稳定同位素地球化学
地球化学中的同位素研究及其应用
地球化学中的同位素研究及其应用地球化学是研究地球上各种化学现象和过程的科学学科。
同位素是元素具有相同的原子序数和化学性质，但质量数不同的不同种类的原子，其在地球化学研究中发挥着重要的作用。
本文将探讨地球化学中的同位素研究以及其在不同领域的应用。
一、同位素的定义和分类同位素是指具有相同原子序数（即原子核中质子的数量相同）但质量数（即原子核中质子和中子的数量之和）不同的原子。
同位素的存在使得地球化学研究可以根据元素的同位素组成来分析物质起源、演化和地球系统中的各种过程。
同位素一般可以分为稳定同位素和放射性同位素两类。
稳定同位素是指在地球化学研究中具有稳定存在状态的同位素，如氢的两种同位素氢-1和氢-2，氧的三种同位素氧-16、氧-17和氧-18。
放射性同位素是指具有不稳定存在状态的同位素，如铀系列的235U和238U以及镭系列的226Ra等。
二、地球化学中的同位素研究方法1. 同位素质谱法同位素质谱法是地球化学研究中常用的分析技术，它可以通过测量元素的同位素比例来获取有关地球物质起源和演化的信息。
该技术基于同位素质量分析仪器，可以对地球系统中的各种物质样品进行同位素组成的测定。
2. 同位素示踪法同位素示踪法是地球化学研究中常用的实验手段，它通过采集含有某种同位素标记的物质，并追踪其在地球系统中的传输和转化过程。
该方法可以帮助科学家们了解物质的迁移路径、生物地球化学循环等过程，为地球系统模型的构建和预测提供重要依据。
三、地球化学中的同位素研究应用1. 地质探测地球化学中的同位素研究可以用于地质探测，例如利用同位素示踪法可以追踪岩石中的放射性同位素衰变过程，从而确定岩石的年代和形成过程。
这对于研究地质构造、地壳运动以及矿床形成等具有重要意义。
2. 古气候研究同位素的组成可以反映地球气候变化的过程。
通过对冰川和海洋沉积物中的同位素比例进行分析，可以了解过去气候变化的规律和机制。
这对于预测未来气候变化趋势以及制定环境保护政策有重要意义。
第十讲 稳定同位素地球化学
第十讲地质常用主要稳定同位素简介18OFull atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.内容提要●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素10.1. 传统稳定同位素基本特征☐只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40；☐多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。
总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集；☐生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。
在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen)☐直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成：1H：99.9844%2H(D)：0.0156%☐在SMOW中D/H=155.8 10-6☐氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征☐与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间；☐1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围；☐从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以HO、OH-，2H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用；☐氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
JFC:Jupiter family cometsOCC:outer solar system Oortcloud comets内地行星与碳质球粒陨石具有相似的氢同位素组成，但与彗星之间存在差异(Taylor,2015,PSRD: Water in Asteroid 4 Vesta)(Robert ,2011,Nature Geoscience)行星和陨石的氢同位素组成(Alexander et al., 2012, EPSL)NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDAWater in apatite in meteorites from Vesta varies in its hydrogen isotopic composition. Range is similar to the range in Earth.来自小行星带不同陨石样品中磷灰石的氢同位素组成(Sarafian et al.,2014)Hydrogen isotope variations in mantle-derived materials(Bell and Ihinger, 2000)金云母K-碱镁闪石韭闪石&羟钛角闪石10.2.2 主要分馏机制◆发生氢同位素分馏的主要原因是水蒸气压的不同，其次为其冰点差异。
百科知识精选同位素地球化学
分馏系数分馏系数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。
在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。
其表达式为：□ A-B＝RA/RB式中A和B表示两种物质(物相)，R代表重同位素对轻同位素的比值，如18O/16O，13C/12C等。
□ 值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；□=1时，物质间没有同位素分馏。
δ值稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。
其公式为□δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。
样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。
所以必须采用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。
比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。
稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103ln□ 值与T 2成反比,T为绝对温度。
103ln□ 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈103ln□A-B。
因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103ln□值。
它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。
在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。
它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义。
稳定同位素地球化学
地球化学→地球科学问题(I)
➢ 陨石化学研究，了解地球和太阳系的形成； ➢ 确定地质时间； ➢ 确定岩浆房的深度和温度； ➢ 发现地幔柱； ➢ 沉积物可以俯冲进入地幔； ➢ 确定不同类型变质岩的形成温度和压力； ➢ 确定造山带上升的程度和速度以及剥蚀速率； ➢ 确定地壳形成时间和方式； ➢ 确定大气形成时间和演化方式； ➢ 了解地幔对流; ➢ 了解冰期的寒冷程度及其成因； ➢ 38亿年前早期生命的化学证据.
