氦同位素地球化学
稀有气体地球化学的研究进展专题教学PPT-PPT精品文档
大陆火山岩及地幔包体相对于大洋，大陆火山岩及地 幔包体的稀有气体研究工作开展较晚，但已遍及世界各大 洲。Perez(2019)在西班牙层火山岩中测到3He/4He值为 5.97~8.21 Ra；在美洲大陆，Reid等(2019)在美国西南地 区大陆玄武岩中得到5.5~7.7 Ra的3He/4He值。结合早期研 究，表明大陆地幔具有与大洋地幔相似的He同位素组成， 但变化范围略为宽广。
稀有气体地球化学研究进展
稀有气体，即氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪 (Kr) 、氙(Xe)和氡(Rn)，又称惰性气体，系 指化学元素周期表中的零族元素，以化学性质 不活泼和在地球中含量稀少为特征。正由于它 的化学惰性和少的含量，稀有气体被发现、研 究和应用都较晚。
一、稀有气体同位素在地质中的研究现状
OIB(洋岛区)目前已对若干较MORB区3He/4He高端元值的 地区的稀有气体作了研究，这些地区均属热点区，大洋中的 热点区即洋岛区(OIB)，如Hawaii，Iceland，Samoa， Galapagos等地区，它们代表地幔羽或下地幔源的岩浆喷出， 以具高的3He/4He值为特征(某些热点区3He/4He值变化极大， 如Galapagos区变化于6.9~27Ra间(Kurz，2019)。最近， Hilton(2019)在Iceland发现37Ra以上的3He/4He值，为已知 热点区的最高值。 Poreda等(1992a)发现Samoa区的20Ne/22Ne值大于11.30， 相似的比值也见于Reunion(Staudacher等，1994)等地区。 结合MORB区，表明整个地幔具有较高的20Ne/22Ne值。
40Ar/36Ar
中国东部幔源包体的40Ar/36Ar值较低，为 251~2325，其中大于1000者不足11%，总体上 明显低于MORB和OIB，与美国西部等大陆边缘 的幔源岩类似，也与大洋沟弧系类似；与其它 大陆比较，中国东部幔源包体的低40Ar/36Ar特 征尤为突出。
[氦同位素在地质化验中的应用]氦的同位素有哪些
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[氦同位素在地质化验中的应用]氦的同位素有哪些目前，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500mg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。
第九节稀有气体同位素
（一）在内生矿床方面的应用
王义天等研究了小秦岭金矿 的黄铁矿、 王义天等研究了 小秦岭金矿的黄铁矿 、 黄铜矿和 方铅矿等矿物的氦同位素组成， 方铅矿等矿物的氦同位素组成 ， 结果多数黄铁矿 样品的R/Ra 变化范围在0 36— 86之间 ， 样品的 R/Ra变化范围在 0.36—1.86 之间， 高出地 壳氦同位素特征值1 壳氦同位素特征值 1—2个数量级 ， 指示了成矿流 个数量级， 体中存在幔源氦。 体中存在幔源氦。 同时所测值又比地幔特征值相对偏低， 同时所测值又比地幔特征值相对偏低 ， 指示了流 体中壳源氦的普遍存在， 体中壳源氦的普遍存在 ， 因此本区成矿流体中的 氦是地幔和地壳氦的混合产物。 氦是地幔和地壳氦的混合产物。
(2) 中部含油气区。 该区介于太行山一武 中部含油气区。 陵山和贺兰山一龙门山两大构造地球物 理梯度带之间， 自北而南包括鄂尔多斯、 理梯度带之间 ， 自北而南包括鄂尔多斯 、 四川和百色3个含油气盆地。 四川和百色3个含油气盆地。本区氦同位 素组成的特征是 3He/4He 值基本都为10-8 ， He值基本都为 10 是典型壳源放射性成因氦。 是典型壳源放射性成因氦 。 该区是中国 构造最稳定的地区。 构造最稳定的地区 。 由于本区稳定而与 地幔的连通性差， 地幔的连通性差 ， 氦气基本为一元地壳 放射性成因而无幔源氦的加入。 放射性成因而无幔源氦的加入。
