锂同位素及其地质应用研究进展

锂同位素示踪是近几年发展起来的一门新兴的稳定同位素地球化学方法,锂有两个稳定同位素：^6Li和^7Li。自在界锂同位素的组成变化很大,其δ^6Li值变化幅度超过60‰,现代大洋水的δ^6Li值为－31．0‰,洋中脊玄武岩（BORB）的δ^6Li值为－4．7‰--3.7‰,由于锂同位素存在大的分馏和不同地质体中在截然不同的δ^6Li值,因此锂同位素地质应用前景十分广泛。目前,锂同位素在研究星云形成过程和宇宙事件,洋壳蚀变和海底热液活动,壳－幔物质循环和板块俯冲作用过程,判断卤水起源和演化等方面的研究中成效显著。     

硅同位素动力学分馏的实验研究及地质应用

由于硅在自然界中没有化学阶态变化，主要呈硅氧四面体形式存在，因此硅同位素的热力学分馏很小，由此产生的硅同位素变化不大。溶液中ＳｉＯ２沉淀过程的同位素动力学分馏是引起自然界硅同位素明显变化的主要原因。本文实验测定了溶液中ＳｉＯ２沉淀过程的硅同位素动力学分馏系数α，并结合所测定的硅同位素动力学分馏系数对现代海底黑烟囱、太古代条带状磁铁石英岩、风化成因粘土矿物的δ＾３０Ｓｉ值明显偏低；浅海碳酸盐台地中硅     

碲同位素研究进展及其地质应用展望

多接收电感耦合等离子体质谱仪以及色谱分离和纯化方法的应用,大大提高了碲(Te)同位素的分析精度和效率,推动了碲同位素研究。本文综述了Te同位素研究的最新进展及其地质应用。碲具有亲硫和亲氧双重属性,同时具有一定的挥发性。自然界(包括陨石)中碲同位素(δ^130/125 Te)的变化范围为-4.12‰～2.15‰。其同位素分馏受到不同过程的控制,其中球粒陨石碲同位素分馏主要受陨石形成过程中碲的蒸发和冷凝过程的控制,该过程中可引起高达6.9‰的分馏;自然界中氧化还原反应也可以引起较大的碲同位素分馏(4‰),因此碲同位素可能成为反应成岩成矿过程中氧化-还原条件变化的指标;此外,有机溶剂(如石油)参与的萃取作用可引起1.8‰的碲同位素分馏效应,这一效应在重稳定同位素研究过程中需要引起足够的重视。随着碲同位素分馏机制的进一步明晰,碲可能在示踪成矿物质来源、限定成矿时间以及指导矿产勘查等方面得到更为广泛的应用。     

过渡族金属元素同位素分析方法及其地质应用

由于同位素分析方法的改进和多接收电感耦合等离子体质谱仪 (MC ICP MS)的应用 ,近年来过渡族金属元素 (Cu ,Zn和Fe)同位素地球化学有了长足进步 ,成为国际地学领域的一个前沿研究方向。Cu同位素在自然界中的变化最大 ,δ65Cu值为 - 3.70‰～ +2 .0 5‰ ;Zn和Fe同位素变化比Cu同位素变化小 ,δ66Zn值为 - 0 .6 4‰～ +1.16‰ ,而δ56Fe值为 - 1.6 2‰～ +0 .91‰。自然界中各种无机过程 (从高温到低温 )和生物有机过程均能使Cu ,Zn和Fe同位素发生分馏。Cu、Zn和Fe在自然界中广泛分布于各类矿物、岩石、流体和生物体中 ,并广泛参与成岩成矿作用、热液活动和生命活动过程。因此 ,这些过渡族金属元素同位素已在陨石和宇宙化学、矿床学 ,海洋学和生物学等领域的研究中取得了显著成效 ,并将成为地球科学中具有巨大应用前景的一种新的地球化学手段。     

大柴达木盐湖硼同位素地球化学研究

以测定Ｃｓ２ＢＯ２＾＋离子的热电离质谱法，用ＶＧ－３５４型质谱计测定了大柴达木盐湖卤水及其外围水系的硼同位素组成。其卤水的δ＾１１Ｂ值为＋４．９６‰－＋９．１１‰，外围水系的δ＾１１Ｂ值为－３．８５％￣－４２．６８‰。同时也测定了其湖底沉积物，外围碳酸盐泉华和硼酸盐的硼同位素组成，它们的δ＾１１Ｂ值分别为－１７．７８‰￣＋２．５６‰、－３１．９７‰￣＋０．１７‰和－１１．８７‰￣－９．５９‰。这些     

