稳定同位素原理及在矿床学上的应用.ppt

1、1,稳定同位素原理及在矿床学研究中的应用,-以氢氧同位素为例,曹 晓 峰,2008.11,2,1、同位素应用原理 2、同位素测试仪器 3、同位素样品采集及加工 4、同位素的应用及注意事项,3,放射性同位素原子核不稳定，能自发地衰变成其它的同位素，目前发现的有1200多种。 稳定同位素原子核稳定不能自发地进行某种核蜕变的同位素。 不同的同位素具有不同的丰度值称同位素丰度,1.1基本概念,4,轻同位素（C，H，O，S，N），其同位素组成的变化主要由同位素分馏作用引起 放射性成因的Sr、Nd、Pb等同位素组成的变化则主要由母体同位素的放射性衰变引起。,5,同位素效应同位素质量差所引起的物理和化学性质

2、的差异。 同位素分馏在一系统中，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，用分馏系数又称分离系数 表示。A-B = RA / RB ; RA , RB 分别表示两种物质中的同位素比值。,6,同位素组成值:样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差 （）= （R样/R标）- 1） 1000 R样：样品的同位素比值; R标：标准样品的同位素比值 0 表明样品较标准样品含较重的同位素 0 表明样品较标准样品含较轻的同位素 = 0 表明样品与标准样品同位素比值一致 千分分馏（1000ln）和同位素分馏值 ：相对富集系数值指两物质间的同位素组成差别 1000ln A-B=AB,7,从

3、严格意义上讲，在周期表中所有元素的不同种同位素由于其质量上存在差别，在自然界的各种物理，化学和生物的反应和过程中都会发生同位素分馏，这些反应和过程包括：蒸发作用，扩散作用，吸附作用，化学反应，生物化学反应等等。,1.2同位素分馏,8,9,影响同位素分馏的因素 （1）同位素质量的影响，是发生同位素分馏的根本原因，差异大，分馏大； （2）化学键性质的影响：一般重同位素优先富集于较强的化学键中。 （3）反应温度的影响：温度越高，分馏效应减小，温度足够时 1 （高温） （低温）,10,（1）同位素分馏程度与相对质量差有关： 17O/ 18O0.5,11,平衡交换反应：,受温度控制： 能斯特定律 LnK

4、 = -（H/RT）+B,反应平衡常数：K,12,瑞利分馏：,13,1、同位素应用原理 2、同位素测试仪器 3、同位素样品采集及加工 4、同位素的应用及注意事项,14,基本原理：带电粒子在磁场中偏转，不同质量数粒子偏转半径不同，从而区分不同的同位素丰度比。 基本方程 偏转半径： R离子轨道曲半径 m原子质量单位 U加速电压 B磁场强度 e电荷（带电荷离子，e=1，e=2 ）,15,离子源,信号接收器,扇型磁场,质谱仪原理示意图,16,2.2 仪器结构,激光探针质谱工作室,17,气相色谱/热转换/同位素比值质谱计 GC/TC/IRMS,18,1、同位素应用原理 2、同位素测试仪器 3、同位素样品

5、采集及加工 4、同位素的应用及注意事项,19,1、根据研究对象和目的，选择有效的研究方法：,例：研究火成岩成因，最好选用H、O、Sr 、Pb等，选择S、C效果就不佳，S、C同位素研究成矿的物理、化学环境却很有效，H、O研究成矿来源，热液蚀变，S、O地质测温，效果较好。,3.1 样品选择（采集）的基本原则,20,2、根据研究对象、目的和研究 方法，采集有效的样品,例如，研究蚀变作用，抗交换能力差的长石，黑云母能灵敏地反映蚀变的情况，抗交换能力的矿物（石英、磁铁矿、白云母）往往能提供蚀变前的原始同位素特征。做地质测温时，石英长石，不如石英磁铁矿好，黄铁矿方铅矿，不如闪锌矿方铅矿。,21,3.2 注

6、意事项,1、 系统性和代表性 具体地说就是详细研究地质情况的基础上，采集岩石或矿物样品要分清原生还是次生的，是早期的还是晚期的，以及他们是那个阶段，那个世代形成的矿物。另外还要注意不同地质位置的矿物，岩石样品不能混合，那怕是同种矿物也不能混合，同样不同相带，不同层位和不同构造位置的样品要分开。 2、 严防污染：由于同位素组成变化较小，如有污染将影响地质分析，如做包裹体测定时，云母类、角闪石类不能做包体的氢同位素分析。做包裹体的氧同位素不能选含氧主矿物。 3、 区别对待：如作地质测温时，要确保是共生矿物，对做原生包体要去掉次生包体。 5、 要有足够的数量。,22,3.2 样品处理,根据不同的目的

