文章编号:1001—6996(2006)02—0074—12
同位素地球化学研究进展及动态夜卫平1,冯建忠2
(11陈耳金矿,陕西洛南 726104; 2.金田中国(BV I )有限公司,北京 100005)
摘 要:本文论述了过去近十年期间同位素地球化学研究进展及未来发展动态展
望。同位素研究是矿床地质学及其它领域重要的研究手段之一,是科学研究史上的
革命,它的发展极大的加速了地质科学的研究进程。特别是放射性同位素测年(K
-Ar 法、Rb -Sr 等时线法、Sm -Nd 法、单颗粒U -Pb 、Re -Os 法、Pb -Pb
法、40Ar/39Ar 、
)、测试对象的微区化、仪器设备的自动化、测试工作的标准化,L u 、Hf 、Cu 、Zn 、B 、Li 、He 分析测试技术的改进,提出了一系列同位素研究的
理论方法,拓宽了同位素应用前景和领域。
关 键 词:同位素研究进展;同位素研究动态;同位素测年;微区分析;仪器自
动化;测试标准化
中图分类号:P597 文献标识码:A
同位素研究是矿床地质学及其它领域重要的研究手段之一,可以说是科学研究史上的革命,它的发展极大的加速了许多科学研究进程。本文主要通过同位素研究方法在地质领域的应用出发,概述了同位素研究的最新进展和发展方向。
1 放射性同位素测年
测定成矿过程中形成的岩石和矿物年龄是目前较流行的用以直接测定成矿事件时间的方法,如蚀变矿物绢云母、钾长石;脉石矿物石英(其中的气液包裹体);矿脉中的锆石、金红石、电气石;矿石矿物白钨矿、辉钼矿、方铅矿和黄铁矿磁黄铁矿等;成矿过程中形成的含铀矿物,诸如独居石、榍石、磷灰石等。
111 K -Ar 法测年
K -Ar 法在一定范围内仍然是一种广泛适用的测年方法:尽管云母类和长石类矿物封闭温度较低,它们的K -Ar 体系易受扰动,一般不适宜测定前寒武纪已变质矿床的年龄等问题。但对于浅变质岩石也常用泥质矿物做K -Ar 年龄测定,如:Paula N 1Wilson 和W 1T 1Parry (1995)[1]通过热液矿物伊里石测定,确定了美国犹他州某金矿的成矿年龄。 收稿日期:2006—10—17
作者简介:夜卫平,男,30岁,毕业于东北大学地质勘查专业。从事矿产勘查、研究工作。
第24卷 第2期 陕西地质GEOLO GY O F SHAAN XI
2006年12月
112 Rb -Sr 等时线测年以前主要测试对象是全岩和单矿物,近十几年来已发展到利用石英包裹体的Rb -Sr 等时线测定成矿年龄测定,此外,它还能给出87Sr/86Sr 比值,提供流体来源和矿床成因方面的信息。全岩Rb -Sr 等时线法多用于解决成矿围岩的时代,是间接测定成矿时代的研究方法;而测定蚀变矿物或蚀变带、矿体中石英包裹体的Rb -Sr 等时线年龄是直接测定成矿时代的方法。
113 Sm -Nd 法测年
Sm -Nd 法也被应用于间接或直接测定成矿时代。Sm -Nd 全岩等时线法主要应用于测定前寒武纪铁镁质火山岩和侵入岩的形成时代,同时Nd 同位素地球化学也被广泛应用于物源的示踪。矿石和矿石中矿物的Sm -Nd 等时线年龄可用于直接确定成矿时代,但目前报道的数据远比Rb -Sr 年龄少。Darbyshire DDF ,(1996)[2]利用白钨矿的Sm -Nd 法成功地测定了津巴布韦太古代克拉通金钨矿床的成矿年龄。
114 单颗粒U -Pb 测年
单颗粒矿物U -Pb 法测定蚀变带或矿体中含铀矿物如锆石、金红石、独居石、褐帘石、榍石、锐钛矿和磷灰石等的年龄是一种有前途的测年方法。成矿过程中形成的含铀矿物,诸如独居石、榍石、磷灰石等可作为U -Pb 测年对象,其中赋存于含矿石英脉中的“热液锆石”(在成矿热液活动过程中结晶出的锆石,由于它的结晶温度与岩浆结晶锆石相比明显偏低,因而具有不同的结晶习性)在理论上是U -Pb 法的最佳测定对象。Ronde C E J ,Ka 2mo S ,Davis D W et al (1991)[3]用单颗粒锆石测定了南非Barberton 绿岩带金矿的成矿年龄[3]。J ames P 1Jo hnson 和Ken C 1Cross ,J ames P 1[4]通过锆石U -Pb 法测定西澳澳林匹克坝Cu -U -Au -Ag 矿床的成矿年龄,测得Roxby Downs 花岗岩年龄为1588±4Ma 1。角砾岩和角砾状长英质岩墙的年龄为1590Ma ,说明Roxby Downs 花岗岩和角砾岩形成时间相近,金属矿化与角砾岩化的发生是在同一地质作用下,是同期的,从而为该矿床的矿床成因研究提供了新的思路。
115 Re -Os 测年
Re -Os 同位素体系为金属矿床形成时代和壳幔地质研究开辟了新的途径。它是确定金属矿床成矿年龄的最直接最有效的方法。Re -Os 法测定成矿年龄的对象是辉钼矿等金属矿物(Suzuki K ,L u Q ,Shimizu H et al 11993[5])。Re 、Os 分别为亲铜元素和亲铁元素,可以进入金属硫化物晶格中,所以,可直接测定矿石矿物的年龄。陈文明(1998)[6]对中条山铜矿峪斑岩铜矿中的含辉钼矿硫化物采用ICP -MS 同位素稀释法进行Re -Os 同位素年龄测定。首次获得2个Re -Os 同位素等时线年龄,其值分别为(2947±28)×106a 与(2108±32)×106a 。说明铜矿峪斑岩铜矿的形成不是一个单一的成矿过程,而是一个多期的复合成矿过程,为确定铜矿峪斑岩铜矿的成矿年龄及建立该矿床的成矿演化模式奠定了重要基础。此外,一些学者正研究利用载金矿物黄铁矿测定成矿时代。同时,由于Re 、Os 的元素相容性不同,导致不同地球化学储源库具有不同的Os 同位素特征,特别是地壳和地幔具有截然不同的Os 同位素特征,据此可以用来研究壳幔地球化学演化、壳幔相互作用、地幔柱的起源、讨论不同类型矿质和岩浆的来源(吴福元,孙德有1999[7])。Os 同位素的示踪研究表明,岩石圈地幔在大陆溢流玄武岩(CFB )的形成过程中起着重要的作用,地幔柱
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的起源与核幔边界的地质演化有关[8,9]。
116 Pb-Pb法测年
Pb-Pb法测年有新的发展,Fre R和Pett re T(1996[10])提出利用逐步铅淋滤法(stepwise Pb leaching)测定含金地质体中热液作用形成的磁黄铁矿、电气石的Pb-Pb等时线年龄。
117 40Ar/39Ar测年
包裹体和矿物40Ar/39Ar是成矿成岩年龄研究的有效方法之一。A1J1R Kent和I1MC Dougall(1995[11])对西澳卡尔古里金矿的白云母做了40Ar/39Ar年龄测定。周鼎武和张成立[12]等通过对南秦岭武当地块内变形变质基性岩墙群中的角闪石、黑云母矿物的40Ar/39Ar 定年,获得角闪石三组年龄,分别为69414±21Ma、38414±3Ma(相应等时线年龄为38313±10Ma)和240～180Ma。黑云母年龄为23513±2Ma(相应等时年龄为23617±6 Ma)。结合本区基性岩墙已获得的Sm-Nd全岩等时年龄(782±164Ma)分析,782±164 Ma～69414±21Ma代表岩墙侵位、冷却过程的时间,提供了武当地块裂解的构造事件年龄;38414±3Ma和约240Ma则代表岩墙群侵位后两期重要构造—热事件的改造年龄。从而为研究武当地块的构造作用过程和南秦岭构造带的形成、演化提供了重要证据。邱华宁等(1994[13])用该方法成功地确定了滇西上芒岗金矿床的成矿年龄。据穆治国(1999[14]),美国伯克莱地质年代学中心P1R1Renne等(1997)对采自意大利维苏威火山公元79年爆发喷出物中的透长石,进行了激光显徽探针40Ar/39Ar定年,从46个分析数据中得到了40Ar/39 Ar等时线年龄为1925±94a,接近于与现今使用的格里历1918a。这证明激光探针40Ar/39 Ar定年法的可信度已扩展到记录人类历史的时间范畴。Renne等的最新研究成果把30多年来K-Ar地质年代学者对特别年轻火山岩的定年研究带入了一个新阶段,它为与晚新地质年代学有关的各种研究提供了一有力工具。
2 同位素测试技术的发展和实验研究新进展
(1)在过去的十几年里同位素测试技术得到了迅速的发展和更新表现为测试对象的微区化、仪器设备的自动化、测试工作的标准化。离子探针和激光制样系统得到了迅速发展,在同位素分析中得到广泛应用。离子探针的应用范围除了锆石U-Pb、Sm-Nd、Rb-Sr年龄测定外,还迅速扩大到了硫、氧、硅、硼等稳定同位素。目前的离子探针质谱已应用于Sr、Pb、Nd、Os、O、S、C、Si、B、Ca、Ti、Ni等同位素分析。新一代的分析仪器实现了电脑自动化,在计算机的控制下能自动制备分析样品。
