同位素地球化学
目录
一、碳的同位素组成及其特征 (1)
1.碳同位素组成 (1)
Ⅰ、碳的同位素丰度 (1)
Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1)
Ⅲ、δ值 (2)
2.碳同位素组成的特征 (2)
Ⅰ.交换平衡分馏 (2)
Ⅱ.动力分馏 (3)
Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (3)
二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8)
1. 碳同位素地温计 (8)
2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9)
Ⅰ.煤 (9)
Ⅱ.石油 (9)
Ⅲ. 天然气 (11)
碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用
一、碳的同位素组成及其特征
1.碳同位素组成
碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。
Ⅰ、碳的同位素丰度
同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。
Ⅱ、碳的同位素比值（R）
同位素比值R=一种同位素丰度/另一种同位素丰度
对于非放射性成因稳定同位素比值：
R=重同位素丰度/轻同位素丰度
由此可见，碳的同位素比值R=1.1%/98.9%=0.011
Ⅲ、δ值
由于同位素的绝对丰度和同位素比值不可能足够准确的测定，因此，稳定同位素丰度和变化使用同位素比值的相对差来表示。对于非放射性成因稳定同位素，通常用样品的同位素比值相对标准样品同位素比值的千分偏差，即δ值表示。天然物质中碳同位素组成通常用δ13C 表示：
δ13
C(‰)=1000)/()/()/(12
1312131213?-标
标样C C C C C C 天然物质中δ13C 值变化范围约为160‰，最高的值见于碳质球粒陨石中的碳酸盐，为70‰，地球上已发现有δ13C 为55‰的白云石；最富含12C 的是天然气甲烷，δ13C 的值为-90‰。详细见图1。
图1 天然物质中同位素组成分布图
2.碳同位素组成的特征
地球上最重要的两个碳贮存体是碳酸盐和生物成因的还原碳，它们的δ13C 平均值分别为0和-25‰。这是由于同位素分馏机理不同所造成。大气CO 2—溶解HCO -3—CaCO 3体系中的同位素交换平衡反应，使碳酸盐富集13C 。而光合作用的动力分馏效应，导致有机物中富集12C 。 Ⅰ.交换平衡分馏
各种碳化合物之间的平衡分馏很少进行实验研究，只有HCO -3-CO 2体系进行了实验研究，其余的平衡分馏系数都是通过理论计算得到的。根据Y,Bottinga(1969)的计算结果，在各种碳化物种达到同位素平衡分馏时，δ13C
增加的顺序如下（T≦800℃）:CH
4 3 3 .反映出随价 态的升高，重同位素富集。对于CO 2(g)、水溶含碳原子团和CaCO 3 ，13C富集的 顺是：低温（<130℃）时，CaCO 3>HCO- 3 (aq)>CO- 3 (aq)>H 2 CO 3 (aq)或CO 2 (aq)；温度 高于200℃时，CO 2(aq)≈CO 2 (g)或H 2 CO 3 (aq)>CaCO 3 >CO- 3 (aq)>HCO- 3 (aq)。CaCO 3 和 CO 2(g)和HCO- 3 和CO 2 (g)分馏的换向温度分别为193℃和148℃。如图2所示： 图2 重要碳化合物之间的同位素分馏曲线图 H 2CO 3 (aq)= H 2 CO 3 +CO 2 (aq) （据H.Ohmoto等，1979） Ⅱ.动力分馏 光合作用期间的同位素分馏受动力学效应控制，即光合作用形成的化合作用物中富集12C。整个分馏过程大体上分为三个步骤：1.在大气CO 2 穿过细胞壁进入 叶绿体的扩散作用过程中优先吸收12CO 2，其分馏程度取决于植物周围空气CO 2 浓 度等因素；2.在酶的作用下，溶解的CO 2发生羟化反应时，12CO 2 优先被固定在初 级光合作用产物中；3.在磷酸甘油酸合成各种有机化合物的过程中发生谭同位素分馏。此外，碳氢化合物裂化时也伴有动力效应，这对轻烃特别是甲烷的δ13C 值影响很大。 Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 ⑴在地球岩石中碳同位素组成 a．在火成岩中，碳含量为地球中总碳含量的7%左右，碳呈多种存在形式： ①碳酸盐矿物（方解石、白云石、菱铁矿等）及气液包裹体中的CO2和CH4气体； ②石墨和金刚石等自然碳； ③有机分馏子和碳化物的混合物。 A.N.Fuex和D.R.Baker（1973）指出，在火成岩中，氧化碳的含量范围为0～≥20000×10-6及δ13C值－18.2～+2.9‰，变化十分馏明显，变化范围大大超过岩浆成因的碳酸岩δ13C值－2～+8‰。这表明，火成岩中的碳酸盐矿物可能主要不是岩浆成因的，而是由后生作用形成的。 火成岩中的还原碳的含量一般为30～360×10-6，较低，它们的δ13C值（表1）与生物成因碳的δ13C值十分馏相似，因此，还原碳很可能是后生成因的，或者是由含生物成因碳的沉积岩经岩浆同化并进入岩浆所造成的。详见表1。 表1 火成岩中的还原碳的同位素组成 b．对于变质岩来说，在温度和压力不同程度升高的条件下所发生的变质作用过程中，岩石的碳同位素组成会发生一定的变化。详见表2。 表2 接触变质带岩石的碳、氧同位素组成变化 从表中可看出，从围岩→接触变质带→侵入体，方解石的δ13C值和δ18O值逐渐降低。 c．沉积岩中最主要的碳库是碳酸盐和有机碳。它们的δ13C的平均值分别为1‰和-23‰，是两种成因上完全不同的碳。沉积岩中大约有80%以上的碳以碳酸盐 的形式存在，其余的是有机碳，包括岩石中分散的有机物（绝大部分为干酪根）和矿物燃料。 ①碳酸盐的δ13C值 从溶液中沉淀出来的无机和生物碳酸钙，其同位素组成主要受控于下列因素：1.与溶液中含碳原子团处于平衡的CO2气体的δ13C值；2.含碳原子团与碳酸钙之间的平衡分馏系数；3.温度和溶液的pH值。根据平衡分馏系数计算，沉积碳酸钙相对于总溶解无机碳和CO2气体分别富集13C大约1－3‰和1－11‰。温度对于碳酸盐δ13C值的影响很小。海水中溶解碳主要呈HCO-3形式，在平衡情况下，正常海相碳酸钙的δ13C值约为1.5－3.5‰，与HCO- 3 之间的分馏小。淡水碳酸盐比海相碳酸盐富含12C，并且表现δ13C值的很大可变性。湖水、河水和地下水中溶解无机碳的δ13C值变化范围为－30‰—＋3‰，平均－8‰。盐湖溶解无机碳的13C含量一般比淡水湖高。据统计，世界上许多地方淡水石灰岩比海相的平均富12C约5‰—7‰。 ②有机碳中的δ13C值 近代陆相沉积物中有机碳的δ13C值为－10‰—－36‰，变换很大，但大多数介于－20‰—－30‰之间，平均为－25‰。不同沉积环境中有机碳同位素组成上有差别，主要与它们的植物源有关。陆相沉积物的δ13C为－8‰—－38‰，幅度达到30‰。随着纬度增高，湖泥有机碳的δ13C值有降低的趋势。河流沉积物有机碳的δ13C平均值接近－26‰，但在河口处明显变重。 近代海相沉积物中有机碳的δ13C值为－10‰—－31‰，但90%以上介于－19‰—－27‰之间。通常远海沉积物中为－19‰—－23‰，近岸地带则由于陆生植物的加入而富含12C。 ⑵热液体系的碳同位素组成 热液矿床中碳主要呈碳酸盐矿物及流体包裹体重的CO 2和CH 4 气体，极少数 情况下可能出现石墨。