同位素的一般特征,C、O同位素

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同位素(isotope)是指原子核含有相同数目的质子而中子数不同的一类元素。Isotope一词源于希腊语(意为同一地方)，意指同位素在元素周期表中占据相同的位置。
　　为方便起见，通常以mnE形式表示同位素，其中上标m表示质量数(mass number)，即原子核中质子数(proton number)和中子数(neutron number)之和，下标n表示原子序数(atomic number)。如126C是碳元素的一种同位素，在其原子核中具有6个质子和6个中子。自然界中每种元素的原子量是该元素同位素质量的加权平均值。
　　同位素可分为两种基本类型，即稳定同位素(stable isotope)和不稳定(放射性)同位素(unstable isotope or radioactive isotope)。
　　稳定同位素约有300种，而迄今为止发现的放射性同位素则有1200多种。“稳定”这一概念是相对的，取决于放射性衰变时间的检测限。从原子序数为1(H)到83(Bi)的元素中，除了原子序数为5(B)和8(O)的元素外，所有元素的稳定核素(nuclide)均已确定。只有21种元素为纯元素(pure element，即仅有一种稳定同位素)。其他元素均至少有两种同位素。一种元素的各种同位素的相对丰不同，例如，铜(Cu)元素，63Cu占Cu原子总量的69%，65Cu占31%。但是对于轻元素(light element)，则是一种同位素占主导地位，其他同位素所占比例极低。
　　核素的稳定性规律具有几条重要法则，在此简要讨论其中两条。
　　第一条法则即所谓的对称法则(symmetry rule):在原子序数较小的稳定核素中，质子数与中子数大约相等，即中子数/质子数比值(N/Z)约等于1。在稳定核素中，质子数或中子数超过20时，N/Z比值总是大于1，而最重的稳定核素N/Z比值最大，达到1.5左右。随着质子数的增加，带正电荷的质子间的静电库仑斥力迅速增大，为保持原子核的稳定，数量多于质子的中子(呈电中性)被结合进入原子核(图1.1)。
　　图1.1 稳定(实心圆点)和不稳定(空心圆点)核素中质子数(Z)和中子数(N)曲线图
　　第二条法则为奥多－哈金斯法则(Odd-Harkins rule):原子序数为偶数的核素远远多于原子序数为奇数的核素。如表1.1所示，在质子－中子的四种可能的组合中，最常见的为偶数－偶数组合，而最少见为奇数－奇数组合。图1.2也清楚地显示了这一关系，即质子数为偶数的稳定同位素多于质子数为奇数的稳定同位素。
　　表1.1 原子核种类及其出现的频率
　　放射性同位素可分为人工放射性同位素和天然放射性同位素。天然放射性同位素是地质测年法的主要依据，因此，地质学中仅对天然放射性同位素感兴趣。放射性衰变过程(radioactive decay processes)是一种自发的核子反应过程，其典型特征是在衰变过程中会辐射出各种射线，如α、β或γ射线;衰变过程还可能发生电子捕获。
　　放射性衰变是同位素丰度产生变化的原因。另外，同一元素不同同位素之间微小的物理和化学变化，是导致同位素分馏和同位素丰度差异的第二个原因。在下面的章节中将专门讨论这一重要过程。
　　图1.2 质子数(Z)为偶数和奇数的稳定同位素数目包括半衰期超过109a的放射性同位素

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袁忠信等（1995）测定了冕宁稀土矿床牦牛坪矿段7件脉石矿物方解石的C、O同位素组成，除1件样品外（样号MO-26），其余样品的δ13CPDB为-6.3‰～-6.8‰、极差0.5‰，δ18OSMOW为7.0‰～7.8‰、极差0.8‰；田世洪等（2003）报道该区方解石型矿石中脉石矿物方解石的C、O同位素组成，2件样品的δ13CPDB均为-6.9‰，δ18OSMOW分别为7.3‰和7.4‰。可见，矿床C、O同位素组成与矿区碳酸岩（8件样品的δ13CPDB和δ18OSMOW分别为-6.6‰～-7.0‰和6.4‰～7.4‰，极差分别为0.4‰和1.0‰；详细资料见前文）不具明显区别，均在“初始火成碳酸岩”的δ13CPDB和δ18OSMOW（分别为-4‰～-8‰和6‰～10‰）之内（Taylor et al,1967）。表明该区成矿流体中的CO2来源于地幔，与碳酸岩岩浆活动密切相关。
　　在袁忠信等（1995）分析的样品中，有1件（样号MO-26）的δ13CPDB和δ18OSMOW相对低于和高于其余样品，分别为-10.6‰和16.8‰，超出“初始火成碳酸岩”的δ13CPDB和δ18OSMOW范围。对此，袁忠信等（1995）认为可能是成矿流体中有另一端元相对低δ13CPDB和高δ18OSMOW的流体参与的结果，这种流体可能是大气降水；本文认为这种流体可能是碳酸岩原始岩浆去气作用的产物，Demény等（1994,1996）认为富含CO2的岩浆在演化过程发生以CO2和H2O为主的去气作用可以形成相对低δ13CPDB和高δ18OSMOW的流体。