(2)L u-Hf同位素化学分离方法和技术的重大改进[15,16,17]及高电离率同位素质谱仪的推出与应用,使得常规地质样品的L u-Hf同位素分析成为可能。
(3)在U-Pb测年技术方法方面,西方发达国家,如澳大利亚、美国、加拿大等处于领先地位。澳大利亚继大型离子探针质谱SHRIM P、SHRIM PⅡ问世以后,现正在研制一台分辨率和灵敏度均极高的SHRIM P R G的离子探针及法国CAM ECA公司研制的ims1270二次离子探针,这种大型离子探针能够直接进行矿物原位(in sit us)微区分析,精度可达10μm数量级,可以将相差10Ma的地质事件区分开(杨进辉,1999[18])。
(4)研制出铜锌同位素分析方法:也用于地球化学示踪(R K Onions ,2000)X 1K 1Zhu 和R 1K 1O ’Nions [19]研究出高精度等离子质谱分析铜同位素的方法(锌浓液法和标样分类法)。Chlo éNadia Mar échal 和Philippe T élouk (1999[20])通过给等离子质谱仪装配磁力过滤器和多次制样装置研制出高精度等离子质谱铜锌同位素分析方法。铜有两种同位素65Cu 和63Cu 。
(5)硼同位素分析测试技术有较大的改善:Hans -Eike G ?bler 和Andreas Bahr (1999[21])研制出双焦磁力感应偶极等离子质谱法高精度分析B 同位素的方法,分析精度为1～2‰。并用于研究地表水和地下水,其结果与锂同位素研究结果一致。
(6)稳定同位素在液相和气相之间分馏实验研究,K irill I 1Shmulovich 和Dirk Landwe 2hr (1999[22])测定了350°C 到600°C 之间H 2O -NaCl 和H 2O -KCl 体系中氢氧同位素的分馏系数。结果表明氢氧同位素分馏在H 2O -NaCl 和H 2O -KCl 体系中具有相似性,在任何条件下相对于H 而言,D 优先在气相中得到分馏,相对于16O 而言18O 优先在液相中得到分
馏。分馏系数分别以以下两种形式表述:1000ln αD/H (L -V ),1000ln α18O/16O (L -V )
(7)Li 同位素分析方法的研制:Takuya Moriguti 和Eizo Nakamura (1998[23])进行了天然岩石样和水样高产率锂分离并研制出锂同位素热电离质谱分析方法。岩石样的7Li/6Li 比值精度为±0104～0107‰,海水样精度为±0105～0108‰。Paul B 1Tomascak 和Richard W 1Carlson 等(1999[24])用电磁ICP -MS 法分析Li 同位素,精度为±111‰。太平洋海水δ7Li (相对于L -SV EC 标准的7Li /6Li )为+3118‰。玄武岩标样JB -2和SRM -688分别为+511‰和+218‰。该方法的优点是样品粒度要求细(～40ng Li ),分析速度快(2个样品/小时),对混染的微量元素反应不敏感。
(8)Pa 同位素分析方法的改进:Pickett 等(1994)设计出Pa 同位素分析方法LANL ,Bernard Bourdon 和J ean -Louis Joron (1999[25])研制出另一种同位素稀释质谱法分析硅酸盐岩石中231Pa ,误差1～2%。这个方法将扩大231Pa -235U 地球化学实验的应用,因为它不需要237Np 这种危险的α发射体来制备233Pa ,Pa 是作为一种双氧化物在钨丝上处理,与金属法相比,这种钨丝灵敏度高。
3 同位素研究理论方法及其应用
311 常见岩浆岩的氧同位素分馏系数计算
对矿物和岩石之间氧同位素分馏进行平衡研究的方法包括理论计算、实验测定和经验估计。受同位素交换动力学的约束,实验测定常常被应用在相对高的温度区间,而在低温部分则较为困难。经验估计受诸多因素制约,特别是扩散控制的退化同位素交换再平衡。Schuetze (1980)根据矿物晶体化学原理提出计算固体矿物氧同位素分馏系数的增量方法。Zheng (1991,1993[26,27]引入统计力学原理改进了增量方法,实现了对固体矿物氧同位素分馏系数的一级近似定量计算,从而系统地推导出矿物与水之间以及矿物与矿物之间的氧同位素分馏方程,并已获得广泛的地球化学应用。Taylor and Ep stein (1962[28])通过对天然产
出的岩浆岩矿物氧同位素分析发现,硅酸盐矿物的δ18O 值与其Si -O -Si 、Si -O -Al 和Si
-O -M 键(M 代表六次配位或更高配位的阳离子)的相对比例有关。Garlick (1966[29])
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据此提出一个硅酸盐δ18O值与化学指标之间的经验关系,并据此解释了自然界中各种岩浆岩及其共生矿物的δ18O值分布,由此得出的岩石形成温度也比较符合实际。Kalamarides (1986[30])根据K iglapait岩体中全岩和单矿物的氧同位素数据,通过模拟计算得到斜长石、单斜辉石、橄榄石和铁钛氧化物(50%磁铁矿+50%钛铁矿)与拉斑玄武岩之间在1200K ～1550K条件下以及与玄武岩之间在1443K下的氧同位素分馏。Cole et al1(1987, 1992[31,32])利用同位素部分交换技术实验测定了蚀变玄武岩与水之间在300℃～500℃下以及蚀变花岗片麻岩和蚀变黑云母石英二长岩与水之间在170℃～300℃下的氧同位素分馏。赵子福,郑永飞(1999[33])。利用已有金属氧化物和常见硅酸盐矿物的18O增量(I-18O),从理论上定量计算了常见岩浆岩与水之间、斑晶与基质之间的氧同位素分馏系数。结果表明,不同类型岩浆岩氧同位素分馏性质是有差异的,其18O富集顺序在热力学平衡时为:酸性岩>中性岩>基性岩>超基性岩。计算提供了斑晶—岩石在大于1000K时以及岩石—水体系在0℃～1200℃温度范围内两组内部一致的分馏系数方程。这些理论校准与热液交换实验和/或经验估计的结果吻合得较好。计算结果可用于定量确定水—岩交换历史以及各种岩浆岩(特别是含斑火山岩)的氧同位素地质测温
312 确定水溶液中单个离子的氢同位素盐效应的理论方法
T1Driesner和T1M1Seward(1999[34])根据水溶液中氢同位素分馏推出了确定水溶液中单个离子的氢同位素盐效应的理论方法,该方法仅仅基于实验资料,既不涉及参数的人为选取,液不涉及理论假定。通过作钠盐水溶液的实验液相—气相D/H分馏系数与阴离子水合壳中的水分子的O-D伸展频率关系图,说明二者具有线型关系。这条线与同一个图中纯水气—液氢同位素分馏数据点之间的距离给出了阳离子对于同位素盐效应的贡献。阴离子的贡献可以简单表述为总盐效应和阳离子盐效应之间的差异。在此基础上计算出阳离子的盐效应为Na++017,K++017,Mg2++615,Ca2++118,Al3++12。H+离子的盐效应不能明确地表示出来。H+离子本身的同位素分馏加上盐效应的综合效应为+419。阴离子的盐效应为Cl2+114,Br2+217r,I2+315,SO422-114。单个阴离子的盐效应F2-118,NO32+ 419,ClO42+619,CF3SO32+514。
313 矿物—水氧同位素交换反应动力学模型研究
Crisss等[35]和Gregory等[36]对于封闭、开放体系矿物—水氧同位素交换反应动力学理论进行了卓有成效的研究,建立了如下模型:
对于封闭体系,水/岩比值为:δf rδo r/δo fδf f=x w/x r(δo r、δf r、δo f、δf f分别指岩石、流体的初试与最终氧同位素组成,x w、x r分别指流体与岩石中氧的摩尔分数)。
对于封闭体系,矿物—水氧同位素交换反应的动力学方程为:dR i/dt=k iw(αiw R w-R) x w?dR w=(R w初始-R w)u?dt—Σx i?dR i水/岩比x w/x r=(x w+ut)/(Σx i)(u为常数);αiw为矿物/水同位素分馏因子;R i,R w分别为矿物i与流体的氧同位素组成;u为流体标准化流动速率。
4 同位素在成矿作用研究方面的进展
411 铼—锇同位素体系
铼—锇同位素体系已开始应用于成矿作用研究中,特别是在基性—超基性岩有关的岩浆型矿床研究中。Hart K inloch (1989[37])把铼—锇同位素体系应用于布什维尔得矿床,认为该矿床不象以前所认识的是岩浆结晶分异的简单产物。认为锇是由热液流体带入岩浆的。Walker 等(1991[38])通过铼—锇同位素体系对加拿大安大略省萨得贝里铜镍矿的研究后认为该杂岩体是由源于地幔的玄武岩熔体与古老地壳的熔体所混合而成。
412 硼同位素地球化学研究及应用