月球同位素地质年代学与月球演化

同位素地质年代学是月球形成与演化研究的重要工具。目前对月岩和月球陨石的研究积累了大量的同位素年代学资料,其测试的主要方法包括K—Ar、Ar_Ar、Rh-sr、Sm—Nd、Lu—Hf、Re-0s、Pb—Pb和U—Pb等。根据目前获得的资料,本文对月球上不同类型岩石的形成年龄进行了总结,发现月球高地岩石主要形成于45～38亿年,而月海玄武岩相对年轻,大致形成于38～31亿年。根据这-年代资料,结合对月岩样品进行的短半衰期Hf-W与Sin-Nd同位素体系的研究结果,认为月球大致形成于45亿年,其后开始由岩浆海导致的内部核-幔-壳的分异,岩浆结晶的低密度斜长岩构成最初的月壳,而密度大的岩石构成月幔,而此月幔则成为后来月海玄武岩的主要岩浆源区。同时指出了当前月岩同位素地质年代学存在的问题,并根据技术进展的情况,对未来月岩同位素年代学的发展趋势作了全面的分析．     

海水蒸发时的硼同位素分馏

采用立式亚沸石英蒸馏器，在非流动条件下进行了海水蒸发实验，以研究海水一空气界面硼同位素的行为。将具有不同pH值的天然海水在不同温度下平静地蒸发，采用冷水收集海水蒸汽，实现了无流动空气的真实的蒸发过程，共进行了3种类型的实验。 实验1 将不同pH值（(7.71-8.49)的海水在27℃，33℃和40℃下蒸发，蒸发时连续地补充高纯水以维持蒸发液体的体积恒定。收集海水蒸汽，进行蒸汽的硼同位素组成、硼和氯浓度的测定。 实验2将天然海水在33℃下蒸发，蒸发时不补加高纯水．搏派承药蒸干。分捌收集海水蒸汽和蒸干后的固体盐，进行蒸汽和固体盐的硼同位素组成测定。并同时测定不同蒸发阶段海水的pH值。 实验3 将加人不同硼量的天然海水在40℃下蒸发.蒸发时连续地补充高纯水以维持蒸发液体的体积恒定，收集海水蒸汽，进行硼同位素和硼浓度的测定。 硼浓度的结果表明：①在实验1中，蒸汽的硼浓度变化范围是1.51-10.7 μg/L，平均值为5.16 μg/L，随海水pH值升高而降低，但与蒸发温度无关；②在实验2和3中蒸汽硼的浓度要远远高于实验1，而且蒸汽硼浓度与海水硼浓度具有线性的正相关关系；③蒸汽相的Cl/B比（摩尔比值：平均23.4)远远低于海水的Cl/B比（摩尔比值：1485)，这表明蒸发时没有将海水喷雾的细珠引人蒸汽中。 硼同位素结果表明： (1)在实验1中，蒸汽的δ11B值除一个以外均低于海水B(OH)3的δ11B值，而高于海水B(OH)4-的δ11B值，而且都比海水的δ11B值高，蒸汽与海水间的平均硼同位素分馏系数为1.0019，这表明在海水蒸发时，11B富集在蒸汽相中。此结果与以前所进行的硼溶液蒸发实验结果一致，但与以前所进行的海水蒸发实验结果完全相反。以前的海水蒸发实验结果表明，10B在蒸汽相富集。这种截然相反的结果要归结于蒸发条件的差异，以前蒸发的海水蒸汽是由流动空气带出，此时非平衡的动力因素将起到重要作用，造成质量轻的10B优先进人蒸汽相。而本次实验在非空气流动条件下进行，B(OH)3和B(OH)-4间的同位素平衡将起主导作用。显然，燕汽的δ11B值与海水的pH值没有明显的关系。 (2)在实验2中，蒸汽与海水间的硼同位素分馏系数要远远高于实验1，特别当海水蒸干前的500 mL蒸汽，分馏系数高达1.0182。而蒸干后的固体盐的δ11B值明显低于原始海水，分馏系数为0.9973。这充分表明，在海水蒸发时，11B优先被蒸发而进人燕汽相。海水蒸发时蒸汽相的δ11B值随蒸发程度呈平方指数形式增加，这与蒸发时残留海水的δ11B值急剧升高有关。 (3）实验3中，蒸汽的δ11B值随海水硼浓度的增加而升高，当硼浓度为19.7 μg/mL和63.5 μg/mL时，硼同位素分馏系数分别为1.0072和1.0107。 海水蒸发时的硼同位素分馏可用于对大气降雨硼来源的研究。在不同时期采集的西宁雨水的δ11B值为12.1‰和9.0‰，受风向的影响甚微，表明西宁地区的大气环境受海洋影响较小，大气中的硼主要来源于陆地。但南海西江石油平台大气降雨的δ11B值明显受风向所控制，高δ11B值（33.2‰）表明其海洋来源，而低δ11B值（8.4‰）表明其陆地来源。以往文献所报道的陆地及其沿海大气降雨的δ11B值变化范围很宽(0.8‰~35‰)，但是它们都低于海水的δ11B值，这表明陆地及其沿海大气中的硼主要来源于陆地。 海水中的硼将因洋壳低温蚀变、沉积物吸附以及生物碳酸盐共沉淀从海洋中迁出，这些过程均造成海水10B的贫化。惟独海水蒸发时会造成海水10B的富集，但由于此时硼同位素分馏小，而且与其他因素相比，被海水蒸汽迁出的硼量低，根据计算，海水燕发对古海洋硼同位素组成的影响完全可以忽略不计。     