热液流体中碳的主要来源可归纳为一下三种： ①岩浆源或深部源，它们的δ13C值为－2.0～－8.0‰之间； ②沉积碳酸盐来源，其δ13C值为0‰左右； ③沉积岩、变质岩与火成岩中的有机碳（还原碳）, 它们δ13C值为-25‰左右。 碳是变价元素，电价的改变对13C是富集还是贫化影响极大。因此在热液矿 床中，碳酸盐矿物的碳同位素组成不仅取决于热液的总碳同位素组成，而且也强烈依赖于热液的物理-化学参数，如氧逸度、酸碱度、温度、碳总浓度的变化。由于这些参数的变化，即使热液体系中碳的来源均一，从热液中沉淀的碳酸盐矿物的碳同位素组成也会发生明显的变化。H. Ohmoto (1972) 在这方面作了详细的研究，为热液矿床中碳、硫同位素数据的解释开辟了新的途径，这对于稳定同位素地质研究工作的深入具有十分馏重要的意义。 一般而言，碳同位素组成是热液物理-化学参数的函数，这种关系可表达为： δ13C i=? (δ13C∑C,T,?o2，pH，I) 上述公式表明，从热液中沉淀的碳酸盐矿物的碳同位素组成是热液总碳同位素组成、温度、氧逸度、酸碱度和阳离子浓度的函数，也就是说，热液碳酸盐矿物的碳同位素组成取决于热液的总碳同位素组成以及矿物沉淀时热液的温度、氧逸度、酸碱度和阳离子浓度的变化特征。 氧逸度主要影响热液中含碳组分馏的氧化-还原状态。在高氧逸度情况下，热液中大多数碳以氧化碳形式出现，CH4 （水溶液）可以忽略不计。在这种高氧逸度条件下形成的磷酸盐矿物的δ13C值与热液的总碳同位素组成相似。当热液氧逸 12C，因而所形成的碳度降低时，CH4 （水溶液）的数量迅速增加。CH4（水溶液）强烈富集 酸盐矿物便明显富集13C，δ13C值可高达29‰。 pH值变化对矿物碳同位素组成的影响分馏为两种情况: ①在pH＞7的碱性、弱碱性溶液中，热液矿物碳同位素组成的变化明显依赖于pH值：在低氧逸度lg?o =-41～-39条件下，矿物的δ13C值随pH值升高而 2 =-36条件下，矿物的δ13C值先是随pH 值升高而增加，降低，在高氧逸度lg?o 2 然后逐渐趋向降低。 ②在pH＜7 的酸性、弱酸性溶液中，矿物碳同位素组成的变化同pH值的变 =-36条件下，矿物的δ13C值与热化无关而仅同氧逸度的变化有关。这时，lg?o 2 液的总碳同位素组成相似。在低氧逸度lg?o =-41～-39情况下，矿物的δ13C值 2 明显高于热液的δ13C 值。 ∑C ⑶陨石和月岩中碳同位素组成 ①陨石的平均碳含量要比地球火成岩高，但是各类陨石的碳含量相差很大。据J.G. Moore等（1969）资料，各类陨石的碳平均含量为： 铁陨石：0.007～0.03% 铁石陨石:0.06～0.08% 顽火球粒陨石:0.40% 橄榄紫苏辉石球粒陨石:0.10% 碳质球粒陨石:0.48% H. Craig(1953), G. Boato(1954) , J.W. Smith和I.R. Kaplan(1970), P. Deines 和F. E. Wickman( 1975)等都研究过陨石的全碳及其中的含碳组分馏(石墨、金刚石、碳化物、有机质及碳酸盐）的碳同位素组成。如下表3所示: 表3 碳质球粒陨石及其组成部分分馏的碳同位素组成 全碳的δ13C值变化小，绝大部分馏介于－5.6～－11‰之间。但同一陨石中含碳组分馏的δ13C值变化相当明显：碳酸盐以异常富集δ13C为特征，其δ13C值为+41.6～+70.2‰，大大高于地球上目前发现的最重的碳酸盐的δ13C值（约20‰）。陨石中的有机碳与地球上的有机碳的同位素组成大致相似，其中不溶有机碳不仅数量多（占陨石中全碳含量95%以上）, 而且其δ13C值（－13.8～－17.120‰）的变化也比可溶有机碳的δ13C值（－27.2～+5‰）小。值得指出的是，陨石中共生碳酸盐与有机碳之间δ13C值的差异(60～80‰）比地球上共生碳酸盐与有机碳之间δ13C值的差异（23～30‰）大得多。https://www.doczj.com/doc/5f15864772.html,ncet 和E.Anders (1970）认为,这种现象是由CO2,NH3和H2在铁镍或磁铁矿存在时进行的Fischer-Tropsch 反应产生的。他们通过模拟实验证实，在这种反应过程中产生的CO2和有机物的δ13C值的差值可达74‰，与陨石中观察到的情况类似。碳质球粒陨石中普遍存在磁铁矿，因此当陨石还处于原始物质中时，这种催化反应可能巳经进行。 ②月球物质的碳含量变化很大。静海和风暴洋地区的碳含量从11到ppnm。δ13C 值为－29.8‰—＋20.2‰，变化范围达到50‰，如表4所示。 表4 月球样品的碳含量和δ13 由表4可知，月球物质的碳含量（11～260×10-6）和δ13C值（-29.5～-20.2‰），变化都很大，而且δ13C值有随碳含量升高而增加的趋势；不同地区的结晶岩石其所含的碳含量和δ13C值很相似；同一岩石的内部和表面其碳同位素组成也很相似，这说明月球表面并未发生过碳同位素分馏。碳含量和δ13C值在月壤中比在岩石样品中高得多，这为月球表面经受粒子轰击而富集较重同位素提供了证据。 二、碳同位素在地质科学研究中的应用 1.碳同位素地温计 碳同位素地温计远不如氧同位素地温计的应用广泛，但是对于一些含碳矿物对或组分来说，他有一些特殊用途。其原理是：根据所测的的共生含碳矿物或化合物的碳同位素组成，求出其碳同位素交换平衡值，然后对比标准表，就能得出相应的地层温度。 第 33 卷 第 3 期 2013 年 9 月 文章编号：1000-4734(2013)03-0271-07 铅同位素示踪方法应用于考古研究的进展 作者：金正耀 作者单位：中国社会科学院世界宗教研究所,北京,100732 刊名： 地球学报 英文刊名：ACTA GEOSCIENTICA SINICA 年，卷(期)：2003,24(6) 被引用次数：16次 参考文献(25条) 1.金正耀晚商中原青铜的矿料来源 1984 2.金正耀中国古代文明をさぐる--铅同位体比によるを中心に 2000 3.金正耀;W T Chase;平尾良光江西新干大洋州商墓青铜器的铅同位体比值研究 1994(08) 4.金正耀;马渊久夫;W T Chase广汉三星堆遗物坑青铜器的铅同位体比值研究 1995(02) 5.金正耀;W T Chase;平尾良光中国两河流域青铜文明之间联系 1998 6.彭子城;孙卫东;黄允兰赣鄂皖诸地古代矿料去向的研究 1997(07) 7.彭子成;王兆荣;孙卫东盘龙城商代青铜器铅同位素示踪研究 2001 8.平尾良光;铃木浩子;早川泰弘泉屋博古馆が所藏する中国古代青铜器の铅同位体比 1999(15) 9.孙淑云;韩如玢;陈铁梅盘龙城出土青铜器的铅同位素比测定报告 2001 10.朱炳泉;常向阳评"商代青铜器中高放射成因铅的发现" 2002(01) 11.Barnes I L;Chase W T;Deal E C Lead isotope ratios of ancient Chinese bronzes in the Arthur M.Sackler collections 1987 12.Doe B R;Zartman R E Plumbotectonics I-the Phanerozoic 1979 13.Hirao Y;Suzuki H;Hayakawa Y Lead isotopic ratios of ancient Chinese bronzes from collections of Scnoku Museum 1999(15) 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21.Peng Zicheng;Sun Weidong;Huang Yunlan A preliminary study on the areas using copper ore yielded 三江地区两类古陆成分的铅同位素组成 ———Ⅰ.