地球化学讲义 第五章同位素地球化学(中国地质大学)
中国地质大学-2012春地球化学课件-第5章1
①α衰变：原子核自发地放射出α粒子而发生的
衰变。
ZAM1
M A－4
Z－2 2
例 如：
226 88
Ra
222 86
Rn
24He
②β衰变: 原子核自发地放射出β粒子和中微
子而发生的放射性衰变. 分为β＋和－两种类型.
A.β+衰变:原子核自发放射出β+粒子。β+粒
子又称正电子，是质量与电子相等而带正电荷
University Press. ➢ Robin Gill, Chemical Fundamentals of Geology,1996, Chapman &
Hall. ➢ Mason, B., Moore, C.B. Principles of Geochemistry. (4th ed.). 1982,
➢ 郑永飞主编. 1999. 化学地球动力学，北京：科学出版社郑永 飞, 陈江峰(编著). 2000. 稳定同位素地球化学. 北京：科学 出版社.
➢ 于津生,李耀菘(主编), 1997. 中国同位素地球化学研究.北京： 科学出版社.
➢ 陈文寄,彭贵 (主编). 1991, 年轻地质体系的年代测定. 北京: 地震出版社.
应用：地球热源、地质时钟、矿物岩石形成 温度测定、成岩成矿地球化学机理推断、地 壳演化历史示踪以及地质作用指示剂；
同位素地质年代学的定义
地质年代学 (geochronology): 研究岩层形成的 年代顺序及测定其年龄值的学科。地质年代学包 括相对地质年代学和同位素地质年代学两大分支。 相对地质年代学的研究对象：地层、岩石、古生 物和古地磁。 同位素地质年代学（Isotopic geochronology)， 又称绝对地质年代学。它是研究同位素地质记时 方法并用以研究各种地质体的形成时间和演化历 史的一门地质科学。
用同位素揭示地球的奥秘——记中国地质大学（北京）陈岳龙教授
DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2012.22.030沧海桑田，时过境迁，曾经的海洋崛起为世界屋脊。
地质的变迁犹如一幕漫长的戏剧，在这片大地上无声的上演，在地质演化史上，随意的一个岩层、一个样品动辄几百万年，甚至数亿年。
跟漫长的地质演化史比起来，人的一生转瞬即逝，谁能将几十亿年的历史掌握在自己心中？中国地质大学陈岳龙教授，是我国著名的同位素地球化学研究领域的专家，他以同位素为技术手段，探索漫长的地质演化史。
他用隐藏在岩层中的蛛丝马迹，还原一个数十亿年的区域地质演化史。
碎屑沉积岩研究的突破进展地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，它是地质学与化学相结合而产生和发展起来的边缘学科。
地球化学的理论和方法，对地球科学的基本问题及矿产的寻找、评价和开发，农业发展和环境科学等都不可或缺。
陈岳龙1983年毕业于东华理工大学（原抚州地质学院、华东地质学院、东华理工学院）岩石矿物本科，获工学学士学位；1983～1990年间先后在中国科学院地球化学研究所攻读硕士、博士研究生，分别获理学硕士、博士学位。
1990年进入中国地质大学（北京）地球化学博士后流动站从事秦岭造山带花岗岩类地球化学研究。
1993年开始，陈岳龙在中国地质大学（北京）地球科学与资源学院先后任副教授、教授，从事地球化学方面的教学与科研工作。
从之前的求学到如今从事教学和科研工作，陈岳龙对地球化学这门边缘学科始终抱有极大的热情，他把这种热情倾注到科研中，倾注在三尺讲台。
科研不能闭门造车，要把眼光投向国际前沿。
陈岳龙在自己做科研的同时，又以前瞻性关注学科的最新动向，与国际同行做深入的交流，在学习与交流中不断地提升自己。
1998～2000年，他在日本大阪大学分别任日本学术振兴会外国人特别研究员、中国留学基金访问学者，2005年9月至2006年3月在澳大利亚国立大学、阿德来得大学任中国留学基金高级访问学者。
碎屑沉积物是指由地表流体所携带的源区岩石、矿物颗粒物当流动条件发生改变时，这些颗粒物在流体底部界面沉淀下来所形成的产物，一般携带这些颗粒物的流体是水流。
稳定同位素地球化学-碳硫同位素
氟化法
利用BrF5把Ag2S转变为SF6，特别用于测定δ33S和δ36S。
硫酸盐岩：
• • • 直接高温分解法
加入Cu2O或 V2O5与SiO2在1100 ºC分解硫酸盐，经Cu炉转变为SO2。
三酸还原法
用混合酸（HI+HCl+H3PO2）将硫酸盐还原为H2S，转化为Ag2S。
Kiba试剂还原法
用Kiba试剂（SnCl2+H3PO4）还原，获H2S，转化为Ag2S。提岩石全部硫。
辉钼矿 ＞ 黄铁矿 ＞ 闪锌矿 ≈ 磁黄铁矿 ＞ H2S ＞ 黄铜矿 ＞ S ≈ HS- 铜蓝 ＞ 方铅矿 ＞ 辰砂 ＞ 辉 铜矿 ≈ 辉锑矿 ＞ 辉银矿 ＞ S2-
• 蒸发岩（石膏）与海水SO42-之间和硫酸盐矿物 （如重晶石、石膏）之间分馏可以忽略不计。
沉积的石膏与溶液SO42-之间的同位素分馏在室温下仅 为1.65±0.12‰，相对现代海水+20‰值它们之间的差值是 可以不计的。
2）细菌厌氧发酵
细菌厌氧发酵过程产生CO2和CH4， 发酵造成的碳同位素分馏远比热解过程 大，其分馏系数 αCO2-CH4 = 1.025 ～ 1.060 温度增加分馏变小，高温时接近热解时 的分馏系数。
3）细菌还原硫酸盐（Bacterial Sulfate Reduction）
厌氧条件下硫酸盐还原细菌的还原作用是造成全 球硫循环的最重要的分馏作用。实验表明各类硫酸盐还 原细菌产生的直接同位素分馏在0～46‰之间，即分馏 系数为： αSO4-H2S = 1.000x ～ 1.046 分馏系数的大小与硫酸盐的浓度有关（Canfield and Teske, 1996)。
13C/12C
= 0.0112372 (Craig, 1957)
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。
同位素地球化学5
5.3.1
5.3.2 5.3.3 5.3.4
稳定同位素基础及分馏机理
氢、氧同位素地球化学 硫同位素地球化学 碳同位素地球化学
5.3.2 氢、氧同位素地球化学
➢ 5.3.2.1
➢5.3.2.2 ➢5.3.2.3 ➢5.3.2.4
自然界氢氧同位素的分馏 各种自然产状水的氢氧同位素组成 岩石中的氢氧同位素组成 氢氧同位素地球化学应用
