地質(zhì)研究中同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用

楊 兵

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司資料采集第二大隊(duì)，黑龍江大慶163411）

存在于自然界中的任何一種元素，其放射性核素與穩(wěn)定核素都具有相同的化學(xué)特性與物理特性，具體來(lái)講就是具有稀有穩(wěn)定核素、放射性核素的分子、原子以及其他化合物，其化學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)均無(wú)顯著的差異。基于這一特性，當(dāng)放射性核酸與稀有穩(wěn)定核素物質(zhì)與普通物質(zhì)混合到一起時(shí)，不僅不會(huì)發(fā)生物理與化學(xué)等方面的變化，同時(shí)也不會(huì)破壞客觀世界。在這種原理支持的基礎(chǔ)上，地質(zhì)研究活動(dòng)就可以對(duì)放射性核素與經(jīng)過(guò)密集化處理的稀有核素實(shí)施追蹤，對(duì)物質(zhì)世界的發(fā)展與變化進(jìn)行全面的觀察。

1 同位素示蹤技術(shù)的基本原理

不同同位素在相同元素中，由于其原子質(zhì)量存在差異，因此就具備不同的熱力學(xué)性質(zhì)。在該因素的影響下，同位素的物理、化學(xué)作用也就不同，進(jìn)而形成同位素分餾[1]。目前，同位素分餾主要分為如下兩種類型：

第一種是熱力學(xué)平衡分餾，是指能夠和同位素發(fā)生熱力學(xué)平衡交換反應(yīng)的相關(guān)同位素分餾。方程式如下。

式中：h、k——Plank與Boltzmann的常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度；

M、M＊——輕重同位素的質(zhì)量；

aA、aB——分子X(jué)nA、XmB中交換原子的鍵力常數(shù)以及表示化學(xué)鍵強(qiáng)弱的關(guān)鍵標(biāo)志。

上式表明，對(duì)于不同分子、物相間的熱力學(xué)平衡分餾系數(shù)103lnα與溫度T2，二者呈反比關(guān)系；與相對(duì)質(zhì)量差呈正比關(guān)系;與不同分子化學(xué)鍵強(qiáng)之差(aBaA)呈正比關(guān)系。因此，當(dāng)若lnαA-B＞0時(shí)，aB＞aA，這就表示重同位素主要集中在化學(xué)鍵較強(qiáng)的分子、結(jié)構(gòu)與物相當(dāng)中。

另外一種是動(dòng)力學(xué)分餾，具體是指因輕重同位素分子反應(yīng)與擴(kuò)散的差異性而形成的分餾，多數(shù)情況下被應(yīng)用于非平衡過(guò)程。分餾系數(shù)α為：

式中：K——輕同位素的速率常數(shù)；

K＊——重同位素的速率常數(shù)。

分析上式可知，反應(yīng)速度越快，K/K＊就越接近1，動(dòng)力學(xué)分餾就越小，且動(dòng)力學(xué)分餾系數(shù)lnα與溫度呈反比關(guān)系。而能夠引起同位素變化的另外一種原因則是放射性同位素衰變。本文中以鉛為例：

λ——238U的衰變常數(shù)；

t——自礦物成為U、Pb封閉體系所用的具體時(shí)間。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的分餾、衰變與演化，地球的各個(gè)層圈與地質(zhì)單元都呈現(xiàn)出較為獨(dú)特的同位素組成特征。為此，在示蹤成巖與成礦物質(zhì)的來(lái)源，推斷源區(qū)的地球化學(xué)特征時(shí)，就要充分考慮同位素化學(xué)性質(zhì)基本相同這一特點(diǎn)[2]。總之，在地質(zhì)研究中，同位素示蹤技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)對(duì)其具體應(yīng)用展開如下分析。

2 地質(zhì)研究中同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用

2.1 氫氧同位素在示蹤成礦溶液來(lái)源與水巖交換中的應(yīng)用

利用氫氧同位素可以示蹤成礦溶液的來(lái)源。作為地球上較為常見(jiàn)的水體，海水和大氣降水在成礦過(guò)程中的作用在傳統(tǒng)的地質(zhì)理論中并沒(méi)有得到充分的重視，而是片面的認(rèn)為，巖漿熱液的唯一來(lái)源是成礦溶液。

地?zé)崴c成礦溶液所沉淀出的成礦物質(zhì)是最為相似的。Craig在1996年對(duì)地?zé)崴摩?8O值與δD值進(jìn)行了分析研究，并表示任何一個(gè)地區(qū)的地?zé)崴?，其δD值都與當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩腄值相同。其中，δ18O值會(huì)在不同程度上向右漂移，且δ18O的具體漂移程度與熱鹵水的溶質(zhì)含量與溫度有著十分密切的聯(lián)系[3]。同時(shí)，Craig認(rèn)為，之所以氧同位素會(huì)發(fā)生漂移，這主要是因巖石與大氣降水在溫度較高條件下會(huì)發(fā)生氧同位素交換反應(yīng)。但由于水中的氫含量要明顯高于圍巖中的氫含量，因此就會(huì)使得地?zé)崴摩腄值長(zhǎng)期保留了大氣降水的主要特征[4]。除此之外，Craig也證實(shí)了，地?zé)崴墙?jīng)過(guò)大氣降水的演變過(guò)程而得來(lái)的，這就會(huì)在一定程度上顛覆了巖漿水是成礦溶液唯一來(lái)源的認(rèn)知。隨后，還有一些研究人員針對(duì)該結(jié)論進(jìn)行了大量的研究，并進(jìn)一步證實(shí)了成礦溶液的主要來(lái)源并不是巖漿水，而是大氣降水與海水。而H.P.Taylor在1977年也對(duì)大氣降水、圍巖間因同位素交換而所引起的同位素變化展開了系統(tǒng)地分析與研究，并明確了封閉體系水巖間同位素交換質(zhì)量平衡方程與水/巖比的方程，這對(duì)于水巖交換反應(yīng)的研究具有十分重大的影響。

