Helix SFT型惰性气体质谱测定氦同位素组成

氦为元素周期表中的零族元素,因其化学性质不活泼,不参与各种化学反应过程,因此它们的同位素组成的变化几乎不受复杂的化学反应过程影响。已有研究表明,氦在地球大气圈、地壳、上地幔和下地幔各圈层具有不同的同位素比值,变化范围可达3个数量级,因此,氦同位素作为地质过程和物质来源的天然示踪剂倍受重视。

湖南万古金矿床地幔流体成矿的氦同位素证据

从湖南万古金矿区采集4件石英样品进行了氦同位素测定,获得了~3He/~4He值231×10^(-6)—1460×10^(-6)的数据。该数据反映了在万古金矿床形成时富~3He流体参与了成矿作用。而这种富~3He流体可能是受构造活动影响,由地幔岩石减压部分脱气造成动力学分馏而形成。

Helix SFT惰性气体质谱仪分析矿物包裹体中氦同位素组成

氦同位素组成在地球大气圈、地壳及地幔各圈层具有不同的元素丰度和同位素比值,变化范围达数个量级,而且氦作为惰性气体中质量最轻的元素,其稳定性好,迁移能力强,因此将其同位素作为地质过程和物质来源的天然示踪剂倍受重视,被广泛地应用于地学研究的各个领域,而能否对于岩石样品中氦同位素组成进行准确分析,成为了氦同位素作为示踪剂的一个关键问题。本文利用Helix SFT惰性气体质谱仪对岩石矿物包裹体内的氦同位素组成测定方法进行了研究,建立了样品的压碎及气体提取纯化装置,通过进一定体积的标准氦气,计算出仪器的灵敏度,在此基础上对整套系统的静态本底进行了测定。对仪器本身的离子倍增器的接收效率进行了探讨,使其可以准确对3 He进行准确测定。以大气中氦同位素为标准并进行多次测定,获得了氦同位素测量的质量歧视校正因子。通过对实际样品黄铁矿包裹体中氦同位素组成的测定,获得了稳定性很好的同位素比值数据,其精度可达99%。通过建立合理的压碎装置,利用该仪器对氦同位素组成分析的独特优势,可以满足对于岩石矿物包裹体中氦同位素组成的精确测定,满足其在地质科研领域的应用研究需要,进而对基础科学研究起到支撑作用。

幔源挥发性组分参与302铀矿床成矿作用的氦同位素证据

对取自302铀矿床井下与沥青铀矿矿石共生的9件紫黑色萤石、肉红色方解石样品进行了流体包裹体的He同位素测定,3He/4He测定值为0.03～0.57 Ra(绝大部分在0.11～0.25 Ra之间),位于地幔与地壳的氦同位素值范围之间,显示成矿流体中的氦同位素具有壳、幔两个端元混合的特点,表明有大量幔源挥发性组分参与铀成矿作用。该矿床碳同位素值与流体包裹体证据均表明,地幔挥发性组分确实大规模参与了铀成矿作用。研究显示,几乎华南所有的热液铀矿床都形成于白垩纪—古近纪,且这些矿床的碳同位素组成均显示成矿流体中的矿化剂CO2来自地幔,暗示它们成矿时具有相似的成矿动力学背景:可能均与华南中-新生代岩石圈伸展作用所控制的幔源挥发性组分具有密切的关系。

河南桐柏老湾金矿床氢氧氦同位素地球化学及成矿流体来源

河南桐柏老湾金矿床的成矿作用是在变基性火山碎屑沉积岩为矿源层的背景上演化的。本文根据矿床氢氧同位素研究 ,认为矿床的热液成矿期成矿流体为大气降水和老湾花岗岩岩浆水的混合 ,成矿 阶段和 阶段以岩浆水为主 ,成矿 阶段以大气降水为主 ,但在成矿 阶段大气降水已占有很大的比例。氦同位素分析表明 ,在老湾金矿形成过程中有地幔流体加入 ,且从成矿 阶段至 阶段 ,由于大气降水比例增大 ,其与地幔流体的混合导致成矿流体的 3He/4He比值不断减小。

中国大陆含油气盆地的氦同位素组成及大地热流密度

根据天然气中氦同位素组成,讨论了中国大陆主要含油气盆地氦同位素地球化学特征与大地热流密度。不同地区425个~3He/~4He 值表明中国含油气盆地天然气的氦同位素组成变化范围较大,为4.0×10^(-9)—7.21×10^(-6),在统计直方图上呈现三个峰值:1.5×10^(-8),3.0×10^(-7)和1.5×10^(-6)。中国东部大陆裂谷系中、新生代盆地内天然气的~3He/~4He 值分布范围为1.02×10^(-7)—7.21×10^(-6),50%以上大于大气的值(1.4×10^(-6));其他地区含油气盆地天然气的~3He/~4He 值分布范围为4.0×10^(-9)—7.01×10^(-7),全部小于大气的~3He/~4He 值。根据天然气中~3He/~4He 值计算的大地热流密度值分布在30—82mW/m^2 之间。利用~3He/~4He 值计算的大地热流密度值与用其他方法测得的值相一致,在中国大陆水平方向上呈现"东高西低"的变化趋势。