地球化学→地球科学问题(II)
➢寻找火星生命； ➢探索其它行星(金星，火星，木星)； ➢环境科学和环境问题(酸雨，臭氧空洞；
温室效应和全球变暖；水和土壤污染等)； ➢不可再生资源(如金属矿床和石油)； ➢寻找新的矿产资源。
原文:
''When, however, the geologist advances further, and desires to study something more than the mere external forms and physical characters of the materials of which our globe is built up, he is compelled to call in the aid of chemistry, for it is by chemical science alone that he can be enabled to demonstrate the true nature of these materials, to explain their formation or origin, or to discover the causes which have produced the changes or alterations which they have already experienced, or which they may now be undergoing.''
同位素地球化学
同位素地球化学
同位素地球化学是以同位素的分布特征为研究对象，研究地球内部和表面形成过程和变化的一门重要的地学分支。
它利用稳定同位素的比值来研究地球的演化及其在时空尺度上的变化。
同位素地球化学既是一门独立的学科，也是地球科学中的多学科交叉学科。
它将地球科学、核物理学、化学和生物学等多学科有机地结合在一起，研究地球中某种物质的原始成分，以及它们在地球内部、大气中等不同环境中的运动、改变和转化过程，以及由此引起的地球演化过程。
同位素地球化学的研究方法有多种，其中最重要的是测量和分析地球表面、地壳、地幔和地球内部的同位素比例。
它的研究重点是地球作为一个整体的演化过程，以及地球内部物质的原始成分、流动性和转化过程，以及它们如何影响地球表面和大气环境的演变。
一般而言，同位素地球化学的研究不仅要研究地球表面和内部的同位素含量，还要研究其分布特征。
通常情况下，同位素的分布特征受到地壳、地幔和地球内核的影响，它们的分布特征各不相同。
在同位素地球化学的研究中，要根据地球的特定环境对同位素的分布特征进行分
析，可以深入地理解地球的演化过程、结构特征以及其影响因素。
在实际应用中，同位素地球化学已经成为地质勘查、矿物开采、矿产评价以及环境保护等领域的重要手段之一。
人们可以利用同位素地球化学的结果，对潜在的矿产资源进行定量评估，进而提高地质勘查的准确性和效率。
此外，同位素地球化学还可以用来研究地表微生物的活动、空气污染的源头和扩散趋势，以及地表水的污染特征等。
总之，同位素地球化学是地球科学研究的一个重要分支，它结合了多学科的知识，为地质勘查、矿产开发、环境保护和其他领域的实践活动提供了有效的技术支持。
稳定性同位素地球化学
授课教师：李净红 武汉工程科技学院
第六章 稳定性同位素地球化学 1 稳定性同位素的基本理论 2 H-O稳定同位素 3 C稳定同位素 4 S稳定同位素
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 稳定同位素概念
不 具 有 放 射 性 的 同 位 素 称 为 稳 定 同 位 素 （ Stable Isotope）。
z 同位素效应
由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差，从 而引起该分子在物理和化学性质上的差异，称为同位 素效应（isotope effect）。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏
同位素分馏（isotope fractionation）是指在一系统 中，某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或 物相中的现象。
这两个标准的氢、氧同位素组成分别为： δDVSMOW=0‰，δ18OVSMOW=0‰ δDslap=-428‰，δ18OSLAP=-55.50‰
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素
氧同位素标准SMOW居于全球氧同位素变异范围的 中间，
SMOW作为氢同位素标准时则位于“重”的一端，大 部分岩石、矿物和天然水的δD< 0 ‰。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 分馏值Δ与分馏系数的转换
根据分馏系数的定义，则有：
α A−B = RA / RB
α A−B
=
1+δA 1+δB
/1000 /1000
=
1000 + δ A 1000 + δ B
Δ A−B =（RA / RB −1）×1000 =（α A−B −1）×1000
稳定同位素地球化学
元素 H、O
C C S
