地质流体稳定同位素示踪

硕士研究生《地质流体稳定同位素示踪》试题一、名词解释（2×5分）1、同位素效应由同位素质量差所引起的物理和化学性质上的差异。2、同位素分馏指在一系统中，某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或两相中的现象，是同位素效应的表现。3、同位素分馏系数在同位素分馏达到平衡的条件下，两种物质中某元素的相对同位素之比值称为同位素分馏系数。αA-B=RA/RB4、瑞利分馏分离前不同物相之间保持着热力学平衡并处于封闭状态，但分离后一相物质不断离开体系，不再与另一相保持平衡。这种在开放体系中进行的过程称之为瑞利过程，在瑞利过程中发生的同位素分馏称之为瑞利分馏。5、等时线isochron，是指构成单独热液体系的不同岩石所遵循的全部轨线族上所有时间相等位置点的连线。二、简答题（10×3分）1、简述αA-B、δA、δB和△A-B的含义和数学表达式，推导三者数学关系。答：（1）含义和数学表达式：①αA-B表示在热力学平衡条件下，A、B两物质之间的同位素分馏系数，αA-B=RA/RB；②δA表示A物质的同位素比值相对于某标准的该同位素比值的千分差；δB表示B物质的同位素比值相对于某标准的该同位素比值的千分差。δA(‰)=[(RA/RSt)-1]×1000，δB(‰)=[(RB/RSt)-1]×1000，其中RSt为某一标准的同位素比值。③△A-B表示某同位素在A、B物相中的同位素分馏值，△A-B=δA-δB。（2）三者数学关系的推导：αA-B=RA/RB=(RA/RSt)/(RB/RSt)=(δA/1000+1)/(δB/1000+1)=(δA+1000)/(δB+1000)；等式两侧取对数得，lnαA-B=ln[(δA+1000)/(δB+1000)]；lnαA-B=ln(δA+1000)-ln(δB+1000)；利用泰勒式:ln(δA+1000)=ln1000+ln(δA/1000+1)=ln1000+δA/1000-(δA/1000)2/2+(δA/1000)3/3-(δA/1000)4/4+…+（-1）n-1(δA/1000)n/n+(-1)n(δA/1000)n+1/(n+1)(1+θ(δA/1000))n+1,(0θ1);利用极限定理，ln(δA+1000)≈ln1000+δA/1000；同理可得，ln(δB+1000)≈ln1000+δB/1000；故而，lnαA-B=ln(δA+1000)-ln(δB+1000)≈ln1000+δA/1000-(ln1000+δB/1000)=10-3(δA-δB)；即：103lnαA-B=δA-δB=△A-B。2、简述几种检测同位素分馏平衡的常用方法。答：(1)共生顺序判别法在热力学同位素平衡条件下，共生矿物之间的重同位素富集顺序有规律地升高或降低，结果表现出为矿物之间的同位素组成呈规律性的变化，从而构成了矿物同位素组成的共生顺序。如果共生矿物的同位素组成与平衡顺序相反，指示它们之间或者处于同位素不平衡状态，或者是不同阶段的产物，或者是不同温度下形成的。常见矿物的稳定同位素组成共生顺序有：①氢同位素（D）：高温（500℃）：锂云母白云母金云母角闪石黑云母黝帘石；低温（400℃）：蛇纹石高岭石绿帘石伊利石/蒙脱石勃姆石水镁石针铁矿。②氧同位素（18O）：石英方解石碱性长石高岭土白榴石电气石硬玉蓝晶石多硅白云母钙长石白云母绿帘石蛇纹石绿泥石顽火辉石透闪石透辉石普通角闪石金云母黑云母硅灰石榍石锆石石榴子石橄榄石金红石磁铁矿钛铁矿赤铁矿晶质铀矿刚玉尖晶石。③碳同位素（13C）：白云石方解石CO2石墨CH4。④硫同位素（34S）：硫酸盐辉钼矿黄铁矿闪锌矿≈磁黄铁矿黄铜矿斑铜矿方铅矿辉铜矿辉锑矿辉铋矿辉银矿。(2)等温线法这种方法基于同位素分馏方程表达式:△1-2-C1-2=A1-2×106/T2。