碳酸盐岩类3 1999年1月10日收稿. 3国土资源部“九五”科技攻关项目(No.95-02-001-02)资 助.徐启东 夏 林 (中国地质大学资源学院,武汉430074) 摘 要 根据铅同位素组成, 西南三江地区前中生代的碳酸盐岩可分成具高放射性和低放射 性成因铅同位素特征的两种类型,其数值范围和样品的空间分布都可分别与已知的冈瓦纳和劳亚古陆群的铅同位素组成对比.运用不同古陆群显示的块体铅同位素组成差异作为标志,判别兰坪盆地中以灰岩和细碎屑岩组成的上三叠统可能不是中生代兰坪盆地的沉积产物,而是新生代早期从盆地西部冈瓦纳古陆群中逆冲推覆过来的构造岩片.关键词 冈瓦纳古陆,劳亚古陆,铅同位素,兰坪盆地,特提斯.中图法分类号 P597第一作者简介 徐启东,男,副教授,1957年生,1982年毕业于长春地质学院地质系,1994年获中国地质大学博士学位,主要从事矿床学、地球化学和流体地质方面的科研和教学工作. 0 引言 西南三江地区位于特提斯构造域的东部,记录了劳亚和冈瓦纳两大古陆群裂解、古陆碎块间相互作用、拼合和隆升的地质历史.经过多年的研究,已 经建立起了由4条板块结合带和其间的陆块所构成的基本构造格局[1].它们实际上是由不同时期的陆 块碎片和洋壳、弧系物质拼合与叠置在一起的“岩 片”组合,反映了劳亚和冈瓦纳古陆之间多弧-盆系的演化、消亡和拼合过程[2,3].两个古陆群的碎片在三江地区交错分布,极大地影响了对造山带地层系统的建立、特提斯演化的细化和这一重要成矿域成矿物质聚散规律等问题的进一步认识. 不同陆块化学成分的不均一性,同一陆块地幔和地壳中某些元素及同位素组成的继承演化关系和块体效应,提供了分辨和区分不同古陆系统及其碎片的途径[4～7].其中铅同位素的块体效应明显,不同源区演化形成的地块岩石具有不同的铅同位素组成,只要识别和建立起了相应的铅同位素标志,就可以鉴别岩片的不同归属[8～11].笔者对本区及邻区主 要岩石类型的铅同位素资料的整理表明,碳酸盐岩类岩石的铅同位素组成显示了明显的块体差异,可 与已知的冈瓦纳和劳亚古陆的铅同位素组成对比, 可作为建立本区两类古陆群岩片综合地球化学标志的基础.1 两类铅同位素组成粗线条地看,三江地区冈瓦纳古陆群与劳亚古陆群的界线大致以澜沧江板块结合带为界[2] .为寻找两大古陆群的差异,选择了该结合带东西两侧,可能分属不同古陆群岩片的前中生界碳酸盐岩类样品数据:属于冈瓦纳古陆群的包括德钦南佐下二叠统 灰岩[12],澜沧老厂中上石炭统大理岩和西盟新厂下古生界大理岩 [13] ,共计7组数据;属于劳亚古陆群(扬子陆块西缘)的包括中咱地块中纳交系、 三家村上寒武统灰岩和白云岩、 杠日隆上二叠统灰岩[12,14](哀牢山1个样品归入其中)、 川西会东、会理、甘洛上震旦统大理岩 [15] ,共计13组数据.它们都是80年代中后期以来的测试数据,可靠性较高. 将上述数据投入图1中,可以清楚地看到,澜沧江结合带两侧的前中生代碳酸盐岩类岩石分布于图 中不同的区间.东侧的碳酸盐岩以相对低放射性成 因铅同位素组成为特征,w (206Pb )/w (204Pb )=18.110～18.471,w (207Pb )/w (204Pb )=15.260～ 第24卷第3期 地球科学———中国地质大学学报 Vol.24 No.31999年5月 Earth Science —Journal of China University of G eosciences May 1999 铅同位素地球化学 铅同位素地球化学 lead isotope geochemistry 研究自然物质中铅同位素的丰度、变异规律及其地质意义。自然界铅由204Pb、206Pb、207Pb和208Pb4个稳定同位素组成,它们的丰度分别为1.4％、24.1％、22.1％和52.4%。204Pb是非放射成因的,206Pb、207Pb、208Pb是由238U和235U 和232Th 3个天然放射性同位素经过一系列α、β衰变后最终形成的稳定同位素。这3个衰变系列可分别用下列简化式来表示： 238U→8α+6β-+206Pb 235U→7α+4β-+207Pb 232Th→6α+4β-+208Pb 铅同位素地球化学主要用于研究含放射性元素极低的矿物或岩石中的铅同位素组成。这些铅同位素组成自矿物或岩石形成之后不再发生变化，即不再有放射成因铅的加入，如方铅矿、白铅矿、长石、云母等及其所形成的矿石和岩石中的铅均属此类，把此类铅叫做普通铅。根据普通铅的演化历史和源区性质可分为单阶段铅和多阶段铅。 单阶段铅是指封闭体系中铅同位素组成保持恒定。如果一组样品是同源的，那么，它们的铅同位素比值如206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb等应该也是相同的。多阶段铅是指开放体系中普通铅同位素组成的变化。这种铅曾与具有不同U/Pb、Th/Pb比值的体系伴生过,而且铅在这些体系中存在的时间也各异，因此，铅同位素比值就会发生相应的变化。为追索这种铅的复杂历史，已建立了多种数学模式。 通过铅同位素地球化学研究，不仅可以确定成矿时代（见区域成矿学）或模式年龄（按照某种理论模式确立的公式计算年龄），而且还可判断成矿物质来源、矿床成因等。例如根据铅同位素组成及其特点，认为成矿物质的最初来源可分为幔源、壳源和混合来源。207Pb／204Pb比值或μ值(238U/204Pb)高的铅来自上地壳，低μ值的铅来自下地壳或上地幔。造山带（岛弧）铅被认为是地壳铅与地幔铅混合的结果。再如，矿床是单成因还是多成因、成矿物质是单一来源还是多种来源等问题均可利用铅同位素比值来判断。 塔中地区晚寒武—奥陶世碳酸盐岩δ13C同位素组成特征 朱金富于炳松黄文辉初广震吕国 （中国地质大学北京100083） 摘要通过研究、分析塔里木盆地塔中地区寒武系至奥陶系海相碳酸盐岩的碳、氧同位素组成特征，分析和探讨了影响塔中地区寒武系至奥陶系碳酸盐岩碳同位素变化的原因。结果表明，寒武-奥陶系海相碳酸盐岩的碳同位素的变化可能与海平面变化有密切联系，在晚寒武世至早奥陶世晚期为一海退期，有机质产率及有机碳埋藏速率的下降导致了碳酸盐岩δ13C 值的降低；而在早奥陶晚期-中奥陶世为一海侵期，有机质产率及有机碳埋藏速率的增加导致了碳酸盐岩δ13C值的增高；晚寒武世至早奥陶世海水中的硫酸盐含量高,硫酸盐细菌的还原作用使有机质氧化,从而导致碳酸盐岩δ13C值降低。 关键词寒武-奥陶系碳酸盐岩碳同位素海平面变化硫酸盐 第一作者简介：朱金富，男，1978年生，中国地质大学（北京）在读博士，研究方向：含油气盆地沉积学 碳氧稳定同位素是解释碳酸盐岩成因的一种重要的地球化学标志。同时，碳、氧同位素分析是古环境研究中常用的一种手段，它在恢复水体的古温度、古盐度和研究沉积物成岩作用等方面已得到了广泛的应用。近年来，有关碳氧同位素与海平面变换的关系的研究备受关 注（彭苏萍等，2002年；邵龙义，1999年；李儒峰,刘本培，1996年；刘传联，1998年等）。本文通过对塔里木盆地塔中地区寒武系至奥陶系碳酸盐岩中碳同位素的分析，探讨了 碳同位素与沉积环境、相对海平面变化及硫酸盐含量的关系。 塔中低凸起位于塔里木盆地中部，北与满加尔凹陷、南与塘古孜巴斯凹陷、西与巴楚低凸起、东与塔东低凸起相接。东西长约300km，南北宽约160km，面积约4.8ⅹ104km2(图1所示)。它分为塔中?号断裂构造带、塔中北坡及中央垄断垒带三个构造单元。塔中地区地层发育比较齐全，除了缺失侏罗系和大面积缺失震旦系外，寒武系至古-新近系均有分布。 小秦岭地区文峪和东闯石英脉型金矿床铅及硫同位素研究 提要小秦岭地区文峪和东闯金矿床均是华北地台南缘的大型金矿床，金和金(铅)矿化主要在太古宙太华群变质岩层内呈脉状产出，并且同中生代燕山期花岗岩类具密切的时空分布关系。