“同位素分析新技术与地质应用研究新进展”专辑特邀主编寄语

同位素定年和示踪技术已渗透到地球科学的各个方面, 成为确定地质事件时代和成岩成矿年龄、示踪成岩成矿物质来源和形成环境条件的重要手段, 推动地球科学发展的重要动力。随着分析技术的不断发展, 微区/微量同位素、非传统同位素、高维度同位素已成为当前国际同位素地球化学研究的前沿和重点领域, 近年来我国在该领域也取得长足发展和一系列重大成果。本“同位素分析新技术与地质应用研究新进展”专辑集中刊发了13篇这方面的文章, 主要涵盖了两个方向的研究成果: (1)同位素地质分析新方法及标准物质研制; (2)同位素地球化学研究新进展, 主要包括同位素示踪技术在矿床和海洋沉积环境中应用研究。本文将对收录本专辑论文的研究工作做一简要介绍, 对深入了解我国同位素地质分析技术及应用研究最新进展具有一定参考价值。     

Helium isotope studies of the mantle xenoliths and megacrysts from the Cenozoic basalts in the eastern China

Helium isotope compositions of the mantle xenoliths and megacrysts in the Cenozoic basalts in the eastern China were measured. The samples were collected from Ludao of Heilongjiang, Huinan and Jiaohe of Jilin, Kuandian of Liaoning, Hannuoba of Hebei, Nüshan of Anhui, Dingan of Hainan. The³He/⁴He ratios of the mantle xenoliths and megacrysts from the most areas were about 1 × 10^-5, and were similar to those of the MORB, thus reflecting the characteristics of the MORB-typed depleted mantle. The³He/⁴He ratios of the mantle xenoliths from Jiaohe were 4.8×10^-6 and the³He/⁴He ratios of xenoliths from Hannuoba vary from 0.15× 10^-6 to 7.4 ×10^-6, obviously lower than those of the MORB, and even lower than the atmospheric helium isotope ratios, indicating that the continental mantle was strongly replaced in Jiaohe and Hannuoba areas. The helium isotope compositions of the mantle xenoliths and megacrysts in the same region vary in a very wide range. It is inferred that the mantle xenoliths and megacrysts were from different parts of the continental mantle. There were not necessary origin relations between the mantle xenoliths, megacrysts and their host basalts. An extremely high³He/⁴He ratio of garnet megacryst from Hannuoba, Hebei was found.     

秦岭凤-太矿田与柞-山矿田成矿条件及环境的对比研究

凤－太矿田和柞－山矿田分别位于秦岭泥盆系层奖多金属成矿带的中段和东段。凤－太矿田主要容矿石为硅质岩，其δ＾３０Ｓｉ，δ＾１８Ｏ分别为－０．６‰－－０．３‰，１８．６‰－２１．０‰。矿床的δ＾３４Ｓ值大部分位于４．９‰－１１．３‰之间。柞－山矿田容矿岩类型复杂，除硅腩岩外尚有钠长石岩，黑云言柱石岩等，Ｎａ，Ｃｌ含量很高。     

LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素的分析方法及地质应用

本研究利用Thermo Finngan Neptune型多接收等离子质谱和Newwave UP213 激光剥蚀系统对两个国际锆石标准和一个实验室锆石标准进行了系统的测定.测得的TEMORA、GJ1和FM02锆石标准的176Hf/177Hf比值分别为0.282700±64(2SD,N=22),0.282008±25(2SD,N=26)和0.282967±44(2SD,N=27),该结果在误差范围内与文献报道值完全一致.采用不同的剥蚀直径对FM02锆石标准进行了对比测定,结果在误差范围内是一致的.从分析结果来看,GJ1和FM02的Hf同位素比值变化范围较小,是Hf同位素LA-MC-ICP-MS测试的理想标准锆石.文中还对四个不同地区的锆石Hf同位素进行了测定,结合前人研究,对其成因和物质来源进行了初步探讨.     

