某些铁矿物对氢同位素分馏影响的研究

由于D/H之间同位素分馏很大,在高压下氢气易通过管壁渗漏,使实验室测定矿物-水之间的氢同位素分馏产生特殊困难。另外,矿物的成份也会影响氢同位素分馏。其中普遍受到注意的是矿物中二价铁离子的含量。这样使我们对自然界中氢同位素分馏至多只有半定量了     

分子内同位素效应和与这种化合物同位素交换的动力学模式

矿物和化合物内不等价结构位置上的同位素取代,造成了分子内同位素效应,即分子内同位素的分馏效应。例如云母类矿物,至少—OH和Si—O—Al中氧所处结构位置不同,会产生明显的氧同位素分馏。     

非氢键羟基矿物H同位素平衡分馏议程通式

本文对H同位素平衡分馏系数（αe）与温度（T）、矿物化学组成（M）、羟基振动频率（f）之间的关系作了详细研究，并得出非氢键羟基矿物在450-850℃温度范围内，H同位素平衡分馏方程通式。     

理论计算阳离子对水体中B(OH)_3和B(OH)_4~-间硼同位素平衡分馏的影响

采用密度泛函方法模拟了阳离子对水体中B(OH)3和B(OH)4-的影响,计算海水的硼同位素平衡分馏参数。模拟海水环境时,选择基于分子簇模型的"水滴"法,以最多12个水分子环绕兴趣分子的方式构建"水滴"。对海水环境的计算结果显示,B(OH)3和B(OH)4-的硼同位素平衡分馏系数在25?C时为1.031,与纯水环境下的该分馏值并无明显差别。研究表明前人对B(OH)3和B(OH)4-间硼同位素平衡分馏参数的实验测定可能存在问题。研究结果为精进硼同位素古环境重建工作和硼同位素平衡分馏测定提供了理论制约。     

水溶液B(OH)_3和B(OH)_4~-间硼同位素平衡分馏参数的理论计算

采用密度泛函方法计算了水溶液中B(OH)3和B(OH)4-间硼同位素的平衡分馏参数。在模拟液相环境时,采用基于分子簇模型的"水滴"法,分别以6、12、18、24和30个水分子环绕兴趣分子的方式构建"水滴"。对纯水体系的计算结果显示该分馏参数在25?C时为1.031,与实验测定值吻合地非常理想。对不同个数水分子所形成的液相构型进行比较,发现在计算硼同位素的分馏时,12个水分子的"水滴"构型是比较经济和准确的建模方式。此外,我们还讨论了前人对该体系分馏计算中存在的不足,并提出了将分子簇模型扩展到碳酸盐矿物形成过程中硼同位素分馏研究的可能。     

碳酸钙-水体系氧同位素平衡及稳态分馏的低温实验研究

采用“一步”和“两步”的直接沉淀法和附晶生长法在 5 0℃和 70℃分别合成碳钡矿和文石 ,测定不同条件下合成矿物与水之间的氧同位素分馏 ,结果显示 ,文石—水体系氧同位素分馏机理分两步 :(1) [CO3 ]2 - 与H2 O的氧同位素交换和平衡 ,此过程是文石 水氧同位素平衡的决速率步骤 ;(2 )与H2 O平衡以后的 [CO3 ]2 - 与Ca2 +]结合生成文石 ,此过程体现矿物形成过程中氧同位素分馏的结构效应。在此基础上 ,采用缓慢沉淀法和“两步”的附晶生长法获得了 0～ 70℃的文石 水体系氧同位素平衡分馏方程。采用“一步”和“两步”的附晶生长法在 5 0℃和 70℃合成文石 ,文石在溶液中经同质多象转变成次生方解石 ;结合文献数据 ,获得 0～ 70℃范围内的方解石 水体系稳态氧同位素分馏方程。     

石英一水一盐体系氧同位素分馏作用

温度为180—550℃,盐度(wt.％)分别为0、5、25和40条件下,在高压釜内完成了由硅胶合成石英的氧同位素分馏作用实验研究,目的是了解:①盐同位素效应;②△t值对同位素分馏的影响;③温度与同位素分馏系数的关系。研究资料表明:低温条件下矿物和纯水之间同位素平衡作用不可能发生;影响含氧矿物(初)之间氧同位素平衡速率的因素包括盐度、△t值大小和温度等;我们的研究还表明,盐度对同位素分馏作用同系数无影响,即不存在所谓的“同位素盐效应”。在180—550℃温度范围内,不同盐度条件下获得的石英-水氧同位素分馏实验方程为:10001nα_(石英-水)=3.306×10~5T~(-2)—2.71。     