文章对文峪金矿床，东闯金(铅)矿床、花岗岩类侵人岩和变质岩地层的硫和铅同位素组成进行了系统研究。对不同地质体的硫和铅同位素变化特征进行了详细讨论。研究结果表明：中生代花岗岩体起原于太古宙变质岩的重熔和岩浆结晶分异作用。金的成矿作用发生在中生代燕山期。成矿物质主要来自花岗岩类侵人岩，岩浆热流体对太古宙变质岩地层的淋滤作用亦为金矿床的形成提供了部分物质来源。 主题词小秦岭文峪金矿床东闯（铅）矿床硫和铅同位素矿床成因 小秦岭金矿田位于豫陕交界处的灵宝和渔关一带，是我国第二大岩金产地，其年产量仅次于胶东金矿田。在平面上小秦岭金矿田呈东西向延长的眼球状，东西长约40～60 km, 南北宽约6～8 km，分布面积约500 km2(图1)。尽管本区黄金开采历史可迫朔至1451年，但是较系统的黄金地质科研和找矿勘查工作始于20世纪50年代初期。迄今为止，已发现各种规模的含金石英脉约1000余条，探明金矿床40余处，其中特大型金矿床2处(文峪和东闯)，大、中型矿床多处（如四范沟、金确岔、东桐峪、大湖、竹峪、抢马峪、和尚峪、樊家岔和金渠沟等)，累计探明黄金储量约500 t。 关于小秦岭地区金矿床的成因，目前主要存在2种认识: 一石英脉型金矿床为中低温岩浆热液矿床(王享治,1987;栾世伟等,1990;周作侠等、1993;黎世美等,1996);二，石英脉 型金矿床是区域变质或变形作用的产物(沈阳地质矿产研究所,1989;胡正国等,1994;沈保丰等，1994)。尽管众多学者在金矿床形成过程、物质来源和成矿时代上存在不同的看法，但均认为深人细致的同位素地 质研究将有助于揭开本区金矿床成因之谜。 为了深人探讨小秦岭地区金矿床的成因，进面为该区隐伏金矿床找矿勘查提供理论依据，本文在详细的矿床地质研究基础上，对文峪金矿床和东闯金(铅)矿床含矿石英脉、斜长 角闪岩、斜长片麻岩和花岗岩类进行了系统的硫、铅同位素侧定，结合岩(矿)石岩〔矿)相学和地球化学证据，详细讨论了文峪与东闯矿床的成矿物质来原和演化历史，旨在建立小秦岭地区金矿床成矿模式 和确定隐伏金矿床找矿勘查方向。 1地质背景 同位素地球化学 目录 一、碳的同位素组成及其特征 (1) 1.碳同位素组成 (1) Ⅰ、碳的同位素丰度 (1) Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1) Ⅲ、δ值 (2) 2.碳同位素组成的特征 (2) Ⅰ.交换平衡分馏 (2) Ⅱ.动力分馏 (3) Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (3) 二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8) 1. 碳同位素地温计 (8) 2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9) Ⅰ.煤 (9) Ⅱ.石油 (9) Ⅲ. 天然气 (11) 碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用 一、碳的同位素组成及其特征 1.碳同位素组成 碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。 Ⅰ、碳的同位素丰度 同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。 Ⅱ、碳的同位素比值（R） 同位素比值R=一种同位素丰度/另一种同位素丰度 对于非放射性成因稳定同位素比值： R=重同位素丰度/轻同位素丰度 由此可见，碳的同位素比值R=1.1%/98.9%=0.011 铅同位素主要特性及其在地质科学研究中 的应用 摘要：本文前半部分简要概括了铅及铅同位素的主要化学特征。在后半部分，列举了铅同位素在地球科学研究中的若干应用：比如地质年龄测年以及测年中应该注意的内容；铅同位素演化与构造环境；区域铅构造-地球化学省；铅同位素的地质示踪作用等。 关键词：铅同位素 U-Th-Pb测年同位素演化与构造环境同位素示踪 一、铅及铅同位素的主要特征 (1)铅的主要特征 铅是自然界中常见的元素之一，原子序数为82，原子量为207.2，位于元素周期表第六周期第ⅣA族。铅属亲硫元素，但它除具有亲硫特性(形成方铅矿)外，还具有亲氧特性。后者表现为铅以类质同象形式存在于某些硅酸盐矿物中。铅能与钾、锶、钡、钙等产生类质同象替换，是因为他们的离子半径相似，铅为1.32?、钾为1.33?、锶为1.27?、钡为1.43?、钙为1.06?。此外，在许多火成岩，特别是花岗岩的硅酸盐矿物中，发现有微量铅，它们可能是以Pb2+离子形式存在的。 一般而言，从橄榄岩到花岗岩，随着岩石中SiO2含量增加，铅平均含量0.2×10-6逐渐升高至22.7×10-6。这种相关现象主要同岩浆演化过程中，硅与钾密切共生，而铅与钾的离子半径又十分相似有关。 (2)铅同位素主要特征 铅同位素的种类 自然界中铅有8种同位素，其中4种是放射性同位素，4种是稳定同位素。 4种放射性铅同位素是：210Pb，211Pb,212Pb和214Pb，它们分别是3个衰变系列的中间产物，即铀系中的210Pb和214Pb。铀锕系中的211Pb和钍系(中的212Pb。除半衰期较长的210Pb(T=22.3a)可用于测定100a以内近代火山作用的年龄外，其他几个放射性同位素由于半衰期很短，在地质上应用不广。 铅的4种稳定同位素是：204Pb,206Pb,207Pb和208Pb。其中，204Pb是非放射成因铅，迄今还未发现它的放射性母体同位素，因此它可能是在元素合成的过程中产生的。最近有资料表明，204Pb本身也是放射性同位素，只是因半衰期特别长(T=1.4×1017a)，因而与地球年龄(4.5×109a)比较，204Pb实际上是一个稳定同位素。自地球形成以来，204Pb的总量保持恒定，因此，通常将204Pb作为地质体中是否存在非放射成因铅的标志。 206Pb,207Pb和208Pb有两种来源：一是在元素合成过程中形成的，它们是非 金矿地质资源特征 一、矿床时空分布及成矿规律 （一）岩金矿床 1、我国岩金矿床成矿的层控特征（1）大多数岩金矿床产在一定的构造环境的某一特定含矿建造中。矿床（点）密集分布，成群成带产出，其延伸与地层产状总体是一致的。（2）矿化围岩的含金丰度往往大于地壳中同类岩石丰度值的几倍至数十倍。（3）多数金矿矿体与围岩的同位素组合特征基本相似。如省小岭地区文峪金矿，矿石硫同位素δ34S为 1.35‰，砦峪矿区硫同位素δ34S为1.55‰，金洞岔矿石硫同位素δ34S为－3.58‰，而两矿区地层δ34S为3.39‰，表现出矿石硫与地层硫特点相似。以此说明容矿层往往是矿源层。（4）我国岩金矿床产出的地层以太古宇为主，其次为元古宇、古生界、中生界均有 金矿产出，但发育程度不一。矿化围岩有变质岩、沉积岩、火成岩类，其矿化情况各异。现就其主要矿化密集区的层控性概述如下： （1）华北地台金矿成矿域本区金矿床（点）集中分布于板块的边缘及基底构造层的隆起 区，并且主要产于太古宇结晶基底的中深变质岩系中。①燕山金矿密集区金矿集中分布于山海关及密云隆起区，容矿岩层为太古宇迁西群马兰峪组。该组混合岩化作用较强。岩层含 金丰度0.7～0.83×10－6，高于同类岩石的25～200倍。本区已知金矿床（点）115处，有109个产于本岩层中。②辽西建平－北票金矿密集区区金矿床（点）80%以上集中分布 于建平隆起区。容矿岩层为建平群小塔子沟组的斜长角闪岩及斜长角闪片麻岩类。③夹皮沟金矿田金矿床主要产于太古宇群三道沟组下部的角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、斜长 角闪岩及角闪岩中。