标准样 大洋水平均 美国南卡罗莱纳州，皮迪组的美洲箭石（已耗尽） 索洛霍芬石灰岩 美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁
缩写 SMOW
PDB NBS—20
CD
STABLE ISOTOPE
• 2.质谱仪测定：
•
质谱仪是目前同位素成分测定的
主要手段（MAT—261，MAT—251）。
其工作原理是：把待测元素的原子或分
子正离子化，并引入电场和磁场中运动，
带正电的质点因质量不同而被分离测定。
• δA=
STABLE ISOTOPE
• 热力学性质 • 电能---电子层分布 • 平动能 • 转动能 • 振动能---产生同位素分馏的主要原因 • 振动频率与原子的质量成反比 • 含有较轻同位素的分子比重同位素的分子具有
STABLE ISOTOPE
② 同位素交换反应：就是参与反应的各相物质在保持化学平衡的 状态下，各物相间发生同位素再分配的现象。 使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生分异，称同位素交换反应。
例如：方铅矿和闪锌矿之间达到反应平衡时， 大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2 (0H ℃2 :1 α=O 18 . 071 4O , 6 2 25 ℃:α2 =H 1.02 01 6O )6 1O 8 2
近年来，稳定同位素地球化学以同位素分馏理论为基础，将 重点从同位素平衡体系转向非平衡体系（如同位素交换动力学）。 激光探针同位素分析技术的日趋成熟，又大大促进了应用研究。 目前，稳定同位素应用正向着地球科学的各个领域渗透，研究已 涉及水圈、古海洋、气候学、冰川学、古环境、考古学、天体化
STABLE ISOTOPE
• 习惯上把微量（较小相对丰度）同位素 放在R的分子上，这样可以从样品的δ值， 直接看出它含微量同位素比标准样品是 富集了，还是贫化了。 • δ＞0表示34S比标准样品是富集了； • δ＜0表示34S比标准样品是贫化了。
地球化学中的同位素分析
地球化学中的同位素分析地球化学是研究地球化学成分、地球化学过程、地球化学循环和地球化学环境的一门学科。
其中的同位素分析是地球化学中的重要分支之一。
同位素是指具有相同原子序数但不同质量数的单质，在自然界中广泛存在。
同位素分析可用来研究岩石、矿物、水体、大气等自然现象，也可用来解决环境、生物和人类问题。
同位素分析的原理是依据同位素在化学和物理活动中的差异性。
同一元素的同位素化学性质相同，但物理性质不同。
例如，具有同位素^12C和^13C的二氧化碳分子在光谱分析技术中可以被分辨，从而得到不同的信号。
利用这些信号，就可以分析样品中同位素的含量和同位素比值。
同位素分析的方法主要包括质谱法、光谱法、放射性测量法等。
其中，质谱法是同位素分析中最常用的方法之一。
该方法基于质谱仪的原理，利用精确的磁场和电场对离子进行分析，得出不同离子的质量-电荷比，从而测定样品中的同位素含量。
同位素分析在地球化学中有许多应用。
以下介绍几个例子：1.同位素示踪法同位素示踪法是同位素分析中使用最广泛的应用之一。
当同位素被注入到一个系统中时，同位素浓度会随着时间变化而发生变化。
通过测量不同时间点的同位素浓度，可以了解系统中各种物质的来源、分布和移动方式。
地球化学中常用的同位素示踪法包括放射性示踪法和稳定同位素示踪法。
放射性示踪法是将一种有放射性同位素标记注入样品中，通过测量标记同位素的衰变速率和产生的辐射量来示踪样品中物质的分布和运动。
稳定同位素示踪法则是利用稳定同位素测定样品中物质的来源、变化和转移。
2.同位素地球化学同位素地球化学是利用同位素在地球科学中的广泛应用，包括地质学、气候学、生物学和环境科学。
通常情况下，地球化学家使用不同的同位素分析方法来研究样品的化学成分和样品的起源。
例如，根据岩石中铀、钍、锶等放射性同位素的衰变速率，研究岩石的时代和成因；利用碳同位素分析技术，研究生物的食物链变化和生物地球化学过程；通过测量气体中气体同位素的含量和同位素比值，可以研究大气的物理和化学特性。
稳定同位素技术在地质科学中的应用
稳定同位素技术在地质科学中的应用稳定同位素技术是利用地球物质中同一元素不同同位素在化学反应中的不同反应速率来分析地质过程的一种方法。
稳定同位素技术不仅在地球科学领域得到了广泛应用，也在其他领域，如生物学、生态学、环境科学等中发挥重要作用。
本文主要探讨稳定同位素技术在地质科学中的应用。
一、同位素地球化学同位素地球化学是稳定同位素技术的一个重要应用方向。
同位素地球化学研究的是地球物质中各元素同位素的分布与空间变化，通过同位素分析，可以从微观角度深入探讨地球物质的形成与演化机制。
如氧同位素就是一个较为常用的地质同位素，它主要用于研究大气、水体、沉积物等地质过程。
氧同位素在大气科学方面可以用于研究靠近海洋和陆地区域的降水同位素分布，以此揭示气象要素和局地气象变化。
在地质时标等领域，氧同位素也常常被人们用来研究不同地质时期的气候变化。
二、岩石地球化学稳定同位素技术在岩石地球化学领域也有着广泛的应用。
岩石和矿物中同位素含量的变化可以揭示岩石和矿物的形成和演化过程。
例如，石英和方解石中的氧同位素组成可以用于时间尺度的研究，而锶同位素组成与岩浆成因联系更为密切。