美国西部的Sacramento 盆地天然气被认 美国西部的 Sacramento盆地天然气被认 为是受俯冲作用影响的无机成因气田， 为是受俯冲作用影响的无机成因气田 ， 其 3He/4He=0.11—2.76Ra, CH4/3He 达 He=0 11— 76Ra, 109—1011 ， 显示壳源有机组分对气田的 贡献；
12 稀有气体同位素地球化学
稀有气体元素是在1894—1900年间陆续发现 年间陆续发现 稀有气体元素是在 的。 Argon，意为“懒惰”的意思，中译名为” ，意为“懒惰”的意思，中译名为” 氩”。 Helium，意为“太阳元素” ，中译名为 ，意为“太阳元素” “氦” 。 Krypton，即“隐藏”之意，它隐藏于空气 隐藏”之意， ， 中多年才被发现，中译名为“ 中多年才被发现，中译名为“氪” 。
Neon，意为“新的”，即从空气中发现的 ，意为“新的” 新气体，中译名为“ 新气体，中译名为“氖”。 Xenon，意为“陌生的”，即人们所生疏的 ，意为“陌生的” 气体。中译名为“ 气体。中译名为“氙”。 Radon，意为“放射的”，中文音译成 ，意为“放射的” “氡” 1991年，全国自然科学名词审定员会公布 年 化学名词》中正式规定， 的《化学名词》中正式规定，把惰性气体 改称为稀有气体。其理由在于惰性气体的 改称为稀有气体。 惰性”是相对的。 “惰性”是相对的。
不同构造环境幔源样品He同位素 不同构造环境幔源样品He同位素 He
正由于它的化学惰性和少的含量， 正由于它的化学惰性和少的含量，稀有气 体被发现、研究和应用都较晚。 体被发现、研究和应用都较晚。随着分析 测试技术水平的提高，人们对稀有气体的 测试技术水平的提高， 物理化学性质有了较深的认识。 物理化学性质有了较深的认识。 近三四十年来， 近三四十年来，稀有气体同位素地球化学 作为地球化学的一个分支， 作为地球化学的一个分支，在地质领域研 究与应用日广，特别是在地球起源、形成、 究与应用日广，特别是在地球起源、形成、 演化以及岩矿成因、来源的研究中被广泛 演化以及岩矿成因、 应用。 应用。
3He, 21Ne（宇宙射线生氦氖） （宇宙射线生氦氖）
计算火山
岩的暴露年龄及侵蚀率； 岩的暴露年龄及侵蚀率； 4He/40Ar*(放射源 讨论岩浆房深度； 放射源)讨论岩浆房深度 放射源 讨论岩浆房深度； 40Ar/36Ar等用于大气混染程度分析，等 等用于大气混染程度分析， 等用于大气混染程度分析 等。
同位素地球化学
研究分析表稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比 值的千分偏差。其公式为□δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。样品 的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。所以必须采用同一标准；或 者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。比较普遍的国际公认标准 为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮 狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准； ③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。稳定同位素实验研究 表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103ln□值与T 2成反比,T 为绝对温度。
模型③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合 理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。