围岩含金丰度值平均41.5×10－9。根据320个硫同位素的研究，矿石硫δ34S平均为5.6‰；围岩硫δ34S为2.1‰。二者相近，硫源相同。④小岭金矿田：金矿围岩为太华群下部岩组，岩石类型为斜长角闪片麻岩、黑云斜长片麻岩及斜长角闪岩等。岩层含金丰度值平均为1.24×10－9。金矿δ34S平均为2.71‰，两者近乎相等，具密切 成生关系。上述各区容矿围岩，经原岩恢复为基－中基性火山岩建造。岩石呈黑绿色，亦称绿色岩系。这套含金建造是本区金矿的原始矿源层。它不仅是变质热液型金矿的矿源层，而且也是本区其他类型金矿的重要矿源层。 （2）江南古陆金矿成矿带金矿主要分布于江南古陆的雪峰隆起与幕府山隆起两区。其金 1.同位素地球化学：研究地壳和地球中核素的形成丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律，并利用这些规律解决有关地质地球化学问题的学科。 2.核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。 3.同量异位数：质子数不同而质量数相同的一组核素。 4.稳定同位素：目前技术条件下无可测放射性的元素。 5.放射性同位素：能自发的放出粒子并衰变为另一种核素的同位素。 6.重稳定同位素：质子数大于20的稳定同位素。 7.亲稳定同位素：质子数小于20的稳定同位素。 8.同位素效应：由同位素质量引起的物理和化学性质的差异。 9.同位素分馏：在同一系统中某些元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或相态中的现象。 10.同位素热力学分馏：系统稳定时，导致轻重同位素在各化合物或物相中的分配差异。 11.同位素动力学分馏：不同的元素组成的分子具有不同的质量，由此而引起扩散速度、化学反应速度上的差异，由这种差异所产生的分馏效应称为同位素动力学分馏。 12.纬度效应：温度效应，随纬度升高，大气降水中的δD，δ18O降低。 13.大陆效应：海岸线效应，从海岸线到大陆内部，大气降水的δD，δ18O降低。 14.高度效应：岁地形增高，大气降水δD，δ18O降低。 15.季节效应：夏季，大气降水δD，δ18O比冬季高。 16.岩浆水：与高温岩浆处于热力学平衡的水，其中来自地幔，与铁、镁超基性平衡的水称为原生水。 17.半衰期：母核衰变为其原子核数一半，所经历的时间。 18.原生铅：指地球物质形成之前，在宇宙原子核合成过程中，与其他元素同时形成的铅。 19.原始铅：地球形成最初时期的铅。 20.初始铅：（普通铅、正常铅）U/Pb、Th/Pb比值低的矿物和岩石中任何形式的铅。 21.异常铅：一种放射性成因铅含量升高的铅。 22.矿石铅：一般是指硫化物矿中所含的铅。 23.岩石铅：火成岩和其他岩石中所含的铅。 24.BABI：目前公认玄武质无球粒陨石的（87Sr/86Sr）。代表地球形成时的初始比值，其值为0.69897+-0.00003 稳定碳同位素 自然界有六种碳同位素：10C、11C、12C、13C、14C*和15C*。主要有三种，它们的丰度是：12C－98.9％；13C－1.08％；14C－1.2×10-10％。其中12C、13C是稳定同位素，14C是放射性同位素。碳有两种稳定同位素：12C和13C，由于它们的质量不同，在自然界中的物理、化学和生物作用下产生分馏。一般来说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例如烃、石油中富含12C，-30～-20‰）中；而在无机循环中，重同位素倾向于富集在无机盐（例如碳酸盐富含13C，海相灰岩约0‰）中。 碳同位素分馏包括动力学分馏（如光合作用、有机物的生物降解等）和平衡 分馏（如大气CO 2－溶解的HCO 3 -－固体CaCO 3 系统）。(1) 光合作用中的碳同位素 动力分馏（6CO 2+6H 2 O→C 6 H 12 O 6 +O 2 ）：由于轻同位素分子的化学键比重同位素分子的 化学键易于破坏，因而光合作用的结果使有机体相对富集轻同位素（12C），而残 留CO 2中则相对富集重同位素（13C）。叶子表面对两种二氧化碳（12CO 2 、13CO 2 ）同 位素分子吸收速度上的差异是造成这一分馏的主要原因。光合作用中碳同位素分馏程度与光合碳循环途径密切相关。根据CO 2 被固定的最初产物的不同，光合碳循环可分为C3、C4和CAM三种方式。C3循环长，分馏大，δ13C=-23‰~-38‰；C4循环为短循环，分馏小，δ13C=- 12‰~-14‰；CAM循环介于C3与C4间，其13C的亏损程度也介于C3与C4植物间。（2）生物氧化－还原作用过程中的碳同位素分馏：一方面，微生物通过氧化还原反应获取能量，加速氧化还原反应的进行。另一方面，微生物在参与反应的过程中，对于同位素的利用具有选择性，优先选择利用化学能较弱的轻同位素化学键，使得轻同位素较重同位素更易被微生物所利用，进而产生显著的同位素分馏。 大气CO 2－溶解的HCO 3 -－固体CaCO 3 系统中的化学交换平衡反应：同位素平 衡分馏只与温度有关，碳同位素分馏的结果是使固体碳酸盐中富集重同位素13C 从大气中的CO 2 到生物圈中有机碳化合物再到生物燃料和生物成因的甲烷，其碳同位素呈现出递减趋势，总体变化规律是氧化态的碳富集13C，还原态的碳 富集12C。海洋上空大气CO 2很少受到其它来源的CO 2 的影响，其δ13C值变化范 围很窄，平均δ13C＝-7.0‰；沙漠和山区大气的CO 2 的δ13C值接近-7.0‰；而在 二里头遗址出土陶容器内残余物的碳同位素分析 赵春燕赵海涛陈国梁许宏 （北京，王府井大街27号，中国社会科学院考古研究所，100710） 摘要：考古出土陶容器内残余物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义.依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类，因而碳同位素分析是最重要的方法之一. 对二里头遗址出土的11份陶容器内残余物进行的碳同位素分析结果表明，二里头遗址居民食物中兼具C3类和C4类植物，而且，C4类植物也就是粟的比例可能更高一些。 关键词：二里头遗址，残余物，碳同位素 考古出土陶容器内残物的分析与鉴别对于探讨古代人类饮食结构、生存状况及周围环境等问题具有特别重要的意义。人类在学会制作陶器以后,生活方式发生了质的改变。蒸煮等烹调方式的使用改善了古人类的生活,使得人类对动植物的利用更加充分,吸收更多的营养,身体更加健康。因而,了解古代人类烹饪方式的发生、发展的历史也就是了解人类自身文明发展的历史。一般而言,了解古代人类饮食结构及生存状况所涉及的研究对象主要可以分为两个方面：一是被研究的主体-人类本身，包括对人类骨骼和牙齿遗存的研究；二是人类食用的对象，包括考古遗址中发现的动植物的遗存研究等等。但出土器物中发现的残余物的分析研究，可以帮助考古学家获得更多的不可见的动植物利用信息。 残余物的分析方法比较多, 根据残余物的状态不同相应有不同的方法.其中,碳、氮同位素分析是最重要的方法之一。依据残余物的碳同位素分析可以区分食物的种类。其原理并不复杂: 植物是通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为植物组织。到目前为止所发现的光合作用的途径主要三种。一是卡尔文途径。因为它的最初产物是3-磷酸酰甘油酸（3-PGA），这是一种含三个碳原子的化合物，所以又称为C3途径,遵循 C3光合作用途径的一类植物称为C3植物。温和湿润环境下生长的大部分植物都属于C3植物,例如各种乔木、灌木和大部分禾本科的植物。二是哈-斯途径。