《矿物－水体系同位素交换动力学》项目成果介绍

《矿物－水体系同位素交换动力学》项目成果介绍

主要完成人：钱雅倩郭吉保
完成时间：1998.6.29.
获奖：2002年度国土资源科学技术二等奖

　　在同位素地球化学研究领域中，矿物－水体系同位素交换动力学的研究是八十年代才开始的一门技术难度大、要求高、探索性强的交叉学科，是以实验研究为基础的前沿基础理论研究课题。
　　随着地学研究工作的不断深入，发现自然界有相当多的地质体中共生矿物间并非都达到了同位素平衡，这种同位素非平衡现象是地质过程中发生的地质事件的原始记录，因此是动态研究地质发展演化过程的重要信息，但必须借助于同位素交换动力学理论才能得到科学合理的解释。同位素交换动力学的研究可为一系列重大地质问题提供与地质过程有关的时间参数、作用机制和瞬时温度等，对探讨成岩成矿作用，深部地质作用，水/岩交换及其动态演化过程等具有重要的理论和实际意义。
　　电气石在自然界分布很广，是成岩成矿作用的指示矿物。但迄今仅有Blamart等人实验测定了500和600 ?C两个温度点的电气石和水之间的氢同位素平衡分馏系数，他们报道的在同一温度（600 ?C）条件下几组实验测定的分馏系数值远远超出实验误差范围，也未得到氢同位素平衡分馏方程；此外，kotzer等人利用不同地质环境中共生的石英和白云母的氧同位素平衡温度，获得了350－600 ?C温度范围内电气石的氢同位素平衡分馏经验方程式。目前国内外尚未见报道电气石－水体系的氢同位素交换动力学资料和实验测定的平衡分馏方程。
　　本研究在国际上首次报导了由实验测定的电气石-水体系的氢扩散系数、扩散活化能和相应的动力分馏方程，封闭温度和冷却速率的关系，氢同位素平衡分馏方程等基本参数及氢同位素动力分馏机理；并获得了具有重要地质意义的白云母、角闪石、绿帘石等矿物和水之间终止氢同位素交换的封闭温度和冷却速率的关系；首次分别确定了氢键和非氢键羟基矿物的氢同位素分馏方程通式，并提出了矿物－水体系氢同位素分馏方程的斜率与矿物晶体结构有关、截距与矿物化学组成有关的新认识。通过研究还建立了优于国外的氢同位素分馏实验研究方法，使实验精度明显好于国外报道的资料。
　　研究所得的电气石、白云母、角闪石、帘石等矿物和水之间氢同位素交换的封闭温度和冷却速率之间的关系，对了解这些矿物保存原始同位素组成的能力提供了定量依据，也是考察地质体形成后是否发生地质热事件及研究地质体冷却史的重要依据。研究结果表明电气石与白云母的终止氢同位素交换的封闭温度较高，说明电气石、白云母在较高温度的热液作用下才能与水进行同位素交换，即不太容易受后期热液影响，能较好地保存原始同位素组成，从而为电气石用于示踪成岩成矿作用的研究提供了重要的理论依据。所得的氢键和非氢键羟基矿物的氢同位素平衡分馏方程通式，对快速准确获得还缺乏分馏系数的羟基矿物和/或类质同象系列羟基矿物的氢同位素分馏方程、分馏系数和了解氢同位素分馏性质等都具重要的实用价值。本研究所得同位素分馏基本参数和相应方程可广泛应用于地球化学、矿床学、岩石学等地学领域的科研和教学，对推动同位素地球化学、矿床学、岩石学、地球化学等学科的发展可起重要作用，使地学研究工作由静态向动态、定性向定量研究发展。
　　研究成果巳在国际刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta 》、国内刊物《科学通报》及《地质学报》等重要刊物上发表了有关论文，并已在全国稳定同位素地球化学学术讨论会(1995)、第三十届国际地质大会(1996)、第六届全国同位素地质讨论会(1997) 、第六届全国分析化学年会(1997) 及地矿部“八五”重大科技成果交流会(1997) 、第二届世界华人地质科学会议（2000）等国际、全国性重大会议上进行了交流。已有多国专家来函索取有关论文。研究成果得到国内外同行专家的重视和好评，在国际上已产生一定影响。由国际联机检索结果表明，本成果全部论文已被国内外主要文摘和数据库，如美国化学文摘、美国地质学题录和索引及中国地质文摘等多次收录，并已进入SCI检索系统。目前已被高校博士生论文、国内外专家学者在《Chemical Geology》、《Journal of Petrology》等刊物发表的论文及出版的著作中多次引用，国际同位素地球化学专家Cole等（2001）著的同位素地球化学专著《Stable Isotope Geochemistry》中也多次引用了本研究资料。表明该项成果已得到了国际学术界的认可和重视。1998年科技部对1997年度国内十大学科在国际高影响因子刊物上发表的论文和作者进行了表彰，本研究在国际权威刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》上发表的论文“Hydrogen isotope fractionation and hydrogen diffusion in the tourmaline-water system”是地学学科中唯一一篇受表彰的论文。表明研究成果具有重要理论意义、广阔的推广应用前景和良好的社会效益。
　　同位素交换动力学是同位素地球化学学科的前沿课题，而矿物的动力学基本参数的测定又是其中最基础的研究工作。目前国外学者已对部分矿物的扩散动力学开展了实验研究，但还有不少矿物缺乏实验测定的扩散动力学参数，使系统研究地质过程中的同位素交换动力学受到一定限制。矿物氢同位素交换动力学的实验研究在国内尚处空白。为在同位素交换动力学数据库中填上由我国测定的基本参数，丰富同位素地球化学基础资料，该项目组在国家自然科学基金等基金资助下开展了这项基础性的研究工作。然而众所周知，一般的同位素数据要获得国际上同行专家认可已不是一件容易的事，更何况在国内实验室测定的同位素基本参数要获得国际上同行专家认可，难度可想而知。该项目组在项目开题时就意识到做基本参数的研究工作，首先必须一丝不苟确保数据资料的准确性，努力提高实验精度。面对实验室条件有限、研究经费又较少，不可能在实验室设备更新后再开展研究的现状，项目组认真分析了国外同类研究工作的成功和不足之处，从实际出发，以多年实验研究工作的经验，大胆创新，改进国外现有研究方法，经反复试验，潜心探索，终于建立了优于国外的氢同位素分馏实验研究方法。在实验研究中，用不透氢的石英管代替国外所用的金(或银、铂)管作同位素交换反应容器，，并采取小的水/矿比、小的样品量及在真空条件下焊封和提取样品等一系列创新和改进措施，以极低的成本创造了一个小的超净实验环境，有效地避免了高温高压条件下氢透过容器壁扩散及样品受大气水污染等影响实验精度的弊端，从而使实验精度明显好于国外报道的资料，并获得了国际上同行专家的认可和高度评价。(地调部供稿)