穩定同位素在地質上的應用§1、同位素應用原理§2、同位素測試儀器§3、同位素樣品制備§4、同位素樣品采集及加工§5、同位素的應用及注意事項1、

同位素分類（1）放射性同位素——原子核不穩定，能自發地衰變成其它的同位素，目前發現的有1200多種。（2）穩定同位素——原子核穩定不能自發地進行某種核蛻變的同位素。不同的同位素具有不同的豐度值稱同位素豐度§1.1基本概念

輕同位素（C，H，O，S，N），其同位素組成的變化主要由同位素分餾作用引起

放射性成因的Sr、Nd、Pb等同位素組成的變化則主要由母體同位素的放射性衰變引起。§1.2同位素分餾

同位素分餾——是指在一系統中，元素的同位素以不同的比值分配到兩種物質或物相中的現象。用分餾系數又稱分離系數α

αA-B=RA/RB;RA,RB分別表示兩種物質中的同位素比值。

①物理分餾：也稱質量分餾，同位素之間因質量引起一系列同質量有關的性質的不同，如密度、比重、熔點、沸點等微小的差別，使用使之在蒸發、凝聚、升華、擴散等自然物理過程中發生輕重同位素的分異。②動力分餾：含有兩種同位素的分子，由于質量不同導致它們參加化學反應活性的差異。輕同位素形成的鍵比重同位素更易于破裂，因此反應產物特別是活動相中更富集輕同位素。

例如，高溫下H2S，SO2共存體系中（封閉）同位素交換反應使SO2富集較重的34S，H2S富集較輕的32S。1、同位素分餾分類③平衡分餾：

在化學反應中反應物和生成物之間由于物態、相態、價態以及化學鍵性質的變化，使輕重同位素公別富集在不同分子中而發生分異叫做平衡分餾，也稱同位素交換反應。達到同位素交換平衡時共存相同位素相對豐度比值為一常數，稱分餾系數α。如：1/3CaC16O3+H218O≒1/3CaC18O3+H216O

在25℃時同位素分餾系數α=1.0310。④生物化學分餾：生物活動和有機反應的同位素分餾效應更強。如植物通過光合作用使12C更多地富集于生物合成有化合物中。因此生物成因的地質體如煤、氣等具有最高的12C/13C值。

2、影響同位素分餾的因素

（1）同位素質量的影響，是發生同位素分餾的根本原因，差異大，分餾大；（2）反應溫度的影響：溫度越高，分餾效應減小，溫度足夠時→1（高溫）（低溫）（3）化學鍵性質的影響：一般重同位素優先富集于較強的化學鍵中。§1、同位素應用原理§2、同位素測試儀器§3、同位素樣品制備§4、同位素樣品采集及加工§5、同位素的應用及注意事項1、基本原理：帶電粒子在磁場中偏轉，不同質量數粒子偏轉半徑不同，從而區分不同的同位素豐度比。

——基本方程偏轉半徑：

R——離子軌道曲半徑m——原子質量單位U——加速電壓B——磁場強度e——電荷（帶電荷離子，e=1，e=2……）質譜儀原理示意圖§2.2儀器結構激光探針質譜工作室氣相色譜/熱轉換/同位素比值質譜計GC/TC/IRMS①真空系統：要求工作于高真空狀態，主要使用：鍋輪分子泵：10-8~10-9Pa鈦泵：10-7~10-8Pa機械泵（前級真空）：10-3Pa②進樣系統：以適當方式將樣品引進離子源。氣體樣品：分子流進樣—用分子漏孔粘滯流進樣——金屬毛細管③離子源：在于將中性分子、原子電離成帶電的離子，然后通過離子束進入分析器。主要有下述類型：電子轟擊型（氣體源為對象）表面熱電離型（固體樣品）④質量分析器:電磁鐵將離子束按質荷比不同分離開來。⑤離子接收器：由一個、帶限制狹縫的屏蔽板，抑制電極和金屬杯所組成。§1、同位素應用原理§2、同位素測試儀器§3、同位素樣品制備§4、同位素樣品采集及加工§5、同位素的應用及注意事項1、樣品處理過程中，要避免發生同位素分餾，產率≈100%2、制備樣品過程中，要避免外來物質的污染，真空，加熱去氣。3、制備成質譜分析氣體樣品，化合物的另一組要有恒定的同位素組成，CO2中測氧，C要恒定。4、要求定量地制備出一種純氣體。5、原始樣品要有足夠的純度。§3.1樣品制備的基本要求§3.2同位素標準為了使同位素資料便于對比，同時消除樣品分析過程中有可能的系統誤差，必須將樣品的同位素組成與某一相應標準物質的同位素組成進行比較，所以需建立統一的同位素標準；一、國際標準：

