典型高温地热系统水热循环及锂同位素分馏过程模拟研究

水热系统中的多场耦合相互作用对水热循环过程和地热流体化学成分具有显著的影响。本文利用COMSOL-Multiphysics建立水热化学(同位素)多场耦合数值模拟模型,通过简化模型对锂同位素分馏模拟方法进行了验证。在此基础上,基于对羊八井地热田水热循环过程的认识,建立了羊八井典型剖面水热循环多场耦合模型;再现了羊八井地热系统的水热循环过程和水岩反应过程中的锂同位素分馏过程,并且讨论了主要的参数对热能聚敛效果的影响。结果表明:较高的断裂带渗透率将加快深部断裂带附近围岩温度的下降,而较低的渗透率则无法在近地表形成一定规模的水热活动;通过地表排泄量对断裂带渗透率进行约束后,发现当断裂带与深部熔融体直接沟通时,才可在近地表形成长期存在(近150 ka)的高温地热显示;在断裂带沟通了深部熔融体且熔融体热源温度不变的前提下,熔融体的具体埋深对水热活动强烈程度的影响不大;长期的水岩活动会使断裂带内锂元素大量消耗,只有当深部熔融体为断裂系统提供持续不断的物质来源时,才能保证地热流体中长期保持较高的锂元素浓度水平;基于锂同位素分馏过程估算出参与水岩反应的岩体中锂元素质量分数为25~35 mg/kg,δ^(7) Li_(rock)为-2.0‰~0.5‰。研究成果有助于进一步认识典型高温地热系统成因机制模式。

深空同位素热光伏系统中锑化镓电池的研制及性能测试

针对深空同位素热光伏系统效率提升问题及对国产化红外热光伏换能器件的迫切需求,对GaSb电池制造工艺开展研究,通过PC1D仿真计算,确定电池制备的基本参数,采用双步扩散法进行电池的制备。搭建了自制电池快速测试系统,对电池性能进行评估并不断优化相关制备工艺,探究了GaSb电池在不同辐射温度下性能的变化。掌握了Zn在GaSb中的扩散规律,研制的GaSb红外电池在同等辐射光谱下输出功率和填充因子均达到较高的水平。该工作可为实现深空热光伏同位素电源系统的效率提升以及工程化应用奠定研究基础。

湘桂地区泥盆纪硅岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素地球化学特征及构造沉积背景研究

泥盆纪时,由于扭张裂谷作用,华南地区形成复杂的台盆相间格局。层状硅岩广泛分布,一般与凝灰岩互层,产出于狭长的台间盆地(或沟槽)中。为了揭示湘桂地区硅岩形成机制、分布及与断裂活动的关系,进行了系统的RbSr、Sm-Nd同位素研究。研究结果表明研究区硅岩(87Sr/86Sr)0值一般在0.721 000~0.731 000之间,表明硅岩形成时受到陆源和海水的影响。硅岩Nd同位素模式年龄(tDM或t2DM)和εNd(0)值大多分布区间分别为1.5~2.1与-16^-21,表明硅质来源于深部元古代地壳。εNd(0)值(-0.22~14.7)高的一些地区,大多沿狭长海槽分布,表明硅质可能来源于深部地幔,通过延伸到地幔的地块边缘断裂带上升到地表。

^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

中国滇西南造山带变质岩的Sm-Nd和Rb-Sr同位素年代学

滇西南造山带的主体由多期变质的岩石单元组成。变质和变形年代的确定是研究它们构造演化的关键之一。哀牢山群和大勐龙群斜长角闪岩分别得到1367Ma和1436Ma的Sm-Nb等时线年龄,这代表了高级角闪岩相的变质时代。它们的形成年龄约为2000～1600Ma。崇山群黑云斜长片麻岩获得了与此相当的1900～1600Ma的Sm-Nd模式年龄。澜沧群的蓝片岩的Sm-Nd等时线年龄为1287Ma,绿片岩的Sm-Nd模式年龄为1300～1200Ma。上述各组岩石还获得了约为1000Ma、500～400Ma、300～180Ma和180～140Ma的几组Rb-Sr等时线或Sm-Nd和Rb-Sr模式年龄,分别代表了后期重要构造事件。