通常选一种最富集重同位素的矿物作为参考矿物（Re），这种矿物与矿物集合体中的其他矿物（Mi）依次配对，以（δRe-δMi）-CRe-Mi为Y轴、ARe-Mi为X轴作图。如果这些共存矿物处于相同温度下的同位素平衡状态，可得到斜率为106/T2的一条直线，并且此直线通过原点，平衡温度由斜率106/T2计算得到；如果不为106/T2斜率的直线，则表示同位素不平衡。对于多种矿物对可根据拟合的直线斜率由Ｋ＝106/T2计算出T。对于扩散控制的同位素交换来说，快速冷却的体系，具有不同同位素扩散速率的矿物在冷却过程中必须具有几乎一致的扩散封闭温度才能得到一条直线；缓慢冷却的体系，有不同同位素速率矿物构成的等温线有时会给出较低的表面温度，这需要将其与受流体渗滤所产生的退变质平衡等温线进行区分。(3)图解垂线判别法该方法是取两个共生矿物与某一参考物相相联系，应用有关的矿物-参考物相体系同位素分馏方程，在103lnα对1/T2坐标图上画出分馏曲线；制定参考物相的同位素组成，计算出各矿物与参考物相之间的同位素分馏并分别在分馏曲线上投影。如果各投影点的连线在分馏曲线图解上近于垂直，指示这两共生矿物之间存在同位素平衡，，所对应的两个同位素温度在误差范围内相互一致。对于不垂直的矿物对，它们之间的同位素组成没有平衡，或具有不同来源，或为不同阶段的产物。(4)δ-δ图解法该方法常用于开放体系同位素交换，其判断共生矿物之间是否处于同位素平衡的原理在于δy=δx+103lnαy-x，以δx、δy为坐标轴作坐标图，将数据点投影到图中，如果数据点的分布在斜率≈1的直线上，表明共生矿物的同位素分馏达到平衡，并利用截距103lnαy-x计算出平衡温度。若数据点偏离图解中的直线，说明体系为非平衡分馏。(5)δ-△图解法δ-△图解法常用于封闭体系同位素交换，在δ-△图解中，以每种矿物的δ值为y轴，以矿物对△值为x轴，两条斜率相反的直线之间有夹角α。一般对于两相封闭体系，其总的同位素组成为：δs=x1×δ1+x2×δ2。式中s代表体系，Xi为相i的摩尔分数，且x1+x2=1。在δ-△空间中，根据质量守恒可得，δ1=x2×△12+δs，δ2=-x1×△12+δs。其成立的前提条件有：①体系中相1与相2含量之比保持常数；②δs值保持常数；③相1与相2之间的同位素交换是引起体系内各相δi变化的唯一原因。当体系中只存在两相，且x1+x2=1即可满足上述条件。3、简述氧同位素地质测温常用方法。答：氧同位素地质测温广泛应用于研究地球上的各种岩石和矿石，甚至是陨石和月岩物质的形成温度。根据测定对象不同，氧同位素地质测温可分为外部测温法、内部测温法和单矿物测温法三种。(1)外部测温法只测定一种矿物同位素，另一相（通常为液相）采用某一假定值，根据已知矿物－水间的分馏方程来计算矿物形成的温度。最常用于古温度测定。采用这种方法时，必须首先知道矿物沉淀时介质水的同位素组成。通常假定古海水的氧同位素组成与现代海水相同，只要测定海相化石壳层矿物的氧同位素组成，就能估计出化石动物生存时的古海水的温度。与海水平衡的生物成因碳酸钙的氧同位素测温方程为t(℃)=16.45-4.31×（δC-δW）+0.14×（δC-δW）2；式中δC为化石样品中碳酸钙的氧同位素组成，它是碳酸钙与100%磷酸在25℃反应放出的CO2气体的δ18O值（PDB标准）；δW为生物生长的水的氧同位素组成，它是指25℃时与水平衡的CO2气体的δ18O值（PDB标准）。方解石和文石的古温度方程：t(℃)=17.04-4.34（δCc-δW）+0.16（δCc-δW）2t(℃)=13.85-4.54（δArg-δW）+0.04（δArg-δW）2式中δCc、δArg和δW值均是以PDB标准表示的δ18O值。硅藻SiO2-H2O体系的氧同位素古温度方程：t(℃)=17.2-2.4（δSi-δW-40）-0.2（δSi-δW-40）2；磷灰石-H2O温度计：t(℃)=111.4-4.3（δ18OP-δ18OW）。