硼及硼同位素地球化学在地质学中的应用也得到了迅速发展,1999贵阳国际浅成低温成矿会议上有相当数量的论文报道了硼同位素在地质学和环境保护上的应用。硼是易溶元素,因此主要存在于水圈及上地壳沉积岩系中,海相沉积物、大洋热液蚀变玄武岩及海水是硼的主要载体。硼及硼同位素地球化学研究越来越受到重视,已经用于判别古地理沉积环境、大洋俯冲带的分布、盐湖演化、地热流体成因及天体地球化学研究等,目前也开始在矿床研究中应用。根据硼及硼同位素分配理论分析,其应用于矿床研究可以解释成矿流体演化,探讨成矿物质来源。选择矿体中的含硼矿物电气石进行硼同位素测定研究矿建造层的脱水作用和含矿水溶液的交代作用。Robert B 1Trumbull 和Marc Chaussidon (1999[39])研究了史瓦济兰Sinceni 花岗岩和伟晶岩中岩浆作用形成的电气石和热液作用形成的电气石的B 同位素组成。花岗岩、伟晶岩、变英云闪长岩中热液脉中的电气石的化学成分各不相同。电气石的Na/(Na +Ca )和Fe/(Fe +Mg )比率与其对应的围岩全岩比率有关。伟晶岩中的电气石的Al 含量比花岗岩母岩中电气石的Al 含量高。花岗岩中电气石的硼同位素变化范
围窄(δ11B 平均值为—1517‰,σ=113)。伟晶岩中细晶岩带中的电气石具有类似的硼同位素变化范围(平均值为—1512‰,σ=117)。相比之下。粗粒分带的伟晶岩中的电气石和热
液电气石富含轻同位素δ11B —1616～—2310‰这些差异与因流体出溶所致的同位素分馏模
式相一致。电气石—流体的分馏系数使我们估计出溶流体的δ11B 值为—13‰左右。热液电
气石的B 同位素与350～500°C 的沉淀矿物的流体的B 同位素一致。这个温度与流体包裹体测定的温一致。Shao -Y ong Jiang 和Martin R 1Palmer 等(1999[40])利用硼同位素研究了
萨里文PbZn 矿矿尘成因,δ11B 变化范围为—1111～—219‰,与变碎屑岩分布区33个块状
硫化物矿床及电英岩一致。δ11B 的主要控制因素是硼源区。变化范围大主要是:电英岩形
成温度、形成阶段、溶解硼进入到电气石中的硼的含量变化、海水的加入和沉积后机制。该矿床中电气石的大量出现说明碎屑岩不是硼的唯一来源。矿体底部非海相蒸发岩是硼的附加
源。δ11B 变化范围宽说明是这两种硼源混合的结果。结合地质和地球化学研究,认为虽然
沉积后蚀变和热变质很重要,但δ11B 变化范围宽的原因是海水的加入和雷里分馏。硼同位
素已用于板块俯冲带的研究(Simon M 1Peacock 和Richard L 1Hervig 等,1999[41]),许多岛弧熔岩含有俯冲洋壳的物质和沉积物,但是,它独特的地球化学特征是否因流体或(和)硅酸盐熔浆的作用而继承了俯冲板片的地球化学特征却不得而知。硼同位素能区分板片转换机制,因为11B 能优先分馏进入含水流体中,而在部分熔融过程中却很少发生分馏。以前研
究表明,岛弧熔岩的δ11B 值会叠加在蚀变的洋壳((—5～+25‰
)、深海沉积物和浊积岩(—7～+11‰)的δ11B 上。对俯冲带变质岩石中矿物做二次离子质谱分析,δ11B =—11～—
3‰,表明板片的脱水反应降低了俯冲洋壳和沉积物的δ11B 值。相对于俯冲带变质岩而言,
岛弧熔岩具有较高的δ11B 值,源于变质岩板片的含硼组分富含11B ,有助于含水流体作为板
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片转化机制。
413 氦同位素地球化学研究及应用
氦同位素研究取得了明显进展,近年来氦同位素研究进一步证实3He/4He比值可以作为物质起源与构造活动的一个有效标志,一般认为大气氦3He/4He比值为1140×1026,地壳氦3He/4He为n×1028,地幔氦为n×1025。国内外在研究深部构造与地质流体的过程中发现,洋中脊等地的深源样品具有较高的3He/4He比值,可以作为判断成岩、成矿物质来源的一种有效标志。因此,氦同位素的研究引起了广泛重视。
地球形成时从宇宙星云中吸聚的氦,主要是3He,现集中于地球内部,称为原始氦、地幔氦;放射性元素铀、钍裂变产生的氦主要是4He;宇宙射线轰击大气圈中的氮产生3H,由3H转化来的3He称为宇宙成因氦((刘英俊,1984)。幔源物质的3He/4He比值一般高于大气圈和地壳。这一特征可用于区分地质样品的源区。3He/4He以陨石类物质最高;其次是地幔热柱,可达40×1026以上;与地幔热柱、洋中脊或大陆裂谷有关的地热流体也具有很高的3He/4,一般为大气的10倍左右;一些幔源火山岩或幔源包体也具有相当高的3He/4He 比值,但其变化范围比深源地热流体要大;花岗质岩石的3He/4He比值约为大气的1/100,而且不同地区、不同时代的花岗岩变化不大,其高4He含量主要来自U、Th的衰变。因此,3He/4He比值除了用于判断成岩、成矿物质的来源外,还有助于帮助找矿(如铀矿),以及探讨地球的热状态。
目前,氦同位素以广泛应用于地球物质循环研究、定年、油气和金属矿床成因研究、环境检测和地震预报、大地构造(尤其是热点)研究、地质流体研究等领域。
414 L u-Hf同位素地球化学研究及应用
L u-Hf同位素发展及其在地球演化和地幔研究中的应用:在过去的十几年里,由于L u-Hf化学分析方法的极大改进和与之配套的高电离率质谱仪的使用使L u-Hf同位素方法已趋成熟。由于Sm-Nd同位素在所有广泛应用的同位素体系中具最强的封闭性和后期变质作用影响较小的地球化学特性而作为研究前寒武纪地质和地球演化的有效手段。越来越多的L u-Hf同位素证据表明,部分太古宙岩石的Sm-Nd同位素封闭体系发生过不同程度的扰动,使原来有关太古宙地球物质性质的部分认识受到质疑。此外,与同位素母子体同为REE的Sm-Nd元素相对比,分别属于REE和IVB高场强元素的L u-Hf同位素表现出更多的特殊性,且在太古宙地质研究中显示出更强的优势,并对认识太古宙地球的壳、幔物质特征提出了许多重要的制约(凌文黎,1999[42])。
L u-Hf同位素已被广泛应用于大洋地幔和大陆地幔大量的示踪研究(程建萍, 1999[43])。大洋玄武岩研究表明,具亏损地幔端元(DMM)来源的洋中脊玄武岩岩浆部分熔融的初熔区位于石榴石稳定场深度,即深度为80～90km的石榴石二辉橄榄岩地幔,而不是原来所认为的尖晶石二辉橄榄岩区(深度小于60km);以高放射成因Pb为特征的高U 地幔端元(H IMU)应代表了下地幔物质在某一特定时期发生分异作用的结果;球粒陨石与大洋玄武岩Hf同位素对比研究表明,没有原始地幔物质能保留至今的迹象。
415 同位素在矿产勘查中的应用
根据水—岩同位素交换理论,铅氧同位素在国外已广泛应用于矿产勘查中,如Gulson (1990)在澳大利亚德拉克地区二叠纪火山岩中金银矿指导找矿中取得了很好的效果,Tay2
lor 在指导美国内华达州南部Tonopah 金银矿勘查中也取得了理想的效果。
416 铜锌同位素于地球化学示踪铜锌同位素开始用于地球化学示踪,铜有两种同位素65Cu 和63Cu 。(R K Onions ,2000)X 1K 1Zhu 和R 1K 1O ’Nions [44,45]研究表明,在一定的地区,岩浆岩中的黄铜矿具有
一致的65Cu 值。65Cu 值趋于分散是低温水溶液参与下的质量分馏的结果而不是源区的非均性
所致。与陆相硫化物相比,洋底硫化物黑烟囱中的黄铜矿具有较大的铜同位素变化范围。与活动性强的高温热液喷口相比,古老的活动性较弱的火山口相沉积硫化物富集63Cu ,并且具有较窄的变化范围。在一个活动的黑烟囱中,从底部到顶部趋向于富集轻的铜同位素。其原因可用两阶段模式得到解释:热液作用引起65Cu 的优先淋滤;早期形成的铜的硫化物和贫65Cu 的晚期流体的同位素交换。
417 Li 同位素在地质研究中的应用
Li 同位素开始应用于矿床成因研究中,D 1J 1Bottomley 和A 1Katz (1999[46])对Mira 2mar Con 金矿床作了Li 同位素和元素地球化学研究,深部氯化钙化学和同位素研究表明,
卤水为海水来源。其Br/Cl 比值、Li/Br 比值(010*********)和δ6Li (—3211～—
3613‰)类似于海水(—3213‰)。矿区水δ6Li 平均值为3511‰,反映次生矿物吸收了微量
的Li 。相对于未蚀变的变玄武岩(δ6Li 为—514‰
)而言,断层中蚀变的变玄武岩富集Li 单贫δ6Li (—1417～—1516‰)。结合Sr/Ca 比值、Na/Cl -Br/Cl 关系、87Sr/86Sr 比值说明金矿为海水成矿。
5 同位素地球化学研究热点及及动态
(1)目前所发现的碳酸盐岩氧、碳稳定同位素的长期变化特征到底是成岩后生变化所致,还是代表了古海洋相应的原始同位素变化特征。如果是后者,那么导致这种变化的原因是什么?