这种途径的最初产物是含四个碳原子的化合物-草酰乙酸,所以遵循哈-斯光合作用途径的一类植物称为C4植物。 C4植物包括玉米、粟、甘蔗等旱暖开放环境中生长的某些草类。三是少数多汁植物如菠箩、甜菜等所遵循的称为CAM的光合作用途径[1、2]。 自然界的植物因光合作用的途径不同，而导致了最初产物的不同。而不同的最初产物的植物间碳同位素组成是有差别的,可以用δ13C值定量表示。通过对自然界数百种不同科、属、种的植物的研究发现，C3类植物如稻米、小麦、豆类等，其δ13C值范围为 -23‰～-30‰，平均值为-26‰。C4类植物，如玉米、小米、高粱、甘蔗等，δ13C值范围为–8～-14‰，平均值为-11‰。CAM类植物如菠萝、甜菜等，δ13C值范围为–12‰～-23‰，平均值为-17‰。豆科植物可以直接从空气固氮，其δ15N值约为0~1‰；非豆科植物利用土壤中的氮，δ15N 值平均为3~4‰。这些研究结果给后来的研究提供了直接的对比标准。对于出土残余物而言，因炭化过的植物残骸不会再受土壤微生物的影响而改变，一般认为碳氮同位素不会发生分 一第３９卷第２期物一探一与一化一探Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２一一２０１５年４月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＡｐｒ．，２０１５一 ｄｏｉ：１０．１１７２０／ｗｔｙｈｔ．２０１５．２．２６ 胡树起，刘崇民，马生明．铅硫同位素在地球化学勘查中的应用［Ｊ］．物探与化探，２０１５，３９（２）：３６６－３７０．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１７２０／ｗｔｙｈｔ．２０１５．２．２６ＨｕＳＱ，ＬｉｕＣＭ，ＭａＳＭ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌｅａｄａｎｄｓｕｌｆｕｒｉｓｏｔｏｐｅｓｔｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄＧｅｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，２０１５，３９（２）：３６６－３７０．ｈｔｔｐ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１７２０／ｗｔｙｈｔ．２０１５．２．２６ 铅硫同位素在地球化学勘查中的应用 胡树起，刘崇民，马生明 （中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊一０６５０００） 摘要：铅硫同位素用于地球化学勘查是一项探索性的工作三为进一步证实其在多金属矿床勘查中的作用，选择热液铅锌矿床开展铅同位素追踪深部矿体试验，选择斑岩型铜矿床开展硫同位素识别矿化蚀变分带试验及δ３４Ｓ垂向变化规律探讨三试验结果表明，铅同位素组成和三维拓扑Ｖ值可预测深部矿体，由上而下，数值增高预示着深部还有矿体；水平方向上，δ３４Ｓ均值由高温蚀变区到低温蚀变区呈现出增高的趋势，此特点可用于鉴别矿化蚀变分带； 垂直方向上，矿体δ３４Ｓ均值总体随深度增加逐渐增大，若不同层位（标高）的岩石性质及其硫同位素背景存在差异，当其与成矿溶液叠加后，可导致δ３４Ｓ均值呈跳跃式变化三 关键词：铅同位素；Ｖ值；硫同位素；δ３４Ｓ；蚀变带；地球化学勘查 中图分类号：Ｐ６３２一一一文献标识码：Ａ一一一文章编号：１０００－８９１８（２０１５）０２－０３６６－０５ 一一利用同位素对多金属矿床进行地球化学勘查是一项具有探索性的研究工作，这方面的研究成果还不太多，文献报道多以铅硫同位素为主三 铅同位素地球化学勘查始于２０世纪６０年代，Ｃａｎｎｏｎ［１］等提出了铅同位素模式法二血型铅法和分带关系法等用以评价矿床；７０年代以来，Ｄｏｅ［２］二Ｇｕｌｓｏｎ［３］二芮宗瑶［４］二Ｆｏｌｅｙ［５］和Ｈｕａｎｇ［６］等先后应用铅同位素打靶法，作为评价未知区有矿二无矿的标准；１９９４年，何厚强［７］研究了不同成因类型矿床的铅同位素组成特征与成矿元素之间的关系，肯定了其在地球化学异常评价中的作用；１９９３年，朱炳泉［８］提出了铅同位素三维空间拓扑投影特征值的数据处理方法，在隐伏矿预测评价中取得了良好效果三 国内外应用硫同位素找矿的案例也有相应的报导三２００７年，Ｐａｕｌ［９］对加拿大的一个Ｃｕ?Ｚｎ块状硫化物矿床，从统计学上用硫同位素区分了贫铁硫化物带和Ｃｕ?Ｚｎ块状硫化物矿体；于凤金［１０］等通过对辽宁清原地区铜锌矿床的研究发现，矿体δ３４Ｓ（?）值由浅至深增大，矿床的δ３４Ｓ（?）值小于１，而矿点中的δ３４Ｓ（?）值大于１三一些研究指出，成矿的早期和晚期，成矿溶液物质之间的同位素组成并没有完全达到平衡，显示出越往后期硫同位素组成变化越大的特点［１１］三因此，可利用硫同位素的这种特点进行矿化蚀变带划分三 以上简要介绍了铅硫同位素地球化学勘查的初步成果，目前该方法尚处在试验摸索积累资料阶段，真正用于金属矿勘查还需要大量的试验研究三为进一步确定铅硫同位素在多金属矿床地球化学勘查中的作用，笔者选择铅锌矿床和斑岩型铜矿床开展铅硫同位素地球化学勘查研究，其中铅锌矿应用铅同位素组成和三维空间拓扑投影特征值开展了矿体深部追踪的试验工作，斑岩型铜矿应用硫同位素比值进行了矿化蚀变带识别和矿体δ３４Ｓ垂向变化规律探讨三 １一铅同位素勘查应用研究 铅有四种稳定同位素：２０４Ｐｂ二２０６Ｐｂ二２０７Ｐｂ和２０８Ｐｂ，其中２０４Ｐｂ为非放射性成因，其丰度不变，而２０６Ｐｂ二２０７Ｐｂ和２０８Ｐｂ的构成既包含原始铅，又包括通过２３８Ｕ二２３５Ｕ二２３２Ｔｈ衰变而不断增加的放射性成因铅［１２］三研究证明，热液型多金属矿床成矿物质来源普遍具有壳幔相互作用，导致成矿作用引起元素分异，在矿化前缘和浅矿形成铅同位素值很高二变化范 收稿日期：２０１４－０５－２２ 基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１４ＢＡＢ０５Ｂ００） 一、前言 自然界中任何形式的铅都是由非放射性成因的２０４Ｐｂ和放射性成因的２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ及２０８Ｐｂ混合组成。受冶炼技术所限，古代青铜器所使用的铜、锡、铅金属原料中均含有一定量的铅。这些含量不等的铅主要来源于各金属矿床中的含铅矿石。由于地球上各金属矿床的地质年龄和形成环境中所含的铀、钍浓度完全相同的几率很小，因而不同地区金属矿床所含的铅同位素组成亦各有差异［１］。而矿石在开采、冶炼及熔铸等青铜生产的物理、化学过程中，铅同位素组成也几乎不产生变化。因此，当古人使用同一产地的金属矿料铸造一批器物时，它们所含铅的同位素比值便具有相同的特征［２］。所以，通过比较不同时期青铜器的铅同位素组成特征，便可了解一定历史时期青铜业金属原料供应地的变迁和变化情况［３］。 横水西周墓地位于山西省运城市绛县以西约１１公里的横北村之北，南北约长２００米，东西约宽１５０米，面积约３万平方米［４］。２００４～２００６年，山西省考古研究所等对其进行了考古发掘，出土鼎、簋、甗、盘、盉、鬲、觚、爵等西周铜礼乐器１８０余件，从铜器铭文、墓葬规模和随葬品级别可知，该墓地为西周时期倗国国君、夫人及其国人的墓地［５］。本文对横水西周墓地部分青铜器和锡器的金属残片进行了铅同位素比值测试分析，结合相关研究成果，使用铅同位素示踪技术对其金属原料的来源进行了相关分析和探讨。 二、实验部分 １．检测分析 首先采用电离沉积法对样品中的铅进行提取，随后使用ＩＳＯＰＲＯＢＥ－Ｔ热电离质谱仪进行铅同位素比值测定，分析结果详见表１。