矿物中原子扩散的同位素效应

<正>1研究背景在晶体矿物中,如果环境温度较高,或者时间足够长,那么可能会因为扩散作用,造成矿物内部同位素的重新分布和分馏。由于质量不同,轻同位素扩散更快,所以产生同位素扩散动力学分馏效应。最近,随着空间分辨率更高的质谱仪的逐渐普及,研究单矿物的同位素分布变化已经成为热点,相关实验数据正在快速积累。通过对这些数据的解译,能够得到矿物经历的热历史和一些宝贵的过程信息。地学领域较早一些矿物的同位素扩散分馏工作集中在Li同位素体系上。前人发现,在上地幔、接触性     

矿物之间的元素和同位素平衡:地质测温和等时线定年的热力学和动力学控制

在特定的地质事件过程中,矿物等时线放射体系是否达到并且保持了平衡是变质岩Sm-Nd和Rb-Sr同位素年代学中的一个重要问题。在这个问题上矿物对O同位素测温与矿物等时线定年相似,因此两者之间可以相互制约。在岩浆岩和变质岩中,矿物中Sm-Nd、Sr和O之间的扩散速率在无水的条件下一般具有可比性,因此矿物之间O同位素的平衡状态可以用来对Sm-Nd和Rb-Sr定年的有效性进行检验。对大别-苏鲁造山带超高压变质岩的Sm-Nd和Rb-Sr等时线矿物进行O同位素测温,得到Sm-Nd等时线有时给出三叠纪年龄,有时给出非三叠纪年龄;对应的矿物O同位素分馏分别处于平衡和不平衡状态。对于引起非三叠纪等时线年龄的原因,一方面可以是由于榴辉岩相变质过程中同位素体系没有达到平衡,另一方面则可能角闪岩相退变质作用打破了平衡。等时线矿物中初始同位素比值的均一化速率主要受慢扩散矿物的影响,而矿物等时线时钟的启动主要受高母/子比值矿物控制。因此在变质作用过程中,只有当高母/子比值矿物同时具有快的放射成因同位素扩散速率,才可能得到有效的矿物等时线来用于变质年龄的测定。根据不同矿物中不同元素在扩散速率上的差异,能够定量估计大陆碰撞过程中榴辉岩相变质的持续时间。应用增量方法和离子孔隙度经验模型,不仅分别能够从理论上准确计算所有固体矿物的氧同位素分馏系数和获得不同矿物中元素的扩散参数,而且分别能够定量预测热力学平衡条件下共生矿物之间的¹⁸O富集顺序和相同条件下矿物中元素扩散速率的相对快慢。     

地质速率计—矿物氧扩散的应用

概述了同位素封闭体系内的矿物氧扩散和同位素交换机制及其在地质速率计上的应用。火成岩从高温冷却或变质岩从高峰主质温度冷却过程中，由于冷却速度不同，扩散作用导致的矿物晶体内部及晶粒间氧同位素再平衡也有所不同。通过实测岩石中各组成矿物氧同位素比值，模式含量和颗粒半径，据矿物氧扩散和同位素交换模型，可以估算出岩石的冷却速率。     

矿物氧同位素模式温度计算

根据对现遥氧扩散模型的解析分析,通过模拟矿物之间的氧同位素交换轨迹进行模式温度计算,改进了常规矿物对氧同位素地质温度计方法。将模式温度计算与矿物氧－扩散封闭次上结合,建立了一个系统独立的同位素温度计算方法,因此所得到的同位素温度能够更好地反映矿物在高温岩石冷却过程中,的氧同位素交换行为;模式温度计算有如下优点：（１）考虑到了矿物之间扩散引起的同位素交换;（２）遵循质量守恒原理,更严格地适用于有限封     