(2)内部测温法该方法又分为两类温度计：Ａ、矿物－水温度计通过测定某含氧矿物的氧同位素组成及与其密切共生的不含氧矿物中原生包裹体水的同位素组成来代替介质水的同位素组成，应用已知的矿物-水体系分馏系数计算温度。由于矿物的形成温度及其形成温度时，便可根据有关分馏方程计算沉淀出这些矿物的介质水的氧同位素组成，进而推测介质水的来源和演化。Ｂ、矿物－矿物温度计通过测定密切共生的含氧矿物的同位素组成，应用已知的矿物-矿物体系分馏系数计算温度。成功矿物对同位素地质测温要求：①矿物对间达到分馏平衡；②矿物对间△足够大；③矿物对间103lnα随温度变化明显；④有已知的分馏方程；⑤无后期同位素退化。(3)单矿物测温法在地质过程中同一矿物内部容易达到氧同位素平衡，通过分别测定含羟基矿物中不同结构位置上氧的同位素组成，应用合适的分馏系数就可以测定矿物的形成温度。对于从大气降水中沉淀的粘土矿物来说，由于其中含有氢和氧两种元素的同位素，而水的氢、氧同位素组成遵循大气降水线关系，从而构成了一种单矿物同位素温度计。设某粘土矿物与水间氢、氧同位素间有分馏方程：103lnαＨ＝ＡＨ×10６/T2+BH；103lnαO＝ＡO×10６/T2+BO；与矿物处于同位素平衡的水服从如下大气降水线关系：δDＷ＝８δ18OＷ＋10。因为103lnαＨ=δDM-δDＷ；所以，δDＷ=δDM-103lnαＨ＝δDM-ＡＨ×10６/T2-BH；同理，δ18OＷ=δ18OＭ-103lnαＯ＝δ18OＭ-ＡO×10６/T2-BO；整理得单矿物测温方程为：(8ＡO-ＡＨ)×10６/T2＝８δ18OＭ-δDM+(BH-8BO+10)。三、计算题（20×2分）1、假设一岩浆在1000°C发生瑞利去气作用，初始岩浆的δD值为－60‰，岩浆与水蒸汽之间的氢同位素分馏系数αm-g为1.015，求当f为0.95、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10、0.05时水蒸汽的δD值，并绘出水蒸汽的δD值随f的变化曲线。解：（1）由题意可得，αg-m=1/αm-g=1/1.015=0.985由瑞利分馏分离相A的同位素组成公式：δA=（δ0+1000）（1-fα）/（1-f）-1000可知：δDg=（δD0+1000）（1-fαg-m）/（1-f）-1000因此，当f分别为0.95、0.90、0.80、0.70、0.60、0.50、0.40、0.30、0.20、0.10、0.05值时，δDg值可如下表所示：残留分数f0.950.90.80.70.60.5水蒸汽δDg(‰)-73.75-73.38-72.60-71.77-70.85-69.82残留分数f0.40.30.20.10.05水蒸汽δDg(‰)-68.67-67.34-65.74-63.67-62.27（2）水蒸汽的δD值随体系残留岩浆分数(f)的变化曲线，如图3.1所示。水蒸气-80-75-70-65-6000.20.40.60.81残留蒸气分数（f）δDg（‰）图3.1水蒸气的δD值随体系残留岩浆分数(f)的变化曲线2、假如一花岗闪长岩，新鲜岩石的δ18O=8‰，δD值为－60‰，与大气降水（初始δ18O=－15‰，δD值为－130‰）在一封闭体系内在温度400～450°C下发生水/岩反应（氧同位素富积系数△rock-water=2‰，氢同位素富积系数△rock-water=10‰）。求当水岩比W/R为0.95、0.80、0.60、0.40、0.20、0.05时，蚀变岩石的δ18O和δD值，并作出蚀变岩石δ18O和δD随水/岩比的变化图解。解：（1）根据水-岩反应体系达到同位素平衡时，蚀变岩石的δ18O和δD值有：δ18ORf=[δ18ORi+W/R×（δ18OWi+△18Orock-water）]/(1+W/R)；δDRf=[δDRi+W/R×（δDWi+△Drock-water）]/(1+W/R)由于δ18ORi=8‰，δDRi=－60‰，δ18OWi=-15‰