硼及硼同位素地球化学在地质研究中的应用

总结了硼及硼同位素的地球化学特征：（１）硼是易溶元素,主要赋存在地球表层,尤其是海水、海相沉积物及海水交代岩石中。其同位素组成δ１１Ｂ值按顺序变化,封闭盐湖卤水（＞４０‰）＞海水（３９５‰）＞海相硼矿物（１８２‰～３１７３‰）＞海相沉积物（１３９‰～２５２‰）＞海水交代岩石（４５１‰～１０８５‰）。大陆水及陆相沉积物硼含量及硼同位素组成变化极大,并多以负值为主。海陆过渡构造带则具有过渡的硼丰度值和硼同位素组成。（２）１１Ｂ较１０Ｂ具有更活跃的地球化学性质,因此在水岩作用中具有明显的同位素交换。硅化交代作用中,岩石被硅化交代,释放硼,并优先释放重硼,同位素组成变轻;在脱硅反应中,岩石释放硅吸收硼,并优先吸收重硼,同位素组成变重。在封闭体系中,水溶液淋滤岩石中部分的硼,即可大量富集,并富集１１Ｂ;在开放体系中,岩石硼被大量淋滤流失,δ１１Ｂ值明显降低。由于水岩作用的结果,从新鲜海底玄武岩到正常海水,硼同位素值从－２９５‰到３９５‰逐渐升高。（３）变质脱水反应中硼被大量排出,并优先排出重硼同位素,进入流体相,因此随着变质程度由低到高,岩石中硼含量及同位素组成δ１１Ｂ值由高变低。（４）在成矿研究中?     

稳定同位素分馏的量子化学计算研究——以硼和铁同位素为例

稳定同位素分馏研究是整个地球科学领域的基本核心内容之一.对其量子化学从头计算,是刚刚兴起的世界前沿.同半经验方法比较,从头计算更加准确和更具广谱性,是同位素实验方法的重要补充和延伸.本文简略介绍了稳定同位素分馏的量化计算的背景、方法,并用硼同位素和铁同位素的几个简单体系进行示例.     