地下水补给、循环和混合作用的氦同位素证据─—以石羊河、黑河流域为例

石羊河、黑河流域地下水氦同位素组成的研究表明，大部分样品的3He／4He具有大气降水特征，部分地区地下水4He同位素的过剩是基岩裂隙水和卤水的混合作用所致，祁连山前深大断裂带附近地下水的氮同位素具有明显的馒源氦特征，说明该断层的活动仍未停止。

矿物流体包裹体的氦同位素分析及地质应用

本文介绍了矿物流体包裹体氦同位素分析的压碎装置和实验方法。对一黄铁矿和绿柱石样品分别进行了4次和6次重复测量,分析精密度达到5%~7%。对比分析了加热熔融法和压碎法分析矿物流体包裹体氦同位素组成的优缺点。压碎法设备简单,操作方便,本底低,结果基本不含后期积累的放射性成因氦,更能代表矿物结晶时热液流体的氦同位素组成。对中国几个重要金矿的氦同位素组成进行了初步研究,3He/4He比值普遍在1×10-6以上,显示地幔流体参与了金矿的成矿过程。

黑矿型矿床成矿物质来源:日本上向黑矿铼-锇和氦同位素证据

上向黑矿(Uwamuki Kuroko)是日本最典型的黑矿型矿床,它形成于日本岛弧中新世夭折岛弧裂谷环境,产于双峰式岩石组合的长英质火山岩系中。矿床由下部筒状硅矿带和上部块状黑矿带构成,后者显示典型的上黑(黑矿)下黄(黄矿)金属分带。为探索研究长期争议的成矿物质来源,系统测定了矿石和主岩的Os,He同位素组成。含矿流纹岩系的 R/R_A值介于0.93～1.14间,证实该岩浆可能主要来源于陆壳重熔。上向黑矿的上部块状黑矿矿石具较高的^(187)Os/^(188)Os值(2.246～7.608),反映矿石Os主体来源于壳源沉积物或矿区基底岩系;下部脉状—网脉状硅矿、块状黄矿和少量黑矿则具低^(187)Os/^(188)Os值(0.423～0.793),证实矿石Os具两源性,估计幔源物质贡献约57％～89％,壳源物质贡献约11％～43％。此外,在上部块状黑矿带内部,矿石^(187)Os/^(188)Os显示清楚的垂向韵律性变化,揭示了成矿流体及成矿物质的周期性混合,据此,本文提出了一个新的两阶段成矿模式。

鄂尔多斯盆地氦同位素的特征

鄂尔多斯盆地是中国最稳定的含油气盆地,也是我国发现1000×108m3以上大气田最多的盆地。根据46个气样氦同位素分析,3He／4He为3．1×10-8-1．2×10-7,平均为4．36×10-8,R／Ra值为0．022-0．085,是壳源氦的特征。鄂尔多斯盆地3He／4He和R／Ra值不受天然气的成因类型、气的产状及气的原生性与后生改造的影响。R／ Ra值定量说明鄂尔多斯盆地构造上极稳定。

塔河油田油气成因和运移的氦同位素证据

塔里木盆地塔河油田是目前我国在海相碳酸盐岩层系中发现的最大油田。为明确勘探方向和目标，通过测试该油田原油伴生气的氦同位素组成，探讨了该油田的油气成因和运移问题。研究结果表明，该油田原油伴生气的^3He／^4He比值分布在2．99×10^-8～8．27×10^-8之间，平均为4．89×10^-8；R／Rn比值为0．02～0．06，平均为0．035。这反映了壳源成因特征，说明该油田油气在形成和运移聚集过程中缺乏地幔流体的参与。该油田原油伴生气中氦同位素组成在区域分布上具有一定的规律性，研究认为这种分布特征起因于油气运移过程中伴生气的扩散作用和水、油溶解作用的氦同位素分馏，因而氦同位素组成及其分布特征可能是一种可以表征油气运移情况的新指标。据此指标揭示出该油田的油气由南向北运移，说明油气主要来自该油田南部满加尔坳陷及其邻近地区的烃源岩区。

