同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处

大家好，感谢邀请，今天来为大家分享一下同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处的问题，以及和稳定同位素的地球化学应用领域的一些困惑，大家要是还不太明白的话，也没有关系，因为接下来将为大家分享，希望可以帮助到大家，解决大家的问题，下面就开始吧！

一、有机矿产的碳同位素地球化学

石油、天然气、煤是主要的能源矿产，它们的碳同位素组成对认识其成因、寻找潜在资源具有重要的意义。

石油源岩有机质的研究表明：源岩的干酪根的同位素组成主要取决于它们的原生物的同位素组成（廖永胜，1997）。干酪根是沉积物和沉积岩中不溶性的有机质，一般占沉积有机质的95%以上。腐殖酸与腐殖质是生物死亡埋藏、腐解聚合后，向干酪根转变的中间产物。干酪根按其原始母质与性质分为三类：①腐泥型（Ⅰ），主要由动物与低等植物遗体组成，富含类脂化合物与蛋白质的分解产物，以脂肪烃结构为特征，H/C比值高；②腐殖型（Ⅱ），主要由高等植物遗体组成，富含木质素与碳水化合物分解产物，以芳烃结构为特征，H/C比值低；③腐殖-腐泥型（Ⅲ），为上述二类间的过渡类型（涂光炽等，1984）。

自然体系中干酪根的δ13C在-32‰～-10‰之间。陆相盆地中形成的干酪根因其类型与沉积环境不同在碳同位素组成上存在明显差异。Ⅰ型干酪根的δ13C在-30‰～-27‰，Ⅱ型干酪根的δ13C为-27‰～-26‰；Ⅲ型干酪根的δ13C为-26‰～-22‰，一般大于-25‰。典型淡水藻类I型干酪根的δ13C为-30‰～-28‰。

干酪根热降解形成烃类等液态物，这些降解物继承原始母质的一些特征。模拟实验证明，降解产物仍可区分水生植物、陆生植物与海上浮游动物，但系统较母质轻，这是由于热解分馏作用的结果。

氯仿沥青A可以看作是残留在生油岩中的原油，其δ13C值与具亲缘关系的储层原油δ13C值是一致的，在-34‰～-19‰之间变化。从沥青质到烷烃其碳同位素的变化规律一般是：沥青质＞非烃＞芳烃＞烷烃。在“石油窗”阶段，原油、氯仿沥青A与干酪根其δ13C值之间的差值一般在1.5‰以内。但在低成熟阶段生成的原油和干酪根之间存在明显的碳同位素组成上的差异，尤其是饱和烃的δ13C值比干酪根的低得多。

用原油δ13C值确定生油岩沉积相已证明是有效的。如，第三系海相有机质和海相成因原油的δ13C值为-29.4‰～-22.2‰，而陆相原油的δ13C值多集中在-32.0‰～-27.0‰。当原油老于新生代而要用原油的碳同位素鉴别其生成环境时，必须非常慎重。

碳同位素组成在油源对比上可确定含油气盆地中原油、天然气、源岩之间的成因联系，油气运移方向与距离及油气的次生变化，这方面的工作主要包括：。

1）原油与氯仿沥青A及干酪根对比。具有成因联系的原油、氯仿沥青A和干酪根，它们之间的δ13C值存在如下关系：

如果它们之间不具成因关系，其δ13C值之间的差别远远大于1.5‰。

2）原油和重油岩氯仿沥青A的族组分碳同位素对比。既可用原油与氯仿沥青A相对应族组分的碳、氢同位素相关图进行油源对比，也可用原油的烷烃、芳烃与氯仿沥青A相同族组分的碳同位素相关图进行油源对比。