为使检测数据准确和标准化，以便与其它数据进行比较分析，实验中穿插测定了ＮＢＳ－９８１国家标准铅样品。实验精确度：２０７Ｐｂ／２０４Ｐｂ和２０６Ｐｂ／２０４Ｐｂ分析误差为０．００２；２０８Ｐｂ／２０４Ｐｂ分析误差小于０．００３。此外，使用ＥＤ－ＸＲＦ对样品的铜、锡、铅含量也进行了检测分析，分析结果一同列入表１中。 ＸＲＦ分析结果显示：１６件青铜样品的材质可分为纯铜、锡青铜和铅锡青铜三类。其中，铜金属器１件，含锡１．２４％，含铅１．０９％。锡青铜器６件，含铅量为０．４２～１．７９％，平均为０．９１％。铅锡青铜器９件，含铅量为２．４７～１７．２１％，平均５．３３％。２件锡器均为纯锡器，含锡量为９８．１２～９８．２２％，平均值为９８．１７％，铜、铅微量，均在１％以下。 铅同位素比值分析结果显示：１６件青铜样品，仅ＪＨＭ２５３１：１３铜提梁卣为高放射成因铅，其余均属普通铅。１５件普通铅青铜样品的２０６Ｐｂ／２０４Ｐｂ、２０７Ｐｂ／２０４Ｐｂ、２０８Ｐｂ／２０４Ｐｂ、２０７Ｐｂ／２０６Ｐｂ、２０８Ｐｂ／２０６Ｐｂ数值范围分别为１７．３９４～１８．４４２、１５．４８２～１５．６０４、３７．６６２～３８．５２０、０．８４６～０．８９０和２．０８９～２０．１６３。２件锡器中铅也属普通铅，其２０６Ｐｂ／２０４Ｐｂ、２０７Ｐｂ／２０４Ｐｂ和２０８Ｐｂ／２０４Ｐｂ、２０８Ｐｂ／２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ／２０６Ｐｂ数值范围分别为１８．３１９～１８．５４７、１５．６２６～１５．６９９、３８．５１０～３８．７７７、０．８４６～０．８５３、２．０９１～２．１０２。 ２．铅同位素比值特征 为探索各类样品铅同位素比值的数值特征，使用Ｏｒｉｇｉｎ软件绘制了不同材质青铜器及锡器的铅同位素比值数据箱式图（图一～图五）。不难 绛县横水西周墓地 青铜器的铅同位素比值分析 南普恒马江波 应用稳定碳同位素组成特征研究环境空气颗粒物中多环芳烃的来源 彭林1,白志鹏1,朱坦1,徐永昌2,李剑3,冯银厂1 (1.南开大学环境科学与工程学院,天津 300071;2.中国科学院兰州地质研究所,兰州 730000;3.中国石油勘探开发研究 院廊坊分院,廊坊 065007) 摘要:采集了乌鲁木齐市与郑州市非采暖季的环境空气颗粒物, 用二氯甲烷做溶剂提取、硅胶柱层分离出多环芳烃样品.用气相色谱/燃烧系统/同位素质谱测定了多环芳烃单化合物的稳定碳同位素组成.结果表明:这2个城市的TSP 与PM 10中多环芳烃单化合物稳定碳同位素组成相比较没有明显的区别;两城市的颗粒物样品中,分子量较小菲、蒽、荧蒽、芘和苯并(e )芘的稳定碳同位素组成没有明显的区别,平均值范围为-2314‰～-2418‰,分子量较大的多环芳烃的δ13C 出现了明显差异,乌鲁木齐市环境空气颗粒物中多环芳烃单化合物的δ13C 随着其分子量的增大比郑州市更贫13C ,乌鲁木齐市的环境空气颗粒物中的苯并(a )芘、茚并(1,2,32cd )芘、苯并(ghi ) 的δ13C 值分别为-2813‰、-3118‰和-3012‰,郑州市为-2414‰、 -2914‰和-2613‰.结合对两城市燃煤量和机动车拥有量的对比分析,本研究认为:在非采暖季,这两个城市环境空气颗粒 物中多环芳烃的污染主要是以煤的炭化、气化、燃烧以及机动车尾气为主的复合型污染,而机动车尾气对郑州市环境空气颗粒物中分子量较高的多环芳烃的贡献高于乌鲁木齐市,煤的燃烧对乌鲁木齐市环境空气颗粒物中分子量较高的多环芳烃的贡献高于郑州市. 关键词:稳定碳同位素;多环芳烃;TSP ;PM 10;郑州;乌鲁木齐 中图分类号:X131.1 文献标识码:A 文章编号:025023301(2004)增刊20016205 基金项目:国家自然基金资助项目(20307006)教育部“跨世纪优秀人 才培养计划”基金项目(2002248) 作者简介:彭林(1966～),女,南开大学博士生,副教授,主要从事环 境中有机污染物来源与环境空气颗粒物来源方面的研究.E 2mail :plin123@https://www.doczj.com/doc/5f15864772.html, Origin of Atmospheric Polycyclic Aromatic H ydrocarbons (PAH s)in Two Chinese Cities Using Compound 2Specif ic Stable C arbon Isotopic Analysis PEN G Lin 1,BAI Zhi 2peng 1,ZHU Tan 1,XU Y ong 2chang 2,L I Jian 3,FEN G Y in 2chang 1 (1.College of Environmental Sciences and Engineering ,Nankai University ,Tianjin 300071,China ;2.K ey Laboratory of G as G eochemisstry ,Lanzhou Institute of G eology ,Chinese Academy of Sciences ,Lanzhou 730000,China ;https://www.doczj.com/doc/5f15864772.html,ngfang ,Research In 2stitute of Petroleum Exploration &Development ,Langfang 065007,China ) Abstract :Origin of atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs )in total sus pended particulate (TSP )and particulate matter ten (PM 10)collected in non 2heating seasons in urban areas of Urumchi and Zhengzhou ,China were discussed on the base of carbon isotopic compositions of individual compounds.Carbon isotope ratios were measured with type of GC 2C 2MS and uncertainty is less than 016‰.δ13C values of atmospheric PAHs in Urumchi range from -2316‰to -3211‰and from -2215‰to -3110‰in Zhengzhou.δ13C values of PAHs in TSP are similar to those in PM 10in the two urban areas.δ13C values of low 2weight molecules (pyrene ,fluoranthene ,benzo [e]pyrene etc.)in PAHs from the two cities are similar ,and the mean value of δ13 C ranged from -2314‰to -2418‰.However ,δ13 C values of high 2weight molecules in PAHs evidently differentiate each other.The individual compounds of atmos pheric PAHs in Urumchi are more depleted in 13C with increasing molecular weight in PAH than those in Zhengzhou.