贵州铜仁卜口场铅锌矿床Rb-Sr与Sm-Nd同位素年龄及其地质意义

因铅锌矿床的定年一直比较困难,关于黔东铅锌矿带的时代和成因认识较为混乱。本文对位于该成矿带赋存于下寒武统清虚洞组藻灰岩中的贵州铜仁卜口场铅锌矿床开展了闪锌矿Rb-Sr与方解石Sm-Nd同位素定年。矿石光薄片显示方解石和不透明矿物沿网状裂隙充填交代。用于定年的方解石,部分与方铅矿沿着同一闪锌矿细脉充填,部分沿方铅矿细脉充填,表明方解石晚于闪锌矿形成,可能属于成矿期后期产物。获得闪锌矿矿物 Rb-Sr 等时线年龄466±13 Ma （MSWD=2.0）和闪锌矿矿物＋弱酸提取相＋硫化物相Rb-Sr等时线年龄483±9 Ma（MSWD=8.0）,二者在误差范围内一致,应代表了该铅锌矿床的主成矿期。获得方解石Sm-Nd等时线年龄422±48 Ma（MSWD=0.71）,可能代表了同一成矿作用的后期阶段。即卜口场铅锌矿床后期改造成矿作用可能存在早奥陶世（483~466 Ma）和早志留世（~422 Ma）两个阶段。闪锌矿和闪锌矿分相Rb-Sr等时线对应的初始87Sr/86Sr比值分别为0.70920和0.70908,方解石Sm-Nd等时线对应的初始143Nd/144Nd比值为0.511520（εNd（t）为–11.2）,指示其流体来源具有Sr、Nd富集特征,为成矿流体主要是地层封存水与区域热液流体提供了佐证。

闽北麻源群Sm-Nd、Rb-Sr同位素年龄研究

福建北部元古代麻源群地层发育,对其中7个变质岩和2个白云母花岗岩样品进行了Sm-Nd及Rb-Sr同位素年龄研究。7个样品的Sm-Nd同位素全岩等时线年龄为2116±22(2δ)Ma,INd=0.51027±2(2δ),εNd(t)=7.29±0.17。6个样品的Rb-Sr同位素全岩等时线年龄为375±28(2δ)M,(87Sr/86Sr)i=0.707±34(2δ).2116Ma的年龄值代表麻源群原岩的成岩年龄,375Ma年龄值代表麻源群的变质年龄。

四川会理拉拉铜矿辉长岩群地球化学与Sm-Nd同位素定年

四川会理拉拉铜矿床辉长岩群与矿床在时空分布上紧密相关,表明辉长岩群岩石成因与构造背景对重新认识矿床成因有重要意义。本文分析了辉长岩群的主量元素、微量元素、稀土元素和Sm-Nd同位素,探讨了辉长岩的成因。结果表明,拉拉地区辉长岩群形成于850 Ma板内裂谷环境,为碱性玄武岩,具有较平坦的REE分布型式和“驼峰”状微量元素原始地幔标准化分配型式,较低的原始地幔标准化Th/Nb值,以及较高的εNd（t）值（0.8~4.1）,HFSE比值成分点均落入洋岛玄武岩（OIB）范围,与本区同期地幔柱成因的大陆玄武岩特征相似,说明辉长岩的形成可能是扬子地台西缘Rodinia超大陆裂解的岩浆事件,与矿床之间很可能有紧密的热动力学联系。

萤石Sm-Nd同位素体系对晴隆锑矿床成矿时代和物源的制约

本文首次对黔西南晴隆锑矿床的萤石进行Sm-Nd同位素研究,来探讨该矿床的形成时间和成矿物源。研究表明,该矿主成矿期的萤石构成两组等时线,其对应的等时线年龄分别为148±8 Ma和142±16 Ma,显示该矿床的成矿作用发生在晚侏罗世。本次测定的成矿年龄数据远小于峨眉山玄武岩的成岩年龄,暗示该矿床与该区二叠纪的火山作用没有直接的成因联系。计算表明,在晴隆锑矿床成矿时(142 Ma),两组萤石的ε_(Nd)(t)值分别为-5.72～-5.81和-3.81～-3.88,远小于峨眉山玄武岩的相应值(0.40～3.27);两组萤石初始Nd同位素组成的差异,暗示其Nd的来源存在不均一性,这很可能与萤石沉淀环境围岩的局部差异有关。在ε_(Sr)(t)-ε_(Nd)(t)图解中,萤石明显分布在与赋矿围岩不同的区域,暗示该矿的成矿物质主要是来自外部(可能是下伏老地层或基底),而不是赋矿的峨眉山玄武岩和茅口组灰岩,因此,该矿并非是前人认定的“原地改造成矿”。

