地质研究中同位素示踪技术的应用

杨 兵

（大庆钻探工程公司地质录井一公司资料采集第二大队，黑龙江大庆163411）

存在于自然界中的任何一种元素，其放射性核素与稳定核素都具有相同的化学特性与物理特性，具体来讲就是具有稀有稳定核素、放射性核素的分子、原子以及其他化合物，其化学性质与物理性质均无显著的差异。基于这一特性，当放射性核酸与稀有稳定核素物质与普通物质混合到一起时，不仅不会发生物理与化学等方面的变化，同时也不会破坏客观世界。在这种原理支持的基础上，地质研究活动就可以对放射性核素与经过密集化处理的稀有核素实施追踪，对物质世界的发展与变化进行全面的观察。

1 同位素示踪技术的基本原理

不同同位素在相同元素中，由于其原子质量存在差异，因此就具备不同的热力学性质。在该因素的影响下，同位素的物理、化学作用也就不同，进而形成同位素分馏[1]。目前，同位素分馏主要分为如下两种类型：

第一种是热力学平衡分馏，是指能够和同位素发生热力学平衡交换反应的相关同位素分馏。方程式如下。

式中：h、k——Plank与Boltzmann的常数；

T——绝对温度；

M、M＊——轻重同位素的质量；

aA、aB——分子XnA、XmB中交换原子的键力常数以及表示化学键强弱的关键标志。

上式表明，对于不同分子、物相间的热力学平衡分馏系数103lnα与温度T2，二者呈反比关系；与相对质量差呈正比关系;与不同分子化学键强之差(aBaA)呈正比关系。因此，当若lnαA-B＞0时，aB＞aA，这就表示重同位素主要集中在化学键较强的分子、结构与物相当中。

另外一种是动力学分馏，具体是指因轻重同位素分子反应与扩散的差异性而形成的分馏，多数情况下被应用于非平衡过程。分馏系数α为：

式中：K——轻同位素的速率常数；

K＊——重同位素的速率常数。

分析上式可知，反应速度越快，K/K＊就越接近1，动力学分馏就越小，且动力学分馏系数lnα与温度呈反比关系。而能够引起同位素变化的另外一种原因则是放射性同位素衰变。本文中以铅为例：

λ——238U的衰变常数；

t——自矿物成为U、Pb封闭体系所用的具体时间。

通过长时间的分馏、衰变与演化，地球的各个层圈与地质单元都呈现出较为独特的同位素组成特征。为此，在示踪成岩与成矿物质的来源，推断源区的地球化学特征时，就要充分考虑同位素化学性质基本相同这一特点[2]。总之，在地质研究中，同位素示踪技术已经得到了广泛的应用，现对其具体应用展开如下分析。

2 地质研究中同位素示踪技术的应用

2.1 氢氧同位素在示踪成矿溶液来源与水岩交换中的应用

利用氢氧同位素可以示踪成矿溶液的来源。作为地球上较为常见的水体，海水和大气降水在成矿过程中的作用在传统的地质理论中并没有得到充分的重视，而是片面的认为，岩浆热液的唯一来源是成矿溶液。

地热水与成矿溶液所沉淀出的成矿物质是最为相似的。Craig在1996年对地热水的δ18O值与δD值进行了分析研究，并表示任何一个地区的地热水，其δD值都与当地大气降水的δD值相同。其中，δ18O值会在不同程度上向右漂移，且δ18O的具体漂移程度与热卤水的溶质含量与温度有着十分密切的联系[3]。同时，Craig认为，之所以氧同位素会发生漂移，这主要是因岩石与大气降水在温度较高条件下会发生氧同位素交换反应。但由于水中的氢含量要明显高于围岩中的氢含量，因此就会使得地热水的δD值长期保留了大气降水的主要特征[4]。除此之外，Craig也证实了，地热水是经过大气降水的演变过程而得来的，这就会在一定程度上颠覆了岩浆水是成矿溶液唯一来源的认知。随后，还有一些研究人员针对该结论进行了大量的研究，并进一步证实了成矿溶液的主要来源并不是岩浆水，而是大气降水与海水。而H.P.Taylor在1977年也对大气降水、围岩间因同位素交换而所引起的同位素变化展开了系统地分析与研究，并明确了封闭体系水岩间同位素交换质量平衡方程与水/岩比的方程，这对于水岩交换反应的研究具有十分重大的影响。

