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气体地球化学科普：解读地球奥秘——氦同位素的神奇之旅精选

已有 6617 次阅读 2023-3-22 09:30 |系统分类:科普集锦

氦同位素是一种非常重要的稀有气体同位素，其在地球科学研究中有广泛的应用。地球上的氦气主要来自于放射性源。例如，当铀和钍这类元素在地下深处衰变成钍和镭时，会释放出由两个质子和两个中子组成的α粒子并被困住。当这些α粒子从周围环境中吸收电子时，它们就变成了稳定的氦原子。氦有³He和⁴He 2种稳定同位素，³He主要来源于地幔，⁴He主要来源于放射性元素²³⁸U、²³⁵U和²³²Th衰变。沉积盆地中氦主要有3个来源，分别为大气源、壳源（放射性来源）和幔源。大气氦是指赋存于大气圈气中氦，主要来自固体地球脱气作用释放出的氦气，如火山喷发、断裂—岩浆作用的脱气和岩石风化作用释放的氦。

大气中的³He/⁴He比例约为1.4×10^-6 。在地球内部，氦主要来自于地幔。地幔中氦同位素的比例通常用³He/⁴He比值来表示。这个比值的大小取决于地幔中氦同位素的来源和演化历史。在地球内部，³He/⁴He比值通常在0.1到10 RA（RA是大气中3He/4He比值的参考值）之间变化。其中，³He/⁴He比值较低的区域通常与地球内部较古老的物质有关，而³He/⁴He比值较高的区域通常与地球内部较新的物质有关。不同来源的氦气同位素比值具有明显的差异，这种差异主要是由不同来源和演化历史的氦贡献造成的。以下是一些来源的³He/⁴He比值：地球内部：地球深部的岩浆和热液，具有相对较高的³He/⁴He比值。一般来说，热点区域的³He/⁴He比值高于非热点区域，这是因为地幔物质的演化历史不同所致。例如，夏威夷的³He/⁴He比值约为约为 9.2×10^-5，相比之下，非热点地区的³He/⁴He比值通常在10^-8到10^-6之间。化石燃料：化石燃料（如石油和天然气）中的氦同位素主要来自古代有机物质的分解和降解，具有相对较低的3He/4He比值。例如，石油和天然气中的³He/⁴He比值通常在10^-8到10^-7之间。

氦同位素地球化学应用领域：

不同来源的氦同位素比例存在明显的差异，这种差异可以用于研究地球内部的物质循环、宇宙中的恒星和星系的形成和演化、地下水资源的研究以及石油和天然气的勘探。通过对地球内部氦同位素的研究，可以了解地球内部物质的来源和演化历史。例如，通过比较不同地区地幔中氦同位素的比值，可以确定地幔的不同物质来源和演化历史。此外，通过研究火山喷发物中氦同位素的比值，可以了解岩浆的来源和演化历史，从而帮助我们更好地预测火山活动。

1.气体地球化学研究：氦同位素的比值可以用于研究地球内部的物质循环和岩石圈的动力学过程。³He/⁴He比值高的地区通常与地球热点区域有关，因为这些区域通常富含原始岩浆和热液。相反，³He/⁴He比值低的地区通常与大陆地壳岩石有关。

2.地下水资源研究：氦同位素的比值可以用于确定地下水资源的起源和年龄。因为氦同位素比例在大气层中是稳定的，所以可以使用氦同位素比例来确定地下水的起源。此外，氦同位素的衰变速率非常慢，因此可以使用氦同位素的衰变速率来确定地下水的年龄。利用氦同位素的比例可以追踪地下水的来源和运移过程。地下水中的氦同位素比例主要受降雨水和地下水的混合比例、地下水运移的时间和距离以及不同水体的化学特征等因素的影响。通过对地下水中氦同位素比例的分析，可以确定地下水的来源、流向和补给方式，对地下水资源的开发和管理具有重要意义。

3.油气地球化学：氦气在地球大气中的含量只有 1/200000 (0.0005%)，但是在美国的天然气中却有大量的氦气，其含量高达 7.6%。氦同位素的比值可以用于确定石油和天然气的来源和运移路径。因此可以使用氦同位素的比值来确定石油和天然气的来源地区。此外，石油和天然气在地下运移时也会与周围的地下水发生交互作用，因此可以使用氦同位素比例来确定它们的运移路径。另外，氦同位素还可以应用于石油和天然气勘探。石油和天然气中的氦同位素比例可以用于确定烃类物质的来源和演化历史，从而帮助勘探人员更好地掌握油气藏的分布和特征。此外，氦同位素比例还可以用于区分不同油气藏之间的联系，对于优化油气勘探和开发具有重要意义。

4.天体物理学研究：氦同位素的比值可以用于研究宇宙中的恒星和星系的形成和演化。恒星和星系中氦同位素比值的变化可以揭示它们的历史和物质来源。例如，在银河系中，氦同位素比值的梯度可以揭示银河系中恒星的形成历史和演化。

总之，氦同位素的比值在地球物理学和天体物理学中具有重要的应用，可以用于研究地球内部的物质循环、岩石圈的动力学过程、宇宙中的恒星和星系的形成和演化、地下水资源的研究以及石油和天然气的勘探。