氦同位素在地质化验中的应用

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1、氦同位素在地质化验中的应用氦(He)元素是极其不活泼的元素之一，在自然界中氦同位素有着巨大的变化范围，3He/4He=10-1-10-4；不同成因和的氦，其丰度和同位素组成明显不同，这为氦元素在地质化验中的应用提供了依据。本文以氦气同位素化验为例详细介绍了固体样品加热-熔样分析方法，并简单列举了氦同位素在地幔化验中的应用。关键词：氦同位素；地质；应用一、引言　　氦(He)元素是极其不活泼的元素之一，它位于化学元素周期表的零族。因为其化学性质极其不活泼，不参与任何化学反应过程，所以在自然界中氦元素以游离态的形式存在，不受任何化学条件变化的影响。在自然

2、界中氦同位素有着巨大的变化范围，3He/4He=10-1-10-4；不同成因和的氦，其丰度和同位素组成明显不同，这为氦元素在地质化验中的应用提供了依据。另外，氦气随着地壳构造活动、地层应力变化、地热事件变化和迁移活动等而发生很强的扩散和释放，如地震活动会造成岩石释放大量贮存在其内部的氦气。因此，人们可以根据岩石、流体矿物质等内部含有的氦同位素比例可以得出地质变化的重要信息。　　目前，氦同位素己经成为了地质科学家研究地质变化的重要方式之一，通过氦同位素研究可以得出区分地内、地外物质，陨石起源，判别石油天然气成因；另外，氦同位素研究还是划分陨石类型，陨

3、石暴露年龄，示踪陨石撞击事件，区分地慢类型，地慢流体成矿原因以及追踪地层深处大断裂活动的重要手段。　　我国对于氦同位素在地质化验方面的研究起步较晚，没有成熟的技术，更没有先进的仪器。随着经济技术的发展，我国科学院兰州地质研究所建立了国内第一家氦同位素气体样品分析地质矿物质的方法，主要用于氦同位素在石油、天然气化验方面的研究。本文以氦气同位素化验为例详细介绍了固体样品加热-熔样分析方法，并简单列举了氦同位素在地幔化验中的应用。二、地质化验中氦同位素的测量方法　　氦同位素可以分析气体样品进行分析，也可以分析固体样品，但固体、液体样品和气体样品的处理方法

4、及进样方法是不一样的，但首先都要采用基本相同的方法把氦惰性气体纯化和分离。下面我们以氦气同位素化验为例详细介绍一下固体样品的加热-熔样分析方法。2.1样品的处理　　对于固体样品，处理较多的就是单矿物或全岩样品，它们都可用于氦气同位素分析，但在处理之前一定得保证样品新鲜、有代表性。对于这类样品一般采用压碎法分析，首先将大块样品破碎至直径在6mm以下的小颗粒，用蒸馏水冲洗三遍，以除去样品吸附在表面的杂质。再将样品放至丙酮液体中，用超声波超洗20-30分钟，以便彻底除去样品裂隙和表面中的有机质等杂质，清洗后将样品放置在105℃的烘箱中烘干。最后，称取50

5、0mg左右的样品六份，分别装入样品装样器中，将装样器接回系统，抽真空，检查真空情况，确保系统密封良好。当样品为细粒或粉末样品时，应该先用铝箔包好后再放到树型装样器中。缠上加热丝，于100oC，加热去气24小时。值得注意的是，固体样品中的碳酸盐、硫化物等成分在加热熔融过程中会分解成大量的活性气体释放出来，从而影响惰性气体的纯化分离。2.2空白样品的处理　　为了消除前次测样的记忆效应，同时检查整个系统运行状况，还应该在测试样品之前先测量系统的空白本底，以便扣除空白本底对样品测量结果的影响，当然，空白本底测量与样品测量过程完全相同。样品测量的程序下面将详

6、细介绍，这里不再赘述。3He的本底为2×10-17cm3STP，4He的本底为2×10-11cm3cmSTP，本底的3He/4He比值为1×10-6。在大多数情况下，本底的影响是微不足道的(<l%)，可以忽略。如样品量太少，则需扣除本底的影响。如本底过高，必须查找原因，消除影响，直至本底降至所期望的范围之内。2.3氦同位素的质谱测量　　测量样品之前首先测量标准气体，并根据标准气体的测量结果计算样品的氦同位素比值和氦含量。标准气体是由大气纯化制成的，并利用大气进行了多次标定。该质谱仪原来只配备了氢和氦的测量程序，在研究过程中我们新研制了Ne、K

7、r和Xe的测量方法，扩大氦气同位素的研究范围，提高了该仪器的使用效率。　　样品的氦同位素质谱测量程序与标准气体的同位素质谱测量程序基本相同，但样品的氦气含量和同位素比值变化较大，有时杂质气体较多，需要根据具体情况具体处理。这里不在赘述。若样品的He含量太低，空白的影响不能忽略时，则需要进行空白校正。目前国际上还没有固体样品的氦同位素标准，我们对标准气体进行了多次测量。仪器自动给出的3He/4He比值的分析精度为1%-5%，根据6次重复测量结果计算出的重现性。三、氦同位素在地中国大陆质化验中的应用举例　　氦同位素是地质化验中研究地幔交代作用、划分地幔

8、类型的重要手段之一，随着人们在东南太平洋地幔研究的逐渐成熟，科学家门开始关注重视大陆地幔研究。氦同位素组成反映了地幔源区的