湖北省随州花山蛇绿混杂岩Sm-Nd、Rb-Sr同位素年代研究

对湖北省随州地区组成花山蛇绿混杂岩的杨家棚MORB型火山岩、小阜岛弧型火山岩进行了Sm-Nd、Rb-Sr同位素分析。由杨家棚地区火山岩样品得出的全岩Sm-Nd等时线年龄为1736±37(2σ)Ma,I_(Nd)=0.510582±42(2σ),ε_(Nd)(t)=+3.7;由小阜火山岩样品得出的全岩Sm-Nd等时线年龄为1197±170(2σ) Ma,I_(Nd)=0.51125±18(2σ),ε_(Nd)(t)=+3.1;小阜火山岩样品全岩Rb-Sr等时线年龄为737±31(2σ)Ma,I_(sr)=0.7052±13(2σ)。这些结果表明花山洋盆的形成时间可能为中元古代,而非古生代;737Ma指示了其后期的变质年龄。

西藏双湖地区蓝闪片岩原岩Sm-Nd同位素定年

西藏双湖纳若地区蓝片岩中青铝闪石40Ar/39Ar定年为222.5Ma,其原岩时代争论颇大,以往多数研究者认为早于泥盆纪,甚至为中新元古代,称阿木岗群。在1∶10万填图和实测剖面的基础上,系统采集了相关样品,获得了蓝片岩原岩Sm-Nd法等时线年龄分别为272±7Ma,268±5.6Ma和252±4.6Ma,结合区域地质条件和双湖地区蓝片岩的产状,认为双湖地区的蓝片岩原岩时代为二叠纪,将双湖地区原定为前泥盆纪或中新元古代阿木岗群时代重新划定为二叠纪,恰格勒拉蛇绿杂岩时代确定为早二叠世晚期,为龙木错—双湖古特提斯洋的演化提供了重要年代依据。

北大别灰色片麻岩原岩性质的探讨:Sm-Nd同位素年龄及同位素成分特点

北大别变质杂岩主要是一套英云闪长岩质片麻岩。以全岩样品测定得到 10 47± 44 .5 Ma的 Sm - Nd等时线年龄 ,εNd值 - 8.99,r=0 .998。 Nd同位素和 Pb同位素给出的模式年龄也显示这套灰色片麻岩的古老来源。同位素成分研究显示 ,岩石普遍具有较高的 Sr同位素 (>0 .70 7)和较低的 Nd同位素 (<0 .5 12 4)现代比值 ,所有岩石的现代 εNd值均 <0 ,Pb同位素明显偏低 ,这些特征可以与中 -下地壳的同位素成分对比。北大别灰色片麻岩源自一个活化的古老地壳 ,中 -下地壳物质重熔所生成的岩浆经分异形成了北大别灰色片麻岩 ,而它们的形成和演化过程与华北板块向杨子板块下俯冲作用密不可分 。

东昆仑祁漫塔格早奥陶世岛弧：中基性火成岩地球化学、Sm-Nd同位素及年代学证据

祁漫塔格山西段鸭子泉祁漫塔格群中发育有中基性火成岩,岩石类型主要为角闪辉长岩、闪长岩、玄武岩及安山岩。其主要地球化学及同位素特征为:(1)基性岩样品的SiO2含量为47.93%～50.54%,MgO为3.40%～6.24%,全铁FeOT为11.24%～14.10%,主要为拉斑玄武岩系列;中性岩样品的SiO2含量为51.5%～59.59%,MgO为2.05～6.42%,全铁FeOT含量为5.65%～9.38%,属于拉斑-钙碱性系列岩石组合;(2)基性及中性火成岩稀土配分型式均为LREE富集的右倾型,(La/Yb)N为1.44～11.69;(3)富集大离子亲石元素Sr、Ba、Th、U,而相对亏损高场强元素P、Zr、Ti等,Nb为明显的负异常,而Ta显示弱负异常;(4)εNd(t=480Ma)介于+1.1～+7.9之间,表明该中基性火成岩在形成过程中受到过俯冲地壳物质的混染。上述特征说明鸭子泉中基性火成岩可能形成于岛弧环境。对闪长岩样品中的锆石进行LA-ICP-MSU-Pb同位素分析,获得206Pb/238U加权平均年龄为480±3Ma,代表了闪长岩的形成时间,这表明在早奥陶世祁漫塔格洋已经存在并开始俯冲,形成鸭子泉岛弧火成岩。

