楊 兵

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司資料采集第二大隊，黑龍江大慶163411）

存在于自然界中的任何一種元素，其放射性核素與穩(wěn)定核素都具有相同的化學特性與物理特性，具體來講就是具有稀有穩(wěn)定核素、放射性核素的分子、原子以及其他化合物，其化學性質(zhì)與物理性質(zhì)均無顯著的差異?；谶@一特性，當放射性核酸與稀有穩(wěn)定核素物質(zhì)與普通物質(zhì)混合到一起時，不僅不會發(fā)生物理與化學等方面的變化，同時也不會破壞客觀世界。在這種原理支持的基礎上，地質(zhì)研究活動就可以對放射性核素與經(jīng)過密集化處理的稀有核素實施追蹤，對物質(zhì)世界的發(fā)展與變化進行全面的觀察。

1 同位素示蹤技術(shù)的基本原理

不同同位素在相同元素中，由于其原子質(zhì)量存在差異，因此就具備不同的熱力學性質(zhì)。在該因素的影響下，同位素的物理、化學作用也就不同，進而形成同位素分餾[1]。目前，同位素分餾主要分為如下兩種類型：

第一種是熱力學平衡分餾，是指能夠和同位素發(fā)生熱力學平衡交換反應的相關同位素分餾。方程式如下。

式中：h、k——Plank與Boltzmann的常數(shù)；

T——絕對溫度；

M、M＊——輕重同位素的質(zhì)量；

aA、aB——分子XnA、XmB中交換原子的鍵力常數(shù)以及表示化學鍵強弱的關鍵標志。

上式表明，對于不同分子、物相間的熱力學平衡分餾系數(shù)103lnα與溫度T2，二者呈反比關系；與相對質(zhì)量差呈正比關系;與不同分子化學鍵強之差(aBaA)呈正比關系。因此，當若lnαA-B＞0時，aB＞aA，這就表示重同位素主要集中在化學鍵較強的分子、結(jié)構(gòu)與物相當中。

另外一種是動力學分餾，具體是指因輕重同位素分子反應與擴散的差異性而形成的分餾，多數(shù)情況下被應用于非平衡過程。分餾系數(shù)α為：

式中：K——輕同位素的速率常數(shù)；

K＊——重同位素的速率常數(shù)。

分析上式可知，反應速度越快，K/K＊就越接近1，動力學分餾就越小，且動力學分餾系數(shù)lnα與溫度呈反比關系。而能夠引起同位素變化的另外一種原因則是放射性同位素衰變。本文中以鉛為例：

λ——238U的衰變常數(shù)；

t——自礦物成為U、Pb封閉體系所用的具體時間。

通過長時間的分餾、衰變與演化，地球的各個層圈與地質(zhì)單元都呈現(xiàn)出較為獨特的同位素組成特征。為此，在示蹤成巖與成礦物質(zhì)的來源，推斷源區(qū)的地球化學特征時，就要充分考慮同位素化學性質(zhì)基本相同這一特點[2]。總之，在地質(zhì)研究中，同位素示蹤技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，現(xiàn)對其具體應用展開如下分析。

2 地質(zhì)研究中同位素示蹤技術(shù)的應用

2.1 氫氧同位素在示蹤成礦溶液來源與水巖交換中的應用

利用氫氧同位素可以示蹤成礦溶液的來源。作為地球上較為常見的水體，海水和大氣降水在成礦過程中的作用在傳統(tǒng)的地質(zhì)理論中并沒有得到充分的重視，而是片面的認為，巖漿熱液的唯一來源是成礦溶液。

地熱水與成礦溶液所沉淀出的成礦物質(zhì)是最為相似的。Craig在1996年對地熱水的δ18O值與δD值進行了分析研究，并表示任何一個地區(qū)的地熱水，其δD值都與當?shù)卮髿饨邓摩腄值相同。其中，δ18O值會在不同程度上向右漂移，且δ18O的具體漂移程度與熱鹵水的溶質(zhì)含量與溫度有著十分密切的聯(lián)系[3]。同時，Craig認為，之所以氧同位素會發(fā)生漂移，這主要是因巖石與大氣降水在溫度較高條件下會發(fā)生氧同位素交換反應。但由于水中的氫含量要明顯高于圍巖中的氫含量，因此就會使得地熱水的δD值長期保留了大氣降水的主要特征[4]。除此之外，Craig也證實了，地熱水是經(jīng)過大氣降水的演變過程而得來的，這就會在一定程度上顛覆了巖漿水是成礦溶液唯一來源的認知。隨后，還有一些研究人員針對該結(jié)論進行了大量的研究，并進一步證實了成礦溶液的主要來源并不是巖漿水，而是大氣降水與海水。而H.P.Taylor在1977年也對大氣降水、圍巖間因同位素交換而所引起的同位素變化展開了系統(tǒng)地分析與研究，并明確了封閉體系水巖間同位素交換質(zhì)量平衡方程與水/巖比的方程，這對于水巖交換反應的研究具有十分重大的影響。

