铀"稳定"同位素分馏及其在地球科学中的应用

铀“稳定”同位素（238U/235U,通常记为δ238U）目前已经成为非传统稳定同位素领域的研究热点.20世纪人们曾经认为铀同位素不存在分馏,因而铀同位素研究发展缓慢.然而随着分析技术的发展,人们发现自然界中铀同位素238U和235U存在显著的分馏,可以作为良好的示踪工具.迄今为止,已经有大量铀同位素作为古氧化还原指标的研究发表,比如用铀同位素示踪地球近地表环境氧含量随时间的演化以及生物大灭绝与海洋氧化还原状态之间的潜在关系.尽管铀同位素在水圈和生物圈协同演化领域取得了丰硕的研究成果,但仍有不少问题亟待深入解决.例如,生物和非生物还原高价铀的微观反应过程对铀同位素分馏的影响,以及铀同位素如何示踪铀矿物质来源等.系统总结了铀同位素地球化学最近十年的研究进展,希望将来铀同位素在铀多金属矿床成因和高温地球化学领域能有所突破.      

云南保山金厂河铁铜铅锌多金属矿床S-Pb同位素特征

滇西金厂河铁铜铅锌多金属矿床位于云南省保山地块北部、NS向保山—施甸复背斜与NNW向澜沧江断裂的锐角交汇部位的南部。文章在以往工作的基础上,研究金厂河铁铜铅锌多金属矿床的S-Pb同位素特征,这对分析该矿床成矿物质来源及探究成矿过程具有十分重要的意义。采样及测试结果显示,该矿床硫化物的δ³⁴S值为+2.5‰~+11.1‰,平均+5.65‰,说明矿床硫化物硫的来源为深部幔源岩浆硫和混合硫（复杂硫）;共生含硫矿物中富集δ³⁴S的均值为：黄铜矿（+5.65‰） > 闪锌矿（+5.38‰） > 方铅矿（+3.45‰）,表明矿床硫同位素分馏未达到平衡。²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb铅同位素模式图中样品点分布位置及朱炳泉Δβ—Δγ变化范围图解结果表明,该矿床铅同位素主要来源于上地壳,此外和深部岩浆的侵入活动相关。     

六氟化硫法测量33S/32S、34S/32S和36S/32S的方法研究

六氟化硫法是测量硫同位素组成的新方法。与传统的二氧化硫法相比，六氯化硫法有灵敏度高，准确度高，能同时测定扩δ³³S、δ³⁴S和δ³⁶S的优越性。本文介绍了国内第一台同位素分析用的六氟化硫制样装置，并报导了对硫化银、黄铁矿、黄铜矿、陨硫铁、方铅矿和闪锌矿等天然硫化物用六氟化硫法进行硫同位素测定的结果。结果表明，我们的装置和方法达到了国际上现有的水平，并在操作的方便性、可靠性及样品适用范围方面有所改进。     

辽宁太古代红透山铜矿的稳定同位素地球化学特征及矿床成因

文章分析了辽宁太古代红透山铜矿中硫化物的多硫同位素组成和石英的硅氧同位素组成。δ³⁴S在-0.7‰~+3.1‰，极差为3.8‰，平均值为0.21‰，与深部幔源硫相似。δ³³S≈0.52δ³⁴S，即δ³³S=0(δ³³S =δ³³S-1000[(1+ δ³⁴S/1000)0.515-1]，不具有硫同位素非质量分馏效应，表明该矿床中的硫没有经历大气循环过程。矿石中石英的δ30Si分布在-0.8‰~+0.4‰之间，δ¹⁸O分布在+8.5‰~+9.5‰之间，与海底黑烟囱及热水喷气成因硅质岩的硅氧同位素组成相似。提出红透山铜矿为海底热液喷气沉积变质成因。     

应用铀同位素研究砂岩型铀矿中的若干问题探讨

笔者通过对512铀矿床含矿层岩石中铀同位素分布特征的研究,对砂岩型铀矿床铀同位素组成的分区进行了讨论。根据不同氧化还原分带中样品铀同位素组分的分布特征,对Osmond铀钍同位素组成分区模式提出了补充修改意见,认为A区应定名为“地球化学（氧化还原）矛盾区”更宜。该砂岩型铀矿床的铀同位素组成分区特征不仅是预测铀矿化定位的依据,而且也充分说明了铀富集成矿过程的滚动性。     