根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。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。
分馏系数
稳定同位素地球化学
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。
氦同位素研究简介
三、氦同位素的应用研究
.研究陨石起源演化 研究陨石起源演化， 1 .研究陨石起源演化，示踪陨石撞击 事件，区分地内、地外物质。 事件，区分地内、地外物质。 .划分地幔类型 研究壳幔相互作用、 划分地幔类型， 2 .划分地幔类型，研究壳幔相互作用、 地幔交代作用、地幔流体成矿作用， 地幔交代作用、地幔流体成矿作用，判 定地幔热柱是否存在。 定地幔热柱是否存在。 .探讨地外因素对地球气候环境的影 3 .探讨地外因素对地球气候环境的影 预报地震。 响，预报地震。
B 地球轨道偏心率
E 地外3He通量 He通量 宇宙尘通量与地球轨道参数之间的关系
磷灰石的（U-Th）/ He年 磷灰石的（ ） 年 龄测定与热年代学
磷灰石富含铀、 磷灰石富含铀、钍，是（U-Th）/ He法 ） 法 定年的理想矿物。但其封闭温度很低， 定年的理想矿物。但其封闭温度很低，只有 75℃。 ℃ Zeitler和Wolf等利用磷灰石的这一特性 和 等利用磷灰石的这一特性 开展磷灰石的低温热年代学研究。 开展磷灰石的低温热年代学研究。 House（1998）根据磷灰石的（U-Th）/ （ ）根据磷灰石的（ ） He定年法研究了美国加利福尼亚内华达山脉 定年法研究了美国加利福尼亚内华达山脉 的地形形成历史。 的地形形成历史。
251.4Ma前，在P-T界线附近发生了大规模 前 界线附近发生了大规模 地生物灭绝事件， 的海洋生物， 地生物灭绝事件，使90%的海洋生物，70% 的海洋生物 的陆地脊椎动物和绝大部分陆地植物灭绝。 的陆地脊椎动物和绝大部分陆地植物灭绝。 这次灭绝事件可能与某个灾变事件有关。 这次灭绝事件可能与某个灾变事件有关。 可能原因有：陨石撞击、大规模火山喷发、 可能原因有：陨石撞击、大规模火山喷发、 海洋缺氧和气候变化等。 海洋缺氧和气候变化等。 Becker （2001）在梅山和日本 ）在梅山和日本Sasayama P-T界线粘土层中发现了富勒烯（C60~C200）。 界线粘土层中发现了富勒烯（ 界线粘土层中发现了富勒烯 富勒烯中的He的 比值高达10 富勒烯中的 的3He/4He比值高达 -4，与碳 比值高达 质球粒陨石相似， 质球粒陨石相似，表明陨石撞击可能是引起 生物绝灭的原因。 生物绝灭的原因。
氦同位素研究
氦同位素研究
氦同位素研究是一个重要的领域，涉及对氦元素的不同同位素的研究。
以下是一些关于氦同位素研究的主要方面：
自然分布：研究氦同位素在地球和宇宙中的分布情况。
这可以帮助了解地球的形成和演化、恒星的核聚变过程以及宇宙物质的组成。
同位素比值：分析氦的不同同位素之间的比值，例如^4He（氦-4）和^3He （氦-3）的比例。
这些比值可以提供关于地质过程、核聚变反应和天体物理学的信息。
地球科学：在地球科学中，氦同位素被用于研究地球的内部结构、地幔的演化以及火山活动等。
它们可以揭示地球内部的热源和物质传输过程。
核聚变研究：氦同位素在核聚变研究中起着关键作用。
了解核聚变过程中氦的产生和演化对于开发清洁能源和理解恒星的能量产生机制非常重要。
天体物理学：通过研究恒星、行星和星际介质中的氦同位素，科学家可以更好地了解宇宙的形成和演化历史，包括恒星的生命周期、星系的化学演化等。
实验技术：发展和改进用于测量氦同位素的实验技术，以提高测量的精度和准确性。
这包括质谱仪、光谱学方法和其他分析技术。
应用领域：氦同位素的研究在许多领域有实际应用，如地质勘探、核工业、气球和飞艇的填充气体等。
氦同位素研究为我们提供了深入了解地球、宇宙和核聚变等领域的重要工具。