式中：f——水與巖石交換后的最終態(tài)；

W——雨水的原子百分?jǐn)?shù)；

R——巖石的原子百分?jǐn)?shù)；

Δ——指其與水巖間的同位素分餾系數(shù)，Δ=δf巖-δf水。

但H.P.Taylor在1977年的研究中發(fā)現(xiàn)，與實(shí)際情況相比，水巖同位素交換模式存在明顯的不同。第一，水巖同位素交換時(shí)的溫度不是固定的；第二，位置不同，水/巖比也不同；第三，大部分體系為開放體系；且部分體系是無(wú)法滿足同位素平衡要求的?；诖耍琌hmoto在1986年對(duì)H.P.Taylor的水巖同位素交換模式進(jìn)行了調(diào)整，且提出了累積W/R比概念。

在1995年，兩階段水巖同位素交換模式被張理剛正式提出，并明確指出，巖石交換氧同位素與大氣降水不僅可以大大降低蝕變圍巖的δ18O值，同時(shí)也能夠促使蝕變圍巖的δ18O值高于主巖[5]。綜上所述，將同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)研究中，可以根據(jù)蝕變圍巖的低18O中心或者是高18O中心指導(dǎo)找礦工作的順利開展。

2.2 硅同位素在示蹤礦床成因中的應(yīng)用

在地殼中，分布最為廣泛的一種元素就是硅。而在自然界中，由于硅大多是以硅氧四面體的形式存在的，因此其同位素?zé)崃W(xué)分餾較小，無(wú)價(jià)態(tài)變化，且也不會(huì)引起明顯的硅同位素變化[6]。再加上硅同位素的分析精度較低，這就導(dǎo)致硅同位素在地質(zhì)研究中得不到有效的應(yīng)用。在1988年，丁悌平創(chuàng)建了世界上第一種精度較高的硅同位素分析法，此法除了可以分析地質(zhì)樣品中的硅同位素組成，同時(shí)也在一定程度上為地質(zhì)研究中硅同位素的應(yīng)用打開了大門。

據(jù)研究顯示，可以導(dǎo)致硅同位素變化的關(guān)鍵因素就是硅同位素動(dòng)力學(xué)分餾。根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，相比于30Si，28Si在溶液中是優(yōu)先沉淀的，而最早沉淀的硅δ30Si值是最低的，最后沉淀的硅δ30Si值是最高的。同時(shí)，硅同位素動(dòng)力學(xué)分餾的δ30Si都為負(fù)值[7]。例如我們所熟知的馬里亞納海底黑煙囪，其硅質(zhì)物δ30Si值就在-3.1～-0.4之間，硅華δ30Si值在-3.4～0.2之間。與上述情況存在明顯差異的是，在風(fēng)化過(guò)程中，礦物會(huì)被逐步溶解，最終融入到水溶液當(dāng)中。而礦物溶解的過(guò)程中是先從晶體表面逐層開始的，部分是由晶體裂隙逐層開始的，因此在這一過(guò)程中并不會(huì)存在可以明確分辨的硅同位素分餾。但硅質(zhì)的沉淀過(guò)程卻并不相同，其輕同位素分子H284SiO4會(huì)優(yōu)先聚合，并與原地的Al2O3進(jìn)行結(jié)合，最終形成粘土礦物后逐步的沉淀下來(lái)[8]。而該過(guò)程針對(duì)于重同位素分子來(lái)講，最大的不同就是其溶解物質(zhì)會(huì)被河水與地表水帶走。在搬運(yùn)期間完成沉淀、分餾與演化，最終沉淀在海洋中形成淺海相硅質(zhì)巖，其δ30Si值在多數(shù)情況下偏高。

總之，因硅質(zhì)巖、粘土礦物的成因存在差異，硅同位素的特征表現(xiàn)也明顯不同，且這些特征在后期的改造與變質(zhì)過(guò)程中也不會(huì)發(fā)生較大的變化[9]。為此，將硅同位素應(yīng)用到地質(zhì)研究中是十分有必要的，可以用于示蹤脈石英硅質(zhì)來(lái)源、判別硅質(zhì)巖與粘土礦物成因的一種有效手段。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在地質(zhì)研究中，同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用一定要遵循科學(xué)性與實(shí)用性原則。同時(shí)，要想進(jìn)一步提升同位素示蹤技術(shù)信息采集的高效性與準(zhǔn)確性，在開展地質(zhì)研究活動(dòng)時(shí)就要充分考慮掃描地的環(huán)境、天氣情況以及地理環(huán)境，并且要保證用于支持同位素示蹤技術(shù)的同位元素要具備顯著的放射性特征，以便工作人員的觀察與研究，在最大程度上減少同位素示蹤技術(shù)在地質(zhì)研究中的誤差。