3）原油族组分与干酪根的碳同位素类型曲线对比。生油岩干酪根-原油族组分的同位素类型曲线，可对比原油-原油、原油-生油岩的关系。其方法是将各种原油所分离的烷烃、芳烃、非烃、沥青质沿纵轴等距离分布，横轴则表示所测定的δ13C值。作图时，根据族组分的极性从弱到强的顺序连成一曲线，也就是“同位素类型曲线”。如果把类型曲线外推到干酪根区域，可得到干酪根碳同位素组成的外推值，外推值与实测干酪根的δ13C＜0.5‰，即可认为原油与该干酪根所代表的生油岩之间具有成因联系。该法进行对比的条件是：①在碳同位素组成上干酪根≥沥青质≥非烃≥芳烃≥烷烃；②生油岩与原油相应成熟度范围是镜质体反射率（RO）=0.5%～1.2%是最好的对比范围；③原油未受到细菌的强烈降解作用；④原油来源于单一生油层。

4）原油和氯仿沥青A的族组分碳同位素类型曲线对比。它是一种改进的“同位素类型曲线对比法”，即用原油族组分δ13C值与生油岩氯仿沥青A族组分的δ13C值组成的匹配曲线进行油源对比。此法不仅可以确定油源岩和油源岩供油深度，而且还可以确定石油运移路线和多储层油藏的形成。方法是分析氯仿沥青A族组分的δ13C值，纵轴按烷烃、芳烃、非烃、沥青质等间距排列，横轴的δ13C按随深度变化绘制系列同位素类型曲线，将原油的碳同位素类型曲线与之比较，两种曲线形状一致的对应生油层和深度，便确定为原油的生油层和供油深度。在应用此方法时要注意原油没有受到过强烈的生物降解、水洗等次生作用，也没有多个生油层供油。

天然气是指岩石圈中蕴藏的以烃类气体为主的气藏，其中还含有一定量的CO2、N2、H2S、He、Ar及非烃类气体。根据天然气的原始物质来源可分为有机成因气、无机成因气与混合气三大类。有机成因气可进一步分为生物气、油型气和煤型气。根据成熟度演化可分为早期生物气、热解气和裂解气等（陈文正，1997）。

各种成因甲烷的δ13C变化于-91.2‰～-14.1‰之间，主体分布于-54.0‰～-30.0‰之间。乙烷的δ13C在-44.1‰～-20.0‰之间变化，主要分布于-38‰～-24‰之间。丙烷的δ13C在-38.7‰～-11.8‰之间变化，主体分布于-36‰～-22‰之间。丁烷的δ13C变化范围是-33.1‰～-20.8‰，主体分布于-30‰～-24‰之间。从甲烷到丁烷，变化幅度变小。

无机成因与有机成因烷烃气的碳同位素组成存在明显的差别，无机甲烷比有机甲烷富含13C。无机甲烷的δ13C值变化于-3.2‰～-41.0‰之间，一般大于-30‰。东太平洋洋中脊热液喷出口的甲烷被认为是无机甲烷，其δ13C值为-17.6‰～-15.0‰。有机甲烷的δ13C变化范围为-10‰～-91.2‰，一般小于-20‰，仅个别煤矿的瓦斯气大于-20‰。特别富13C的瓦斯气可能是煤层吸附与解吸形成的，实验证明此过程可引起碳同位素14‰以上的分馏。有机烷烃气的碳同位素组成关系一般是正排列，即δ13C上，丙烷＞乙烷＞甲烷。无机烷烃的碳同位素的关系正好相反，但因重烃含量极少，不易测得。

生物气是指有机质在未成熟阶段（RO≤0.4%）微生物的生化作用形成的天然气，因此，又可分为细菌气、生物化学气、沼气。典型生物气的主要成分是甲烷，是天然气中最轻的，其甲烷δ13C＜-58‰。

油型气是腐泥型有机母质进入成熟阶段（RO＞0.4%）形成的天然气，以饱和烃为主，含有少量的芳烃，是成油的主要母质。甲烷δ13C在-30‰～-58‰之间。

煤成气是腐殖型有机质进入成熟阶段形成的天然气。这种气体是整个煤化作用过程的产物。其母质特征是主要含多环芳烃、缩合稠环芳烃，少量饱和烃。煤型气在有机气体中最富13C。甲烷的δ13C在-13.3‰～-63.4‰之间。

