位素，相反表示物质 A比物质 B富集氢同位素。A-B=（ 1+ A/1000） /(1+ B/1000)= （ 1000+ A） /(1000+ B)由此可见，只要测定一个体系内两种物质的 值，便可以根据上是求得两种物质间的同位素分馏系数 。 A， B1 时， A B； 当 A， B1 ， A B。 根据热力学量子理论，同位素分馏系数 值的同下列因素有关：（ 2） 轻同位素分馏 一种元素的重同位素总是优先富集
5、在化学键追强的分子中。因此。两种物质之间的化学键强度相差愈大，它们之间的分馏系数 也愈大。 分馏系数与元素的原子量数成反比，即同位素的分馏程度与随元素原子数的增大而减小。 分馏 系数与分子能量有关，而分子的振动能量又与温度有关。温度愈高，因交化反映引起的同位素分馏与不明显，分馏系数与温度成反比。 物理和化学过程中，同位素的分馏过程的热力学效应表现含轻同位素的分子比含重同位素的分子更活跃，更易参与作用。各实验是采用的标样不同，统一换算标准公式为： 样 -标 = 样 -工 + 工 -标 + 样 -工 工 -标 10 -3 样 -标 ：以国际标准表示的样品的 值； 样 -工 ：是以工作标准表示的样品
6、的 值； 工 -标 ：以国际标准表示的工作标准的 值（ 3） 同位素交换反应从同位素角度来讲，可分三种类型： 1）岐化反应：同一元素在同种化学分子之间；如： H2O+D2O=2HDO 2） 简单同位素交换反应：含有同一元素的不同分子之间进行的同位素交换 ; H2O(液） +D2O（ 气） = HDO（ 液） +H2(气） 3）复杂同位素交换反应：不同的分子之间进行的同位素交换。 NH3+HDO= NH2D+ H2O; NH3+ D2O= NH2D+ HDO; 地质上主要应用简单的同位素交换反应，并符合： 1)同位素交换是可逆的； 2)反映前后分子数和化学组分不变； 3)主要是分子键的断开和重新
7、组合； 4)恒温状态下进行； 5)没有热熵的变化。 但是，设是理想状态。 (4) 矿物之间的同位素平衡共生的热液矿物之间是否达到并保留了他们形成史的同位素平衡，是应用矿物队的前提和基础。这里一方面根据同位素平衡温度与地质产状之间的吻合性来验证同位素的平衡；另一方面也可以应用 - 和 - 图解，依据同位素数据本身判断同位素平衡 -和 - 图解是稳定同位素数据解释上最常用的两种图解， - 图解用于开放体系， - 图解用于封闭体系；他们的共同优点是在于可以考虑温度和质量守恒。1） - 图解热力学平衡条件下，两种矿物 A、 B之间的同位素分馏系数 A-B可由下式定义：103lnA-B A- B(两种物质的同位素比值 )或 A= B+103lnA-B当 K 1时，直线（等温线）上的成分点（两矿物）基本达到平衡，因此能够从截距 103lnA-B计算出平衡温度，而 103lnA-B可以通过理论计算、实验测定或经验估计获得；若数据点偏离图中的直线，说明体系为非平衡分馏（图 1-1）。 A- B 图解判断平衡分馏（实心园）和非平衡分馏（空心圆） ;四相封闭体系中共存相 1和 2的和 - 理论图解（ Zheng1992）