氢氧化物族矿物的氧同位素分馏

应用增量方法计算了氢氧化物族矿物的氧同位素分馏,得到常见氢氧化物的18O富集顺序为：褐铁矿＞三水铝石＞针铁矿＞水镁石＞硬水铝石。氢氧化物与其对应的氧化物相比显著地富集18O。三价阳离子的氢氧化物和氧化物的18O富集顺序为：M（OH）3＞MO（OH）＞M2O3。Al（OH）3同质多象变体之间也存在一定的分馏。对于石英-氢氧化物、方解石-氢氧化物和氢氧化物-水体系,本文计算提供了在0-1200℃温度范围内三组内部一致的分馏系数方程。这些理论校准与合成实验结果和／或地表温度下的天然样品相吻合,特别针铁矿、勃姆石和硬水铝石与水之间的氧同位素分馏关系能够满足地质测温的要求。因此,对氢氧化物-水体系的氧同位素分析可望提供表生环境下可靠的地质温度计。     

平衡热液体系中硫同位素演化的几个图解

根据含硫矿物的同位素组成推断热液矿床成因是很有意义的。 1968年首先由H.Sakai指出热液的温度和pH值可以影响硫化物的同位素组成。接着,1972年H.Ohmoto以及1979年他和R.O.Rye系统讨论了平衡条件下热液的物理化学条件对硫同位素分馏的影响,建立了高温热液系统和低温热液系统的热液流体以及含硫矿物与热液成分和物理化学条件(温度、压力、氧逸度和酸碱度等)之间的数学表达式。     

桂林洞穴沉积物的氧、碳同位素特征

<正>在现代稳定同位素研究中,往往利用达到同位素平衡的一对共生矿物或矿物——水之间的同位素组成来作为地质温度计,以了解其形成时的温度。对于岩溶洞穴环境来说,主要是利用方解石——水之间的同位素平衡反应。C.H.Hendy（1971）)详细研究了洞穴堆积过程中可能出现的各种地球化学作用及其对同位素分布的影响,认为当CO2从水中迅速逸失或进行水的蒸发作用时,产生同位素动力分馏,沉积物中相对富集的O18,不能作为古温度标志,而只有当CO2从水中缓慢逸出时,方解石和水之间氧同位素的平衡反应方可作为地质温度计。其平衡常数（K）主要取决于形成的温度。     

矿物稳定同位素地球化学研究

通过测定矿物中元素H ,C ,O和S的同位素比值 ,认识矿物体系中的同位素效应 ,不仅能够确定矿物之间和矿物与流体之间的同位素平衡关系 ,而且能够了解影响矿物平衡和动力学同位素性质的因素。文中评述了稳定同位素分馏系数校准的理论计算、实验测定和经验估计方法 ,讨论温度、压力、化学成分和晶体结构等对矿物同位素性质的影响。由于同位素效应取决于矿物的物理和化学性质 ,因此应用稳定同位素来作为示踪剂不仅能够追索各种矿物学反应的路径 ,而且能够提供证据来阐明矿物晶体结构的某些细节。     

黔东北西溪堡锰矿的沉淀形式与含锰层位中黄铁矿异常高δ34S值的成因

笔者等对黔东北松桃县的西溪堡锰矿床中锰矿石进行了元素含量分析,对含锰层位中黄铁矿进行了S同位素和微量元素分析.锰矿石稀土元素和微量元素特征表明,Mn是以氧化物或氢氧化物的形式沉淀,锰碳酸岩是在成岩过程中转化而成.黄铁矿形态学、微量元素和稀土元素特征指示黄铁矿形成于强还原、偏碱性的成岩环境.黄铁矿异常高的δ34S值反映了新元古代间冰期海洋深部低硫酸盐浓度和高的硫酸盐细菌还原速率,表明南华纪(成冰纪)大塘坡早期阶段深部海洋并没有被完全氧化.含锰层位中黄铁矿异常高的δ34S值存在两种可能的形成机制:①在极低SO42-浓度下,通过BSR即可产生δ34SCDT高达58.7‰的黄铁矿;②海洋深部硫酸盐虽然具有很高的δ34S值,但却并没有高达58.7‰,δ34 SCDT高达58.7‰的黄铁矿的形成是BSR和H2S与Mn02之间发生厌氧歧化氧化反应两个过程综合作用的结果,即在水体中SO42-浓度极低的情况下,硫酸盐和还原产物H2S之间硫同位素分馏达到最小,H2S的δ34S值接近母体硫酸盐,BSR产生的H2S被活性铁矿物固定形成的FeS与Mn02之间发生歧化氧化反应所产生的同位素动力学分馏效应使FeS相对硫酸盐富集34S.     

