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同位素地球化学研究进展

同位素地球化学研究进展

1 概述

同位素研究是地质学的重要研究手段之一，可以视之为科学研究史上的革命，它的发展极大地加速了许多科学研究进程。同位素地质应用是同位素地球化学的重要组成部分。随着放射性现象的发现，同位素的分析逐渐被建立为独立的研究领域。作为独特的示踪剂和形成环境与条件的指标，同位素组成已广泛的应用到陨石、月岩、火成岩、沉积岩、变质岩、大气、生物以及各种矿床等领域的研究。通过研究同位素在地质体的分布及在各种地质条件下的运动规律来研究矿物、岩石和矿床等各个领域，成为解决众多地质地球化学问题的强有力手段。

地球的历史是一个由大量地质事件构成的漫长的时间序列，它具有灾变和渐变相间的特点。我们在认识这一复杂的过程时，主要依据能保留事件踪迹的证据。同位素的迁移活动寓于地质作用之中，地质事件对地球的影响有可能跨越后期作用而被保存下来，因此同位素组成上的变异常常能提供最接近事实的证据，并且相关研究也用一系列显著成绩证实了这点。

1.1 同位素地球化学的发展现状

同位素的丰度和分布的研究正经历着飞跃性的发展。在不到一百年的时间里，已经取得了非凡的成果，解决了一系列重要的问题，如南非南德斯金矿的成因问题。此外，随着大量的数据和文章的面世，理论基础的不断完善，实验技术的不断发展，同位素地球化学迄今为止仍在快速的发展着，并不断与其他学科相互渗透形成新的学科分支，如宇宙同位素地球化学、环境同位素地球化学等。因此，同位素地球化学已非局限于研究地球及其地质现象，而是扩展到了太阳系的其他星体和其他科学领域。显然，地质学已到了一个新的时期，即同位素地质学时期。

1.2 同位素概念

1913年，Soddy提出了同位素概念，即原子内质子数相同而中子数不同的一类原子即为同位素。一个原子可以有一种或多种同位素。有的元素仅有稳定同位素（如O、S），稳定同位素的原子核是稳定的，目前还未发现他们能自发衰变形成其他的同位素。有的仅有放射性同位素（如U、Th）。放射性同位素原子核是不稳定的，他们能自发的衰变形成其他的同位素，最终转变为稳定的放射成因同

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同位素地球化学研究进展

位素。有的同位素既有稳定稳定同位素，也有放射性同位素（如Rb）。

1.3 自然界同位素成分变化

自然界同位素组成呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类，一类是放射性同位素衰变；另一类是由各种化学核物理过程引起的同位素的分馏，如氢、氧、硫等同位素的组成变化主要是由同位素分馏引起的。自然界的同位素分馏分为两种，一种是同位素热力学分馏，主要研究化学平衡和相平衡过程中的同位素效应，包括同位素交换和蒸汽压不同引起的分馏；另一种是同位素动力学分馏，主要研究内容为扩散速度和化学反应速度方面的同位素效应。其他如溶解与结晶、吸附与解吸等物理作用过程中引起的同位素分馏一般较小。

1.4 同位素地球化学在地质上的应用

同位素在地球化学上的地质应用主要有以下几种：

（1）同位素地质测年：放射性同位素衰变成为稳定子体，由母体衰减和子体积累可以测定地质体系的形成时代，所以放射性同位素被视为地质时钟。

（2）地质过程的物理化学条件和环境指示：通过对同位素组成的变化可以指示地质过程中围岩的氧化还原环境等理化条件，能够用来测定地球化学过程中的某些强度因子，最重要的非测温莫属，即所谓的地质温度计。

（3）地球化学示踪：同位素组成的变化不仅可以用来指示地质体的物质来源和地质体经历的地球化学过程，而且还可以指示成矿流体的来源。

2 同位素地球化学的应用

2.1 同位素地质测温

根据地质体系中共存物相之间的同位素的分馏大小，应用已知的同位素分馏系数，即可计算物相之间的同位素“平衡”温度。计算公式为：

t?6A1?2?10?273.15?℃? ??C式中Δ为两个共生矿物的同位素分馏，A和C可以查表获得，通过上式即可获得共生矿物之间的同位素温度[1]。

同位素地质温度计的应用前提条件是共存物相之间达到并保持同位素平衡。当根据共存物相的同位素组成确定某一地质体的形成温度时，首先要判断所计算

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