稳定同位素技术在岩石地球化学研究中的应用还包括研究成矿作用、火山喷发等地质现象。
三、环境地球化学稳定同位素技术在环境地球化学中的应用也越来越受到重视。
环境地球化学是研究环境中各种元素及其同位素分布、迁移和转化的科学，通过分析环境中元素和同位素的分布特征，可以认识到环境本质和特征，进而为环境治理和保护提供科学依据。
如氮、碳等同位素可以用于研究环境污染的来源和演变，硫同位素可用于研究酸雨的生成过程，而稳定铅同位素则可以用于重金属污染历史的追溯。
四、同位素地质年代学同位素地质年代学是通过同位素变化研究地质时间尺度的方法。
通过对地球物质中不同元素对时间的记录，可以研究地层的时代顺序以及地层岩石的物质来源和演化过程。
如铀-钍同位素法可用于绝对年龄并研究地壳物质循环过程，钾-氩同位素法可以用于研究火山岩的年龄，而锆石U-Pb同位素法是目前最常用的地质年代学方法之一。
稳定同位素在地球化学和环境科学中的应用
稳定同位素在地球化学和环境科学中的应用稳定同位素（Stable Isotope）指的是自然界中相对稳定的同位素，它们的核子数和质量数相同，但质子和中子的数量略有不同。
在地球化学、环境科学、生物学等领域中，我们可以通过研究这些稳定同位素的分布、比率变化等，来了解物质的来源、转化过程、并且推断出环境或生态系统的变化情况。
【稳定同位素的分类】目前为止，已经发现超过200种稳定同位素，我们可以根据它们的质子数和中子数来进行分类。
1. 氢同位素：质子数为1，核子数从1到3不等，如氢-1、氢-2、氢-3。
2. 碳同位素：质子数为6，核子数从11到16不等，如碳-11、碳-12、碳-13、碳-14、碳-15、碳-16。
3. 氮同位素：质子数为7，核子数从11到16不等，如氮-11、氮-12、氮-13、氮-14、氮-15、氮-16。
4. 氧同位素：质子数为8，核子数从13到18不等，如氧-13、氧-14、氧-15、氧-16、氧-17、氧-18。
5. 硫同位素：质子数为16，核子数从27到34不等，如硫-27、硫-28、硫-29、硫-30、硫-31、硫-32、硫-33、硫-34。
【稳定同位素的应用】1. 地球化学研究在地球科学领域中，稳定同位素被广泛应用于研究各种物质（如矿物、岩石、水和气体）的成因和演化过程。
以氢、氧同位素为例，地球上几乎所有的水都会带有不同的氢、氧同位素，而在不同地区，不同水体所带的同位素比例也会有所不同，通过研究这些同位素的比例，我们可以了解水的来源、循环方式、化学反应等信息。
此外，稳定同位素还可以用来研究某些物质（如钙、铁、镁等）的生物地球化学循环过程。
2. 环境科学研究稳定同位素不仅在地球科学领域中有广泛应用，也广泛运用于环境科学领域。
例如，稳定同位素可以用来追踪污染物的来源和传递途径。
以氮同位素为例，当污染物进入生态系统中时，会改变当地氮的同位素比例，而这种比例变化可以帮助我们分析有害物质的来源、移到何处，以及对环境和生态系统产生的影响。
第六章稳定性同位素地球化学
• 物理化学过程识别（Process identification）
如对动物化石进行C同位素分析，确定其是否属于 C4（木本？）或C3（草本？）类植物的食用动物
稳定同位素组成表达形式
• 采用同位素比值
• 通常情况下，稳定同位素的比值采用质量数大的同位素为分 子，而质量数小的同位素为分母。如18O/16O、2H/1H、13C/12C 和34S/32S等；
• 为直观反映样品稳定同位素组成，将同位素比值与标准样品 进行比较，并用差值的千分率（）表示。如：
R R
A St
1 1000
• 与放射成因同位素表达方式不同的是，标样的同位素组成是 常数，不随时间改变，且标准化值放大系数为103
ZN 10 11 66 67 77 78 88 89 8 10 16 16 16 17 16 18 16 20
Atomic Mass 1.0078 2.0141 12 13.0034 14.0031 15.0001 15.9949 16.9991 17.9992 31.9721 32.9714 33.9676 35.9671
Standard
Hydrogen δD D/H (2H/1H)
SMOW
Lithium
δ7Li
7Li/6Li
NBS L-SVEC
Boron
δ11B
11B/10B
NBS 951
Carbon
δ13C 13C/12C
PDB
Nitrogen δ15N 15N/14N
atmosphere
Oxygen
δ18O
18O/16O
地球化学第六章 同位素地球化学-稳定同位素
第六章同位素地球化学——稳定同位素第一节基本概念一、同位素的定义核素：是由一定数量的质子（P）和中子（N）构成的原子核。
核素具有质量、电荷、能量、放射性和丰度5中主要性质。
元素：具有相同质子数和中子数的核素.同位素：原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做同位素(isotope)，他们处在周期表上的同一位置二、同位素的分类– 放射性同位素(radioactive isotope)：原子核是不稳定的，它们能够白发地衰变成其他的同位素。
最终衰变为稳定的放射性成因同位素。
目前已知的放射性同位素达1200种左右，由于大部分放射性同位素的半衰期较短，目前已知自然界中存在的天然放射性同位素只有60种左右。