氯同位素地质应用研究

抓有两个稳定同位素35Cl和37Cl，在自然界中的丰度分别为24.23％和75.77%。自然界中氯同位素的组成变化很小，氯同位素组成的表示方法一般用δ37C1值表示：37C1=[(37Cl/35C1)sample-1 (37Cl/35C1)Std]×1000 δ37C1在自然界的变化范围约为15‰(-8.0‰~+7.5‰)。由于海水中的氯同位素组成非常均一，Kaufman等（1984)调查发现世界大洋海水中氯同位素组成相同，因此建议采用标准海水（SMOC）作为氯同位素标准。氯同位素的分析方法主要包括气体同位素质谱法和热电离质谱法，目前的分析精度可达0.2‰。 对于大部分同位素而言，由扩散引起的同位素分馏主要与化学和生物过程有关。研究表明沉积物间隙水中造成氯同位素分馏的原因主要3个：①矿物在海水中沉淀的过程中优先富集37C1(Magenheim等，1994,1995);②扩散过程,35C1的扩散速度高于37C1(Desaulnier等，1986;Eggenkomip等，1994);③沉积物的离子隔膜过滤作用，当流体通过粘土矿物时，由于沉积物表层负电荷的排斥,35Cl受到的排斥作用大于37Cl，因此流体中会富集37C1，此机制被Campbell(1985）通过实验得到了证实。 氯是上地壳流体中主要的阴离子，在矿物岩石和矿床的形成过程中起着重要的作用，因此研究自然界中抓的分布和运移对于地球科学各个研究领域而言有着重要的意义。目前已对大气圈、水圈和岩石圈的氯同位素组成进行过分析，大气气溶液中δ37C1的变化范围为+0.42‰-2.53‰；河水中的δ37C1较高为+0.74‰-+2.85‰,盐湖卤水δ37C1则相对较低，为-2.06‰~+1.01‰，地下水中δ37C1变化范围较小为-0.50‰~+0.69‰；俯冲间隙水氯同位素组成最低，变化范围为-7.5‰~-2.2‰；新鲜的洋中脊玄武岩（ MORB）玻璃体中δ37C1的变化范围为+3.0‰~+7.2‰，去气地幔中δ37C1值为+4.7%；而富集地幔中δ37C1落在0.4‰~3.4‰之间；麻粒岩δ37C1的变化范围很小，其中大部分的岩石和矿物δ37C1都集中在-0.3‰~+0.11‰之间，平均值为-0.15‰，而角闪石和黑云母δ37C1分别为-1.12‰和+0.79‰;岩盐中δ37C1的变化范围为-0.6‰~+1.2‰。 氯同位素地球化学的研究工作在总体上仍处于起步阶段，但该方法在地球科学各个领域已经显示了极好的应用前景。氯同位素组成可以用于示踪板块俯冲和壳幔物质循环过程、热液成矿过程中成矿流体的起源和演化以及盐湖和岩石中卤水的起源和演化。     

青海囊谦高浓度盐泉硼同位素地球化学特征及其地质意义研究

本研究基于青海囊谦盆地8个盐泉的元素组成和稳定同位素分析,研究了盆地中高浓度盐泉盐类物质的来源与形成条件。结果表明,青海囊谦盐泉的平均矿化度为254.6 g/L,在空间上矿化度从西到东逐渐升高,水化学类型为硫酸盐型,pH为中性,盐泉元素可分为三类—Na~+-Cl-~-K~+-Br~-,B~(3+)-Li~+-SO_4~(2-)-HCO_3~-,Ca~(2+)-Mg~(2+)。盆地中高浓度盐泉的大面积出现,及盐泉元素地球化学分析均表明囊谦盆地地下有丰富的含盐地层。盐泉的成因类型为溶滤盐泉,溶滤的主要矿物为石盐,其次还有少量灰岩和石膏岩。盐泉的硼同位素研究结果表明,盐泉水δ~(11)B值在+3.55‰~+35.49‰之间变化,分布范围较大,从北西向南东逐渐降低,结合盐泉的Br含量,指示该含盐地层应属陆相成因。此外,盐泉水硼含量与硼同位素呈反比关系,呈现出高B低δ11B值端元和低B高δ~(11B)值端元,盐泉的p H值与硼同位素组成也呈一定的反比关系。通过对盐泉和区域地质的综合研究,我们认为多伦多盐泉地区出露的大量火山物质可能是盐泉硼的一个重要来源。综合对比研究认为囊谦盐泉的形成条件为:(1)盆地内的含盐地层为盐类物源;(2)稳定的降水为盐泉提供了持续的水源;(3)广布的断裂构造为盐泉的发育提供了通道;(4)地形高差大为其提供了水力梯度。     

Sources of Inaccuracy in Boron Isotope Measurement Using LA-MC-ICP-MS

Laser ablation multi-collector-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-MC-ICP-MS) has become a valuable tool for the in situ measurement of the boron isotope composition of geological samples at high (tens to hundreds of μm) spatial resolution. That said, this application suffers from significant analytical challenges. We focus in this study on the underlying processes of two of the main causes for inaccuracies using this technique. We provide empirical evidence that not only Ca ions (Sadekov et al. 2019, Standish et al. 2019, Evans et al. 2021) but also Ar ions, that are reflected within the flight tube of the mass spectrometer, are the source for previously reported issues with spectral baselines. We also address the impact of plasma conditions on the instrumental mass fractionation as a source for matrix- and mass-load-related analytical biases. Comparing experimental data with the results of a dedicated release and diffusion model (RDM) we estimate that a close to complete (~ 97%) release of boron from the sample aerosol is needed to allow for consistently accurate LA boron isotope measurement results without the need for corrections.     