还原性含碳质围岩在斑岩铜矿成矿中的作用

斑岩铜矿是最重要的铜矿资源类型,高氧逸度岩浆是公认的评价斑岩成矿的有效指标.硫在成矿岩浆中主要以硫酸盐形式存在,在矿石中则以硫化物为主.什么触发了高氧化性成矿岩浆热液的还原与成矿?这是关系斑岩铜矿形成机制和高效评价的重大科学谜题.前人关注的焦点是成矿母岩浆的起源与演化,还原性围岩在成矿中作用长期被忽视.还原性围岩主要有两种:富碳质围岩和富亚铁围岩.本文在前人工作基础上,以甲玛、德兴、普朗等大型-超大型斑岩铜矿为例,研究了斑岩铜矿的空间分布与含碳质围岩之间的关系,发现斑岩铜矿围岩中普遍发育黑色含碳质地层,并在成矿过程中普遍发生褪色蚀变;发现蚀变围岩和矿床中方解石和矿石矿物流体包裹体的 δ13CV-PDB值普遍较低,与沉积碳酸盐围岩的值显著不同.首次提出并论证了含碳质围岩中甲烷等还原性气体组分的加入可能是引发斑岩成矿系统氧化-还原转换和矿质沉淀的关键.CH4沿构造裂隙扩散进入斑岩成矿系统,无需成矿斑岩与围岩直接接触即可将成矿溶液中SO2–4还原,解决了困扰矿床学家多年的一道难题.围岩中碳质含量高,产生的甲烷数量大,可将成矿热液中SO2–4在斑岩体内全部还原,形成金属硫化物沉淀,则矿体主要产在斑岩体之内;围岩中碳质含量低,产生的甲烷数量不足,则矿体主要赋存于斑岩体与围岩的内外接触带.含碳质围岩中还原组分即可在岩浆阶段加入,也可在热液阶段加入.在岩浆阶段加入将造成岩浆还原,形成"还原型斑岩",易导致成矿物质分散,不利于形成大矿富矿;在热液阶段加入,对成矿更有利."高氧化性斑岩+还原性富碳质地层/富铁火山岩"是高效评价斑岩成矿的新指标.     

膏盐在金顶铅锌矿成矿中的作用：硫和锶同位素证据

云南金顶铅锌、天青石、石膏和硫铁矿超大型复合矿床位于兰坪盆地的北缘,矿床中富含沥青和重油等有机质和膏盐类矿物。大部分硬石膏和石膏的δ34SV-CDT集中分布在+12‰~+16‰之间,与三叠纪末期海洋硫酸盐的δ34SV-CDT值+15‰相近;天青石的δ34SV-CDT较为离散,+6‰~+26‰,但在整体上围绕着硬石膏分布。除少部分早期成岩-矿化阶段形成的硫化物具有极低的生物成因特征的δ34SV-CDT以外,大部分金属硫化物的δ34SV-CDT呈现出“两段式”的分布特征,一组δ34SV-CDT集中在-12‰~-20‰区间,与石膏的δ34SV-CDT值相差约30‰;另一组δ34SV-CDT集中在-8‰~-2‰区间,与石膏的δ34SV-CDT值相差约20‰。在200℃的主成矿温度下,硫酸盐与硫化氢之间的硫同位素分馏刚好为30‰,在300℃为20‰,这与金顶矿床中石膏-硫化物之间硫同位素分布规律一致,表明矿床中的大部分硫源自有机质还原三叠纪膏盐所产生的硫化氢。当富含Pb2+、Zn2+、Sr2+等阳离子的成矿溶液与富含有机质、CO2、H2S和硫酸盐的热水溶液在推覆穹窿构造中汇合时,Pb2+、Zn2+与H2S结合生成方铅矿和闪锌矿,Sr2+与SO42-结合生成天青石。另外,矿区天青石、石膏、灰岩角砾和金属硫化物的锶同位素数据表明膏盐类矿床中的锶 (87Sr/86Sr=0.707765~0.710553)可能并非仅来自于三叠纪海相地层(87Sr/86Sr=0.70695~0.70845),而是成矿热液对各个流经地层和蒸发岩的萃取;受成矿热液中高锶同位素组成的混染,灰岩角砾岩的锶同位素组成相对于三叠纪的灰岩有明显增高。膏盐-有机质(油气)-金属硫化物矿床三位一体可能是普遍规律。     