放射性同位素例子：238U→234Th＋4He(α)＋Q→206Pb；235U→207Pb；232Th→208Pb– 稳定同位素(stable isotope)：原子核是稳定的，迄今还未发现它们能够自发衰变形成其他的同位素。
自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有260余种。
z轻稳定同位素，又称天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定。
其特点是①原子量小，同—元素的各同位素间的相对质量差异较大；②轻稳定同位素变化主要原因是同位素分馏作用所造成的，其反应是可逆的。
如氢同位素（1H和2H）、氧同位素（16O和18O）、碳同位素（12C和13C）等。
z重稳定同位素，又称放射成因同位素(radiogenic isotope)：稳定同位素中部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物。
其特点是①原子量大，同—元素的各同位素间的相对质量差异小（0.7%~1.2%）环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变；②重稳定同位素变化主要原因是放射性同位素衰败引起，这种变化是单向的不可逆的。
如87Sr是由放射性同位素87Rb衰变而来的；三、同位素的丰度和原子量1．同位素丰度(isotope abundance) ：可分为绝对丰度和相对丰度绝对丰度是指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1H（取1H=1012）或28Si（取28Si=106）的比值表示。
第七章 稳定同位素地球化学
第七章稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其变化。
同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用，即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生变化，造成一部分物质富集轻同位素，另一部分富集重同位素。
同位素及其化合物在物理或化学性质上的差异叫做同位素效应。
同位素效应的产生从根本上讲是由于同位素在质量上的差异引起的，同位素质量差越大，所引起的物理化学性质上的差异也就越大。
因此，对质量较轻的元素，其同位素的相对质量差异较大。
如H与D 质量差100％，O16和18O质量差12.5％，而204Pb和206Pb质量差仅1％，在目前技术条件下，能测量到的由于同位素效应所造成的自然界同位素丰度变异仅限于质量数小于40的元素内。
这就是稳定同位素地球化学目前所涉及的同位素仅限于元素氢（H/D）、碳（14C/13C）、氧（18O/16O）、和硫（34S/32S）以及硼（11B/10B）、氮（15N/14N）的原因所在。
7.1 同位素分馏和组成的表示7.1.1同位素分馏由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配称为同位素分馏。
这里需引入二个概念。
同位素比值：定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比，如在陨石中硫同位素比值为：R=34S/32S＝1/22.22当我们谈论同位素比值时，总是指重同位素和轻同位素之比。
同位素分馏系数：定义为在平衡条件下，经过同位素分馏之后二种物质（或馏份）中某元素的相应同位素比值之商。
设某二种物质为A，B，某元素的同位素比值为R A，R B，则同位素分馏系数为：所以当我们讨论同位素分馏系数时，必须指明是那种物质对那种物质。
一般α值为接近1的一个数字，离1愈远，同位素分馏就愈大，α=1表示物质间无同位素分馏。
R值可通过具体对象的测定而获得，某种物理化学环境下的α值则可通过实验过程确定。
把R和α两者联系起来，可用来探讨地质过程的物理化学状况。
13c稳定同位素
13c稳定同位素稳定同位素是指具有稳定的核结构，不会发生核反应或放射性衰变的同位素。
它们的核外电子结构相同，所以化学性质相似。
稳定同位素在自然界中广泛存在，并且在生物、地球和医学等领域有着重要的应用。
稳定同位素有很多种，其中有些是非常常见的，而有些则非常罕见。
以下是一些常见的稳定同位素：1.氢-1（1H）:最常见的氢同位素，构成了水和绝大部分有机化合物的基础。
2.碳-12（12C）和碳-13（13C）:碳的两个稳定同位素，占地球上所有碳元素的绝大部分。
3.氮-14（14N）和氮-15（15N）:氮的两个稳定同位素，主要存在于大气中和生物体内。
4.氧-16（16O），氧-17（17O）和氧-18（18O）:氧的三个同位素，构成了水和大气中大部分氧元素。
5.铁-54（54Fe），铁-56（56Fe），铁-57（57Fe）和铁-58（58Fe）:铁的四个稳定同位素，分别占地球上铁元素的绝大部分。
稳定同位素的应用十分广泛。
下面是一些主要应用的例子：1.环境和地球科学：稳定同位素可以用来研究气候变化、地球化学循环和环境污染等。
例如，通过测量冰芯中氧同位素的比例变化，可以重建过去的气候变化情况；通过测量土壤中氮同位素的比例，可以追踪氮的来源和转化过程。