岩浆去气作用碳硫同位素效应

 根据开放体系条件下的瑞利分馏原理,并考虑岩浆中可能溶解的合碳和含硫组分,从理论上定量模式了岩浆去气作用对火成岩碳、硫同位素组成的影响。结果表明,岩浆CO₂去气作用能够导致岩石中碳酸盐显着亏损¹³C,其δ¹³C值能够从原始-5‰变化到-20‰(PDB);岩浆CH₄去气作用则导致岩石中碳酸盐相对富集¹³C,其δ¹³C值能够从原始-5‰变化到+4‰。岩浆SO₂去气作用可以导致岩石中硫化物显着亏损³⁴S,其δ³⁴S值能够从0‰变化到-8‰(CDT);岩浆H₂S去气作用则导致岩石中的硫化物相对富集4S,其δ³⁴S值能够从0‰变化到+6‰。因此,除源岩原始同位素不均一性和地壳物质混染能引起火成岩的碳、硫同位素组成发生较大变化外,岩浆去气作用也是重要原因之一。     

氧化还原敏感元素(Se,Cr,Mo)稳定同位素

由于同位素分析方法的改进及表面热离子质谱(TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的应用,近年来氧化还原敏感元素(Se、Cr、Mo)同位素地球化学得以快速发展,成为国际地学领域的一个前沿。Se同位素在自然界中的变化最大,δ82/76SeNIST为-12.77‰～3.04‰;Cr和Mo同位素变化较小,δ53/52CrNIST值为-0.07‰～0.37‰,δ97/95MoJMC值为-0.27‰～2.65‰。自然界中各种无机过程(氧化还原)和生物有机过程均能使Se、Cr、Mo产生同位素分馏。因此,这些氧化还原敏感元素同位素可以示踪环境污染源、矿床流体来源;解释古海洋与现代海洋中元素的自身循环,从而示踪古氧化还原环境的演化;解释地外撞击事件及宇宙行星演化;甚至在生物学等领域研究中取得了显著成效。虽然还存在一些问题但它们将可能成为地球科学中有巨大应用前景的一种新兴的地球化学工具。     

湘南地区东湘桥沉积型锰矿床地球化学特征及成矿机理

湘南地区广泛发育二叠纪海相沉积型锰矿,为揭示其成矿过程及机理,文章以湖南永州东湘桥锰矿床沉积剖面为研究对象,对其开展主、微量元素和碳-氧同位素分析。结果表明,富锰岩层富Cr、Ni、Co等元素的地球化学特征,其Co/Zn、Mn/Fe、Y/Ho比值和多判别图解共同指示该矿床为热液沉积,表明成矿物质Mn主要来源于海底热液。Mo和U元素富集因子（Mo_EF和U_EF）、U/Th和V/（V+Ni）比值等沉积氧化还原指标分析结果表明,高品位锰矿石层产于氧化向缺氧转变的背景下,而低品位含锰岩层则主要产于氧化或强烈缺氧环境下。富锰岩层的δ¹³C_PDB（-0.2‰~1.9‰）和δ¹⁸O_SOMW（18.1‰~23.1‰）与海相碳酸盐岩相似,表明成矿物质的C和O主要来源于海水。基于上述结果,笔者认为东湘桥锰矿床成矿过程受海水CO₂^3-浓度和沉积氧化还原条件的双重控制,其成矿过程可以概况为2个阶段：①深水盆地的热液Mn在还原条件下以可溶Mn²⁺向近岸CO₂^3-过饱和的浅水台地迁移;②当沉积环境由氧化向缺氧转变时,锰氧化物在沉积/水界面还原释放Mn²⁺,显著提高水柱中溶解Mn浓度,促进富锰碳酸盐矿物析出,形成高品位锰矿石。     

钼及钼同位素地球化学——同位素体系、测试技术及在地质中的应用

多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的广泛应用使过渡金属元素同位素地球化学的研究近年来获得蓬勃发展.利用元素双稀释剂法对钼同位素值进行校正,目前可以获得±0.1‰(2σ)的测试精度.自然界中钼同位素分馏δ98/95Mo可达～3‰,其分馏机制与环境的氧化-还原状态有关.在氧化环境下钼以MoO2/4-的形式与锰...     

钙同位素地球化学研究进展

钙同位素是非传统稳定同位素,近年来已成为国际同位素地球化学领域的研究热点。钙同位素测定采用TIMS或MC-ICP-MS,并表示为δ^44/40Ca或δ^44/42Ca。自然界的δ^44/40Ca变化范围从-2.0‰到2．0‰,仅跨越4．0‰。虽然动力学分馏与平衡分馏假说能各自解释一些分馏现象,但钙同位素分馏机理仍不清晰,值得进一步研究。目前钙同位素的地质应用集中于以下方面：（1）根据有孔虫G．sacculifer的钙同位素组成重建古海洋温度;（2）海洋中钙的地球化学循环;（3）利用海水[Ca^2＋]评估大气pCo2。     