(2)金属矿床热液矿物和包裹体定年方法是矿床成因学研究的主要课题之一。就目前而言,通过包裹体测年主要有40Ar -39Ar 法和Rb -Sr 法,其他方法应用较少或还没有研究出有效的测试技术。热液矿物测年也往往受到多种因素的限制,如矿床中缺少适合于某种测试方法的热液矿物,热液矿物形成温度高于其同位素封闭温度,同位素丢失等问题影响了矿床定年方法的选取和年龄数据的解释。
(3)利用锆石的U -Pb 体系测定锆石的生长年龄是目前应用最广泛的同位素测年方法之一。锆石不但分布广泛,而且可用U 向Pb 衰变的两种途径(238U →206Pb ,235U →207Pb )组成测年一致线,从而大大提高了该测年方法的准确性和可信度。另外,锆石的稳定性极强,即使岩石受过部分熔融或区域变质作用的影响,也不会把锆石中的所有年龄信息全部丢失。但这些年龄的解释一直被锆石中放射成因铅的部分丢失所困扰。一般来说Pb 通过蜕晶质锆石中的扩散,晶质锆石中的扩散,蜕晶质中的淋滤和蜕晶质的重结晶四个途径丢失。这种丢失的原因和内在因素是当前研究的主要问题之一。刘新秒(1998[46])认为,丢失主要受温度影响。温度低于600℃～650℃时,锆石晶体发生蜕晶质化,在蜕晶质化的锆石中Pb 容易扩散或淋滤丢失。如果岩石的温度一直保持在这个温度之上,锆石不发生蜕晶18 第2期 夜卫平等:同位素地球化学研究进展及动态
28陕 西 地 质 第24卷
质化,Pb很少丢失。只有温度超过1000℃,Pb才有可能通过扩散丢失。在地壳环境中, Pb的扩散不重要。一般来说锆石熔融再结晶,才能导致锆石U-Pb体系的重设。另外,由于蜕晶质化引起的放射成因铅丢失使锆石不一致线的下交点年龄不一定有实际地质意义,解释时要和地质情况相结合。
(4)新的同位素分析方法研究仍然是今后同位素研究的重大课题之一。近几年来,在Cu、Zn、N、B、Pa等同位素测试方法上有新的进展,Ag是金矿和贱金属矿常见的元素之一,Ag同位素的测试和研究必将对矿床定年和矿床成因研究起到一定的推动作用,相信在不远的将来会研究出Ag的同位素分析方法。
(5)矿物—矿物、矿物—水、矿物—岩石同位素分馏研究及同位素分馏系数测定是今后研究的重点之一。目前所研究得出的矿物—矿物、矿物—水分馏平衡方程和平衡系数测定(计算)还很有限,满足不了各种研究的要求。矿物—岩石同位素分馏还只停留在理论研究上,同位素分馏系数也还只是理论上计算(分馏系数增量法),还没有走进实验室。
(6)同位素地球化学与矿床地质学、构造地质学岩石学、天体地质学等方面的紧密结合将不断拓宽同位素地球化学的应用领域,特别是在研究地幔地质、地球演化、海洋环境、生物活动和生态环境等领域的应用将会有新的突破。Sm-Nd和Rb-Sr同位素的发展,为定量确定地幔交代作用的时间问题会提供有力的帮助。如,南非金伯利岩石榴石橄榄岩包体具有比球粒陨石高的和低的比值,依据比值计算的模式年龄为10～14亿年,意味着在南非稳定克拉通下存在着一个古老的交代富集地幔。
(7)水—岩作用及其同位素交换反应将继续是今后研究的热点问题之一。流体—岩石反应是一种重要的地质作用,流体活动在变形岩石的体积损失、质量传输、变形构造、成分变化以及变质分异的发展中起着极重要的作用。更重要的是,在成矿物质的活化、迁移与沉淀过程中均伴随着与流体之间的反应。氧等不仅是流体,也是岩石最主要的组分之一。流体—岩石反应在某种程度上也是氧等同位素交换反应过程。对于封闭、半封闭、开放体系下流体—岩石相互作用和同位素交换反应的定量、半定量模型研究是新世纪地学研究的主要课题之一,并且从定性—半定量—定量化是最终目标。同位素交换速率受交换机制控制,不同体系中同位素交换机制不同,所以,同位素交换机制及实验研究是主要研究工作重点。
(8)地幔同位素地球化学,由于地球中放射性母核素(如147Sm、87Rb、176L u、187Re、40 K、232Th、238U和235U等)的半衰期长,因此,其子同位素比值可以用来研究壳幔的演化历史,与微量元素相结合研究壳幔地球化学结构,如Hof mann(1997[48])通过对太平洋、大西洋、印度洋等洋脊玄武岩(MORB)、全球洋岛玄武岩(OIB)、富集地幔(EMA)、高U/Pb地幔(H IMU)及大陆地壳在内的Sr、Nd、Hf同位素分析了探讨了原始地幔成分。Galer等(1996[49])也通过对MORB源岩的Th/U与208Pb/206Pb的研究后指出,上地幔长期接受着下地幔Th-U-Pb的近似稳态输入。所以同位素和微量元素相结合研究壳幔演化、原始地幔成分、壳幔地球化学结构、地幔交代作用是今后重点研究的课题之一。
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AD VANCEMENT OF LSOT OPE GEOCHEMICAL
SRU DY AN D ITS TREN D
H EI Wei 2ping 1,F EN G Jian 2zhong 2
(11Chener G old Mine ,L uonan ,Shaanxi 726104;21G old Fields China (BV I ),Beijing 100005)Abstract :This paper deals wit h t he advancement of isotope geochemical st udy during t he past ten years and it s f ut ure devlelop ment in t he f ut ure 1As one of t he st udy met hods in geol 2ogy and ot her fields ,isotope represent s revolution of science st udy to some extent and speeds up t he advance of geological st udy 1Radiate isotope dating (K -Ar ,Rb -S ,Sm -Nd ,U -Pb ,Re -Os ,Pb -Pb ,40Ar/39Ar ),micro area researching ,automatization of inst rument ,standardization of analysis ,and improvement of analytical techniques and met hods (L u ,Hf ,Cu ,Zn ,B ,Li ,He etc 1)bring in t he new isotope st urdy t heory and expend t he isotope fields and vista 1
K ey w ords :advancement of isotope research ;f ut ure develop ment of isotope research ;iso 2
tope dating ,micro area analysis ;automatization of inst rument ;standardization
of analysis 5
8 第2期 夜卫平等:同位素地球化学研究进展及动态
地球化学勘查样品分析方法 24种主、次元素量的测定 波长色散X 射线荧光光谱法 1 范围 本方法规定了地球化学勘查试样中Al 2O 3、CaO 、Fe 2O 3、K 2O 、 MgO 、Na 2O 、SiO 2、Ce 、Cr 、Ga 、La 、Mn 、Nb 、P 、Pb 、Rb 、Sc 、Sr 、Th 、Ti 、V 、Y 、Zn 、Zr 等24种元素及氧化物的测定方法。 本方法适用于水系沉积物及土壤试样中以上各元素及氧化物量的测定。 本方法检出限：见表1。 表1 元素检出限 计量单位（μg/g ） 方法检出限按下式计算： L D = T I m 2 3B 式中： L D ——检出限； m ——1μg/g 元素含量的计数率； I B ——背景的计数率； T ——峰值和背景的总计数时间。 本方法测定范围：见表2。 表2 测定范围 计量单位 （%）
