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第三节 碳同位素在矿床学中的应用 一、碳同位素组成 碳有两种稳定同位素，其习惯用的丰度值为： 12C 98.893% 13C 1.107% 表示碳同位素成分的方法有三种: 12C/13C的比值;或13C/12C比值、或δ13 C(‰) 碳同位素分布 1、 地壳中气体的碳同位素成分 根据对天然气、火山喷气、煤田气以及沉积物所含气体的研究，可将地壳气体划分如下: (1) 生物化学带：这个带CO2=CH4 反应是有机的，δ13C= -50—-80‰，是生物分馏作用引起的。 · (2) 催化带：在这个带中，有机碳变为甲烷。 (3) 热化学带：这个带中，CO2＝CH4反应是无机的。 (4) 深部带：地幔石墨是呈气体形式存在的碳的来源。 表层生物化学带富含轻碳(12C)，愈向深部愈富13C，深部带δ13C＝ -l0—-30‰。 2、岩石圈中的碳同位素 地壳中碳按同位素成分大体可分四类： (1) 沉积的碳酸盐类矿物和岩石，如方解石、石灰岩、白云岩，其δ13C＝0; (2) 岩浆成因的碳酸盐岩、金伯利岩中的碳酸盐、金刚石、内生成因石墨等，其δ13C ＝ -5.3— -7.0‰; (3) 火成岩及其中的碳，金伯利岩中SiC和黑金刚石，其δ13C=-17.9一-28‰，与陨石碳相近似; (4) 有机沉积物、沉积岩中的有机质、石油、油页岩、煤和天然气等，其δ13C= -24—-29‰。 三、碳同位素地质测温 与硫、氧同位素相比，碳同位素地质测温的适应性和效果都较差。 据G. C. Ferrara等(1963)研究，在意大利Tuscany的Larderello喷气孔中，19个样品的碳同位素测定结果为：δ13CCO2= -3.74‰，δ13CCH4= -26.74‰，?CO2-CH4=23.00‰。 根据图6-8Craig曲线查得平衡温度为258℃，该值与H. Craig(1953)报道的黄石公园喷泉与温泉的温度值以及J. R. Hulston和W. J. McCabe(1962)报道的新西兰北岛地热区的温度值相似，因而上述计算结果是比较合理的。 H. Ohmoto和R. O. Rye(1979)指出，热液矿床中一个潜在的地温计是方解石-二氧化碳。 通过测定不含碳的寄主矿物(host mineral)如石英、硫化物的原生气液包裹体中二氧化碳以及同时沉淀的方解石的碳同位素组成，就可利用相应的分馏系数计算其形成温度。即使在温度高达300℃的情况下所获得的成矿温度也是比较可靠的，误差在士20℃范围内，因此，碳同位素地温计也是有效的。 三、碳同位素在矿床成因研究中的应用 （一）热液矿床的碳同位素组成 1、热液中碳的来源 归纳起来，成矿溶液中的碳有3个来源： 岩浆源或深部源，它们的δ13C值为-7‰左右; 沉积碳酸盐来源，其δ13C值为0左右； 沉积岩、变质岩与火成岩中的有机碳(还原碳)，它们的δ13C值为-25‰左右。 这些源区中的氧化碳是通过溶解反应，即 CaCO3+2H+→ H2CO3+Ca2+ 和脱碳反应，即 3白云石+4石英→滑石+3方解石+3CO2进入热液体系 上述源区中的还原碳是通过氧化反应，即 C+O2→CO2 和水解反应，即 2C+2H2O→CO2+CH4进入热液体系。 在地表和近地表条件下，氧化反应是主要的，所形成的二氧化碳的δ13C值与有机碳的δ13C值相似；即δ13C值为:-10一-35‰。 在深部的高温变质条件下，氧化反应和水解反应都存在，它们都能使源区中的还原碳以氧化形式 (CO2)进入热液。 研究表明。在350—600℃的温度条件下，由水解反应产生的二氧化碳的δ13C值为3—12‰。13C的富集可能同二氧化碳和甲烷之间强烈的同位素分馏有关。 2、热液中碳同位素组成的变化 碳是变价元素，电价的改变对于13C是富集还是贫化影响极大。 H. Ohmoto(1972)在这方面作了详细的研究，他的结论是：热液碳酸盐矿物的碳同位素组成取决于热液的总碳同位素组成以及矿物沉淀时热液的温度、氧逸度、酸碱度和阳离子浓度的变化特征。 氧逸度主要影响热液中含碳组分的氧化-还原状态。 在高氧逸度情况下，热液中大多数碳以氧化碳形式出现，CH4(水溶)可以忽略不计。 在这种高氧逸度条件下形成的碳酸盐矿物的δ13C值与热液的总碳同位素组成相似。 当热液氧逸度降低时，CH4 (水溶)的数量迅速增加。由于CH4强烈富集12C，