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。
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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。
STABLE ISOTOPE
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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STABLE ISOTOPE
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
STABLE ISOTOPE
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
•
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。
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
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