2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本方法的本部分的引用而成为本部分的条款。 下列不注日期的引用文件，其最新版本适用于本方法。 GB/T 20001.4 标准编写规则第4部分：化学分析方法。 GB/T 14505 岩石和矿石化学分析方法总则及一般规定。 GB 6379 测试方法的精密度通过实验室间试验确定标准测试方法的重复性和再现性。 GB/T 14496—93 地球化学勘查术语。 3 方法提要 样品经粉碎后，采用粉末压片法制样。用X射线荧光光谱仪直接进行测量。各分析元素采用经验系数法与散射线内标法校正元素间的基体效应。 4 试剂 4.1 微晶纤维素：在105℃烘2h～4h。 5 仪器及材料 5.1 压力机：压力不低于12.5MPa。 5.2 波长色散X射线荧光光谱仪：端窗铑靶X射线管（功率不低于3kW），仪器必须采用《波长色散X射线荧光光谱仪检定规程（JJG810—93）》检定合格。 5.3 氩甲烷(Ar/CH4)混合气体，混合比为9∶1。 5.4 低压聚乙烯塑料环，壁厚5 mm，环高 5 mm，内径φ30 mm, 外径φ40mm。 6 分析步骤 6.1 试料 6.1.1 试料粒径应小于0.074mm。 6.1.2 试料应在105℃烘6 h～8h，冷却后放入干燥器中备用。 6.2 试料片制备 称取试料（6.1）4g，均匀放入低压聚乙烯塑料环中（5.4），置于压力机（5.1）上，缓缓升压至10MPa，停留5s，减压取出。试料片表面应光滑，无裂纹。若试料不易成型，应用微晶纤维素（4.1）衬底，按上述步骤重新压制，直至达到要求为止，也可以使用微晶纤维素衬底和镶边的方法制备成试料片。
方法验证报告 检测项目：钡、铍、铋、铈、钴、铯、铜、镧、 锂、镍、铅、锑、钪、锶、钍 方法名称及编号: 《区域地球化学样品分析方法第3部分：钡、铍、铋等15个元素量的测定电感耦合等离子体质 谱法》DZ/T 0279.3-2016 二O二O年四月
一、方法依据： 根据DZ/T 0279.3-2016电感耦等离子体质谱法测定区域地球化学样品水系沉积物和土壤中钡、铍、铋等15个元素量的含量。 二、方法原理 试料用氢氟酸、硝酸、高氯酸分解，并赶尽高氯酸，用王水溶解后转移到聚四氟乙烯罐中，定容摇匀。分取澄清溶液，用硝酸（3+97）稀释至1000倍。将待测溶液以气动雾化方式引入射频等离子体，经过蒸发、原子化、电离后，根据待测元素的离子质荷比不同用四级杆电感耦合等离子体质谱仪进行分离并经过检测器检测，采用校准曲线法定量分析待测元素量。样品基体引起的仪器响应抑制或增强效应和仪器漂移可以使用内标补偿。 三、仪器、试剂及标准物质 3.1 仪器 电感耦合等离子体质谱仪--安捷伦7900 感量天平--赛多利斯科学仪器有限公司 3.2 试剂 3.3 标准物质
四、样品 4.1 样品采集和保存 按照HJ/T166的相关规定进行土壤样品的采样和保存，样品采集和保存应使用塑料或玻璃容器，采样量不少于500g，新鲜样品小于4℃时可保存180天。 4.2 样品的制备 将采集的土壤样品放置于风干盘中自然风干，适时压碎、翻动，检出砂砾、植物残体。 在研磨室将风干的样品倒在有机玻璃板上，用木锤敲打，压碎，过孔径2mm尼龙筛，过筛后的样品全部置于无色聚乙烯薄膜上，充分搅匀，用四分法取两份，一份留样保存，一份用作样品细磨。 用于细磨的样品混匀，再用四分法分成四份，取一份研磨到全部过孔径0.074mm筛，装袋待分析。 4.3 样品前处理 称取约0.10g（精确到0.0001g）样品，置于50ml聚四氟乙烯（PTFE）烧杯中，用少量水湿润，加10ml硝酸、10ml氢氟酸和2.0ml 高氯酸，将烧杯置于250℃的电热板上蒸发至高氯酸冒烟约3min，取
同位素地球化学论文 近年来，随着同位素样片制备技术的改进和高精度质谱的问世，大大地提高了同位素测试结果的精度和准确性，使同位素地球化学的理论和方法进一步成熟和完善，研究领域不断拓宽。 同位素地球化学研究内容 同位素地球化学是根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。 同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法，为地球与天体的演化提供了重要的时间座标。比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为45～46亿年，太阳系元素的年龄为50～58亿年等等。 另外在矿产资源研究中，同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息，为探索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据。 ①自然界同位素的起源、演化和衰亡历史。 ②同位素在宇宙体、地球及其各圈层中的分布分配、不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；同位素组成变异的原因；并据此探讨地质作用的演化历史和物质来源。 ③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。 根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。稳定同位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化。同位素年代学随研究领域的深入，又分为同位素地质年代学和宇宙年代学。同位素地质年代学主要研究地球及其地质体的年龄和演化历史。宇宙年代学则主要研究天体的年龄和演化历史。 自然界同位素成分变化
国土资源大调查 全国多目标区域地球化学调查进展与成果 中国地质调查局 基础调查部 二〇一〇年七月
目 录 一、工作概况 (1) 二、完成情况 (1) 三、主要成果 (3)
一、工作概况 紧密围绕国民经济和社会发展需求，中国地质调查局于1999－2001年开始在广东、湖北、四川等省实施多目标区域地球化学调查试点工作。从2002年起，全国多目标区域地球化学调查工作正式启动。国土资源部先后与浙江、四川、湖南等18个省区采取部省政府间合作方式，共计投入经费67059.45万元，其中地方经费35809.45万元，占53.4％。2005-2008年，经由温家宝总理批示，财政部设立“全国土壤现状调查及污染防治专项”，由我部与环保部共同负责，目前我部到位经费27511万元，对多目标区域地球化学调查进行专项支持，调查工作扩大到全国31省（区、市）。 二、完成情况 全国多目标区域地球化学调查工作分为调查、评价和评估三个层次开展。 调查阶段：主要任务是掌握情况。全国共计部署450万平方公里调查面积，截至2009年底，已经完成160万平方公里，覆盖我国东、中部平原盆地、湖泊湿地、近海滩涂、丘陵草原及黄土高原等主要农业产区。全国投入地质科技人员500余人，采样人员十余万人，选定部级重点实验室23个，采用大型精密仪器测试地球化学样品60万件，分析3240
万个元素指标。基本查明我国土地有益和有害组分等54种元素指标组成、类型、含量、强度及其分布地区、范围和面积等，填补了我国长期以来土地各项元素指标的空白。 图1 全国多目标区域地球化学工作程度图 评价阶段：针对调查发现问题，按照长江流域、黄河流域、东北平原及沿海经济带等我国主要农业经济区域开展生态地球化学评价，对影响农业经济发展的肥力组分和重金属污染问题进行科学研究，旨在查清土地有益和有害组分成因来源、迁移转化、生态效应和变化趋势等，为土地质量评估提供科学依据。共计采集各类样品12万件，分析各项指标数以百万计。 评估阶段：依据调查和评价结果，根据各省区具体情况，