作為國際標準必須滿足以下幾點1、

可以在世界范圍內作為零點。2、

樣品數量大，可以滿足長期使用，便于取得。3、

樣品的同位素組成均一，性質穩定。4、

化學制備，同位素測定手續簡便。5、同位素值大致改為天然同位素變化的中間值。同位素之比

縮寫符號

標準樣

2D/1H

SMOW

標準平均大洋水

18O/16O

SMOW

標準平均大洋水

18O/16O

PDB

美國南卡羅林納州白晉系皮狄組的美洲似箭石

13C/12C

PDB

美國南卡羅林納州白晉系皮狄組的美洲似箭石

34S/32S

CDT

美國亞歷桑那州卡揚迪阿布洛鐵隕石中的隕硫鐵

§1、同位素應用原理§2、同位素測試儀器§3、同位素樣品制備§4、同位素樣品采集及加工§5、同位素的應用及注意事項§3.1樣品選擇（采集）的基本原則

由于同位素樣品分析種類很多，應用領域各不相同，研究目的各有側重，因此對分析樣品的要求不可能有統一的規范，但和其它地質取樣一樣，同位素地質分析取得應遵循一些基本原則。

1、根據研究對象和目的，選擇有效的研究方法：例：研究火成巖成因，最好選用H、O、Sr、Pb等，選擇S、C效果就不佳，S、C同位素研究成礦的物理、化學環境卻很有效，H、O研究成礦來源，熱液蝕變，S、O地質測溫，效果較好，2、根據研究對象、目的和研究

方法，采集有效的樣品

例如，研究蝕變作用，抗交換能力差的長石，黑云母能靈敏地反映蝕變的情況，抗交換能力的礦物（石英、磁鐵礦、白云母）往往能提供蝕變前的原始同位素特征。做地質測溫時，石英—長石，不如石英—磁鐵礦好，黃鐵礦—方鉛礦，不如閃鋅礦—方鉛礦。§3.2注意事項1、

（系統性和代表性）具體地說就是詳細研究地質情況的基礎上，采集巖石或礦物樣品要分清原生還是次生的，是早期的還是晚期的，以及他們是那個階段，那個世代形成的礦物。另外還要注意不同地質位置的礦物，巖石樣品不能混合，那怕是同種礦物也不能混合，同樣不同相帶，不同層位和不同構造位置的樣品要分開。2、

嚴防污染：由于同位素組成變化較小，如有污染將影響地質分析，如做包裹體測定時，云母類、角閃石類不能做包體的氫同位素分析。3、

區別對待：如作地質測溫時，要確保是共生礦物，對做原生包體要去掉次生包體。4、

生物樣品采集要注意部位。5、

要有足夠的數量。§1、同位素應用原理§2、同位素測試儀器§3、同位素樣品制備§4、同位素樣品采集及加工§5、同位素的應用及注意事項（1）隕石、月樣的穩定同位素；（2）現代大氣圈、生物圈、水文去圈的同位素分布規律；（3）古氣候、古溫度、古地理環境；（4）巖石、礦床的成因、物質來源、探礦指標；（5）成礦、成礦的物理—化學條件及形成溫度；（6）地幔及地殼演化、地球早期歷史、大氣圈、水圈、生物圈的演化；1、

同位素地質溫度計的原理在基本原理部分已講述溫度對同位素分餾的影響

lnα∝1/T2高溫

lnα∝1/T低溫我們可以用分餾曲線或函數關系表示，例如，白云母—H2O的分餾方程：103lnα=2.38(106T-2）—3.89只要測定一對同位素平衡礦物對的δ值，就可以利用：

αA-B=（δA+1000）/（δB+1000）或ΔA-B=103lnαA-B算出103lnαA-B數值，然后根據同位素分餾方程或同位素分餾曲線可算出溫度來。（外部計溫法）文獻或分餾方程中通常給出的是礦物水之間的同位素分餾方程：103lnαA-H2O==A1（106T-2）+B1103lnαB-H2O==A2（106T-2）+B2

