礦床同位素的示蹤技術(shù)—以巖漿巖為例

姚赟勝

摘要：同位素成礦作用示蹤理論、技術(shù)和方法，是礦床地球化學研究的重要基礎(chǔ)，也是了解礦床物質(zhì)活化、遷移、富集以及成礦源區(qū)和成礦流體演化過程的重要手段。因此來說礦床同位素示蹤技術(shù)在其中發(fā)揮了不可替代的重要作用。本文以放射性、稀有氣體、及氯、鋰同位素示蹤技術(shù)為主淺述在巖漿巖礦床的應用。

關(guān)鍵詞：礦床同位素示蹤；稀有氣體； 放射性同位素

1同位素示蹤技術(shù)基本原理

同一元素由于不同同位素之間的原子質(zhì)量不同，熱力學性質(zhì)方面也有微小的差異。由于這種差異引起同位素的分餾，從而導致同位素的組成在物理、化學作用發(fā)生了變化。同位素經(jīng)過長期的分異、分餾、衰變演化過程，使地球不同地質(zhì)單元及不同圈層之間具有明顯不同的同位素組成特征。因此，可根據(jù)同位素具有基本相同的化學性質(zhì)，示蹤成巖、成礦物質(zhì)的來源，推斷源區(qū)的地球化學特征[1]。除此還可依據(jù)礦物同位素組成及同位素分餾規(guī)律去有效的示蹤礦物形成時的演化過程和物化條件。

2放射成因同位素示蹤

到目前為止，有關(guān)放射性元素的同位素研究工作主要集中于研究成巖，成礦作用以及地球演化等過程，在地幔地球化學端元劃分的研究中也取得了很多的成果。Sr、Nd 、Pb、及Os等放射成因同位素在幔源巖研究中應用及其廣泛。放射成因同位素衰變而導致的同位素組成有明顯的差異，利用這些差異可以追溯巖漿的起源及其演化。

在巖漿作用過程中，當?shù)芈糠秩廴跁r，Re在熔融液相中富集，為不相容元素，而Os卻常保留在殘余固相中，為高度相容元素，在此程中表現(xiàn)出了不同的地球化學行為[2]。由于地殼相對富Re，混入的地殼物質(zhì)愈多產(chǎn)生的放射187Os含量就越高，在地球的殼、幔、核分異作用過程中造成Re、Os在地殼、地慢、和地核中的比值有較大的差異。因此Re-Os體系是研究殼、慢、核物質(zhì)運移的極好示蹤劑。

在與基性、超基性有關(guān)的銅鎳硫化物礦床中，可以利用187Os/188Os的比值在殼，幔巖石中的明顯差異來確定的成礦物質(zhì)的來源。此外，將Re-Os同位素體系與其他元素或同位素比值結(jié)合起來聯(lián)合示蹤已成為一種新的趨勢[3]。（如新疆菁布拉克銅鎳礦床中橄欖輝長巖和硫化物樣品中同位素組成及Re-Os含量，認為硫化物中低的187Os/188Os值、低的 Re/Os值及高的Os含量暗示了成礦物質(zhì)源于地幔）。

3稀有氣體同位素示蹤

在稀有氣體中， 研究與應用最多的是He、Ne，Ar同位素， 其中以He同位素的研究程度最高，由于其同位素組成在地殼與地幔中極不相同，所以在研究地球內(nèi)部流體的來源以及運移機制和演化歷史中有重要作用，同時在示蹤殼-幔相互作用過程中被視為靈敏的指示劑。

稀有氣體同位素比值的意義及應用領(lǐng)域極為廣泛：3He/4He 等用于區(qū)分構(gòu)造環(huán)境，探討地球圈層結(jié)構(gòu)；3He/20Ne-4He/20Ne用于計算地幔氦輸出量；20Ne/22 Ne，21Ne/22Ne等用于溯源；4He/40Ar（放射源）用于討論巖漿房深度等[4]。

氦同位素在自然界中的變化范圍非常大，其氦同位素組成因不同成因和來源而不同。宇宙射線作用產(chǎn)出3He ， 使宇宙成因氦3He/4He比值高達10-1。地殼富含U、Th 等放射性元素，U、Th衰變產(chǎn)生4He ，使地殼巖石的3He/4He比值非常低，一般為n×10-8。地幔中放射性元素含量很低，基本保持了地球形成時原始氦的同位素組成。其中下地幔的3He/4He比值最高為4.48×10-5[5]，大氣氦的3He/4He 比值很穩(wěn)定，為1.4×10-6。MORB（大洋中脊玄武巖）的典型3He/4He值為（8±1）Ra，而OIB（洋島玄武巖）和地幔柱的3He/4He比值大于8-8.5Ra， 即高于MORB值，且變化較大[6]。MORB源區(qū)的3He/4He比值為1.2×10-5左右。所以氦同位素已成為示蹤幔源組份、區(qū)分地殼、地幔巖石、劃分地幔類型、研究地幔柱構(gòu)造的重要手段。

4其他同位素的示蹤

氯有2個穩(wěn)定同位素（35Cl，37Cl），由于質(zhì)量差所引起了氯同位素的分餾，其表現(xiàn)為不相容元素，在地質(zhì)體演化過程中記錄了氯同位組成的變化，因此被廣泛的應用于環(huán)境的檢測、熱液蝕變或交換、海相沉積環(huán)境熱液等。此外，因氯具有低粘滯性和強揮發(fā)性的特性，所以在殼-幔物質(zhì)相互作用中具有的良好指示劑。

鋰是堿金屬元素又是中度不相容元素，且在地殼中比地幔中富集。鋰的兩種穩(wěn)定同位素 （6Li和7Li）在相對質(zhì)量上具有較大差異導致了明顯的同位素分餾，研究發(fā)現(xiàn)在近地表的分餾程度為-20‰-40‰。此特性使得 Li同位素體系在地表到地幔的流體與礦物之間相互作用方面具有良好的地球化學指示劑。（如常用于示蹤熱液活動與洋殼蝕變的關(guān)系以及殼—幔物質(zhì)循環(huán)等重要的地質(zhì)過程）。

參考文獻

[1]李延河，1998，同位素示蹤技術(shù)在地質(zhì)研究中的某些應用[J]，巖石學報，5（1）：275-279.

[2]史仁燈， 郝艷麗，黃啟帥，2008，Re-Os同位素對峨眉山大火成巖 省成因制約的探討[J]，巖石學報，24（ 11）：2516-2518.

[3]胡瑞忠，溫漢捷，蘇文超等，2014，礦床地球化學近十年若干研究進展[J]，礦物巖石地球化學通報，33（2）：131-133.

[4]馬錦龍，陶明信，2003，幔源巖類中的稀有氣體同位素與Sr、Nd、 Pb同位素研究進展[J]，礦物巖石地球化學通報，22（1）：70-72.

[5]Marty B，Pik P，Gezabegn Y，1996，Helium isotopic bariation in Enthiopian Plume laba：nature of magmatic source and limit on lower mantle contribution[J]， Earth Planet Sci Lett，144：223-237.

[6]李曉斌，陶明信，2007， 地幔柱稀有氣體同位素示蹤研究的進展及其意義[J]，地質(zhì)通報，26（12）：1006-1067.endprint