碳酸盐矿物氧同位素分馏的理论研究

应用增量方法系统地计算了碳酸盐矿物的同位素分馏系数，得到不同结构和成分的碳酸盐矿物的18O富集顺序为：菱铁矿〉铁白云石〉菱镁矿≥白云石≥方解石〉文石〉菱锶矿〉白铅矿〉碳钡矿。在0℃～1200℃范围内获得了一组内部一致的碳酸盐－水体系的理论分馏系数，这些计算结果与已知的实验和／或经验数据之间存在良好的一致性，因此本文对碳酸盐矿物氧同位素分馏系数的理论校准不仅可应用于共生矿物组合形成温度的确定，而且能够应用于其形成机理的示踪。 计算结果表明，白云石的氧同位素分馏行为与方解石相似，在25℃下白云石与方解石之间的平衡分馏为0.56‰ 。理论预测文石相对于方解石显著地亏损 δ18O，在25℃时方解石与文石之问的平衡分馏为4.47‰ 。文石向方解石的同质多相转变可能是通过一种没有同位素再造的惰性氧结构单元[CO3]2- 进行的，即只涉及Ca2+ 与[C03]2- 基团之间键的断裂和再组台而未出现[CO3]2- 基团内部C－O键的断裂和再组合。结果在自然界和实验室实验中，文石中氧同位索配分的温度关系能够传递副方解石中来。这种在同质多相转变形成方解石过程中的氧同位素继承性对于了解白云石－方解石－水体系分馏的难题至关重要。理论预测也能够用来解释对方解石分馏的经验估算与实验测定之间的分歧。     

硼同位素分馏的实验理论认识和矿床地球化学研究进展

硼是一种中等挥发性元素,具有¹¹B和¹⁰B两个稳定同位素。两个同位素间高达10%的相对质量差使其在地质过程中引起高达-70‰至+75‰的硼同位素变化。硼在自然界主要与氧键合形成三配位(BO₃)和四配位(BO₄)结构,因而¹¹B和¹⁰B间同位素分馏主要受控于三配体(BO₃)和四面体(BO₄)间配分。本文综述了低温和高温地质过程的硼同位素分馏的理论和实验研究进展。在溶液中B(OH)₃和${B(OH)^{-}_{4}}$间硼同位素分馏受pH和热力学p-T条件控制,实验和理论表征获得常温常压条件下的B(OH)₃和$B(OH)^{-}_{4}$间同位素分馏系数(α_3-4)变化范围为1.019 4至1.033 3。低温条件下矿物(如碳酸盐、黏土矿物(蒙脱石和伊利石)、针铁矿、水锰矿、硼酸盐)与溶液间硼同位素分馏行为除了受p-T-pH影响外,矿物表面吸附引起的分馏效应十分显著。在中高温过程(蒙脱石伊利石化、富硼电气石和白云母矿物与热液流体,以及硅酸盐熔体与流体)中硼同位素分馏行为受到硼配位构型、化学成分以及物理化学条件的控制。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及越来越完善的地质储库硼同位素端员特征表征,硼同位素地球化学指标可以灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式和重建成矿过程物理化学条件。目前矿床硼同位素地球化学研究的难点在于实现不同赋存相(如流体、矿物和熔体)中硼配位键合结构和硼同位素组成的精细化表征。     

云母族矿物的氧同位素分馏

利用增量方法对云母族矿物的氧同位素分馏进行了系统的理论计算。结果表明，不同化学成分和结构状态的云母之间存在一定的氧同位素分馏，其１８Ｏ富集顺序在热力学同位素平衡时为：多硅白云母＞钠云母＞锂云母＞白云母＝珍珠云母＞海绿石＞铁云母＞金云母＞黑云母。在４００℃以上的高温条件下，云母－水体系的氧同位素分馏与温度之间的相关性不明显，并且云母相对于水亏损１８Ｏ达１‰－２．５‰。石英－云母体系的氧同位素分馏与温度之间具有显著的负相关性，因此，能够作为灵敏的同位素地质温度计。不过，石英－黑云母对的氧同位素地质测温往往给出岩石冷却过程中的退化再平衡温度，而不是岩石形成温度。     