贵州石头寨二叠系古油藏油气成藏期分析:流体包裹体与Sm-Nd同位素制约

贵州石头寨二叠系古油藏是滇黔桂地区众多上古生界生物礁型古油藏的典型代表。该古油藏发育了三期溶孔、裂缝充填方解石,其中含丰富的油气包裹体,三期油气包裹体组合依次为:少量液烃包裹体→液烃包裹体+气烃包裹体→气烃包裹体,与油气包裹体共生的气液水包裹体的均一温度分别为77℃～84℃、91℃～103℃和103℃～155℃。根据含油气包裹体的均一温度,结合沉积盆地热演化史和储层埋藏史,确定石头寨古油藏三期油气充注时间分别为238～235Ma、233～230Ma 和230～185Ma,第三期裂缝充填方解石的 Sm-Nd 等时线年龄为182±21Ma。古油藏的油气充注始于印支中期,于印支晚期至燕山早期达到高峰,燕山中晚期以来遭受破坏形成现今的残余古油藏。

激光原位LA-MC-ICP-MS测定地质样品Sm-Nd同位素方法新进展

本文综述了近10年来激光原位LA-MC-ICP-MS测定地质样品Sm-Nd同位素测试技术的最新进展,着重介绍了同质异位素干扰校正的关键技术难点及校正方案。LA-MC-ICP-MS技术对轻稀土富集矿物可以获得可靠的^(147)Sm /^(144)Nd and^(143)Nd /^(144)Nd值,是当前进行地质样品激光原位Sm-Nd同位素测定的主要技术,配合矿物微区U-Th-Pb年龄测定和微量元素分析,可以对矿物的成因演化提供重要的制约参数。多元同位素体系(Sr-Nd-Hf同位素、U-Th-Pb年龄和微量元素)的原位微区联合测定,低含量地质样品(小于500μg/g)和高Sm/Nd值矿物(如磷钇矿Sm/Nd远远大于1,有时甚至达到10)的Sm-Nd同位素组成的准确测定是未来LA-MC-ICP-MS激光原位Sm-Nd同位素测定的主要发展方向之一,具有广阔的应用前景。

川西新元古代双峰式火山岩成因的微量元素和Sm-Nd同位素制约及其大地构造意义

系统的微量元素和Sm Nd同位素分析表明 ,川西地区早震旦世苏雄组双峰式火山岩中的大多数玄武岩具有高的正εNd(T)值 (+5～ +6)、大离子亲石元素和LREE富集 ,与现代典型的洋岛玄武岩和大陆溢流玄武岩省中的碱性玄武岩有非常相似的地球化学和同位素组成特征。酸性火山岩的εNd(T)值较低 (+1 1～ +2 6) ,地球化学特征总体上与A2 型花岗岩相似 ,它们是受地壳混染的OIB型玄武质岩浆在地壳中部的一个“双扩散”岩浆房通过结晶分异形成的。苏雄组双峰式火山岩形成于典型的大陆裂谷环境 ,非常类似于现代与地幔柱活动有关的高火山活动型裂谷火山岩 ,扬子块体西缘 80 0Ma前的裂谷作用和火山活动应是约 82 5Ma前的华南地幔柱活动引发的结果。

藏北班公湖——怒江带舍玛拉沟蛇绿岩中辉长岩Sm-Nd定年和Sr、Nd同位素研究

本文报道了藏北班公湖—怒江带舍玛拉沟蛇绿岩中辉长岩的Sr、Nd同位素测定结果。舍玛拉沟蛇绿岩中辉长岩Sm-Nd内部等时线年龄为191±22 Ma,这一结果与该区发现含侏罗纪放射虫化石的深海硅质岩等地质事实吻合,代表了蛇绿岩侵位年龄,时代为早侏罗世。ε_(Nd)(t)为+6.3,反映形成于洋内岛弧环境,与藏南雅鲁藏布江蛇绿岩带的结果对比,舍玛拉沟辉长岩具有较低的ε_(Nd)(t)值,说明两者在形成构造环境上存在差异。辉长岩的Sr初始值(^(87)Sr/^(86)Sr)_i平均为0.7055,高于现代深海拉斑玄武岩的(^(87)Sr/^(86)Sr)_i(0.7020～0.7035)。Sr、Nd同位素特征说明,舍玛拉沟蛇绿岩是在侏罗纪发育起来的弧后盆地扩张的基础上形成的,源区可能受到一定程度的俯冲洋壳或洋壳沉积物的混染。