δ13C values of benzo [a ]pyrene ,indeno (1,2,32cd )pyrene and benzo (ghi )perylene in Urumchi were -2813‰,-3118‰and -3012‰,respectively ,which are similar to those of the corresponding molecules in coal combustion particles.The val 2ues of those three compounds in Zhengzhou ,however ,were -2414‰,-2914‰and -2613‰,res pectively ,being similar to those from coal carbonization and automobile exhausts.Our data ,incorporated with the analysis upon the consumption of coal and amount of motor vehicles ,indicate that PAHs were controlled by coal carbonization ,coal combustion and automobile exhausts in two cities ,and contribution of automobile exhausts to PAHs of weight molecular in Zhengzhou is larger than that in Urumchi in no 2heating sea 2son ,while contribution of coal combustion to PAHs of weight molecular in Urumchi is larger than that in Zhengzhou in no 2heating season. K ey w ords :carbon isotope ;polycyclic aromatic hydrocarbons ;TSP ;PM 10;Urumchi ;Zhengzhou 空气颗粒物中存在的多环芳烃(PAHs )主要来源于化石燃料的不完全燃烧,还有少量的PAHs 来源于植物和微生物的内源性合成、森林及草原自然起火、火山活动和一些矿物成分[1].判别空气颗粒 第25卷增刊2004年6月 环 境 科 学ENV IRONM EN TAL SCIENCE Vol.25,Sup.J une ,2004贵州独山巴年锑矿床硫_铅同位素特征及其对成矿物质来源的指示_沈能平
矿 物 学 报 ACTA MIERALOGICA SINICA
Vol. 33, No.3 Sept., 2013
贵州独山巴年锑矿床硫、铅同位素特征及其 对成矿物质来源的指示
沈能平 1，苏文超 1，符亚洲 1，徐春霞 1, 2，阳杰华 1，蔡佳丽 1
（1. 中国科学院 地球化学研究所 矿床地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550002； 2. 中国科学院大学，北京 100049）
摘 要：贵州独山巴年锑矿床是华南锑矿带代表性锑矿床之一。矿体赋存于中泥盆统独山组地层之中。本文 对该矿床辉锑矿的硫、 铅同位素组成进行了系统分析。 结果表明， 辉锑矿的 δ34S 值变化范围为-5.4‰～-1.2‰， 平均-4.2‰，计算获得成矿流体中总硫的 δ34SΣS=0.1‰，显示岩浆来源硫的同位素特征。辉锑矿铅同位素组成 变化范围较窄：206Pb/204Pb 为 18.561～19.156，平均 18.813；207Pb/204Pb 为 15.703～15.769，平均 15.734；
208
Pb/204Pb 为 38.573～39.207，平均 38.906。绝大多数样品中矿石铅为正常铅，具有华南区域性铅同位素组
成特征。我们认为巴年锑矿床成矿金属元素锑除主要来源于赋矿围岩泥盆系外，基底地层也可能提供了部分 成矿物质。 关键词：辉锑矿；硫同位素；铅同位素；成矿物质来源；巴年锑矿床 中图分类号：P597；P611 文献标识码：A 作者简介：沈能平，男，1979 年生，博士，副研究员，矿床地球化学专业，主要从事中低温热液矿床成矿 理论研究. E-mail：shennengping@https://www.doczj.com/doc/5f15864772.html,
黔东南独山锑矿田是贵州省除晴隆县外锑 矿资源最丰富的地区，属于三都－丹寨汞锑成矿 带的南延部分，目前该锑矿田已发现包括半坡 （大型） 、巴年（中型） 、蕊然沟（小型）等锑矿 床（点） 、矿化点近 20 处。前人对该区锑矿地质 地球化学已进行了大量的研究，认为其成矿物质 但独山地区从下 主要来源于赋矿的围岩地层[1-3]， 、丹林组 中志留统至中泥盆统的翁项群（S1-2wn） 、龙洞水组（D2l） 、邦寨组（D2b） 、独山 （D1dn） 组（D2d）均有锑矿（化）体产出，赋矿围岩时 代跨度较大，难以有效制约物源。本次研究以巴 年锑矿床最主要的矿石矿物 —— 辉锑矿为研究 对象，系统测试了其硫、铅同位素组成，利用硫、 铅联合示踪优势，进一步分别探讨了其硫源和成 矿金属锑的来源。
1 矿区地质概况
巴年锑矿床是独山锑矿田内代表性锑矿床
收稿日期：2012-09-24 基金项目：贵州省科学技术基金（编号：黔科合 J 字[2009]2249、 [2008]2227 号） ；国家自然科学基金（批准号：40972072） ；中国科学院 重要方向项目（编号：KZCX2-YW-Q04-05） ；矿床地球化学国家重点 实验室自主研究课题
之一，其位于环“江南古陆”南西端，产于独山 箱状背斜轴部南西倾伏部位。矿区出露地层主要 为中泥盆统独山组（D2d）浅海相碳酸盐岩和碎 屑岩，与下伏地层中泥盆统邦寨组（D2b）为整 合接触（图 1） 。按岩性不同，独山组自下而上可 、宋家桥段（D2d2） 划分为三段：鸡泡段（D2d1） 和鸡窝寨段 （D2d3） 。 其中宋家桥段按其岩性组合 特征又可分为上、下两个亚段：下亚段（D2d2-1） 为中至厚层中粒石英砂岩夹薄层泥质灰岩或灰 岩透镜体；上亚段（D2d2-2）为碳酸盐岩与碎屑岩 互层，是巴年锑矿的主要赋矿层位。矿区内未见 岩浆岩出露。北北西向的独山箱状背斜和半巴断 裂、打鱼河断裂是矿区的主要控矿构造。矿化沿 背斜轴部分布，主断裂的旁侧构造和层间破碎带 为容矿构造。矿体的大小和富集程度与构造的产 状和发育程度有关，断裂组平行、交汇、膨胀地 段均是富矿体的产出部位。 巴年锑矿床矿化范围大，但矿体小，变化较 大，与围岩界线大多为突变关系。矿区虽具多层 赋矿特点，但在垂向上很少有矿体重叠出现。每 个矿化体包含若干矿体，矿体呈似层状、透镜状 等缓倾斜顺层产出， 与岩层产状一致， 倾向南西，铅同位素示踪方法应用于考古研究的进展
三江地区两类古陆成分的铅同位素组成——Ⅰ_碳酸盐岩类
铅同位素地球化学
碳同位素组成特征
小秦岭地区文峪和东闯石英脉型金矿床铅及硫同位素研究
碳同位素组成特征及其在地质中的应用
铅同位素地球化学及U-Th-Pb法年龄测定
金矿地质资源特征
同位素(名词解释、填空)
稳定碳同位素
碳同位素分析
铅硫同位素在地球化学勘查中的应用
绛县横水西周墓地青铜器的铅同位素比值分析
应用稳定碳同位素组成特征研究环境空气颗粒物中多环芳烃的来源
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