稳定同位素在地质上的应用
§1、同位素应用原理 §2、同位素测试仪器
§3、同位素样品制备
§4、同位素样品采集及加工 §5、同位素的应用及注意事项
§ 1.1 基本概念
1、 同位素分类 （1）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。 （2）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 ln T2
ln 1 T1
（高温）
（低温）
（ 3 ）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。
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§3、同位素样品制备
§4、同位素样品采集及加工 §5、同位素的应用及注意事项
1、 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。
二、成矿溶液的S、C同位素组成
1、 测定方法： （1） 测定矿物包裹体的S、C同位素组成 （ 2 ）物理化学分析法（封闭系统必须具备两个条件， 一是含矿流体中，各种水溶液含硫化合物之间达到 了化学和同位素平衡，二是含硫矿物晶出时，必须 与水溶液含硫化合物保持化学、同位素平衡） （3） 图解法 （4） 热力学计算法
文献或分馏方程中通常给出的是矿物水之间的 同位素分馏方程： 103lnαA-H2O ==A1（106T-2）+B1 103lnαB-H2O==A2（106T-2）+B2 两式相减即可得到两种矿物间的同位素分馏 方程
103lnαA-B =（A1— A2）（106T-2）+ （B1—B2）
矿床的同位素组成
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。
§ 1.2 同位素分馏
同位素分馏——是指在一系统中，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α
“S”型花岗岩 δ18O＞10‰
中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，2016年3月31日更新
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：
①真空系统：要求工作于高真空状态， 主要使用： 锅轮分子泵：10-8~10-9 Pa 钛泵：10-7~10-8 Pa 机械泵（前级真空）：10-3 Pa ②进样系统：以适当方式将样品引进 离子源。 气体样品 ：分子流进样—用分子漏孔 粘滞流进样——金属毛细管
③离子源：在于将中性分子、原子电离成带 电的 离子，然后通过离子束进入分析器。 主要有下述类型： 电子轰击型（气体源为对象） 表面热电离型（固体样品） ④质量分析器: 电磁铁 将离子束按质荷 比不同分离开来。 ⑤离子接收器：由一个、带限制狭缝的屏蔽 板，抑制电极和金属杯所组成。
§3、同位素样品制备
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§3.1 样品选择（采集）的基本原则
由于同位素样品分析种类很多，应用领域
各不相同，研究目的各有侧重，因此对分 析样品的要求不可能有统一的规范，但和 其它地质取样一样，同位素地质分析取得 应遵循一些基本原则。
1 eU mv 2 2 2 mv ev B R
偏转半径：
——基本方程
R
2U B
m e
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 ……）
质谱仪原理示意图
§2.2 仪器结构
激光探针质谱工作室
气相色谱/热转换/同位素比值质谱计 GC/TC/IRMS
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，测定矿石矿物和脉石矿物 的S、C的来源， 共生矿物可以测温。
一、成矿溶液的H、O同位素组成
1、 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；
§3.2 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；
一、国际标准： 作为国际标准必须满足以下几点
1、 可以在世界范围内作为零点。 2、 样品数量大，可以满足长期使用，便 于取得。 3、 样品的同位素组成均一，性质稳定。 4、 化学制备，同位素测定手续简便。 5、 同位素值大致改为天然同位素变化的 中间值。
同位素之 比
2D/1H
缩写符号
标准样
SMOW
标准平均大洋水
18O/16O
SMOW
标准平均大洋水
18O/16O
PDB
美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石
13C/12C
PDB
美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石
34S/32S
CDT
美国亚历桑那州卡扬迪阿布洛铁陨石中的陨硫 铁
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例如：以石英、方解石共生矿物对为例：
1000 lnα石英-水=3.38×106T-2 -3.40 1000 lnα方解石-水=2.78×106T-2-3.40 则石英—方解石氧同位素温度计为： 1000 lnα石-方=(3.38-2.78)· (106T-2)+[ -3.40 -（-3.40）]
§3.2 注意事项
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。 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。 4、 生物样品采集要注意部位。 5、 要有足够的数量。
1000 lnα石-方=Δ石-方=0.60（106T-2）
外部测温法，可用来计算水介质的氢、氧同位素组成。其条件是， 当某矿物的氢、氧同位素组成及其形成温度是可知时，便可根据有关 方程，计算出介质水的氢、氧同位素组成： 1000 lnα矿物—水=δ18O矿—δ18O水=(α/T2)+b 其中δ18O矿、T已知，a、b是待定常数，则可计算出成矿溶液的H、 O同位素组成。
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§3.1样品制备的基本要求
1 、样品处理过程中，要避免发生同位素分馏， 产率≈100% 2 、制备样品过程中，要避免外来物质的污染， 真空，加热去气。 3 、制备成质谱分析气体样品，化合物的另一 组要有恒定的同位素组成， CO2中测氧，C 要恒定。 4、要求定量地制备出一种纯气体。 5、原始样品要有足够的纯度。
③平衡分馏： 在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、
相态、价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素公别富集 在不同分子中而发生分异叫做平衡分馏，也称同位素交换反 应。达到同位素交换平衡时共存相同位素相对丰度比值为一 常数，称分馏系数α。如：
1/3CaC16O3+H218O≒1/3CaC18O3+H216O
2、 影响因素 （1） 硫源对成矿溶液中S同位素组 成的影响； （ 2 ） 成矿溶液载冷却和迁移过程 中的同位素变化； （3） 混合作用的影响； （4）交代作用的影响。
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（二）氧同位素的应用 1.讨论有关岩石的成因问题 幔源镁、铁质岩石
1 8
O/
1 6
O与球粒陨石基本一致
（2.03~2.04×10-3），其δ18O变化范围很窄(5~7‰) 。这是用氧同 位素来判断幔源岩石的重要证据之一。这与矿物化学键对18O同位 素选择富集有关。 而花岗岩δ值较高，而且变化范围较大，主要是其成因及源区 较复杂所致： 矿物 ~水之间的待定常数 a、b
矿物~水
a
b
温度区间(oC)
石英~水
碱长石~水 方解石~水
3.38×106
2.15 ×106 2.78 ×106
-3.40
-3.82 -3.40
200~500
350~500 0~800
白云母~水
2.38 ×106
-3.89
350~650
形成时， 两共生矿物与一个公共流体相达成平衡， 则两 个矿物的 δ 18O 值之间存在一个平衡差，由此值可根据内 部计温法计算成岩温度。
αA-B = RA / RB ; RA , RB 分别表示两种物质
中的同位素比值。
1、同位素分馏分类
①物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同 质量有关的性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的
差别，使用使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中
发生轻重同位素的分异。 ②动力分馏：含有两种同位素的分子，由于质量不同导致它们 参加化学反应活性的差异。轻同位素形成的键比重同位素更易 于破裂，因此反应产物特别是活动相中更富集轻同位素。 例如，高温下H2S，SO2共存体系中（封闭）同位素交换反 应使SO2富集较重的34S，H2S富集较轻的32S。
1、 同位素地质温度计的原理
在基本原理部分已讲述温度对同位素分馏的影响 lnα∝ 1/T2 高温 lnα∝ 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 lnα=2.38(106T-2 ）—3.89 只要测定一对同位素平衡矿物对的δ值，就可以利用： αA-B=（δA+1000）/（δB+1000） 或 ΔA-B= 103lnαA-B 算出103lnαA-B 数值，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）