湘东南铜山岭铅锌多金属矿床成矿时代与成矿物质来源——Sm-Nd等时线年龄和Pb同位素证据

铜山岭铅锌多金属矿床位于扬子地块湘南-桂东北坳陷与华夏地块粤北坳陷的拼贴部位,是中国南岭多金属成矿区代表性矿床之一。为确定矿床成矿时代,挑选铜山岭铅锌多金属矿床中含矿矽卡岩的石榴子石进行Sm-Nd同位素定年,获得的等时线年龄为173±3Ma,指示成矿作用发生于燕山早期。对金属硫化物矿物进行了Pb同位素分析,其^(206)Pb/^(204)Pb、^(207)Pb/^(204)Pb、^(208)Pb/^(204)Pb平均值分别为18.602、15.701、38.729,表明成矿物质来源于相对富集铀铅、略微亏损钍铅的上地壳源区。从(^(207)Pb/^(204)Pb)i-(^(206)Pb/^(204)Pb)i铅同位素演化模式图可知,寄主花岗闪长岩是铜山岭铅锌多金属矿床的重要物质来源,且成矿物质中可能含有寄存在花岗闪长岩中的地幔组分。

湘南荷花坪锡多金属矿区花岗质岩石Sm-Nd同位素研究

荷花坪锡多金属矿床是近年来在湘南地区新发现的一个大型矿床,矿区花岗质岩石主要有印支期中粗粒似斑状黑云母花岗岩和中细粒黑云母花岗岩,以及燕山期花岗斑岩脉和强蚀变花岗斑岩脉等。其中,与成矿有关的是中粗粒似斑状黑云母花岗岩和强蚀变花岗斑岩脉。本文对区内不同花岗质岩石进行了系统的主量元素、微量元素、稀土元素和Sm-Nd同位素测试。结果表明,区内花岗质岩石富Si(SiO_2>70%)、富Al(Al_2O_3=11.06%~18.26%),K_2O+Na_2O=3.51%~8.18%,且K_2O>Na_2O,贫Ca、Mg、Fe、Ti和P,δ<3.3,A/CNK=0.93~2.85,微量元素Ba、K、Sr、P和Ti出现亏损,Rb、Ta、La、Nd、Zr和Hf出现富集,Eu/Eu*=0.06~0.34,均属钙碱性过铝质花岗岩,具S型花岗岩特点。花岗质岩石ε_(Nd)(t)=7.1~11.2,两阶段Nd模式年龄t_(2DM)=1509~1903 Ma,主要为中元古代基底部分熔融产物。花岗质岩石的ε_(Nd)(t)均高于华南地壳端元的相应值12.1,锆石ε_(Hf)(t)变化于10.14^+4.61之间,显示成岩过程中应有少量地幔物质参与,且花岗质岩石的成矿能力可能与其成岩过程中地幔物质的参与强度有关。

华北石质山区核桃-绿豆复合系统氘同位素变化及其水分利用

通过对比核桃枝条和绿豆茎内δD值差异来分析核桃和绿豆水分来源和利用。结果表明,核桃-绿豆农林复合系统的根系在表层土壤(0—30cm)中交叉存在,生态位重叠。旱季中表层土壤含水量与δD值之间存在显著的负相关关系(R2=0.77,P=0.02),雨季相关关系不显著(R2=0.03,P=0.73)。δD值分析表明,旱季中核桃利用深层土壤(30—80cm)水分占总水分来源的51%以上,雨季中则主要利用浅层土壤水分,间作绿豆和单作绿豆主要利用表层土壤水分。雨季中表层土壤水分能同时满足核桃和绿豆生长需要,但复合系统中光能竞争导致间作绿豆光合速率显著地低于单作绿豆。旱季间作绿豆0—20cm土壤水分含量、凌晨叶片水势和光合速率明显高于单作绿豆,显示间作绿豆体内水分状况好于单作绿豆。线性模型分析结果显示间作绿豆体内约有1.58%—5.39%的水分来核桃夜晚水力提升,表明复合系统在旱季一定程度上缓冲季节性水分胁迫对农作物生长的影响。