非稀释剂法电感耦合等离子体质谱测定磷灰石中铀钍钐同位素的含量

准确测定238U、232Th、147Sm同位素含量是磷灰石(U-Th)/He同位素定年方法的关键。本文建立了非稀释剂法电感耦合等离子体质谱测定磷灰石中238U、232Th和147Sm同位素含量的测定流程。该方法假定样品中的238 U、232 Th和147 Sm同位素丰度与其自然丰度是一致的,根据238 U、232 Th和147 Sm同位素的自然丰度和测得的样品中总的U、Th和Sm的含量得到样品中238U、232Th和147Sm同位素的含量。对国内玄武岩标准物质和(U-Th)/He定年法的年龄标准物质Durango磷灰石进行了总U、Th、Sm含量的测试,验证流程的可行性,结果表明玄武岩标准物质的测定值与标准值在误差范围内一致,经计算得到该磷灰石的(U-Th)/He年龄为30.0 Ma,与文献获得的该磷灰石(U-Th)/He年龄(31.02±1.01)Ma(1σ)在误差范围内一致,表明本文建立的238U、232Th和147Sm同位素含量的测定流程是可行的。对于没有稀释剂的实验室,该方法简单适用,值得推广应用。     

State of disequilibrium between 238U, 234U, 226Ra and 222Rn in groundwater from bedrock

Approximately one thousand drilled wells were investigated for their natural radioactivity. The determinations of ²³⁸U, ²³⁴U, ²²⁶Ra and ²²²Rn from 310 samples showed a high state of radioactive disequilibrium between the members of the uranium series present in water. The ${}^{238}\text{U}{}^{226}\text{Ra}$ activity ratio usually fell in the range 1–20 and the ${}^{238}\text{U}{}^{222}\text{Rn}$ activity ratio in the range 1–20 × 10^?4, the highest activity ratios being from samples with an elevated uranium content. The ${}^{234}\text{U}{}^{238}\text{U}$ activity ratio varied between 0.76 and 4.67, the most frequent values showing a 60% excess of ²³⁴U in the samples. Most of the ${}^{234}\text{U}{}^{238}\text{U}$ activity ratios near unity were found in samples with a high uranium content. Several drilled wells with anomalously high uranium contents were found in southern Finland. The average ²²⁶Ra and ²²²Rn contents of these wells were not exceptionally high, which suggests high mobility of uranium in groundwater from the areas involved.     

Use of 234U/238U disequilibrium in measuring chemical weathering rate of rocks

The rate of chemical weathering of rocks has been determined by using uranium as a natural isotopic tracer. The concentration of uranium and ²³⁴U/²³⁸U ratio in natural waters, rocks, and soils of the Preto river basin (Bahia State, Brazil) was measured by alpha-ray spectroscopy.The activity ratio U234/U238 measured in the various samples indicates the uranium fraction which is dissolved from rocks during the weathering process. The results obtained show that 1 m of rock needs 25,000 yr to be weathered in this region under present climatic conditions.     

PARTICLE DYNAMICS IN EUPHOTIC ZONE ELUCIDATED FROM 234TH/238U DISEQUILIBRIA: A REVIEW

真光层是海洋浮游生物活动最为活跃的区域,其间发生的颗粒动力学过程及其机制对于海洋碳的生物地球化学循环有着重要影响,利用放射性核素示踪海洋真光层颗粒动力学过程成为近年来海洋科学的前沿课题。 介绍了该领域     

The behavior of 232Th and the 238U decay chain nuclides during magma formation and volcanism

Concentrations of the members of the ²³⁸U decay chain and ²³²Th were determined in volcanic rocks from convergent plate margins, intraplate volcanoes and oceanic spreading centers. Contemporary and historical volcanic rocks from Mt. St. Helens, Arenal, El Chichon, Hawaii and Iceland and submarine basaltic glass from the Galapagos spreading center all show no fractionation of U and Th in the mantle source or during magma formation at least for the past 300,000 years. Mauna Kea (Hawaii) rocks of alkaline composition greater than 4000 years old and an old submarine basalt show disequilibrium for several of the nuclides in the ²³⁸U decay chain. We interpret these as resulting from post-emplacement processes.     

