矿物分馏系数实验测量诌议

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1、矿物分馏系数实验测量诌议作者：陈嵩单位：黑龙江省齐齐哈尔矿产勘查开发总院测试中心许多早期的数据是从矿物-水交换实验得到的，这些实验最初在压力为0.1～30.3GPa的冷封式压力容器中进行，后来的实验改在活塞装置中进行，压力为1.0～2.5GPa，通过增加压力提高交换速率。用活塞装置极大地减少了实验起始时间和淬火时间，所获得的数据也更可靠一些。虽然各套实验设备的设计在细节上不尽相同，但总的来说都包括用贵金属封闭一定数量磨细的矿物和水，并在给定的时间内在一定的温度和压力下使之平衡。在有些情况下加入一些诸如NaF之类的物质以加快重结晶作用。在实验结束后，矿物的氧同位素组成用常

2、规方法测定，水的同位素组成通过质量平衡计算，或者用CO2平衡或BrF5法测定。根据热液实验对同位素交换机制的研究，发现对于许多矿物-水体系，交换伴有溶解-沉淀过程，即小的颗粒溶解，溶解的物质在大颗粒矿物表面上再沉淀。长石类矿物是个显著的例外，其同位素交换明显是通过扩散过程实现的。碳酸盐交换实验第4页共4页为了克服上述一些困难，Clayton等建立了一种新的技术，即使用CaCO3而不是H2O作为同位素交换的介质。该技术的优点包括以下几个方面：①因为许多矿物-碳酸盐体系具有高的热稳定性，可以在高温下进行实验(可高达1300℃)；②可避免矿物具有高溶解度所带来的问题；③碳酸盐

3、同位素分析相对来说要容易些，精度也高一些，因为无水矿物-碳酸盐体系分馏在600℃以上时，在分馏图上仍为通过原点的直线。这项实验方法较为直接，并且其大部分与热液实验类似。将磨细的碳酸盐与待研究的矿物通过在丙酮中研磨完全混合，然后取30～100mg混合物在给定的温度和压力下在实验装置中反应趋衡。在反应结束后，取一部分产物与浓磷酸反应并用常规方法进行碳酸盐的同位素分析；通过乙酸处理，在另一部分样品中溶去碳酸盐，对剩余矿物用BrF5法进行氧同位素分析。CO2交换实验第4页共4页CO2流体与各种物料之间的同位素交换实验已在各种条件下进行过，包括在101325Pa(1atm)熔炉、

4、冷封式压力釜中、内加热压力釜和活塞装置中。上述各种研究都是相似的，它们都是在给定温度下测定平衡后的CO2与各种物料之间的氧同位素分馏。但它们之间仍有两点不同：①一个大气压下的研究都使用气体CO2源(商业钢瓶CO2)，而所有的高压研究除Rosenbaum以外都使用固体CO2源(草酸银或草酸)。②各种实验研究的流体与固体之间的比例也不尽相同。实验中使用很低的流体／固体比值能显示出较快的交换速率。这类实验的一个潜在的、可怕的缺陷是测得的分馏数据可能反映了流体与固体表面原子之间的同位素交换，而不是流体与整个固体之间的交换。高压CO2交换实验在原理上类似于热液和碳酸盐交换实验。这

5、类实验的另一个值得注意的方面是贵金属样品管中的H2流，它将促使CO2发生还原反应，形成H2O、CO甚至石墨和甲烷。这些流体物种之间的同位素分馏将使残余CO2富集18O和13C，这反过来将导致错误的而且较大的CO2-物和CO2-体分馏系数。矿物-矿物-流体交换实验通过对同位素交换反应实验的观察和研究，从而来判断在反应前后矿物质是否产生了变化，这其中当体系的同位素在温度与时间的变化里随之发生了改变，无水矿物可以满足以上的这些条件，这就证明了在高温高压的条件下，对体系同位素的交换实验是目前来说最为科学和准确的同位素分馏系数校准的方法。不过当矿物的含羟基不同的时候，这种简单的从

6、固体至固体，或者从固体至液体的交换实验，会让矿物产生分解，这就要求实验的条件一定要在一个相对平衡科学的条件下来进行。在对岩石的众多研究实验中我们可以得出这样的结果，很多的矿物在H2O或者CO2这样的条件下其基本状况是稳定的，所以可以确定这样的条件完全符合做同位素交换实验所需要的环境。化学合成第4页共4页由于矿物形成过程中的自由能变化显著大于矿物与水之间同位素交换反应的自由能变化，因此能够带动反应产物与溶液之间达到同位素平衡。这样在一定温度下通过化学反应在溶液中直接合成所研究的矿物，然后分别测定矿物和溶液的同位素组成，从而得到矿物-水体系的稳定同位素分馏系数，这就是所谓的

7、化学合成法。McCrea最早应用这种方法，实验校准了碳酸钙-水体系的氧同位素分馏系数。这种方法对于校准低温矿物的同位素分馏系数特别有用，因为在低温下矿物与水之间的同位素交换反应非常缓慢，采用化学合成法具有反应时间短、平衡容易达到等优点。第4页共4页