FHZDZDQHX0065 地球化学调查样品三氧化二铁的测定萃取光度法 F-HZ-DZ-DQHX-0065 地球化学调查样品—三氧化二铁的测定—萃取光度法 1 范围 本方法适用于水系沉积物、土壤、岩石中三价铁的测定。 测定范围：质量百分数为2%~10%三氧化二铁。 2 原理 试样置于聚四氟乙烯坩埚中，以邻菲啰啉、硫酸(1+2)、氢氟酸低温加热分解。加入硼酸，用8-羟基喹啉-氯仿溶液萃取溶液中的Fe3+，所得氯仿萃取液用光度法测定Fe3+。 3 试剂 3.1 无水硫酸钠。 3.2 硫酸(1+1)。 3.3 硫酸(1+2)。 3.4 氢氟酸(ρ 1.15g/mL)。 3.5 邻菲啰啉(C12H8N2·H2O)溶液，8g/L。含8g/L的邻菲啰啉的硫酸(1+2)溶液。 3.6 饱和硼酸溶液。 3.7 8-羟基喹啉溶液于88mL水中加入1g 8-羟基喹啉、10g柠檬酸钠、12mL冰乙酸，搅匀。 3.8 氢氧化钠，c(NaOH)=7mol/L。 3.9 乙酸-乙酸钠缓冲溶液，pH 4 称取32g无水乙酸钠，加入120mL冰乙酸，加水溶解后稀释至1000mL。搅匀。 3.10 8-羟基喹啉-氯仿溶液，5g 8-羟基喹啉用500mL氯仿溶解。 3.11 三氧化二铁标准溶液 称取0.1000g预先经120℃烘干的光谱纯三氧化二铁于烧杯中，加20mL盐酸(1+1)，温热溶解后，冷却，移入1000mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。此溶液1mL含100μg Fe2O3。 4 仪器 分光光度计。 5 试样的制备 试样应粉碎至粒度小于74μm，在室温下自然风干，待用。 6 操作步骤 6.1 空白试验 随同试样的分析步骤进行多份空白试验，所用试剂须取自同一瓶试剂。 6.2 称样量 称取0.05g试样，精确至0.0001g。 6.3 试样的测定 称取50mg试样于聚四氟乙烯坩埚中，加5mL 8g/L的邻菲啰啉的硫酸(1+2)溶液，加15滴氢氟酸，盖上坩埚盖，低温加热至试样分解完全。取下稍冷，加入5mL饱和硼酸溶液，加热至沸。冷却后用棉花过滤入100mL容量瓶中，用热水洗净坩埚、漏斗，冷却至室温后稀释至刻度，摇匀。 吸取10mL溶液于60mL分液漏斗中，加入2mL 8-羟基喹啉溶液。以下分析手续同标准曲线的绘制。 注：按50mg称样计算，FeO含量为8%时对测定无影响。 6.4 标准曲线的绘制 1
水文地球化学研究现状、基本模型与进展 摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门 独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水 的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。 1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。 1 应用水文地球化学学科的研究现状 1. 1 油田水研究 水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。 1. 2 洋底矿藏研究
第33卷第3期物 探 与 化 探Vol.33,No.3 2009年6月GE OPHYSI CAL&GE OCHE M I CAL EXP LORATI O N Jun.,2009 城市灰尘地球化学研究进展 李凤全,潘虹梅,叶玮,朱丽东,曹志纯 (浙江师范大学旅游与资源管理学院地理过程实验室,浙江金华 321000) 摘要:城市灰尘是城市环境学研究的对象之一。对国内外有关城市灰尘的物化特征、时空分布、物质来源、迁移转化、生物效应及环境质量评价等方面的研究成果进行总结,提出在今后的研究中应进一步完善城市灰尘来源的判别、城市灰尘不同空间尺度的研究、迁移转化机理的研究以及环境综合评价研究。 关键词:城市环境学;城市灰尘;环境地球化学 中图分类号:P632 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2009)03-0313-06 随着城市化在全球范围内的飞速发展,以及城市人口的不断增长,客观上需要增加对城市生态环境的了解,并研究城市生态环境与人类健康之间的相互关系。城市灰尘污染和城市大气污染、水污染、噪声污染、城市热岛、光化学烟雾等构成了不同类型的城市环境灾害,城市灰尘对生态系统的破坏是隐蔽的、潜在的、长期的[1]。除城市灰尘颗粒物本身外,其携带的有毒有害元素和化合物等更增强了城市灰尘本身的危害性。因此研究城市灰尘地球化学是评价城市环境质量的一种积极有效的手段。 1 城市灰尘概念 城市灰尘主要是指附着、沉淀于城市人工铺地(道路、桥面、街面、广场)及地面附着物、建筑物的裸露面上,未被固化黏结易于被地表径流、雨水及大气带动、运移和飘浮的固体颗粒物[1]。城市灰尘与大气颗粒物污染有密切的成因演化关系,大量的城市灰尘在风和大气流体的作用下,扬起、沉降、扬起、沉降往复交替循环。城市灰尘中的有害物质通过扩散或在适当条件下,可以发生各种转换形成更具危害的二次和三次污染物[2]。国内外在灰尘物化特征、时空分布、物质来源、迁移转化、生物活性以及环境质量评价等方面积累了较多的研究成果。 2 城市灰尘研究进展 2.1 城市灰尘物化特征 2.1.1 粒径划分及特征 目前国内外的研究对于城市灰尘粒径的划分没有统一的标准,不利于各研究结果进行对比,并最终影响对灰尘中污染物作出恰当的评价。目前的研究大多分析小于某一粒径的城市灰尘:颗粒物过35目(<500μm)用于研究pH和粒度;过65目(<250μm)用于分析有机质;过120目(<125μm)用于分析重金属的总量和赋存形态;过240目(<63μm)用于分析重金属含量[3-6]。 粒度是表征颗粒物行为最主要的参数。颗粒物的全部性质都与粒径有关[2],细颗粒表面积大、吸附力强,从而导致街道灰尘中重金属含量随粒径的减小而增加。街道灰尘的粒径分布一般服从对数正态分布,但也有研究[7-9]发现街道灰尘的粒径分布具有非正态性和多峰性,且主要以砂粒为主。研究表明[5,10]:粒径大于125μm的灰尘对人体的危害较小,粒径小于125μm的颗粒容易吸附在皮肤上,并更易被胃酸溶解,从而被人体吸收;粒径小于100μm的颗粒容易在一定的外动力条件下(如风、车辆行驶)以悬浮方式进入大气并长期滞留;粒径小于66μm的街道灰尘在微风的作用下很容易扬起,是城市大气颗粒污染物的主要来源,一般在雨水冲刷或静风条件下才会降落到地表。 2.1.2 矿物组成 对城市灰尘物质组成的研究,沿用许多自然科学使用的基本方法,通过物质组成发现规律、揭示原理、寻求质的变化[11]。灰尘的矿物组成是与其物质来源密切相关的,研究城市灰尘的矿物组成一方面为研究灰尘的物质来源提供了方向,另一方面也为了解元素的赋存状态提供了一定的物质基础。矿物 收稿日期:2007-10-17 基金项目:浙江省教育厅项目(20060478)资助
《水文地球化学》教学大纲 Hydrogeochemistry－Course Outline 第一部分大纲说明 一、课程的性质、目的与任务 《水文地球化学》是水文与水资源工程专业本科生必修的一门主要专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握水文地球化学的基本原理和学会初步运用化学原理解决天然水的地球化学问题和人类对天然水的影响问题的方法与手段，为学习后续课程和专业技术工作打下基础。 二、与其它课程的联系 学习本课程应具备普通地质学、综合地质学、工程化学和水文地质学的基础。后续课程为水质分析实验、铀水文地球化学、环境水文地质学和水文地质勘察。 三、课程的特点 1．对基本概念、基本规律与常见的应用方法的理解并重。 2．对基本理论与常见水文地球化学问题的定量计算方法的掌握并重。 3. 采用英文教材，中、英语混合授课。 四、教学总体要求 1．掌握水文地球化学的基本概念、基本规律与研究方法。 2．掌握控制地下水与地表水化学成分的主要作用：酸碱反应与碳酸盐系统；矿物风化与矿物表面过程；氧化－还原反应；有机水文地球化学作用等。 3．通过理论讲述、研究实例分析与习题课，使学生理解天然水中常见的化学组份与同位素组成，掌握最基本的地球化学模拟方法与整理水化学数据的能力。 五、本课程的学时分配表 编 号教学内容课堂讲 课学时 习题课 学时 实验课 学时 自学 学时 1 引言及化学背景 （Introduction and Chemical Background） 6 2 酸碱反应与碳酸盐系统 (Acid-Base Reactions and the Carbonate System) 4 2 3 矿物风化与矿物表面过程 Mineral weathering and mineral surface processes 6
第十讲 地质常用主要稳定同位素简介 18O Full atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.