一般将分成三大类：腐殖煤、腐泥煤、腐殖腐泥煤。每种类型的煤在煤化作用过程中会发生规律性的变化，腐植煤变化为泥炭-褐煤-烟煤-无烟煤。煤的显微组成是指在显微镜下可以区分和辨别的煤的基本组分，在煤岩学中通常把煤的有机显微组分划分为壳质组、惰性组和镜质组。全煤的δ13C值在-30.8‰～-19.9‰之间变化，主要分布于-26‰～-22‰间。煤的δ13C值的变化主要是煤岩组分变化造成的，煤岩组分中藻质体的碳同位素最轻，丝质组碳同位素最重，镜质组的碳同位素处于两种之间（段玉成，1997）。煤中显微组分壳质体含量变化对煤的碳同位素影响最大，壳质体含量越高，煤越轻。不同煤岩显微组分所生成的甲烷气其δ13C值存在明显差别，多数煤岩显微组分δ13C之间的关系是：惰性组＞镜质组＞壳质组。

煤的抽提物——氯仿沥青A的族组分碳同位素组成上有以下规律：

1）煤的氯仿沥青A及族组分的碳同位素组成变化足以区别其差异，不同地区、不同煤的氯仿沥青A相差3.4‰，非烃相差4.4‰，族组分中饱和烃最富12C，比腐泥型生油岩的氯仿沥青A及族组分的δ13C均低于3‰～5‰。

2）煤的抽提物常具有芳烃组分富集13C的特征，极性更强的非烃与沥青质组分演化到瘦煤阶段以后，常常比芳烃具更轻的同位素组成。

3）长焰煤（RO=0.6%）和肥气煤（RO=0.8%）阶段，煤的抽提物的族组分碳同位素组成，具有随极性增大碳同位素组成变重的特征，这个阶段是油、气成熟的主要阶段。

4）不同煤化阶段，煤的抽提物碳同位素组成具有不同的特征，如从褐煤（RO=0.39%）到焦煤（RO=1.53%）阶段，抽提物族组分同位素分馏效应不大，一般在3%～4%的范围内，但随着煤化作用的加强，抽提物族组分碳同位素变轻，一般差值大于6%。

5）在不同煤田中的同一煤种的抽提物，其碳同位素分馏效应可以很大，在5%左右，甚至有的可达8%，可能与成煤物质和成煤环境密切相关。

对低阶煤和碳质泥岩热模拟实验的各种产物研究表明：热解气中甲烷随实验温度增高（煤的RO值增大），甲烷的δ13C值由重变轻，再由轻变重。甲烷碳同位素最轻的区间与液态烃及重烃产出高峰段基本一致，二氧化碳的δ13C值与甲烷的δ13C值负相关。热解气甲烷的δ13C与成熟度之间的关系为

煤的干酪根δ13C值，一般与抽提物氯仿沥青A的δ13C相比，高出0.5‰～1.5‰，而与热模拟煤残渣的δ13C极为相似。

二、Nd同位素地球化学的研究内容有哪些

Nd同位素地球化学研究涉及3个方面内容:地球的初始143Nd/144Nd值，地幔和地壳钕同位素演化。

D.J.Depaolo和G.J.Wasserburg(1976)对世界不同地区古老岩石样品的Sm－Nd同位素的研究表明，在以年龄为横坐标和初始143Nd/144Nd值为纵坐标的图中，这些样品均呈线性关系，根据这条直线斜率求出的Sm/Nd值与球粒陨石的Sm/Nd值相一致。尽管一些样品的投影点稍有偏离球粒陨石的演化线，但大于25亿年的样品都能很好落在这一直线上。这表明地球与球粒陨石的初始143Nd/144Nd值非常相似，因而可以用球粒陨石的初始143Nd/144Nd值代表地球形成时的钕同位素组成。基于这一思想，经测定的Juvinas玄武质无球粒陨石(Lugmair等，1975)和Angra－dos－Reis辉石无球粒陨石的初始143Nd/144Nd值(Lugmair等，1977)，分别为0.50677±0.00010和0.50682±0.00005，两者均在实验误差范围内，现在采用前者的测定值(0.50677±0.00010)作为地球的初始143Nd/144Nd值。