大别山双河超高压变质矿物O同位素平衡及其对Sm-Nd和Rb-Sr等时线年龄有效性的制约

对于变质岩 Sm-Nd 和 Rh-Sr 同位素年代学来说,其中一个重要问题是等时线矿物之间在一特定的变质事件过程中是否达到并在随后保持同位素平衡。矿物 O 同位素地质测温也是如此。由于许多情况下 Nd、Sr 和 O 在变质矿物中的扩散速率具有可比性,变质矿物之间 O 同位素平衡状况能够为矿物 Sm-Nd 和 Rb-Sr 内部等时线定年结果的有效性提供制约。为了验证其适用性,本文对大别造山带双河超高压榴辉岩和片麻岩 Sm-Nd 和 Rh-Sr 等时线矿物进行了 O 同位素地质测温。尽管Sm-Nd 等时线给出一致的三叠纪年龄(213～238Ma),同一样品 Rb-Sr 等时线却给出侏罗纪年龄(171～174Ma)。片麻岩、榴辉岩和榴闪岩矿物对 O 同位素测温得到600～720℃和420～550℃两组温度,分别对应于约225±5Ma 榴辉岩相变质和约 175±5Ma 角闪岩相退变质条件下停止同位素扩散交换的温度。同一样品三叠纪 Sm-Nd 等时线年龄的保存、侏罗纪 Rh-Sr 等时线年龄的出现以及有规律的 O 同位素温度,表明在角闪岩相退变质过程中,Sr 和 O 在含水矿物(如黑云母和角闪石)中的扩散速率在手标本尺度上比石榴石 Nd 和多硅白云母 Sr 的扩散速率快。在退变质作用过程中,等时线矿物之间的初始同位素比值均一化速率主要受扩散速率慢的矿物控制,而矿物等时线时钟的启动主要受具有高母/子体比值的矿物控制。只有当高母/子体比值矿物具有快的放射成因同位素扩散速率时,才能够应用合理的矿物等时线确定变质再造的时间。     

锂同位素分馏机制讨论

作为一种新兴的稳定同位素示踪工具, 锂同位素地球化学的研究近年来受到了国际地学界日益广泛的关注.其应用领域涵盖了从地表到地幔的流体与矿物之间的相互作用.在地表风化作用过程中, 轻锂同位素(6Li) 优先进入固体相, 而7Li则进入流体相, 因而地表风化作用淋滤出了岩石中的重锂, 致使河水具有重的锂同位素组成, 河水又将重锂同位素组分补给海洋, 洋壳的低温蚀变作用使得海水的锂同位素组成进一步变重.在俯冲带, 由于俯冲板片释放的流体具有重锂同位素组成的特征, 它们上升并交代上覆的地幔楔和相邻的地幔, 使得地幔楔的锂同位素组成变重.同时, 深俯冲的板片由于脱水而具有较轻的锂同位素组成, 它们在地幔中可能形成一个局部轻锂的地幔储源.影响地幔橄榄岩锂同位素分馏的因素主要有3个方面: 温度、扩散机制以及外来熔体的反应.由于高温下地幔矿物之间的锂同位素分馏很小, 而单纯的扩散分馏机制不能够很好的解释我国华北汉诺坝地区地幔橄榄岩中矿物之间的锂同位素分馏.因此, 具有轻锂同位素组成的熔体与橄榄岩之间的反应是上述现象的一个合理解释.需要指出的是, 在橄榄岩-熔体反应的过程中, 锂同位素的扩散作用也对地幔矿物之间的同位素分馏有一定的贡献.      

矿物氧扩散与氧同位素退化交换作用

本文从理论上解论上解析了同位素封闭体系内的矿物氧扩散性质，火成岩从冷却为质岩从高峰变质温度冷却过程中的所发生的扩散作用会层致矿物晶体内部及晶粒间的氧同位素重新分配，两种不同的矿物氧扩散－同位素交换模式都可以用来模拟这种性质。实例研究进一步阐明了扩散对氧同位素组成的影响。     

浅析硫同位素在矿床研究中的应用

<正>在自然界中,硫的分布非常广泛。硫可呈气态、液态和固态等多种形式存在于地球的各层圈中。目前的研究表明,各种硫化物的形成条件可由硫同位素组成的变化反映出来,从这个意义上说,硫同位素是一个很好的示踪剂,可以根据矿物的硫同位素组成判断矿物的原始形成条件。由于硫的稳定同位素组成的"指纹"特征,硫同位素示踪技术已被广泛地应用到环境领域中的硫循环和硫源解析等研     

钙同位素在高温地质过程中的应用及前景

制约高温过程中Ca同位素研究的因素主要有分析技术、储库端元和分馏机理.随着质谱的发展和双稀释剂的应用,分析技术已经能很好地满足高温过程同位素示踪的要求,但是目前对于储库端元的研究还比较薄弱,而分馏机理也存在较大争议.因此,完善不同储库端元的Ca同位素组成,厘清Ca同位素分馏机理势在必行.全硅酸岩地球作为最重要的Ca储库,前人研究表明,其Ca同位素组成在0.94‰～1.05‰之间变化.Ca—O化学键能的强弱是造成矿物间Ca同位素组成差异的主要因素,此外,温度和矿物组成差异也会引发Ca同位素分馏.热扩散和化学扩散都会引起Ca同位素分馏,但热扩散只发生在特殊的环境中.化学扩散受控于CaO化学势梯度,而化学势梯度受控于体系的成分、温度和压力.部分熔融和熔体提取过程中轻同位素趋向于富集在熔体相中.由于不同含钙矿物的Ca同位素组成存在差异,因此,在分离结晶过程中,矿物晶出顺序不同会引起Ca同位素分馏.变质作用过程中流体交代作用或碳酸盐岩沉淀都会造成Ca同位素分馏.K-Ca衰变体系使得Ca同位素既可以对古老的富钾岩石或矿物进行定年,也可以利用放射性成因Ca对源区和壳幔物质循环进行示踪.     