它有助于揭示宇宙的奥秘、地球的内部过程以及开发新能源技术。
随着技术的进步和研究的深入，对氦同位素的研究将继续为科学领域带来新的发现和理解。
如果你对特定的氦同位素研究问题或应用有更具体的兴趣，我可以提供更详细的信息和相关研究进展。
氦气同位素示踪研究与应用
氦气同位素示踪研究与应用在过去几十年里，氦气同位素示踪（helium isotope tracing）已经被用于地球科学的各个领域中，包括地球化学、气候学、景观生态学和构造地质学。
心原理是利用大气中比基础氦气多一个氢原子组成的氦气同位素，比如氦-3（^3He）或者氦-4（^4He），来示踪和研究地表和地下的水以及空气流动的过程。
种研究方法已经在诸多方面中取得巨大的成功，尤其是在了解区域水循环历史、地质构造分析、地表水污染预测以及水资源评估等应用中，取得了显著成就。
首先，氦气同位素示踪技术可以用来研究地表水的运动历史，比如探讨雨水表面运移、产流转移以及地下水循环变化等。
时，氦气同位素也可以示踪水文地质构造变化以及示踪河流滑移路径，这可以帮助我们更好地理解地表水循环的变化，从而增强我们在开发水资源的能力和为公众提供更可靠的水资源管理服务。
此外，氦气同位素示踪也在水污染防治中发挥了重要作用。
例如，在城市地下水污染的源头查明和溯源方面，氦气同位素比其他比较常用的水化学成分和污染物示踪技术有更强的敏感性和及时性。
时，氦气同位素示踪技术还可以量化地探讨污染源与入渗区间的水物质淋溶和迁移距离，从而有助于绿色保护政策的制定和实施。
最后，氦气同位素示踪还可以用来评估地表水资源，比如可以检测和研究地表水资源的可利用性和可持续性，估算地表水的时空分布特征，以及研究地表水源-汇关系等。
时，氦气同位素也可以用来研究和考察流域水污染水质恢复情况，这有助于评估河流水质恢复的效果和流域水资源的可持续利用。
总之，氦气同位素示踪技术在研究地表水循环过程、水污染溯源以及评估水资源等方面均有显著成就。
种技术的发展和应用，将更有力地帮助我们探讨水资源利用的新方法，促进水资源的合理分配和水环境的持续可持续发展。
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自然界各种物质中的氦实际上 是上述3种不同成因氦的不同比例 的混合。 太阳风、宇宙尘、陨石中的氦 主要是宇宙成因氦与原始氦的混 合，其氦丰度和3He/4He 比值均很 高 。 宇 宙 尘 的 3He/4He 比 值 为 2.4×l0-4,4He 含 量 为 1.25×l0-1 cm3 STP/g。
氦的来源
根据物质的来源和氦同位素的特征，将 自然界中的氦储库分为4类： 一.地外物质，包括陨石和宇宙尘等；
二.地球物质：
1.地幔物质，包括上地幔和下地幔； 2.地壳物质；
3.地球大气。
放射性元素含量及 矿物岩石的形成年龄
矿物岩石的U、Th含量越高，形成 年龄越大，积累的放射性成因4He越 多，其3He/4He 比值就越低。陨石等 宇宙物质在宇宙射线中暴露的时间 越长，积累的宇宙成因3He越多，其 3He/4He 比值越高。
氦同位素的分析方法主要有两种:
• 加热提取方法 • 压碎提取方法
加热提取法:
(1)一次性加热提取 (2)分段加热提取 (3)激光探针加热提取
压碎提取法:
压碎法提取的主要是矿物流体包裹体 中的氦。可将放射性氦降到最低。
三、氦同位素的应用研究
1 .研究陨石起源演化，示踪陨石撞击 事件，区分地内、地外物质。 2 .划分地幔类型，研究壳幔相互作用、 地幔交代作用、地幔流体成矿作用，判 定地幔热柱是否存在。
氦同位素地球化学-1
氦同位素地球化学-2
地球样品中的氦主要是放射性 成因氦和地球原始氦的混合。 陆壳岩石富含 U 、 Th 等放射性 元素， U、 Th衰变产生 4He ，使 陆 壳岩石的 3He/4He 比 值普遍较 低，＜10-8。
氦同位素地球化学-3
地幔中放射性元素含量很低，衰变产生 的4He很少，使其基本保持了地球形成时 原始地幔的氦同位素特征。其中MORB的 3He/4He比值平均为1.2 ×10-5；地幔热点 的3He/4He比值B