济阳坳陷天然气氦同位素特征及二氧化碳成因与第三纪岩浆活动的关系

济阳坳陷是渤海湾盆地的一部分，位于我国东部超壳断裂、郯庐断裂带内，主要为中、新生代形成的沉积坳陷。在第三纪的喜山期岩浆活动较强烈，因此，坳陷内第三纪火成岩分布广泛。对该坳陷内的天然气氦同位素研究表明，济阳坳陷天然气中氦同位素组成，Ｒ／Ｒａ（Ｒ和Ｒａ分别表示天然气样品和大气中的３Ｈｅ／４Ｈｅ值）值分布范围０．１１－３．０６。说明一些天然气中具有明显的幔源氦加入，将天然气中氦同位素组成与其地质背景结合可知，天然气中氦同位素组成与坳陷内第三纪火成岩分布有十分密切的相关关系，凡在天然气藏下伏地层或气藏附近，有第三纪火成岩分布时，则天然气具有较高的氦同位素比值、其Ｒ／Ｒａ值为１．０２－３．０６，说明具有明显的幔源氦的加入，而在无第三纪火成岩发育地区天然气中Ｒ／Ｒａ值为０．１１－０．４７，表明仅少量的幔源氦的混入。这可能说明天然气中幔源氦主要是通过断裂和岩浆活动到达浅层地壳而聚集到天然气藏中。济阳坳陷天然气组分分析表明，该坳陷的天然气中二氧化碳含量变化较大，其分布范围为＜１％－９９％。二氧化碳的碳同位素组成研究表明该坳陷的二氧化碳存在有机和无机成因两种类型，其中有第三纪火成岩发育地区，二氧化碳含量一般大于６０％，其δ（?

稳定、次稳定构造盆地天然气氦同位素特征及其构造学内涵

分析了采自稳定和次稳定盆地的鄂尔多斯和塔里木盆地古生界和中生界天然气的He和Ar同位素,试图用3He/4He值体现的壳-幔挥发分交换信息对我国中部和西部区域的构造活动性作精细分析.鄂尔多斯盆地3He/4He<5.0×10-8,R/Ra为0.01-0.04,平均值为0.031,为典型的壳源He同位素组成;塔里木盆地3He/4He分布相对较分散,塔中油气区和满加尔拗陷区域主要表现为构造稳定区的特征,3He/4He<5.0×10-8,库车拗陷东部牙哈和迪纳油气区3He/4He均<3. 81×10-8,库车拗陷西部3He/4He>5.0×10-8,构造活动性发育强度东部和西部存在较大差异. 塔北隆起区和中新生代以前陆盆地为主要表现形式的塔西南拗陷以及巴楚隆起发育的和田河气区3He/4He>5.0×10-8,表现出构造次稳定区天然气氦同位素的特征.构造活动相对强烈区阿克1 井天然气4He/4He高达8.33×10-7,说明在天然气形成过程中有一定量的慢源He的加入.研究表明,在西部次稳定区,用3He/4He值可以精细划分区域构造的相对活动性.

河北平原第四系地下水氦同位素特征

通过对河北平原第四系地下水He同位素进行比较分析,根据过剩He(4Heexc)、3He/4He比值、δ3He值分析认为,河北平原第四系地下水He同位素有5个特征:(1)地下水中过剩He浓度沿着地下水的流向而增高;(2)地下水中的过剩He浓度随着地下水埋深加大而增高;(3)满城—沧州剖面上过剩He浓度大于石家庄—衡水剖面上的过剩He浓度;(4)河北平原第四系地下水主要是由大气降水补给的;(5)衡水热水过剩He浓度很高(>674 83×10-8cm3STPg-1),这表明以放射成因He为主,地幔成因的He极少。另外地下水的3He/4He比值、R/Ra、δ3He值是判断氦源的一个灵敏的指示剂。

氦同位素地质研究进展

综述了氦同位素研究在地球物质的循环、地震预报、环境监测、年代学、矿床成园、地质流体及大地构造等方面的进展。近来不断发现具有接近于幔源氦同位素比值的地质流体、天然气及火成岩等,它们起源于地壳深部及地幔,对应的构造活动(包括地震)可能涉及到幔源深度。异常的氦同位素组成还可用于监测核试验、环境污染等新领域。并概述了我国氦同位素的研究在天然气的起源、火山喷气等方面取得重要进展。

河北汉诺坝新生代玄武岩中幔源包体和高压巨晶的氦同位素地球化学研究

对该地区新生代玄武岩中幔源包体和高压巨晶的氦同位素进行了初步研究。幔源包体中橄榄石的3 He 4 He值为 (0 .15～ 7.4)× 10 - 6,较MORB值明显偏低 ,甚至低于大气的值 ,说明该地区曾发生过强烈的地幔交代作用。高压巨晶辉石和石榴子石的氦同位素组成与此明显不同 ,其3 He 4 He值为 (5 .7～ 2 4.3)× 10 - 6。提出幔源包体和高压巨晶不是同源的 ,二者可能与寄主玄武岩均无必然成因联系。在汉诺坝地区一件石榴子石巨晶中还发现了异常高的3 He 4 He值。