铁同位素体系及其在矿床学中的应用

本文报道了世界范围内不同含铁矿物的Fe同位素组成,进一步了解了铁同位素在不同含铁矿物中的基本分布特征;系统总结了铁同位素在不同储库和不同类型矿床中的分布特征,构筑了铁同位素体系的基本框架;结合最新的研究成果,较全面地总结了铁同位素在矿床学领域的应用,得出了铁同位素可以用来示踪流体出溶、流体演化、表生蚀变作用和成矿物质来源的基本认识。在流体出溶过程中,相对于岩体,出溶的流体富集铁的轻同位素;成矿流体体系的演化过程中,矿物的结晶沉淀会导致铁同位素发生分馏,随着Fe(III)矿物的结晶沉淀,流体逐渐富集铁的轻同位素,随着Fe(II)矿物的结晶沉淀,流体逐渐富集铁的重同位素,随着矿物的结晶沉淀,流体的Fe同位素组成随时间发生演化;在成矿后的表生蚀变作用过程,高温蚀变作用形成的产物相对于原矿物富集铁重同位素,低温蚀变作用形成的产物基本保留了原矿物的铁同位素组成;Fe同位素在示踪成矿物质来源具有应用潜力,流体出溶、流体演化等重要成矿作用过程中Fe同位素组成的变化规律是利用Fe同位素示踪Fe来源的关键所在。     

锡石U-Pb同位素体系的封闭性及其测年的可靠性分析

锡石是各种不同类型锡矿床中最重要的矿石矿物,其U-Pb/Pb-Pb同位素年代学研究对于精确厘定锡矿床的成矿时代以及进一步揭示其矿床成因等具有重要意义.本文通过计算锡石中Pb的扩散参数,从扩散动力学角度对U-Pb同位素体系的封闭性进行了研究,探讨了不同温度条件下锡石对其所含U-Pb同位素信息的保存能力.研究结果表明,锡石...     

Li同位素在斜顽辉石、镁铝榴石及镁铝尖晶石晶格内扩散与分馏的理论计算研究

斜顽辉石、镁铝榴石和镁铝尖晶石作为辉石族、石榴石族以及尖晶石族中的重要端元,是地球上地幔主要组成矿物。Li同位素是重要的地幔地球化学示踪剂,其在橄榄石、辉石和石榴石等地幔矿物中的扩散分馏的性质对理解Li同位素作为地幔地球化学示踪剂非常重要。我们通过经典力场经验势方法,从原子尺度上计算研究了不同温压条件下Li同位素在斜顽辉石、镁铝榴石和镁铝尖晶石晶格中分别通过不同的填隙机制和取代空位机制迁移的活化能和其在不同晶格位上的分馏效应。我们发现Li同位素是通过取代空位机制在斜顽辉石、镁铝榴石和镁铝尖晶石中进行迁移扩散。Li同位素在不同晶格位上的分馏作用计算表明,在三种矿物中重同位素7Li会更多地进入晶格填隙位中,而6Li则相对更多进入Mg位。温度是影响这种分馏作用的一个关键因素,相应的结果可用来解释地幔Li同位素组成特征及冷却条件下的同位素分馏等科学问题。     

胶南榴辉岩矿物氧同位素平衡及其Sm-Nd年代学制约

对苏鲁地体中的胶南榴辉岩进行了矿物氧同位素分析，并与同一手标本矿物的Sm-Nd内部等时线定年和Nd-Sr同位素分布进行了对比。研究表明，石榴子石与绿辉石之间的氧同位素平衡与否能够对矿物Sm-Nd同位素体系的平衡状况和内部等时线定年结果的有效性给予直接制约。合理的石榴子石＋绿辉石Sm-Nd内部等时线年龄产于两矿物之间达到并在峰变质条件下保持氧同位素平衡的样品中，而两矿物之间处于氧同位素不平衡的样品不能给出正确的Sm-Nd内部等时线年龄。同一矿物在手标本尺度出现显著的O-Nd-Sr同位素不均一性，据此对这些元素在石榴子石和绿辉石中的扩散速率顺序进行了估计，不仅得到了与实验扩散系数相吻合的结果，而且由此估计出在峰变质条件下达到矿物内部同位素均一化所需要的时间应大于10Ma。     