7、选用不同的矿物： 示踪流体来源用H、O同位素，选用蚀变矿物如石英，方解石和石榴石。 示踪成矿物质来源用S，Sr，Pb同位素，选用成矿物质如方铅矿、闪锌矿、黄铜矿和黄铁矿等。 送样要求：对于H、O同位素,单矿物5g, 0.250.5mm(3565目)； 对于S同位素，单矿物1g;,23,24,25,26,27,28,1、同位素应用原理 2、同位素测试仪器 3、同位素样品采集及加工 4、同位素的应用及注意事项,29,4.1 同位素标准,为了使同位素资料便于对比，同时消除样品分析过程中有可能的系统误差，必须将样品的同位素组成与某一相应标准物质的同位素组成进行比较，所以需建立统一的同位素标准；,30,

8、31,（1）陨石、月样的稳定同位素； （2）现代大气圈、生物圈、水文去圈的同位素分布规律； （3）古气候、古温度、古地理环境； （4）岩石、矿床的成因、物质来源、探矿指标； （5）成矿、成矿的物理化学条件及形成温度； （6）地幔及地壳演化、地球早期历史、大气圈、水圈、生物圈的演化；,4.2 稳定同位素应用领域,32,H、O同位素在矿床学中的应用,水是成矿溶液的主要成份，查明水的成因，是任何成矿理论首先必须解决的问题，利用H、O同位素比值能够明确断定成矿溶液中水的来源和蚀变溶液的成因，共生矿物可以测温。,33,天然水物相改变及交换反应时水的氢氧同位素组成变化,34,海洋水,由于海洋库远大于水汽，

9、即M海水M水汽，所以海水蒸发过程可以看做是开放体系过程， M海水 ，18O海水=0。 实测海洋水的同位素组成变化范围很小， 18O=01 ，D=010 ,前寒武纪的情况可能不同，若认为大洋水起源于岩浆水的话，那么岩浆水同位素的组成对于重建大洋历史是一个重要参数，大部分在高温下与岩浆平衡的岩浆水的18O=+6 8 ，D=-50 -80 ,35,36,大气降水,指雨雪等各种形式的降水以及由它们组成的地表水（如河水、湖水）和浅层地下水（如井水），其18O=-54 31 ，D=-300 131，平均18O=-4 ， D=-22 。 具有纬度，高度，季节和大陆效应。,37,38,地热水,中性、氯化物型地

10、热水和地热汽的D-18O关系 1.局部大气降水或稍微加热的近地表地下水；2.热泉地热水； 3.高温高压地热汽。,39,孔隙水、建造水、盆地卤水,美国大陆建造水和油田卤水的氢氧同位素组成关系（据Taylor，1974）,40,初生水、岩浆水和变质水,初生水：18O=61 ，D=6020 。 岩浆水： 18O=+6 8 ，D=-50 -80 变质水： 18O=+5 25 ，D=-70 -20 ,41,水岩反应公式： Wi水+Ri岩石= Wf水+Rf岩石,原理：水/岩反应导致了热液矿床蚀变 围岩的同位素异常,42,43,4.3影响成矿溶液重H、O同位素组成的因素,（1） 成矿溶液的来源 （2）成矿溶

11、液载迁移过程中，由于温度降低和与通道周围的岩石发生同位素交换； （3）加入成因不同的流体，会改变成矿溶液的原始同位素特点； （4）成矿溶液的的化学成份发生变化。,44,4.4成矿溶液的H、O同位素组成测定方法,（1）直接测定矿石矿物或脉石矿物中液体包裹体的同位素组成； （2）矿物H2O计算法 根据矿物的同位素组成和温度，利用同位素分馏方程计算成矿流体的同位素组成；,45,4.5同位素地质温度计,在基本原理部分已讲述温度对同位素分馏的影响 ln 1/T2 高温 ln 1/T 低温 我们可以用分馏曲线或函数关系表示，例如，白云母 H2O的分馏方程： 103 ln=2.38(106T-2 ）3.89

12、 只要测定一对同位素平衡矿物对的值，就可以利用： A-B=（A+1000）/（B+1000） 然后根据同位素分馏方程或同位素分馏曲线可算出温度来。（外部计温法） 或者直接测定共生的两种矿物之间的同位素分馏系数计算矿物对平衡温度（内部计温法）,46,第46页/共78页,矿物水 a b 温度区间(oC) 石英水 3.38106 -3.40 200500 碱长石水 2.15 106 -3.82 350500 方解石水 2.78 106 -3.40 0800 白云母水 2.38 106 -3.89 350650,47,第47页/共78页,例如：以石英、方解石共生矿物对为例： 1000 ln石英-水=3.38106T-2 -3.40 1000 ln方解石-水=2.78106T-2-3.40 则石英方解石氧同位素温度计为： 1000ln石-方=(3.38-2.78)(106T-2)+-3.40-（-3.40） 1000 ln石-方=石-方=0.60（106T-2）,48,根据Sheappard（希派特）对南北美洲环西太平洋斑岩成矿带氧、氢同位素组成的研究：,49,根据Sheappard（希派特）对南北美洲