3He/ 4He比值
C 地外3He含量
氦含量和同位素组成在Massignano Quarry剖面和Massicore 钻孔中的分布
地外3He通量和宇宙尘通量变化与撞击事件之间的关系
（曲线为通过近日点的频率）
251.4Ma前，在P-T界线附近发生了大规模 地生物灭绝事件，使90%的海洋生物，70% 的陆地脊椎动物和绝大部分陆地植物灭绝。
这次灭绝事件可能与某个灾变事件有关。 可能原因有：陨石撞击、大规模火山喷发、 海洋缺氧和气候变化等。
Becker （2001）在梅山和日本Sasayama P-T界线粘土层中发现了富勒烯（C60~C200）。 富勒烯中的He的3He/4He比值高达10-4，与碳 质球粒陨石相似，表明陨石撞击可能是引起 生物绝灭的原因。
宇宙尘的氦同位素研究
Ozima（1984）在深海沉积物中首先发现 宇宙尘，引起人们的重视。 Farley（1997） 研究了宇宙尘进入地球大 气圈时的受热情况和宇宙尘对氦的保存能力。
氦的同位素
氦有两种同位素：
3He，4He
氦的成因类型
氦有三种成因类型：
（1）元素合成阶段形成的原始氦 3He/4He比值为n×l0-4 （ 2 ）铀钍等衰变及由这些过程诱发的核 反应产生的放射性成因氦 3He/4He比值小于n×l0-8 （ 3 ）高能宇宙射线轰击陨石等物质引起 的散裂反应，产生宇宙成因氦 3He/4He比值高达n×10-1
同位素分馏
氦在扩散、迁移、溶解、吸附等过程中 的同位素分馏是引起氦同位素变化另一 个重要原因，但由分馏引起的氦同位素 变化相对较小。
体系封闭特性
氦是扩散能力非常强的气体，许多矿物 的氦同位素封闭温度普遍较低，对后期 改造事件反映非常灵敏，微弱的后期扰 动都有可能引起体系氦同位素的变化。
二、分析方法
富 勒 烯 捕 获 惰 性 气 体 的 示 意 图
中国梅山
（甲苯提取）
中国梅山
（四甲苯提取）
日本 Sasayama
（四甲苯提取）
中国梅山和日本Sasayama P-T界线沉积物激光解吸质谱
日本Sasayama P-T界线沉积物和富勒烯的氦同位素组成
P-T界线沉积物中40Ar/36Ar与3He/36Ar关系图
地球大气氦的3He/4He比值非常稳定，为 1.4 ×10-6。它是地球长期演化的结果。
氦同位素地球化学-4
海底热液中的氦主要是地幔氦与大 气氦的混合，其 3He/4He 比值介于地 幔 氦 和 大 气 氦 之 间 ， 为 n×10-6 ~ n×10-5。 大陆热液中的氦主要是地幔、地壳 和大气三者或其中二者的混合，其 3He/4He 比 值 变 化 范 围 较 大 ， 10-8 ~ 10-5。
3 .探讨地外因素对地球气候环境的影 响，预报地震。
氦同位素在陨石撞击事件 中的应用
陨石和宇宙尘的氦丰度和同位素组成与 地球物质明显不同，微量微陨石或宇宙尘的 加入即可造成地内物质明显的氦同位素异常。 Farley（1998）用氦同位素研究深海沉 积物中36Ma前发生的2次撞击事件。He同位 素异常与Ir异常和Popigai、Chesapeake陨石 坑的位置完全重合，但He同位素的异常强度 较Ir异常高得多，异常持续时间达2.5Ma。
氦同位素地球化学研究简介
1.氦同位素的地球化学基础
2.氦同位素的分析方法
3.氦同位素在地球化学研究中应用
氦的地球化学性质
氦（He）化学性质不活泼， 不参与各种化学反应过程。氦具 有极强的扩散和迁移能力。在太 阳系乃至整个宇宙空间，氦的丰 度均很高。在地球物质中，氦的 丰度极低，但广泛分布于自然界 各种物质之中。
氦 同 位 素 在 地 球 上 的 分 布
氦同位素地球化学-5
氦同位素在自然界中的变化范围巨大，不同成 因和来源的氦其丰度和同位素组成明显不同。 4He=10-1~10-8 cm3STP/g， 3He/4He=10-1 ~10-8， 引起氦同位素变化的主要原因有： (Ⅰ)氦的来源 (Ⅱ)U、Th等放射性元素含量及矿物岩石的 形成年龄；陨石等地外物质的暴露年龄 （Ⅲ）同位素分馏 （Ⅳ）体系封闭特性