Quartz-Ferberite Oxygen Isotope Geothermometer and Its Geological Applications

Experiments for oxygen isotope exchange between ferberite and water were carried out and the followingequation on oxygen isotope fractionation between ferberite and water against temperature was obtained:Combining this equation with the equation of Clayton et al. (1972) on oxygen isotope fractionation be-tween quartz and water, an equation on oxygen isotope fractionation between quartz and ferberite was ob-tained:The Bigeleison-Mayer function method was used to calculate the oxygen isotope fractionation betweenquartz and ferberite. The theoretical curve obtained agrees with the experimental calibration results quite wellin the temperature range of study.The above calibrated equation has been used in 5 world famous tungsten deposits to determine their tem-peratures of formation. The results show that the temperature range for an idividual deposit determined by thisgeothermometer agrees with those obtained from fluid inclusion determination and other isotopegeothermometers.     

铬同位素在高温岩浆过程中的研究进展

铬(Cr)属于氧化还原敏感元素,在岩浆过程中是一种中度相容和轻度亲铁元素。Cr在硅酸盐地球中主要有三种价态:Cr²⁺、Cr³⁺和Cr⁶⁺。Cr存在于不同来源的矿物和岩石中,其氧化还原状态和同位素组成可以为其成因、氧化还原条件和相关成矿历史提供有价值的信息。近年来,铬同位素越来越多地应用到现代环境、古环境、行星的演化以及高温地质过程等领域中,而高温地质过程中储库的铬同位素及其分馏机理研究是其他工作的基础。尤其是随着质谱技术的发展,Cr同位素在高温环境中的分馏机制及行为也引起了更多的关注。本文主要介绍不同储库的Cr同位素组成及高温岩浆过程中Cr同位素研究的最新进展。     

Composition-Induced Variations in SIMS Instrumental Mass Fractionation during Boron Isotope Ratio Measurements of Silicate Glasses

An analytical artefact is reported here related to differences in instrumental mass fractionation between NIST SRM glasses and natural geological glasses during SIMS boron isotope determinations. The data presented demonstrated an average 3.4‰ difference between the NIST glasses and natural basaltic to rhyolitic glasses mainly in terms of their sputtering-induced fractionation of boron isotopes. As no matrix effect was found among basaltic to rhyolitic glasses, instrumental mass fractionation of most natural glass samples can be corrected by using appropriate glass reference materials. In order to confirm the existence of the compositionally induced variations in boron SIMS instrumental mass bias, the observed offset in SIMS instrumental mass bias has been independently reproduced in two laboratories and the phenomenon has been found to be stable over a period of more than one year. This study highlights the need for a close match between the chemical composition of the reference material and the samples being investigated.     

环境同位素技术在地下水研究中的应用

简要介绍了环境同位素技术的应用原理,综述了目前国内外常用的稳定同位素与放射性同位素的具体应用。提出稳定同位素主要用于分析地下水的来源组成与循环途径等;放射性同位素主要用于地下水测年与示踪的研究。最后总结了环境同位素在我国地下水研究中应用的主要问题。     

Intercomparison of Boron Isotope and Concentration Measurements. Part II: Evaluation of Results

The Istituto di Geoscienze e Georisorse (IGG), on behalf and with the support of the International Atomic Energy Agency (IAEA), prepared eight geological materials (three natural waters and five rocks and minerals), intended for a blind interlaboratory comparison of measurements of boron isotopic composition and concentration. The materials were distributed to twenty seven laboratories - virtually all those performing geochemical boron isotope analyses in the world -which agreed to participate in the intercomparison exercise. Only fifteen laboratories, however, ultimately submitted the isotopic and/or concentration results they obtained on the intercomparison materials. The results demonstrate that interlaboratory reproducibility is not well reflected by the precision values reported by the individual laboratories and this observation holds true for both boron concentration and isotopic composition. The reasons for the discrepancies include fractionations due to the chemical matrix of materials, relative shift of the zero position on the δ¹¹B scale and a lack of well characterized materials for calibrating absolute boron content measurements. The intercomparison materials are now available at the IAEA (solid materials) and IGG (waters) for future distribution.