冲绳海槽活动热水成矿系统的氦同位素组成:幔源氦证据

冲绳海槽长英质火山岩的3He 4He比值 (R)为 5 3～ 8 7RA(RA 为大气的3He 4He比值 1 4× 10 - 6 ) ,显著不同于壳源花岗岩和壳源长英质火山岩 ,而接近于MORB和弧安山岩 ,揭示长英质岩浆系玄武质岩浆派生产物 ,后者来自受俯冲带组分混染的楔形地幔 .海底下部热水成矿系统具有极高的3He 4He比值 ,最下部浸染 脉状硫化物R RA 变化于 12 3～ 2 9 3之间 ,块状硫化物该比值介于 10 7～ 17 9之间 .3He极大富集可能与地幔热柱作用有关 ,反映了深部地幔氦的贡献 .上部热水成矿系统及其产物的R RA 变化于 2 6～ 8 0之间 ,黑烟囱流体该比值为 6 5 ,CO2 流体该比值为 5 8～ 6 6,重晶石为该比值 4 3～ 6 0 .硫化物烟囱显示R RA 分带 ,自内而外R RA 值降低 ( 8 0→ 6 0→ 2 6) ,证明上部热水成矿系统仍有地幔氦注入 ,但因热水流体与海水的大量混合而被稀释 .     

硅同位素测量方法及其地质应用

建立了硅同位素测量方法,获得了比前人更高的测量精度。分析了52个地质样品,探讨了硅同位素地质应用的前景。     

中国西南地区CO2释放点的He同位素分布不均一性及大地构造成因

在印度板块向欧亚大陆俯冲碰撞过程中,产生一系列深大断裂带,形成大量CO2释放脱气点。这些点除了释放大量的CO2、N2、H2S气体以外,还会附带释放CH4、He等各种各样的气体。释放出来的氦为惰性元素,是判识幔源气体最灵敏的地球化学示踪指标,He同位素随形成的构造部位不同而不均匀地分布,且与不同的大地构造成因关系密切。藏中及藏北区块在大地构造位置上属于班公湖-怒江断裂带发生了明显的地幔脱气作用,显示其与地幔相连通而且深度达到上地幔,为一条岩石圈深断裂带;但样品中幔源氦约占总氦的1.4%~1.7%,反映该断裂带深部的开放性程度较低,而闭合性程度相对较高,由此反映了该区处于强烈挤压的构造环境和地壳增厚的地质背景。在滇西南地区(重点在腾冲热海地区)地热流体逸出气体中含有大量幔源岩浆挥发组份,表明该区地壳浅部存在幔源岩浆侵入活动。该区怒江断裂带发生着明显的地幔脱气作用,显示该断裂带与地幔相连通且深度达到上地幔,为一条岩石圈深断裂带;同时所有样品中的幔源氦平均约占总氦的26.2%,最高可达48.8%以上。反映该裂谷带代表伸展性构造环境,且是地幔脱气作用最强烈的构造区之一,是俯冲碰撞的中心地带。而在滇中地区—小江断裂带却是另一番景象,该区样品中的幔源氦平均约占总氦的2.27%,最高也才8.9%。反映此区为印度板块向欧亚大陆以NNE方向碰撞影响到的最东缘。小江断裂带局限在地壳范围内,故而氦同位素显示出在此断裂带以西则明显存在幔源来源,而往东则幔源氦极微。氦同位素在自西至东由藏西到藏南(藏南西与藏南东)至滇西到滇中,R/Ra值由较低到较高再到较低到最高再降低的平面分布规律。川西—鲜水河断裂带则因特殊的构造部位,是中国“地质百慕大”;样品中幔源氦平均约占总氦的8.1%,平均值高于西藏各分区以及云南除滇西南以外的各区,但又远远小于滇西南—腾冲地区。说明鲜水河断裂带,部分地贯穿整个岩石圈,并有切割上地幔之趋势。     

细菌反硝化法测定10–6级硝酸盐的氮和三氧同位素

硝酸盐的氮和三氧同位素(δ15N, δ17O和δ18O)及氧同位素非质量分馏(△17O)综合研究, 可以更有效地示踪硝酸盐的来源和形成过程、制约硝酸盐的形成条件。本文详细描述了细菌反硝化法测定10–6级硝酸盐氮和三氧同位素的分析测试方法和实验要点。综合优化改良的细菌反硝化前处理方法、全自动气体预浓缩富集纯化系统和测试流程, 实现了实验室长期测定数据的稳定性, 以及多批次标准样品测定的良好重现性。10 nmol NO– 3标准样品的δ18O和δ15N测试精度分别是0.25‰(1σ)和0.40‰(1σ)。80 nmol NO– 3标准样品的δ18O、δ17O和δ15N的测试精度分别是0.5‰(1σ)、0.4‰(1σ)和0.1‰(1σ), 据此计算出的Δ17O精度为0.46‰(1σ)。