式中：f——水与岩石交换后的最终态；

W——雨水的原子百分数；

R——岩石的原子百分数；

Δ——指其与水岩间的同位素分馏系数，Δ=δf岩-δf水。

但H.P.Taylor在1977年的研究中发现，与实际情况相比，水岩同位素交换模式存在明显的不同。第一，水岩同位素交换时的温度不是固定的；第二，位置不同，水/岩比也不同；第三，大部分体系为开放体系；且部分体系是无法满足同位素平衡要求的。基于此，Ohmoto在1986年对H.P.Taylor的水岩同位素交换模式进行了调整，且提出了累积W/R比概念。

在1995年，两阶段水岩同位素交换模式被张理刚正式提出，并明确指出，岩石交换氧同位素与大气降水不仅可以大大降低蚀变围岩的δ18O值，同时也能够促使蚀变围岩的δ18O值高于主岩[5]。综上所述，将同位素示踪技术应用到地质研究中，可以根据蚀变围岩的低18O中心或者是高18O中心指导找矿工作的顺利开展。

2.2 硅同位素在示踪矿床成因中的应用

在地壳中，分布最为广泛的一种元素就是硅。而在自然界中，由于硅大多是以硅氧四面体的形式存在的，因此其同位素热力学分馏较小，无价态变化，且也不会引起明显的硅同位素变化[6]。再加上硅同位素的分析精度较低，这就导致硅同位素在地质研究中得不到有效的应用。在1988年，丁悌平创建了世界上第一种精度较高的硅同位素分析法，此法除了可以分析地质样品中的硅同位素组成，同时也在一定程度上为地质研究中硅同位素的应用打开了大门。

据研究显示，可以导致硅同位素变化的关键因素就是硅同位素动力学分馏。根据相关的实验研究结果显示，相比于30Si，28Si在溶液中是优先沉淀的，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。同时，硅同位素动力学分馏的δ30Si都为负值[7]。例如我们所熟知的马里亚纳海底黑烟囱，其硅质物δ30Si值就在-3.1～-0.4之间，硅华δ30Si值在-3.4～0.2之间。与上述情况存在明显差异的是，在风化过程中，矿物会被逐步溶解，最终融入到水溶液当中。而矿物溶解的过程中是先从晶体表面逐层开始的，部分是由晶体裂隙逐层开始的，因此在这一过程中并不会存在可以明确分辨的硅同位素分馏。但硅质的沉淀过程却并不相同，其轻同位素分子H284SiO4会优先聚合，并与原地的Al2O3进行结合，最终形成粘土矿物后逐步的沉淀下来[8]。而该过程针对于重同位素分子来讲，最大的不同就是其溶解物质会被河水与地表水带走。在搬运期间完成沉淀、分馏与演化，最终沉淀在海洋中形成浅海相硅质岩，其δ30Si值在多数情况下偏高。

总之，因硅质岩、粘土矿物的成因存在差异，硅同位素的特征表现也明显不同，且这些特征在后期的改造与变质过程中也不会发生较大的变化[9]。为此，将硅同位素应用到地质研究中是十分有必要的，可以用于示踪脉石英硅质来源、判别硅质岩与粘土矿物成因的一种有效手段。

3 结束语

综上所述，在地质研究中，同位素示踪技术的应用一定要遵循科学性与实用性原则。同时，要想进一步提升同位素示踪技术信息采集的高效性与准确性，在开展地质研究活动时就要充分考虑扫描地的环境、天气情况以及地理环境，并且要保证用于支持同位素示踪技术的同位元素要具备显著的放射性特征，以便工作人员的观察与研究，在最大程度上减少同位素示踪技术在地质研究中的误差。