同位素地质学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第569页（3307字）

由放射性同位素地质年代学和稳定同位素地质学两部分组成。

前者通过放射性衰变研究地球和地质体的年代；后者通过自然界稳定同位素比值的变化研究地球和地质体的演化规律。因此，同位素地质学在研究地球和地质体的时空变化规律方面有重要意义。

1905年，波尔特伍德(B．B．Boltwood)和卢瑟福(E．Rutherford)首先用化学铅法和氦法测得铀钍矿物的4．10～5．35亿年的数据，从而推翻了地球年龄不大于4000万年的错误观点。

1914年，索德(F．Soddy)根据同一元素具有不同质量数的发现，提出了“同位素”这一概念。

1932年，尤里(H．C．Urey)等发现了氢的同位素。接着，人们用统计力学的方法计算了H、O、N、C、S和其他元素的同位素在化学性质上的差异。

1918～1919年，阿斯顿(F．W．Aston)和登普斯特(A．J．Dempster)首先设计出用于同位素分析的质谱计；后来，他们用质谱计发现了周期表中大部分元素的天然同位素，并且测量了它们的质量和丰度。30年代，班布里奇(K．T．Bainbrige)进一步改进了质谱计。

30～40年代，尼尔(A．O．Nier)用他设计的质谱计测定了各种矿床中的铅同位素组成，并对太阳系中铅同位素演化和地球年龄进行了探讨。1939年，尼尔和格尔布兰逊(E．A．Gulbransen)首次报导了自然界碳同位素组成的变化。

1935年，尼尔用改进的质谱计分析了铀、钍、铅的同位素组成，建立了比化学铅法更精确的U－Th－Pb测年法。1936年，斯塔里克(U．E．Ctapuk)根据铅矿同位素组成给出52亿年的地球年龄数据。

1947年，霍姆斯(A．Holmes)根据尼尔5个矿物的U－Pb年龄和其间的沉积厚度推算各时代的年龄值，给出了第1个较完整的地质年代表。1953年，毫特曼斯(F．G．Houtermans)根据铅矿石同位素组成给出地球年龄为45亿年。1943年，哈恩(O．Hahn)等报导了第1个Rb－Sr法年龄数据。1948年，奥尔德里奇(L．T．Aldrich)和尼尔利用质谱计测定了4个老矿物(正长石、微斜长石、钾盐和无水钾镁矾)的氩含量，证实它们都含有放射成因氩。

1950年前后，K－Ar法被前苏联、美国等国家所建立。至此，U－Th－Pb法，Rb－Sr法和K－Ar法都先后发展起来，成为3种最重要的测年方法。

1947年，尼尔研制成功比值质谱计，同位素比的测量精度从1%提高到0．1%，使之可能精确测定D／H、¹³C／¹²C、¹⁸O／¹⁶O和³⁴S／³²S等比值。同年，尤里发表了同位素热力学性质的论文。

这些，都为稳定同位素地质学奠定了基础。

接着，美、英、前苏联等国先后建立了稳定同位素地质实验室，进行了大量硫、氧、氢、铅、碳等同位素地质的研究。

50年代至70年代，同位素地质学获得了迅速发展。首先，分析技术方法进一步提高和完善。

1969年，沃塞伯格(G．J．Wasserburg)等人在同位素质谱计上装配联机计算机系统成功，不仅使分析精度从0．1%提高到0．01%，而且分析效率和自动化程度也有很大提高。韦伯斯特(R．K．Webater。1960)和穆尔(L．J．Moore)发展了同位素稀释分析技术，使质谱计不仅作为测量同位素含量的工具，而且也是测量微量样品中同位素绝对量的有效手段。

1976年第25届国际地质会议对²³⁸U、²³⁵U、²³²Th、⁴⁰K、⁸⁷Rb等同位素的衰变常数及其丰度提出了统一的推荐值。美国国家标准局(NBS)建立了一系列适合同位素地质学需要的世界通用标准样；特别是稳定同位素，O、S、C、H等同位素都有其专用的世界标准，这为同位素地质学测定数据的全球对比创造了有利条件。

同位素分馏理论方面，大本(H．Ohmoto)和爱泼斯坦(S．Epstein)等深入研究了各种物理化学条件对S、O、C、H同位素分馏的影响。

奥尼尔(J．R．ONeil)和克莱顿(R．N．Clayton)进一步发展了这些同位素测定中－高地质古温度的方法。这使上述轻元素的同位素在解决一些矿床和岩石成因问题上得到广泛应用。

在测年中，一些新方法开始建立，主要有⁴⁰Ar／³⁹Ar法、¹⁴C法、不平衡U系法和裂变经迹法等。自1956年第20届国际地质会议以来，每届都对同位素地质学进行专题讨论。

80年代至今，分析技术发展的特点是研究微区。1981年，马勒斯基(H．Maluski)报导了用脉冲激光⁴⁰Ar／³⁹Ar探针测定地球样品年代的分析技术，此法的优点在于不用分离单矿物，这对那些无法分离的细晶或隐晶测定对象特别有用。

同年，约克(D．York)提出用连续激光⁴⁰Ar／³⁹Ar法测定单颗粒矿物年代，并不断提高方法灵敏度，到1987年已经可以测定60万年的第四纪单颗粒透长石年龄。1983～1984年，康普斯吨(W．Compston)等人发展了高分辨离子探针质谱计(SHRIMP)，它可以测定直径10～30μm微区的锆石U－Th－Pb年龄；应用此种技术已经测得至今岩石圈最古老的年龄为41～42亿年，在这之前人们探知的最古老年龄仅38亿年左右。1986年，科伯(B．Kober)提出用双带离子源固体同位素质谱计直接测定单颗粒锆石的²⁰⁷Pb／²⁰⁶Pb年龄。一些新方法，如Sm－Nd法测年和Nd同位素地质学，进入了实际应用阶段，在研究古地壳演化方面发挥了重要作用。

稳定同位素地质学发展成3个分支。一是H、O、S、C、N和Si等轻元素的稳定同位素，它们主要用于研究地壳和地表的各种地质作用，特别是在石油、环境保护、农业和医学等方面的应用有较快的发展：二是Pb、Sr、Sm、Nd等重元素的稳定同位素，它们主要用于研究地壳深部和上地幔的地质作用；三是Ar、He等惰性气体同位素，它们主要用于研究大气圈及水圈的演化、油田成因和深部地质演化等。

稳定同位素的综合研究取得了重要成果，如利用Pb、Sr、Nd、He、Ar等同位素的综合研究，证明地幔在水平和垂直方向都是不均一的，从而深化人们对地球结构的认识。

在今后10～20年内同位素地质学将会越来越注重全球性对比研究。研究热点主要有：(1)继续深入研究地幔结构的不均一性以及引起这种不均一性的原因；(2)探讨地壳中各种地质体的同位素特征及其时空演化规律；(3)研究矿床的成矿期和成矿规律以及成矿专属与原始地球不均一性的关系。

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【参考文献】：

1 Maluski H,et al. Bull Soc Ge'ol Fr,1981,7:401

2 York D et al. Geophys Res Lett, 1981,8:1136

3 Froude DD,et al. Nature, 1983,304:616

4 Compston W,et al. J Geophys Res,1984,89 Suppl:525

5 Kober B. Contrib Mineral petrl,1987,96:63

(中国地质科学院罗修泉副研究员撰；宋鹤彬审)