兩式相減即可得到兩種礦物間的同位素分餾方程

103lnαA-B=（A1—A2）（106T-2）+（B1—B2）2、

同位素分餾（方程）

曲線的標定（1）

理論計算方法（2）

實驗測定方法（3）

經驗方法三種方法中，第2種實驗測定比較可靠，所以目前大多數分餾曲線（方程）是用實驗方法求得的。3、

使用同位素地溫計的條件（1）

共生礦物對經常出現在各種地質體中，而且數量較多，容易得到。（2）

共生礦物對彼此達到同位素平衡，而且整個歷史時期內同位素平衡不被破壞，因此礦物對應該有較大的溫度、壓力穩定范圍及較強的抗同位素交換能力。（3）

由于礦物的同位素組成與化學成份有明顯的差別；共生礦物對的分餾系數越好，礦物對的Δ大，精度高；共生礦物對的同位素分餾方程要經過實驗進行系統的標定。4、

由上述可知達到同位素平衡是首

要的，判別是否平衡一般有以下

幾種方法（1）化學平衡是同位素平衡的先決條件，不平衡的礦物對，通常有年齡或地球化學異常。非同時形成的礦物對或者經后期地質作用干擾的礦物對通常未達到同位素平衡。（2）根據共生礦物同位素相對富集順序作定性的判斷，通常同位素平衡時，共生礦物的同位素組成有如下次序：S：硫酸鹽>輝鉬礦>方硫鎳礦>黃鐵礦>方硫錳礦>閃鋅礦>硫錳礦>磁黃鐵礦>黃銅礦>硫鎘礦>硫錫礦>方鉛礦>黑辰砂>輝銅礦>輝銻礦>輝鉛礦>硫銀礦。O：石英（白云石硬石膏）>堿性長石（文石、方解石）>白榴石>鈣長石（霞石）>白云母（蘭晶石）>硬柱石>石榴石>輝石（角閃石）>黑云母>橄欖石>綠泥石>鈦鐵礦>磁鐵礦>晶質鈾礦H：鈾云母>白云母>金云母>綠泥石>十字石>富鎂角閃石>富鐵角閃石>黑云母出現任何相反或顛倒都意味著同位素不平衡或平衡遭到破壞，不能作地溫計。（3）相關分析法選擇某一樣品的某一礦物作為參考標準，然后給出Δ（X1,R）與Δ（X2，R）的坐標系，X代表其它礦物，若礦物間保持平衡，那么在坐標系中的投影連線通過原點，斜率給出平衡時的溫度。Δ（X,R）=δX—δRΔ=A+B*106/T2（4）δ值與化學成份相關法

δ18O=KI+CI=（Si當量+0.5Al當量）/總的陽離子當量。很明顯，δ18O和I值為線性相關，因此可利用共生礦物的δ18O和I值作圖。如果礦物的投影點落在一直線上，則表明共生礦物間保持著同位素平衡。（5）作圖判別法：n個礦物，在103lnα—1/T2坐標系中，在標定曲線上的相應投影點連線應該近似垂直，這表明共生礦物間保持著同位素平衡5、

推薦常用地溫計Deints（1977）通過對4000多個數據研究后認為，要得到可靠的溫度結果，要有三種礦物對同時達到同位素平衡，并認為在火成巖、變質巖中，下列三重礦物通常達到平衡，適合作氧地溫計：石英—角閃石—石榴石，白云母—磁鐵礦—黑云母斜長石—輝石—磁鐵礦，石英—白云母—角閃石輝石—鈦鐵礦—磁鐵礦，斜長石—輝石—橄欖石輝石—鈦鐵礦—斜長石另外，一些彼此間并不常達到平衡，使用時要特別小心：石英—方解石—黑云母長石—黑云母—磁鐵礦石英—白云母—石榴石長石—黑云母—角閃石石英—石榴石—磁鐵礦石英—長石—輝石斜長石—鈦鐵礦—磁鐵礦石英—石榴石—鈦鐵礦除上述以外一般不適宜作氧同位素地溫計

S同位素地溫計一般采用：黃鐵礦—閃鋅礦—方鉛礦礦床的同位素組成

水是成礦溶液的主要成份，查明水的成因，是任何成礦理論首先必須解決的問題，利用H、O同位素比值能夠明確斷定成礦溶液中水的來源和蝕變溶液的成因，測定礦石礦物和脈石礦物的S、C的來源，共生礦物可以測溫。一、成礦溶液的H、O同位素組成1、

測定方法（1）

直接測定礦石礦物或脈石礦物中液體包裹體的同位素組成；（2）

礦物—H2O計算法根據礦物的同位素組成和溫度，利用同位素分餾方程計算成礦流體的同位素組成；第47頁/共78頁礦物~水ab溫度區間(oC)石英~水3.38×106-3.40200~500堿長石~水2.15×106-3.82350~500方解石~水2.78×106-3.400~800白云母~水2.38×106-3.89350~650中國地質大學地球科學學院地球化學系制作，Thursday,February2,2023更新

第48頁/共78頁例如：以石英、方解石共生礦物對為例：

1000lnα石英-水=3.38×106T-2-3.401000lnα方解石-水=2.78×106T-2-3.40

則石英—方解石氧同位素溫度計為：1000lnα石-方=(3.38-2.78)·(106T-2)+[-3.40-（-3.40）]1000lnα石-方=Δ石-方=0.60（106T-2）