地幔中的钕同位素组成并不均一。地幔钕同位素的演化有两种模式。

1)单阶段演化模式:它是由G.W.Luymair等(1976)根据大洋地区新生代玄武岩的钕同位素研究提出的。其观点是:假定大洋地幔从地球形成时开始一直对Sm和Nd保持着封闭状态，连接新生代玄武岩和地球的初始钕同位素组成得出一个称之为NDOB的带，它代表大洋地幔的钕同位素演化。目前测定的大多数地幔的来源岩石钕同位素组成均分布在这个带的附近。

2)两阶段演化模式:它是由P.Richard等(1976)提出的。根据已有各种幔源岩石的钕同位素资料，他们推测:地球在45.5亿年前的初始143Nd/144Nd值，与Juvinas玄武质无球粒陨石(0.50677±0.00010)接近一致;地幔具有球粒陨石的Sm/Nd比，在t年前一直对Sm、Nd保持封闭，在t时地幔的不同部分由于化学分异作用出现不同的Sm/Nd比;现今玄武岩浆是由t年前分异的地幔不同部分经部分熔融形成的。由于地幔在岩浆分异时对Sm和Nd不保持封闭状态，所以两阶段演化模式更能反映地幔钕同位素的演化特征。但是，在实际工作中仍有许多问题有待深入研究。地壳中钕同位素演化十分复杂。总的趋势是:由地幔分异形成的地壳物质比地幔相对富集Sm和Nd，但Sm/Nd较地幔低得多。这表明在大陆壳形成过程中，地幔Nd比Sm更容易向地壳迁移。所以地壳物质的钕同位素演化，即143Nd/144Nd的增长速度比地幔慢得多，其演化曲线的斜率比地幔小。

图2－4中，黑色箭头代表球粒陨石均一库(CHUR)钕同位素的演化线，至今(143Nd/144Nd)CHUR(0)=0.511836(现代值)。最上部的阴影区代表地幔物质的演化。不同时间新生地壳物质的143Nd/144Nd演化分别用细实线表示。

图2－4地球的钕同位素演化示意图

三、稳定同位素的地球化学应用领域

研究领域主要有两个方面：稳定同位素地球化学和同位素年代学，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规律，并用以解释岩石和矿石的物质来源及其成因等地质问题，同位素年代学又分为同位素地质年代学和宇宙年代学，前者主要研究地球及其地质体的年龄和演化历史，后者则主要研究天体的年龄和演化历史，稳定同位素地球化学：。

同位素地球化学的一个研究领域。主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律，并用来解决地质问题。稳定同位素包括放射衰变成因的和非放射成因的，如206Pb、207Pb、208Pb、87Sr和143Nd就是分别由238U、235U、232Th、87Rb和147Sm放射衰变而形成的稳定同位素；而H、C、O、S的同位素如1H、2H、12C、13C、16O、17O、18O、32S、33S、34S、 36S则是天然稳定同位素。由于H、C、O、 S的原子序数小于20，所以其同位素又可称为轻稳定同位素。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用。同位素分馏指由物理、化学以及生物作用所造成的某一元素的同位素在两种物质或两种物相间分配上的差异现象。引起同位素分馏的主要机制有：①同位素交换反应。是不同化合物之间、不同相之间或单个分子之间发生同位素分……?同位素年代学从诞生至今已经一个多世纪，但至今发展速度很快，新方法、新理论不断提出，新技术得到了不断地应用，尤其是高精尖仪器的引入，发展异常迅速，几乎每天都有新发现。以下仅简要介绍常规方法及部分进展，以起到以管窥豹之效。

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