2.生物学：稳定同位素可以用来研究生物体内物质的来源和代谢途径。
例如，通过测量食物链中不同组织的碳同位素比例，可以判断某种食物的基础是否是植物还是动物；通过测量体内氮同位素的比例，可以推断生物体的食物来源和营养状态。
3.医学：稳定同位素可以用于医学诊断和治疗。
例如，碳-13呼气试验可以用来检测胃肠道疾病；氧-18标记的药物可以用来研究药物的吸收和代谢过程；氙-129可以用作核磁共振成像的显影剂。
4.食品科学：稳定同位素可以用于检测食品的真实性和质量。
例如，通过测量乳制品中碳同位素的比例，可以区分天然奶和甜奶粉的混合物；通过测量蜂蜜中氧同位素的比例，可以区分野生蜂蜜和添加糖蜜的伪劣产品。
地球化学研究中的稳定同位素地球化学
地球化学研究中的稳定同位素地球化学地球化学研究旨在了解我们的行星是如何以及为什么形成的，包括地壳、大气、水体和生物。
地球化学家使用各种方法和技术来研究这些过程，而稳定同位素地球化学是其中之一。
本文将介绍稳定同位素地球化学的基本概念，以及它如何应用于了解地球化学过程的早期历史和现代系统。
稳定同位素是指具有相同原子核数的元素，但具有不同的中性子数。
同位素地球化学是研究这些同位素在地球化学中的分布和交换过程的学科。
由于同位素的数目非常相似，因此它们的化学性质也非常相似。
这使得它们在地球化学和生物学中的应用非常广泛。
稳定同位素地球化学的应用广泛，仅举几例。
首先，它可以用于了解过去的气候和环境条件。
例如，钋同位素比研究表明，过去的气候变化和气候区域变化对全球生态系统和人类社会造成了深远的影响。
其次，它可以用于研究物质循环和生态系统中的动态变化。
例如，地球上的水循环和生态系统中碳、氮、硫等元素的循环和利用，可以用稳定同位素技术进行研究和监测。
此外，它还可以用于了解矿床和石油等地下资源的形成和演化过程。
除了稳定同位素外，同位素地球化学也包括放射性同位素地球化学。
与稳定同位素不同，放射性同位素衰变会导致元素发生变化，而稳定同位素只涉及元素内部中性子数量的变化。
两类同位素地球化学研究可以相互补充。
稳定同位素地球化学的应用有赖于其具有高精度、多重标记和非破坏性等特点。
例如，一些同位素的比例测量可以用极高的精度实现，达到1/1000万或更高的精度。
这在研究少量物质的分布和交换过程时非常有用。
稳定同位素还可以用于多个化学物种的标记。
其中，氢、氧、碳、氮和硫等元素的同位素标记被广泛应用于研究生态系统和地壳环境中的物质循环。
最后，稳定同位素技术是一种非破坏性的分析方法。
这使得它能够在不影响样品的情况下分析地球化学系统的动态变化。
鉴于稳定同位素地球化学的广泛应用，地球科学家使用许多技术和方法来进行稳定同位素分析。
其中一种最常用的技术是质谱仪。
稳定同位素地球化学及其应用
稳定同位素地球化学及其应用稳定同位素地球化学是一门研究地球化学中稳定同位素分馏过程及其应用的科学。
稳定同位素是指在自然环境中不发生放射性衰变的同位素，如氢的两种同位素氘（2H）和普通氢（1H），氧的三种同位素氧16（16O）、氧17（17O）和氧18（18O）等。
在地球化学中，稳定同位素的组成和比例变化可以反映化学和生物过程的物质转化过程，因此在气候变化、地质记录、农业生产等方面具有广泛的应用。
稳定同位素理论基础物质分子中不同的原子之间的键合作用力的大小和跨度不尽相同，因而在地球化学中，同位素之间的分馏现象发生较为普遍。
如果原子中的中子数目发生改变，那么原子核的能量结构也会发生改变，这样的同位素叫做放射性同位素。
与放射性同位素不同，稳定同位素在自然界中主要以化学、生物、地理等地球化学环境因素为主，而其化学性质并没有发生改变。
稳定同位素地球化学的研究主要应用了同位素质谱技术和多种化学分离技术。
其中较为常用的方法是同位素比值分析法。
该方法基于同位素分馏规律，通过测量分馏后的同位素比值，可以了解化学或生物过程中同位素的迁移和分布情况。
同位素质谱技术则是大都采用众所周知的质谱技术，加上化学处理等前处理方法，可以测定极小的稳定同位素的比值，高精度测量能达到0.1‰以下，成为对研究地球化学的细微分馏现象最为敏感的分析手段。
应用场景气候变化研究：稳定同位素方法在气候变化研究中的应用较为广泛。
在晚第四纪气候演变研究中，δ18O曲线是最常用的一种记录方法。
由于海水中18O的比例和海水温度之间具有对应关系，所以测定沉积物或冰芯中的18O同位素含量，就可以研究往古气候的变化。
例如，通过分析格陵兰冰芯、中国青藏高原冰芯等样品，得出了全球气温的变化、洋流状况的股份等。
热液成矿研究：稳定同位素地球化学在热液成矿方面也有广泛应用。
热液成矿是甩放如黄金、银之类的金属矿床的生成过程，通常发自于活动地震带、处于地壳活动和构造运动较大的地方。
地球化学中的稳定同位素
地球化学中的稳定同位素稳定同位素是指在自然界中，核外电子数量相同，但质子数或中子数不同的同一元素的不同类型。
在地球化学中，稳定同位素可以用于探究地球和生命的起源和演化，研究大气、水体和岩石圈的物质循环和生态系统的结构与功能。
下面本文将探讨稳定同位素在地球化学中的应用和意义。
一、稳定同位素的定义和特征同一元素的同位素结构、化学性质近似，只有不同中子数的核能够区分它们。
一般地，同位素的质量数是它的质子数和中子数的和，所以同位素的质量通常都不是整数。
而稳定同位素是相对于不稳定同位素而言的。