顽火辉石中Li同位素扩散与分馏

顽火辉石作为斜方辉石晶系的重要Mg端元矿物,是地球上地幔主要组成矿物之一。Li同位素作为重要的地幔地球化学示踪剂,在主要地幔矿物中(如橄榄石,辉石等)的扩散分馏相关性质的研究显得尤为重要。我们通过经典力学的方法,计算模拟了原子尺度下Li同位素在顽火辉石晶格以2种不同的迁移机制(填隙机制和取代空位机制)迁移的活化能和其在不同晶格位上不同温度条件下的分馏作用程度。计算结果表明,Li同位素易以填隙位机制在顽火辉石中迁移。重同位素~7Li会更多的进入晶格填隙位中,而6Li相对更多进入Mg位。温度是影响这种分馏作用的1个关键因素,相应的结果可用来解释地幔Li同位素组成特征及冷却条件下的同位素分馏等科学问题。     

铜同位素在矿床学中的应用:认识与进展

在甘肃西峰剖面黄土样品的铜同位素组成测定基础上,讨论了地壳的平均铜同位素组成.根据铜同位素在不同储库、不同类型矿床和不同矿物中的分布特征,认为铜同位素可以用来指示成矿温度、源区变化、流体出溶过程、矿化过程和次生富集过程等与成矿作用相关的信息.具体表现在:低温环境下形成的矿物比高温环境下形成的矿物具有更大的铜同位素组成变化范围;流体出溶过程中,铜同位素会发生分馏,早期出溶的流体富集铜的轻同位素,晚期出溶的流体富集铜的重同位素;同一矿化集中区内,根据同类型矿床间的铜同位素分布特征可以判别出其是否为同一矿化事件的产物;热液萃取源区铜的过程中,铜的重同位素优先从源区中淋滤出来.此外,在成矿体系中,淋滤帽富集轻同位素的特征可能暗示其下部存在铜矿化富集带.     

激光探针分析在氧同位素地球化学研究中的应用

简要介绍了氧同位素分析的最新方法———激光探针法的主要特点,并详细评述了激光探针分析在氧同位素地球化学研究中的应用。某些矿物内部存在氧同位素组成的变化,构成氧同位素环带。与其他化学成分环带一样,矿物氧同位素环带也可以分为生长环带（包括次生加大的环带）和扩散环带两种。变质岩中石榴石经常保存有明显的生长环带,而矽卡岩中石榴石、变质花岗质岩石中锆石和蚀变花岗岩中石英等矿物均可以记录岩石形成早期的某些氧同位素特征。由于这种差异与岩石的形成环境有关,因此通过对矿物氧同位素组成的微区分析可揭示岩石的某些成因信息。在缓慢冷却的变质岩中,磁铁矿的氧同位素环带常是扩散作用形成的,由此可以确定岩石的冷却速率。通过对脉石英的激光探针分析,可以研究流体的流动机理。变质岩的氧同位素微区分析为ｐ Ｔ ｔ ｆ轨迹研究提供了有力的武器,而氧同位素示踪可用来解决流体在变质岩形成过程中的作用问题。     

氩同位素分馏的实验研究

尽管⁴⁰Ar和36Ar之间质量相差达1/10,但是受放射性成因⁴⁰Ar的影响,一般认为难以进行氩同位素分馏研究.本文通过自行设计的一套氩扩散迁移实验分析系统,对比研究了氩在不同的扩散介质条件下扩散迁移前后氩同位素组成变化情况,证实氩在致密的扩散介质条件下以分子流形式从一个储库向另一个储库的迁移过程中,由于36Ar和⁴⁰Ar的迁移速率不同,扩散后的⁴⁰Ar/36Ar值比扩散前的值要小,也即发生了氩同位素分馏.氩同位素分馏的特征表现为最初的一段时间内分馏程度逐步增强,在一定时间后,由于储库之间压力逐渐达到平衡,分馏程度逐步减小.研究自然界中存在的氩同位素分馏,不仅可以判别油气田中油气运移的方向、增强油气远景评价和地球化学勘探,而且对深源岩浆的起源、迁移等研究也可提供新的研究思路和途径.     