内容提要 ●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素
10.1. 传统稳定同位素基本特征 ?只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40； ?多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集； ?生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen) ?直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成： 1H：99.9844% 2H(D)：0.0156% ?在SMOW中D/H=155.8 10-6 ?氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征 ?与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间； ?1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围； ?从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以H O、OH-， 2 H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用； ?氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
同位素地球化学复习题 1.1同位素地球化学的基本任务 1)研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史； 2)研究同位素在宇宙体、地球和各地质体中的分布分配、不同地质体中的丰度及典型地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因。据此来探讨地质作用的演化历史及物质来源； 3)利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。 4 )研究同位素分馏与温度的关系，建立同位素温度计，为地质体的形成与演化研究提供温标。 1.2 同位素地球化学的一些基本概念 核素同位素同量异位素稳定同位素放射性同位素重稳定同位素轻稳定同位素 2.1 质谱仪的基本结构 四个部分：进样系统离子源质量分析器离子接收器 2.2 衡量质谱仪的技术标准有哪些 质量数范围分辨率灵敏度精密度与准确度 2.3 固体质谱分析为什么要进行化学分离 具相同质量的原子和分子离子的干扰; 主要元素基体中微量元素的稀释; 低的离子化效率; 不稳定发射。 2.5 同位素稀释法是用于元素含量分析还是用于同位素比值分析？元素含量分析 2.6 氢气的制取方法？(有哪些还原剂) U－还原法Zn －还原法Mg －还原法Cr －还原法 2.7 氧同位素的制样方法有哪些？ 1. 大量水样氧同位素制样方法？ 2. 硅酸盐氧同位素的BrF5法制样原理？ 3. 碳酸盐样品的磷酸盐制样法(McCrea法) 2.8 水中溶解碳的提取与制样McCrea法 2.9 硫化物硫同位素直接制样法 2.10硫酸盐的硫同位素制样法(直接还原法) 把硫酸盐、氧化铜、石英粉按一定比例混合（置于石英管中）在真空条件下加热到1120 ℃左右时，硫酸盐被还原而转变成二氧化硫。 2.11 了解下列质谱仪
本文由国土资源部地质调查项目“全国水资源评价”和“鄂尔多斯自留盆地地下水赋存运移规律的研究”项目资助。改回日期:2001212217;责任编辑:宫月萱。 第一作者:叶思源,女,1963年生,在读博士生,副研究员,从事矿水、地热水及水文地球化学研究。 水文地球化学研究现状与进展 叶思源1) 孙继朝2) 姜春永3) (1)中国矿业大学,北京,100083;2)中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定,050803; 3)山东地质工程勘查院,山东济南,250014) 摘 要 1938年,“水文地球化学”术语提出,至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展,其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究,以及人类开发资源和保护生态的需要,水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域,并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。关键词 水文地球化学 研究现状 进展 Current Situ ation and Advances in H ydrogeochemical R esearches YE Siyuan 1) SUN Jichao 2) J IAN G Chunyong 3 ) (1)Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng ,100083;2)Instit ute of Hydrogeology and Envi ronmental Geology ,CA GS , Zhengdi ng ,Hebei ,050803;3)S handong Instit ute of Geological Engi neeri ng S urvey ,Ji nan ,S handong ,240014) Abstract Hydrogeochemistry ,as an independent discipline ,has made substantial development since the term “hydrogeochemistry ”was created in 1938.At present hydrogeochemical theories have been applied to various fields such as oil field water ,ocean water ,geothermal water ,groundwater quality ,endemic diseases and groundwater microorganism ,and related research methods have also become mature.With the further development of chemical thermodynamics ,kinetics method and isotope method ,hydrogeochemistry will surely extend its research fields in the course of multi 2discipline interaction and make new progress in basic theory and quantifica 2tion research ,so as to meet the demand of human exploration and exploitation as well as ecological protection.K ey w ords hydrogeochemistry current state of research advance 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开,在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果(沈照理,1985)。水文地球化学在利用地下水化学成分资料,特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20世纪60年代后,水文地球化学向更深更广的领域延伸,更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用(任福弘,1993)。1981年,Stumm W 等出版了《水化学———天然水化 学平衡导论》专著,较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992年,C P 克拉 依诺夫等著《水文地球化学》分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分,全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题,以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等,概括了20世纪80年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解 答(谭凯旋,1998),逐渐构架起更为严密的科学体系。 第23卷 第5期2002210/4772482 地 球 学 报ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICA Vol.23 No.5 Oct.2002/4772482
矿物岩石地球化学通报 ·综 述· Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｙ，Ｐｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＶｏｌ．３２Ｎｏ．１，Ｊａｎ．，２０１３ 收稿日期：２０１１－１２－０１收到，２０１２－０３－ ０５改回基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ＫＺＣＸ２－ＥＷ－ １０２）；中国科学院地球化学研究所领域前沿项目第一作者简介：范百龄（１９８６－），男，博士研究生，主要从事同位素地球化学方面的研究．Ｅ－ｍａｉ：ｆｂｌ８６０７２６＠１２６．ｃｏｍ．通讯作者：赵志琦（１９７１－），博士，研究员，研究方向：水岩作用过程的硼、锂同位素地球化学研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｚｈｉｑｉ＠ｖｉｐ．ｓｋｌｅｇ ．ｃｎ．地表及海洋环境的镁同位素地球化学研究进展 范百龄１， ２ ，陶发祥１，赵志琦１１．中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳５５０００２；２．中国科学院大学，北京１０００３９摘 要：镁（Ｍｇ）是主要造岩元素，其地球丰度仅次于铁和氧。Ｍｇ几乎参与了地表所有圈层间的物理、化学和生物作用。随着多接收器等离子质谱等分析方法的改进和完善，Ｍｇ同位素显示出更加广阔的应用前景。同时，Ｍｇ独特的地球化学特征，使其在地表及海洋地球化学领域的应用日益广泛。本文主要就近几十年来Ｍｇ同位素在地表及海洋地球化学领域的研究现状、存在的问题以及发展趋势进行系统的总结与探讨。虽然，目前对Ｍｇ同位素的研究还处于早期阶段，但许多研究成果显示，Ｍｇ同位素具有很大潜力成为环境变化的新的指示工具。关 键 词：进展；Ｍｇ同位素； 地球化学；海洋和地表过程中图分类号：Ｐ５９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－２８０２（２０１３）０１－０１１４－ ０７Ａｄｖａｎｃｅ ｏｆ Ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｉｓｏｔｏｐ ｅ ｉｎ Ｍａｒｉｎｅａｎｄ Ｅａｒｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓＦＡＮ Ｂａｉ－ｌｉｎｇ１， ２，ＴＡＯ Ｆａ－ｘｉａｎｇ１， ＺＨＡＯ Ｚｈｉ－ｑｉ １ １．Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ，ｗｈｏｓｅ Ｅａｒｔｈ ａｂｕｎｄａｎｃｅ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｐｌａｃｅ ｏｎｌｙ ａｆｔｅｒ ｏｘｙｇｅｎ ａｎｄ ｉｒｏｎ，ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｊｏｒｒｏｃｋ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｔａｋｅｓ ａ ｐａｒｔ ｉｎ，ａｌｍｏｓｔ，ａｌｌ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ，ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｈｅｒｅｓ．Ｇｉｖｅｎ ｒａｐｉｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｏｆ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ－ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ－ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＭＣ－ＩＣＰＭＳ），Ｍｇ ｉｓｏｔｏｐｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａ ｂｒｏａｄ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅａｒｆｕｔｕｒｅ．Ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｄｉｓｔｉｎｃｔ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，Ｍｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ ｗｉｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ ｉｎ Ｍａｒｉｎｅ ａｎｄ Ｅａｒｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｍｇ ｓｔａｂｌｅ ｉｓｏ－ｔｏｐｅ ｓｔｕｄｉｅｓ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｒｅｇａｒｄｌｅｓｓ ｏｆ ｉｔｓ ｅａｒｌｙｓｔａｇｅ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｃｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｈａｖｅ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ Ｍｇ ｉｓｏｔｏｐｅｓ ａｒｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｈａｎｇｅｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｄｖａｎｃｅｓ；Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｉｓｏｔｏｐｅｓ；ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；Ｍａｒｉｎｅ ａｎｄ Ｅａｒｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ 作为生物营养元素的镁（Ｍｇ ），是地球上的常量元素，其地球丰度（１．６×１０５ ｍｇ／ｋｇ ）仅次于铁和氧，Ｍｇ的克拉克值在２．４×１０４ ｍｇ／ｋｇ（陆壳）～４．３×１０４ ｍｇ／ｋｇ（洋壳）之间［１］。自然界Ｍｇ主要以硅酸 盐形式存在，主要矿物有橄榄石、辉石、角闪石，云母等，也是白云岩的主要组成元素，并广泛参与生命活 动。Ｍｇ有三种稳定同位素：２４ Ｍｇ、２５ Ｍｇ、２６ Ｍｇ ，相对丰度分别为７８．９９％、１０．００％、１１．０１％ ［２，３］ ，三者 的质量差达４％～８％，是相对质量差仅次于Ｌｉ的 第二大非传统稳定同位素，低温地球化学过程会产 生明显的同位素分馏［ ４，５］ 。目前报道的地球样品Ｍｇ同位素组成的变化范围约６． ５‰（图１），天然样品的Ｍｇ同位素组成与其所经历的地球化学过程密切相关，受不同分馏机理的控制。Ｍｇ同位素作为 新的化学示踪剂， 已被用来探索宇宙事件［６～８］ ，示踪古海洋环境［９，１０］，研究风化作用［１１～１３］ 、石笋的形
2002年第1期 矿 产 与 地 质第16卷2002年2月M I N ERAL R ESOU RCES AND GEOLO GY总第88期 表生地球化学研究现状及进展① 王瑞廷1,2,欧阳建平3 (1.西北大学地质系,陕西西安 710069;2.西北有色地质勘查局,陕西西安710054;3.中国地质大学地球科学学院,湖北武汉430074) 摘 要:在界定表生地球化学研究对象及内容的基础上,总结了表生地球化学的五种研究方 法,其中非常规研究方法将占据重要地位,整体论是各种研究方法的基础。同时,对国内外表生 地球化学研究的现状及进展进行综述与分析。区分了狭义表生地球化学与广义表生地球化学 的研究范围,提出二者协调与整合发展是21世纪表生地球化学研究发展的趋势,也是其在地 球系统科学研究和实施“可持续发展”战略中发挥重要作用的关键。 关键词:表生地球化学;表生作用;表生带;表生系统 中图分类号:P596 文献标识码:A 文章编号:1001-5663(2002)01-0061-04 表生地球化学是研究地球表生作用带的化学组成、化学作用和化学演化的一门地球化学分支学科。地球表生带是指地球上大气圈、水圈、生物圈与岩石圈相互作用、接触渗透的界面(即具有一定厚度的界面层)。表生地质作用就发生在这一多圈层交错重叠带内,在该界面内表生地质系统与周围环境不断地进行着能量、物质与信息的交换,表生地质系统是指在地表或近地表条件下由于大气降水和生物等过程作用于原始岩体或矿体而产生风化带的地质系统。该系统是一个开放的、复杂的非线性系统,远非内生条件下所能比拟,这也是表生地球化学研究的一个特点。 1 表生地球化学的研究对象、内容及方法 1.1 表生地球化学的研究对象和内容 表生地球化学是地球化学中一门古老而崭新的分支学科,其核心就是研究地表景观中化学元素的迁移过程和机制。表生地球化学的研究内容十分广泛。它的研究对象是地球的表生带。Fatrb ridge认为地下潜水面以上及以下一小部分属于表生作用的范围[4]。近年来,廖士范认为表生作用分上、下两个带,地下水潜水面以上属表生作用氧化改造带,地下水潜水面以下200～300m以内属表生作用还原改造带,本文中表生作用带即指这一范围。 一般来讲,表生地球化学主要研究元素在表生带的分布、分配、迁移及演化规律和机制。表生成矿地球化学(即狭义的表生地球化学)只是其中的一个重要研究领域。由于表生地球化学环境相对于内生而言要复杂得多,广义表生地球化学研究是多学科的,涉及到自然地理学、土壤学、微生物学、植物学、地质学、生态学、环境科学和气象科学等。它重点研究表生带常温常压有水参与的地球化学,即“外生的或低温的有水参与的地球化学”(R.M.Garrels),包括在地球表面大气圈、生物圈、海洋和水体中以及与其接触的岩石间所发生的化学反应,其中尤以发生在各个界面之间的化学作用为主,也称为常温水岩体系地球化学。常温富水环境对原生岩石的改造是表生地球化学作用的基本问题。表生(作用)地球化学是指大气圈、水圈和生物圈的形成和演化以及它们与岩石圈相互作用的地球化学,它包括风化淋滤作用、海水沉积及成岩成矿作用、生命的起源和演化以及地表生态环境的平衡等几方面的问题。这一定义具有普适性,它涵盖了狭义和广义表生地球化学。表(外)生作用体系所处的物理化学环境与内生地质作用体系统完全不同,其特征可归纳如下[13]: ①低压和低而速变的温度:地表压力范围在101325～2026500Pa之间,地表温度变化幅度为-75℃～+85℃,某些近地表环境,如成岩作用带温度可达100℃～200℃,故表生环境总的温差达300℃。 ②富氧和充足的二氧化碳环境:大气圈P o2= 16 ①收稿日期:2001-09-07 作者简介:王瑞廷(1969- ),男,博士研究生,主要从事矿床地质化学及矿产勘查研究。 基金项目:地质矿产部重点方法技术项目(96012002)和西北有色地质勘查局人才基金。
水文地球化学习题 第一章 第二章水溶液的物理化学基础 1．常规水质分析给出的某个水样的分析结果如下（浓度单位：mg/L）： Ca2+=93.9；Mg2+=22.9；Na+=19.1；HCO3-=334；SO42-=85.0；Cl-=9.0；pH=7.2。求： （1）各离子的体积摩尔浓度（M）、质量摩尔浓度（m）和毫克当量浓度（meq/L）。 （2）该水样的离子强度是多少？ （3）利用扩展的Debye-Huckel方程计算Ca2+和HCO3-的活度系数。 2．假定CO32-的活度为a CO32- =0.34?10-5，碳酸钙离解的平衡常数为4.27?10-9，第1题中的水样25℃时CaCO3饱和指数是多少？CaCO3在该水样中的饱和状态如何？ 3．假定某个水样的离子活度等于浓度，其NO3-，HS-，SO42-和NH4＋都等于10-4M。反应式如下： H+ + NO3- + HS- = SO42- + NH4＋ 问：25℃和pH为8时，该水样中硝酸盐能否氧化硫化物？ 4．A、B两个水样实测值如下（mg/L）： 组分Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-NO3- A水样706 51 881 310 204 4 5．请判断下列分析结果（mg/L）的可靠性，并说明原因。 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-pH A水样50 6 60 18 71 96 183 6 6.5 B水样10 20 70 13 36 48 214 4 8.8 6．某水样分析结果如下： 离子Na+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-含量(mg/l) 8748 156 228 928 6720 336 1.320 试计算Ca2+的活度(25℃)。 4344 含量（mg/l）117 7 109 24 171 238 183 48 试问： （1）离子强度是多少？ （2）根据扩展的Debye-Huckel方程计算，Ca2+和SO42－的活度系数？ （3）石膏的饱和指数与饱和率是多少？ （4）使该水样淡化或浓集多少倍才能使之与石膏处于平衡状态？ 8．已知温度为298.15K（25℃），压力为105Pa（1atm）时，∑S=10-1mol/l。试作硫体系的Eh-pH图（或pE-pH图）。 9．简述水分子的结构。 10．试用水分子结构理论解释水的物理化学性质。 11．温、压条件对水的物理、化学性质的影响及其地球化学意义。 12．分别简述气、固、液体的溶解特点。
第四章同位素水文地球化学 环境同位素水文地球化学是一门具有良好的前景、发展迅速的新兴学科，也是水文地球化学的一个重要分支。目前，地下水资源可持续利用中的重要问题是地下水补给的更新能力及地下水污染程度的评价。用环境同位素技术研究地下水补给和可更新性，追踪地下水的污染是当前国内外较为新颖的方法之一。目前世界上许多国家已将同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。近年来，国内外环境同位素的研究从理论到实践都有较快的发展。除了应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氚、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数等常规方法外；在应用3H-3He、CFCs示踪干旱、半干旱地区浅层地下水的补给，应用14C、36Cl确定深层地下水的年龄，追溯地下水的入渗史，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析地下水的迁移过程，应用11B/10B研究卤水成因等方面都有重要进展。 4.1 同位素基本理论 4.1.1 地下水中的同位素及分类 我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用A Z X N来表示某一原子。这里，X为原子符号，Z为原子核中的质子数目，N为原子核中的中子数目，A为原子核的质量数，它等于原子核中的质子数与中子数之和，即： A=Z+N( 4-1-1 ) 为简便起见，也常用A X表示某一原子。 元素是原子核中质子数相同的一类原子的总称。同一元素由于其原子核中中子数不同可存在几种原子质量不同的原子，其中每一种原子称为一种核素，如C原子有12C、13C、14C等核素，氧原子有16O、17O、18O等核素。某元素的不同几种核素称为该元素的同位素(蔡炳新等，2002)，或者说同位素指的是在门捷列耶夫周期表中占有同一位置，其原子核中的质子数相同而中子数不同的某一元素的不同原子。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类，稳定同位素是指迄今为止尚未发现有放射性衰变（即自发地放出粒子或射线）的同位素；反之，则称为放射性同位素。 地下水中的同位素一方面包括水自身的氢、氧同位素，另一方面还包括水中溶质的同位素。