外部測溫法，可用來計算水介質的氫、氧同位素組成。其條件是，當某礦物的氫、氧同位素組成及其形成溫度是可知時，便可根據有關方程，計算出介質水的氫、氧同位素組成：1000lnα礦物—水=δ18O礦—δ18O水=(α/T2)+b其中δ18O礦、T已知，a、b是待定常數，則可計算出成礦溶液的H、O同位素組成。2、

影響成礦溶液重H、O同位

素組成的因素（1）

成礦溶液的來源（2）成礦溶液載遷移過程中，由于溫度降低和與通道周圍的巖石發生同位素交換；（3）加入成因不同的流體，會改變成礦溶液的原始同位素特點；（4）成礦溶液的的化學成份發生變化。二、成礦溶液的S、C同位素組成1、

測定方法：（1）

測定礦物包裹體的S、C同位素組成（2）物理化學分析法（封閉系統必須具備兩個條件，一是含礦流體中，各種水溶液含硫化合物之間達到了化學和同位素平衡，二是含硫礦物晶出時，必須與水溶液含硫化合物保持化學、同位素平衡）（3）

圖解法（4）

熱力學計算法2、

影響因素（1）

硫源對成礦溶液中S同位素組成的影響；（2）

成礦溶液載冷卻和遷移過程中的同位素變化；（3）

混合作用的影響；（4）交代作用的影響。三、成礦溶液的來源1、

成礦溶液為巖漿水的同位素特征（1）

δ18OH2O和δDH2O變化范圍小落在巖漿水的同位素組成范圍內，正常巖漿水δ18OH2O：6～9‰，δDH2O：5～13‰，可確定為來源于巖漿水，<3‰可定為來自雨水；（2）δ18OH2O、δDH2O不隨地理位置變化而變化；（3）共生礦物的H、O、C、S組成經常達到平衡（4）

δ34SΣS≈0±3‰；（5）

δ13CΣC：-4～-9‰；（6）

鹽度一般較高；（7）Sr、Pb可幫助我們判別溶液是否來自S型花崗巖。2、

成礦溶液為雨水的同位素特征：

（火成巖中的淺成金礦典型）（1）成礦溶液的δ18O低于正常情況下的氧同位素組成，變化范圍較小；（2）δ18OH2O、δDH2O往往低于巖漿水的下限值，并類似于成礦時當地雨水的同位素組成，有明顯的地理位置效應；（3）δDH2O一般較穩定，δ15OH2O隨溫度及圍巖性質不同而有所變化；（4）成礦溶液的鹽度很低，成礦溫度低于300℃；（5）S、C、Sr、Pb的同位素組成，隨來源不同而具有明顯的差異；（6）礦產往往產于滲透性好，裂隙發育的火山巖中，形成深度<5Km。3、

成礦溶液為海水的

同位素特點（1）δ18OH2O、δDH2O接近海水同位素組成，不隨地理位置的改變而改變；（2）成礦溶液的δ34S接近同時代的海水的S同位素組成；（3）

礦床中硫化物的δ34S>0；（4）礦床圍巖中有機碳的含量低，成礦溫度50～350℃；（5）礦物或巖石中的初始Sr接近同時代的海水；（6）鹽度有時較高，有少量的巖漿水參與。4、

成礦溶液為鹵水的同位素特點同位素組成變化通常較大，鹽度較高，δDH2O、δ18OH2O較高（1）

包裹體的均化溫度較低；（2）

礦化階段的δDH2O（-5～-35‰），δ18OH2O-4‰很高；（3）

S變化很大；（4）

每個礦床的δ34S特點不一樣；（5）

δ34S與Pb呈反相關關系；（6）Pb具有明顯的分帶性。5、

混合成因的成礦溶液

（混合而成鹽度中）δ34SΣS0±2‰δ34CΣC-4～-12‰δ18OH2O-3～10‰δDH2O-40～-12‰礦化溫度：150～300℃。中國地質大學地球科學學院地球化學系制作，Thursday,February2,2023更新

第58頁/共78頁

（二）氧同位素的應用1.討論有關巖石的成因問題幔源鎂、鐵質巖石18O/16O與球粒隕石基本一致（2.03~2.04×10-3），其δ18O變化范圍很窄(5~7‰)。這是用氧同位素來判斷幔源巖石的重要證據之一。這與礦物化學鍵對18O同位素選擇富集有關。而花崗巖δ值較高，而且變化范圍較大，主要是其成因及源區較復雜所致：