碳酸钙同质多象转变过程中氧同位素分馏的实验研究

本文通过“一步法”和“两步法”的“附晶生长法”分别合成了碳酸钙矿物，对其进行了同质多象转变过程中的氧同位素分馏行为的研究。同时通过真空条件下的同质多象转变实验，对文石和方解石的酸分馏系数的差异进行了实验验证。结果发现：①在50℃和70℃下，如果文石与水之间的氧同位素分馏未达到平衡，由母体文石经过同质多象转变生成的次生方解石完全继承的母体矿物的氧同位素组成。如果文石与水之间的氧同位素分馏达到平衡，由互过同质多象转变生成的次生方解石部分继承母体文石的氧同位素组成，并且次生方解石相对于母体文石富集^18O。②在0℃和25℃下，“一步法”的“附晶生长法”的实验结果表明，由六方方解石经过同质多象转变生成的次生方解石也完全继承母体矿物的氧同位素组成，并且在该温度下，矿物与水之间的氧同位素分馏与温度无关。     

碳酸钙-水体系氧同位素分馏系数的低温实验研究

碳酸钙是古气候和沉积岩稳定同位素地球化学研究中最常用的矿物 ,因此对碳酸钙水体系氧同位素分馏系数的实验校准已成为稳定同位素地球化学诞生以来的热点和前沿课题。但由于碳酸钙在自然界存在 3种同质多象变体 (方解石、文石和六方方解石 ) ,使人们对碳酸钙矿物与水之间氧同位素分馏系数的实验测定结果存在较大差别 ,当应用到同位素地质测温时 ,会给出显著不同的温度值。正确选用合理的方解石水或文石水体系分馏曲线 ,对低温和环境地球化学研究和应用具有重要价值。文章系统总结和评述了碳酸钙水体系氧同位素分馏系数实验校准的历史、方法和结果 ,对前人在表达方式上的不一致进行了统一 ,对氧同位素分馏的盐效应、动力氧同位素分馏效应和同质多象转变过程中的氧同位素继承性进行了讨论。通过对前人大量实验数据的系统处理并与理论计算相比较 ,推荐了热力学上平衡的方解石水体系氧同位素分馏方程 ,而对于文石水体系 ,理论计算结果尚有待于实验证实。     

矿物O同位素地球化学理论

应用增量方法不仅能够从理论上准确计算所有固体矿物的O同位素分馏系数，而且能够定量预测；（1）热力学平衡条件下共生矿物之间的18O富集顺序；（2）岩石化学成分与O同位素组成之间的关系；（3）矿物结构变化对O同位素组成的影响；（4）同质多相转变和矿物反应中的氧同位素继承性。本文对这些规律性预测进行了概要性介绍，并给出实例予以说明。     

白云鄂博富稀土元素碳酸岩墙的 碳和氧同位素特征

重点解剖了一条距白云鄂博超大型REE-Nb-Fe矿床东矿北东方向2 k m、切割白云鄂 博群H1及H3岩性段的细粒方解石碳酸岩岩墙的碳和氧同位素地球化学特征。结果表明,碳酸 岩的碳同位素组成变化范围较小(δ13C值为－6.6‰ ～ －4.6‰),与正常地幔碳δ 13C值－5±2‰一致;而氧同位素组成变化范围较大(δ18O值为11.9‰～17.7‰ ),显著高于地幔的δ18O值5.7±1.0‰,表明碳酸岩浆在结晶过程中或之后曾与 低 温热液流体发生了同位素交换。碳酸岩墙中白云石与方解石之间的碳和氧同位素分馏均小于 0‰,处于不平衡状态,说明该碳酸岩墙中的白云石与方解石并非同成因矿物,白云石可能 为次生成因的。     

几个重要Ge同位素平衡分馏参数的理论预测

本研究基于Urey模型(或称Bigeleisen和Mayer公式),结合量子化学计算的方法,在B3LYP/6-311+G(d, p)理论水平下,计算了Ge在类似石英(包括蛋白石)、钠长石、钾长石、橄榄石结构以及水溶液(包括海水)中Ge(OH)4和GeO(OH)3-之间的Ge同位素平衡分馏系数.其中,溶液效应用"水滴法"处理,矿物结构用簇合物方法模拟.结果显示这些基本分馏参数的精度约±0.3‰;类石英(或蛋白石)结构最可能富集重Ge同位素,在25 ℃,几个Ge同位素分馏系数分别约为:Δ石英-Ge(OH)4=0.9‰、ΔGe(OH)4-GeO(OH)3-=0.3‰(海水中)、Δ石英-钠长石=0.6‰、Δ石英-钾长石=0.4‰、Δ橄榄石-Ge(OH)4=-1.2‰.类石英与类橄榄石结构之间存在较大的分馏,Δ石英-橄榄石=2.1‰.这些具有重要地质意义的基本分馏参数可以为探索未知的Ge同位素地球化学应用领域打下基础.此外,本文还用所得的分馏参数定量地解释了Siebert等(2006)和Rouxel等(2006)的一些工作,说明了这些参数的可靠性及其在地学中的重要应用意义.