式中：f——水與巖石交換后的最終態(tài)；

W——雨水的原子百分數(shù)；

R——巖石的原子百分數(shù)；

Δ——指其與水巖間的同位素分餾系數(shù)，Δ=δf巖-δf水。

但H.P.Taylor在1977年的研究中發(fā)現(xiàn)，與實際情況相比，水巖同位素交換模式存在明顯的不同。第一，水巖同位素交換時的溫度不是固定的；第二，位置不同，水/巖比也不同；第三，大部分體系為開放體系；且部分體系是無法滿足同位素平衡要求的?；诖耍琌hmoto在1986年對H.P.Taylor的水巖同位素交換模式進行了調(diào)整，且提出了累積W/R比概念。

在1995年，兩階段水巖同位素交換模式被張理剛正式提出，并明確指出，巖石交換氧同位素與大氣降水不僅可以大大降低蝕變圍巖的δ18O值，同時也能夠促使蝕變圍巖的δ18O值高于主巖[5]。綜上所述，將同位素示蹤技術(shù)應用到地質(zhì)研究中，可以根據(jù)蝕變圍巖的低18O中心或者是高18O中心指導找礦工作的順利開展。

2.2 硅同位素在示蹤礦床成因中的應用

在地殼中，分布最為廣泛的一種元素就是硅。而在自然界中，由于硅大多是以硅氧四面體的形式存在的，因此其同位素熱力學分餾較小，無價態(tài)變化，且也不會引起明顯的硅同位素變化[6]。再加上硅同位素的分析精度較低，這就導致硅同位素在地質(zhì)研究中得不到有效的應用。在1988年，丁悌平創(chuàng)建了世界上第一種精度較高的硅同位素分析法，此法除了可以分析地質(zhì)樣品中的硅同位素組成，同時也在一定程度上為地質(zhì)研究中硅同位素的應用打開了大門。

據(jù)研究顯示，可以導致硅同位素變化的關鍵因素就是硅同位素動力學分餾。根據(jù)相關的實驗研究結(jié)果顯示，相比于30Si，28Si在溶液中是優(yōu)先沉淀的，而最早沉淀的硅δ30Si值是最低的，最后沉淀的硅δ30Si值是最高的。同時，硅同位素動力學分餾的δ30Si都為負值[7]。例如我們所熟知的馬里亞納海底黑煙囪，其硅質(zhì)物δ30Si值就在-3.1～-0.4之間，硅華δ30Si值在-3.4～0.2之間。與上述情況存在明顯差異的是，在風化過程中，礦物會被逐步溶解，最終融入到水溶液當中。而礦物溶解的過程中是先從晶體表面逐層開始的，部分是由晶體裂隙逐層開始的，因此在這一過程中并不會存在可以明確分辨的硅同位素分餾。但硅質(zhì)的沉淀過程卻并不相同，其輕同位素分子H284SiO4會優(yōu)先聚合，并與原地的Al2O3進行結(jié)合，最終形成粘土礦物后逐步的沉淀下來[8]。而該過程針對于重同位素分子來講，最大的不同就是其溶解物質(zhì)會被河水與地表水帶走。在搬運期間完成沉淀、分餾與演化，最終沉淀在海洋中形成淺海相硅質(zhì)巖，其δ30Si值在多數(shù)情況下偏高。

總之，因硅質(zhì)巖、粘土礦物的成因存在差異，硅同位素的特征表現(xiàn)也明顯不同，且這些特征在后期的改造與變質(zhì)過程中也不會發(fā)生較大的變化[9]。為此，將硅同位素應用到地質(zhì)研究中是十分有必要的，可以用于示蹤脈石英硅質(zhì)來源、判別硅質(zhì)巖與粘土礦物成因的一種有效手段。

3 結(jié)束語

綜上所述，在地質(zhì)研究中，同位素示蹤技術(shù)的應用一定要遵循科學性與實用性原則。同時，要想進一步提升同位素示蹤技術(shù)信息采集的高效性與準確性，在開展地質(zhì)研究活動時就要充分考慮掃描地的環(huán)境、天氣情況以及地理環(huán)境，并且要保證用于支持同位素示蹤技術(shù)的同位元素要具備顯著的放射性特征，以便工作人員的觀察與研究，在最大程度上減少同位素示蹤技術(shù)在地質(zhì)研究中的誤差。