事件沉积及其周期性的氦同位素指示

物理、化学或生物事件所造成的事件沉积一般都会在沉积层中留下痕迹。事件沉积的突发性使得不同物源的物质比如稀有气体He在尚未达到平衡时就被保存在沉积地层中。海底沉积物中地球4He的丰度受古大陆尘所支配 ,海底沉积物中的He主要源于3 He/ 4 He比率不足 0 .1Ra的大陆物质 (Ra =1.4 0× 10 -6,是空气的3 He/ 4 He比率 )和3 He/ 4 He比率大于 10 0Ra的地球外星际尘粒。计算表明 :亚洲风成尘粒总的质量累积速率 (massaccumulationrate ,MAR)与4He通量之间有一个显著的相关性。由氧同位素变化所记录的冰期—间冰期循环的 10 0kyr周期的起始点与地壳4He通量中 10 0kyr周期的起始点清晰地匹配。在大洋钻探计划中 ,用海底沉积物中地球外3 He的通量来考查星际尘粒的全球生长速率发现 :3 He埋藏通量也与 10 0kyr冰期—间冰期循环周期相关。对白垩纪—第三纪界面(KTB)粘土中较高的地球外3 He( [3 He]Et)计算 ,发现该界面事件的短期性。来自中国梅山和日本西南部Sasayama的二叠纪—三叠纪界面 (PTB)富勒烯的He同位素限定了这种富勒烯形成于地球外环境。在整个宇宙体系中 ,各物源之间的He及其同位素组成存在着很大差异 ,这为解析沉积事件提供了新的高灵敏度的手段。

天然气中氦同位素分布及构造环境

通过采集天然气样３３４个，测量了它们的氦同位素组成。３Ｈｅ／４Ｈｅ值分布在０５６×１０－８～７２１×１０－６范围。３Ｈｅ／４Ｈｅ值分布与天然气储层时代无明显的相关性，而在空间展布上有较明显的规律。东部含油气区３Ｈｅ／４Ｈｅ值主要分布于１０－７～１０－６范围，西部含油气区在１０－７～１０－８的范围，中部地区分布在０５６×１０－９～０５６×１０－８范围，３Ｈｅ／４Ｈｅ值的分布与我国构造环境大的格局有很好的相关性。３Ｈｅ／４Ｈｅ的高值区构造环境活动性强，低值区具有最稳定的大地构造属性，西部地区３Ｈｅ／４Ｈｅ值介于东部和中部，具有次稳定的构造环境。

利用地下流体氦同位素比值估算大陆壳幔热流比例

地下流体中的氦同位素 3He来自地幔的排气作用 ,4He则是铀、钍衰变的产物 .由于铀、钍元素在大陆地壳中富集 ,4He通量与地壳热流呈正相关关系 ;同时 3He通量与地幔热流之间呈正相关 .所以地下流体的氦同位素比值 (3He / 4 He)与大陆壳幔热流比值 (qc/qm)呈反相关关系 .根据欧亚大陆和加拿大地盾的地下流体氦同位素比值数据和相应的壳幔热流比值数据 ,统计出 qc/ qm 与 3He / 4 He之间的回归关系 :qc/ qm =0 81 5— 0 30 0ln(3He / 4 He) ;此处 3He/ 4 He的单位是RA(大气的 3He/ 4 He比值 ) .有了地表热流值和壳幔热流比值即可得到地壳热流和地幔热流 .利用该公式以及热流值估算了中国主要盆地的壳幔热流值 ;根据这些数值得出的热岩石圈厚度和地壳平均生热率结果与地震学研究成果一致 .氦同位素比值是区分大陆热流中地壳热流值和地幔热流值的有用参数 .

天然气氦同位素分布与大地构造环境

根据中国大陆主要含油气盆地天然气的~3He/~4He 数据,首次系统研究了天然气中氦同位素空间分布与中国大地构造环境的关系.中国东部滨太平洋区~3H/~4He 平均值(?)=2.08×10^(-6)>Ra,为含幔源氦的二元混合型氦;中西部区的(?)=4.96×10^(-3),基本为地壳一元放射型氦;华北—中原区的(?)=8.00×10^(-7),为介于东与中西部之间的过渡型氦.整体而言,~3He/He 值呈自东而西随远离西太平洋板块俯冲带逐渐降低的特征.研究表明,该空间分布受大地构造环境控制:张性裂谷构造环境,特别是深大断裂带附近利于幔源氦的上升而~3He/~4He 达最高值;在最稳定的克拉通盆地中,~3He/~4He 值最低而为典型的壳源放射性氦;在活动与稳定区之间则相应存在过渡型氦,其~3He/~4He 值为10^(-7)量级,如华北—中原油气区.