稳定同位素质谱与同位素光谱结合的方法分析氧同位素17O/16O

传统的氧同位素分析方法一般将各种形式的氧转化为CO2,再通过稳定同位素质谱测定其氧同位素组成,由于二氧化碳中的17O和13C在质谱中有相同的质荷比m/z,这种方法不能测得17O同位素的丰度,三氧同位素(16O、17O、18O)丰度分析的关键是17O同位素丰度的分析.为了测量17O同位素丰度,一般需要先将各种形式的氧转化为O2,然后利用稳定同位素质谱进行分析,转化过程复杂或者有危险.本文提出了一种新思路,应用稳定同位素质谱与碳同位素光谱相结合的方法分析17O/16O.先采用传统方法将各种形式的氧转化为CO2,再由多接收器稳定同位素质谱计测得CO2的质谱峰高比45/44(记为R45),同位素光谱如光腔衰荡光谱测得13C/12C(定义为R13),计算其同位素比值17O/16O=(R45-R13)/2,方法的分析精度好于±0.08‰(1σ).该方法是在传统方法的基础上,增加一个CO2碳同位素光谱分析步骤,通过简单的数据处理就可以获得17O同位素组成,而无需将各种形式的氧转化为O2,18O同位素样品制备方法成熟,无危险性,且分析精度优于或相当于其他测试方法.     

高Rb/Sr岩石样品中Sr同位素多接收等离子体质谱分析校正方法研究

在利用多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICPMS)进行Sr同位素研究中,⁸⁷Rb对于⁸⁷Sr干扰严重。岩石样品经化学分离后,若Rb/Sr≤0.0005,可以采用传统的Rb干扰扣除方法对⁸⁷Sr/⁸⁶Sr测定值进行准确校正;但如果样品经化学分离后仍含有较高的Rb/Sr比,同量异位素的干扰不能完全消除,则无法准确校正⁸⁷Sr/⁸⁶Sr测定值,直接影响测试结果的准确度。本文针对Rb含量较高的地质样品设计两组实验,确定了⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素比值与Rb/Sr元素含量比值的关系曲线,并在理论分析的基础上,提出包含同位素分馏校正在内的重叠干扰校正方法。通过实际地质样品验证,该校正方法在较高含量Rb元素共存(Rb/Sr<0.2)的Sr纯化液中,能够较为准确地测量⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素比值,降低了MC-ICPMS分析地质样品中Sr同位素时对化学分离步骤的要求。而对于Rb/Sr>0.2的地质样品,因仪器分馏效应和记忆效应影响,测试精确度大大降低,无论采用何种校正方法均无法得到准确的Sr同位素组成。     

Magmatic evolution of a volcano studied by 230Th-238U disequilibrium and trace elements systematics: The Etna case

Age determinations of several lava flows from Etna through ²³⁰Th-²³⁸U disequilibrium (internal isochrons) yield a precise chronology of the volcano's history for the last 200,000 years, and emphasize the main episodes in the formation of this huge complex strato-volcano. Study of $\text{(}{}^{230}\text{Th}{}^{232}\text{Th}\text{)}{}_0$ initial ratios of lavas together with their trace-element compositions yields a consistent model of magmatic evolution implying the existence, for 200,000 years, of a deep reservoir of alkalic magma periodically mixed with magmas of tholeiitic affinity. These short periods of mixing appear to be related to the formation of the large calderas of Etna. In addition to these processes affecting the deep reservoir, fractional crystallization also occurred in more superficial levels of the volcanic edifice, thereby yielding several series of differentiation of relatively short duration. As for its geochemistry, Etna's volcanism is of oceanic type but with its own characteristics and in a peculiar geodynamic context, at the edge of the African Plate.     

40Ar(40Ar＊＋40ArE)、39Ar释气特征与过剩氩的甄别及年代学意义

对具有不同地质历史背景的3类⁴⁰Ar/³⁹Ar法样品中的⁴⁰Ar和³⁹Ar释出特征进行对比,研究结果表明,⁴⁰Ar/³⁹Ar法样品中的⁴⁰Ar、³⁹Ar释气曲线主要表现为以下3种形式:完全重合型、过剩氩型和不规则型。当⁴⁰Ar与³⁹Ar释气曲线呈完全重合型时,⁴⁰Ar/³⁹Ar法全熔年龄代表了岩体的形成年龄;当⁴⁰Ar、³⁹Ar释气曲线是过剩氩型时,⁴⁰Ar/³⁹Ar法全熔年龄则大于岩体的形成年龄;当⁴⁰Ar与³⁹Ar释气曲线呈不规则型时,表明样品中的放射成固氩(⁴⁰Ar^*)发生了丢失,其全熔年龄一般较岩体的形成年龄小。对于⁴⁰Ar、³⁹Ar释气曲线呈过剩氩型的样品,⁴⁰Ar/³⁹Ar法年龄谱通常呈马鞍形,且马鞍形年龄谱的底部年龄一般都具有地质意义,代表了岩体的形成年龄。对于⁴⁰Ar、³⁹Ar释气曲线呈不规则型的样品,对其年龄谱的解释应持谨慎态度。