稳定同位素相对不稳定同位素，在核的构成上有较高的稳定性以及质量数成正比增大。
在地球化学中，常用稳定同位素作为指示地球环境的工具。
其主要特征是原子核中的质子和中子的比值稳定，不会发生α、β、γ衰变。
二、稳定同位素在地球化学中的应用地球化学中的很多研究都需要利用稳定同位素进行探究。
如下是一些稳定同位素在地球化学中的应用：1.碳同位素碳由两种同位素构成，即碳-12和碳-13，其中碳-12占总碳的98.9%。
在生态系统中，生物体对不同碳同位素的利用、转换过程与环境变化密切相关，因此，研究碳同位素在生态系统中的地位和作用，可对生态学、环境保护和气候变化等问题提供重要的参考。
2.氧同位素氧同位素主要包括氧-16、氧-17和氧-18。
在水文地球化学中，氧同位素是水循环研究中的重要因素。
依据氧同位素的比例、分布可以判断水来源，搞清水的运移路径。
同时因为不同温度条件下氧同位素比例存在一定的差异，所以也可以在探究过去的气候变化时提供参考。
3.硫同位素硫同位素有三种，分别为硫-32、硫-33和硫-34。
硫有广泛的利用价值，包括石油和天然气、硫酸等化工品生产，和生物活性。
硫同位素对矿床研究也有很大的帮助。
4.氢同位素常见的氢同位素有氢-1、氘和氚。
氢同位素的存在可以反映一些重要环境参数，如降水来源、植物的水分来源等。
同时，氢同位素还可以用于考察化石水的来源和多层储层的性质等。
地球化学中的稳定同位素应用
地球化学中的稳定同位素应用地球化学是研究地球上元素和化学反应的学科，涉及岩石、土壤、水、大气等自然界各种物质的化学成分、组成、性质与变化规律。
稳定同位素在地球化学研究中扮演着重要角色，它们不仅能够提供元素的地质定年、热液作用发生的时代、化学反应的动力学等信息，还能够揭示地球历史上生命演化和古环境变迁等方面的问题。
本文将介绍稳定同位素在地球化学中的具体应用。
稳定同位素的定义同位素是指原子中，原子序数不变，质子数以及中子数不同的原子核。
稳定同位素是指具有稳定原子核的同位素，相对计量比例不会发生改变。
应用一：地质定年同位素的存在量可以通过质谱技术进行测量，而不同同位素的存在量比例可以用同位素分馏系数来表示。
同位素分馏系数是同一物质内不同同位素相对存在量的比值，其大小和温度、压力、化学组成等因素有关。
在大自然中，同位素分馏现象通常受到物质来源、形成温度、化学性质等因素的影响。
地球中的大部分物质都具有同位素分馏现象，如果岩石的形成温度和时间比较确定，测量该岩石中不同同位素的存在量，就能够精确计算出相对的地质年龄。
稳定同位素在地质定年中的应用主要有两种方法：一个是通过同位素比值来推断其岩石年龄，如氧同位素比值用于确定化学沉淀物（如石灰岩等）或骨骼的年龄，碳、氮同位素比值用于确定有机物的年龄；另一个是通过稳定同位素示踪，揭示它们在成岩过程中受到的环境变化，如碳、氮同位素可以揭示有机物在生长过程中受到的水、氮营养条件等的变化。
应用二：地球化学过程地球化学过程通常由岩石圈、水圈和大气圈三个系统相互作用而形成，其中既有生物化学反应、水文地球化学过程，也有构造作用引起的高温热液作用等。
稳定同位素在探测这些地球化学过程中发挥着重要作用。
例如，在水文地球化学中，同位素分馏所表现的是水的挥发作用。
水分有18O和16O两种同位素，18O水比16O水更容易蒸发，因此，水体中，18O与16O的比例大小能够表现水的源头、地下水系统及人为污染影响等信息。
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STABLE ISOTOPE 4）同位素标准样品
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世 界性的标准样品。世界标准样品的条件：
①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为 零点；
②标准样品的同位素成分要均一； ③标准样品要有足够的数量；
④标准样品易于进行化学处理和同位素测定。
• 一 稳定同位素的组成的表示方法 • 同位素绝对比值:单位物质中某元素的重
同位素和轻同位素的原子数之比R. 如大气中18O/16O比值 R (18O/16O)=2.010-3
• 样品中两种同位素比值相对于某一标准 的对应比值的相对千分差
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• 相对比值差： • nA（%o）= [(R样品- R标准)/ R标准]1000
分馏系数为： α=（13C/12C）HCN /（13C/12C）CN-
（α偏离1愈大，分馏作用愈强；α接近1，表示分馏作用愈 弱）在同位素交换反应时，分馏效应是随温度而变化的，一 般来说温度越高，α越小，分馏效应愈不显著。
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1000lnα
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(三) 同位素成分的测定及表示方法
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二. 同位素分馏 定义:由于同位素质量不同,在各种地球化学
过程中会引起同位素在不同化合物和物 相中的丰度变异,称为同位素分馏.