不同地质储库中的镁同位素组成及碳酸盐矿物形成过程中的镁同位素分馏控制因素

镁同位素在低温地球化学过程中显著的分馏效应,是其示踪地球表生环境演化及物质循环的基础。本文在前人研究的基础上,对地球上不同地质储库中的镁同位素组成及碳酸盐矿物形成过程中的镁同位素分馏控制因素进行了总结:火成岩的镁同位素组成较均一;风化产物总体富集重的镁同位素,且变化较大;碳酸盐岩中灰岩相对白云岩富集轻的镁同位素,但总体上富集轻的镁同位素;岩石类型、风化强度以及植被等因素对河流地表水的镁同位素组成影响较大,导致地表水的镁同位素组成总体变化较大;海水的镁同位素组成均一,平均值约为-0.83‰;低温条件下,控制碳酸盐矿物无机成因过程中镁同位素分馏的因素有矿物相、沉淀速率和温度,其中矿物相是主要控制因素;生物成因碳酸盐矿物镁同位素组成与生物体对含镁碳酸盐矿物的利用形式有关,除了需考虑与无机碳酸盐沉淀类似的控制因素外,还需考虑不同物种对轻、重镁同位素的选择性吸收能力;因生物成因海相碳酸盐矿物几乎都是由最初的无定形相碳酸盐转变而来,故生物成因海相碳酸盐矿物的镁同位素特征不能代表生成无定形相碳酸盐的流体的镁同位素特征。镁同位素在低温条件下具有良好的分馏效应,随着分析测试技术的发展及不同地质储库中镁同位素组成数据的积累和完善,有关表生环境中镁同位素分馏机制的许多问题将逐步得到解决,镁同位素在揭示地球表生环境演化及物质循环方面将发挥更大的作用。     

非传统稳定同位素分馏理论及计算

综述了稳定同位素平衡和动力学分馏的一些主要的理论方法。首先介绍了平衡分馏的理论方法,从平衡分馏的核心理论-Bigeleisen Mayer公式(或称Urey模型)以及对它的一些高级能量校正开始,介绍了基于路径积分的分子动力学方法和蒙特卡罗方法对同位素非谐效应的处理,介绍了压力效应的理论计算方法,最后介绍了核体积效应及其理论计算方法,并强调核体积效应是未来重金属同位素研究的重要部分。另外,综述了同位素动力学分馏的主要理论和计算方法,首先介绍了在稳态下因温度梯度引发的同位素分馏,着重介绍了基于局部热力学平衡理论的计算方法和最新结果;然后从如何使用过渡态理论计算化学反应导致的同位素动力学分馏出发,深入介绍了磁同位素效应和由于核体积效应引发的异常同位素动力学分馏;然后对低温下矿物生长的同位素动力学理论模型进行了介绍,尤其是仔细介绍了其中DePaolo的表面动力学模型,并对由吸附和共沉降过程产生的动力学分馏也进行了介绍。最后详细介绍了在气化过程、固体中、高温硅酸洋熔体中由于扩散引起的同位素动力学分馏,以及如何对这些过程进行理论处理,强调了开展固体矿物扩散理论计算的重要性。     

方解石811N:一种可能的微区碳氧锶同位素分析标准

同位素标准物质是同位素分析的基准物质和数据比较的重要依据。方解石811作为碳酸盐碳氧同位素的实验室标准物质,具有良好的适用性,但由于制备时间久远,存量日益减少,且性状信息缺乏,影响了该标准在微区微量分析中的运用。本次研究选用未制备的811方解石(811N)作为研究对象,结合多种分析技术从不同尺度对其矿物组成、元素含量分布、碳氧同位素组成进行分析,揭示其相关信息及规律,并探讨了其Sr同位素组成,从而为下一步811N的制备和使用提供参考信息,有助于该样在不同碳酸盐分析和研究,特别是微区微量元素和同位素中的运用。实验结果表明,方解石811N较为纯净,主要为方解石,只含有微量的白云石、针铁矿、黏土矿物;除主要化学成分(CaCO₃)外,含有微量的Mg、Mn、Sr、Si、REE、U、Th等元素,Mg、Mn、Sr含量在整体分布上存在一定的变化,但在局部相对均匀。碳氧同位素组成整体差异程度相对较小,且其差异程度和元素均匀性呈对应关系,主要区域碳氧同位素组成均匀。Sr同位素组成在不同区域中无明显差异。本次研究认为811N是合适的碳酸盐碳氧同位素分析标准物质,该样制备后能够满足碳氧同位素分析和研究的需要,同时该样具备适用于微区微量C、O、Sr同位素分析和研究的潜力。