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同位素分馏作用的大小，一般用分馏系数α来 表示： α= 某元素同位素在A物质中的比值/ 某元素同位素在B物质中的比值 （其中A、B可以是相同的化合物，亦可是不同化合物） 例如： H12CN + [13CN]- H13CN+[12CN]气态氰氢酸 液态氰氢酸根 经过一段时间后，两部分的13C/12C比值都发生了变化，其
元素 H、O
C C S
标准样 大洋水平均 美国南卡罗莱纳州，皮迪组的美洲箭石（已耗尽） 索洛霍芬石灰岩 美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁
缩写 SMOW
PDB NBS—20
CD
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• 2.质谱仪测定：
•
质谱仪是目前同位素成分测定的
主要手段（MAT—261，MAT—251）。
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稳定同位素地球化学
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稳定同位素地球化学研究稳定同位素在天然物质中的组成和 变化规律，并用于解决地质和地球化学问题。由于同一元素的稳 定同位素质量不同，它们在物理－化学和热力学性质上就存在一 定的差异，
特别是H、O、C、Si等质量较小的元素，同位素间的相对质量差 较大，在自然界各种物理、化学左右（如蒸发、扩散、渗透、吸 附、结晶、交代、沉积及生 物左右）过程中有可能发生明显的 同位素分馏。因此，自然物质中同位素组成的变异是物理化学条 件的反映。
近年来，稳定同位素地球化学以同位素分馏理论为基础，将 重点从同位素平衡体系转向非平衡体系（如同位素交换动力学）。 激光探针同位素分析技术的日趋成熟，又大大促进了应用研究。 目前，稳定同位素应用正向着地球科学的各个领域渗透，研究已 涉及水圈、古海洋、气候学、冰川学、古环境、考古学、天体化
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大量实测资料表明:价态和相态差别大的化学反应，同位素交换反 应更明显。
③ 生物化学反应：动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换 物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。 例如：植物通过光合作用，使12C更多地富集在有机体中，因此生物 成因地质体如煤、油、气等具有高的12C。
一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学 制样、测定及结果的计算和解释等环节。下面简单介绍一下化学 制样及质谱仪测定方法。
1.制样 将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上测 定的化合物，轻稳定同位素一般制成气体样品。 例如：氧同位素有两种制样方法： （1）还原法: 高温条件下与C还原成CO； （2）氧化法: 用F或卤化物氧化，生成O2（精度高）。
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如：
• 18O（%o）= [(18O / 16O )样品- (18O / 16O )标准]/ (18O / 16O )标准}1000
• D（%o）= • 34S（%o）= • 13C（%o）= • 标准值见表3-4
•
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• 习惯上把微量（较小相对丰度）同位素 放在R的分子上，这样可以从样品的δ值， 直接看出它含微量同位素比标准样品是 富集了，还是贫化了。 • δ＞0表示34S比标准样品是富集了； • δ＜0表示34S比标准样品是贫化了。
其工作原理是：把待测元素的原子或分
子正离子化，并引入电场和磁场中运动，
带正电的质点因质量不同而被分离测定。
• δA=
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• 热力学性质 • 电能---电子层分布 • 平动能 • 转动能 • 振动能---产生同位素分馏的主要原因 • 振动频率与原子的质量成反比 • 含有较轻同位素的分子比重同位素的分子具有
较高的振动频率，也就是较高的零点能， 较轻同位素形成的化学键较弱，容易被打开
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2.同位素分馏效应:
1)同位素分馏效应：在地质作用过程中，由于质量差异所导致 轻稳定同位素(Z＜20)相对丰度发生改变的过程。 物理和化学
2) 物理分馏、同位素交换反应、生物化学反应、动力分馏。 ① 物理分馏:也称质量分馏, 同位素之间因质量差异而引起的与 质量有关的性质的不同，(如密度、比重、熔点、沸点等微小的差 别)，这样在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中，使得轻、 重同位素分异。 例如：蒸发作用强烈的死海（约旦、巴勒斯坦国之间）咸水中 H218O含量最高。单向多次反复的物理过程，同位素分馏效应最明 应的各相物质在保持化学平衡的 状态下，各物相间发生同位素再分配的现象。 使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生分异，称同位素交换反应。
例如：方铅矿和闪锌矿之间达到反应平衡时， 大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2 (0H ℃2 :1 α=O 18 . 071 4O , 6 2 25 ℃:α2 =H 1.02 01 6O )6 1O 8 2