3、封存水 大气降水和海水深循环后长期封存（不 流动）的产物，以高温和高矿化度为特征。 ❖ δD=－120‰~ － 25‰； ❖ δ18O=－16‰~+25‰
4、变质水
❖ δD=－140‰~ － 20‰； ❖ δ18O=－16‰~+25‰ ❖ 高温变质水与岩石达到同位素交换平衡，
因此，变质热液的同位素组成指示变质环 境、原岩性质和流体来源。
实验测试25℃时液相（l）和气相（v）间 氢氧同位素分馏系数为：
αl-v= (18O / 16O)l/ (18O / 16O)v=1.0029 αl-v= (D/H)l/ (D/H)v =1.017
➢由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚过程，
使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、 雪）中集中了最轻的水（ δ18O 、δD趋向更 大负值）；
5、原生水及岩浆水☆
❖ 来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水称 为原生水；
❖
δD=－85‰~ －50‰；
δ18O=5‰~+9‰
❖ 岩浆水指的是高温硅酸盐熔体所含的水及 其分异作用形成的水 ：
❖
δD=－80‰~ －50‰；
δ18O=6‰~+10‰
5.3.2.3 岩石中的氢氧同位素组成
1、岩浆岩 2、沉积岩 3、变质岩
Mo同位素地球化学综述
Mo同位素地球化学综述张洪求（东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 ３３００１３）摘 要：随着样品纯化技术的改进以及多接收等离子体质谱仪发展（ＭＣ－ＩＣＰ－ＭＳ），使得Ｍｏ同位素可以被精确地测定。
Ｍｏ同位素作为氧化还原的敏感元素，可用来示踪各种地质过程和演化历史：古环境演化、成矿物质来源和海洋Ｍｏ的循环等。
本文从Ｍｏ同位素的测试方法、自然界的分布、分馏机制和地质中的应用等方面进行了论述，系统总结Ｍｏ同位素地球化学特征。
关键词：Ｍｏ同位素；分馏机制；示踪中图分类号：Ｐ５９７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）２０－０１７０－２A review of Mo isotope geochemistryZHANG Hong-qiu（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｐｌａｓｍａ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ （ＭＣ－ＩＣＰ－ＭＳ）， Ｍｏ ｉｓｏｔｏｐｅｓ ｃａｎ ｂｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｍｏ ｉｓｏｔｏｐｅｓ， ａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅｄｏｘ， ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｃｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ： ａｎｃｉｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ， ｍｉｎｅｒａｌ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｏｃｅａｎ Ｍｏ ｃｙｃｌｅｓ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｏ ｉｓｏｔｏｐｅｓ， ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒｅ， ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｙ， ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｏ ｉｓｏｔｏｐｅｓ． Keywords: Ｍｏ ｉｓｏｔｏｐｅ； ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｔｒａｃｅｒ近年来，随着样品纯化技术的改进以及MC-ICP-MS 的发展，其高电离率和稳定的质量分馏行为特点，使得Mo 同位素组成的高精度测量成为可能。
同位素地球化学
Radioactive and rediogenic elements
二、衰变定律
1902年Rutherford通过实验发现放射性同位素 衰变反应不同一般的化学反应，具有如下性质：
(1)衰变作用是发生在原子核内部的反应，反应结果 由一种核素变成另一种核素；
(2)衰变自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例；
变质砾岩中花岗岩质砾石中的锆石年龄，其地 质含义是花岗岩的形成年龄，应该早于砾岩的地 层年龄。
谐和线年龄，上交点年龄为 2573±52Ma。 表面加权年龄，2580Ma。 谐和线年龄和表面加权年龄结果很相近，结果 是可信的。 综合来说：花岗岩的形成时代为2573±52Ma是 可信的。砾岩的地层年龄应晚于2573Ma。根据目 前的年龄结果，不支持砾岩比郭家窑组老的认识。
同位素地球化学
Model 2 Solution ( on 30 points
0.5
Upper intercept: 2573±52Ma
MSWD = 9.8
2200
0.4
data-point error ellipses are 68.3% conf.
206Pb/238U
0.3
1400
0.2
0.1
2
5
同位素定年原理
自然条件下，同位素放射性衰变过程是 不可逆的，且其衰变速率及放射性子体 的性质不受外界的影响。母-子体同位素 确定的对应关系和恒定的衰变速率构成 了同位素定年的理论基础。
四、同位素定年的基本要求
1)应有适当的半衰期，这样才能积累起显著数量的子核， 同时母核也未衰变完。如果半衰期太长，就是经过漫 长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰 期太短，没有多久母核几乎衰变完了。
同位素地质学(5)取样与加工要求
中南大学—刘继顺 同位素地质学(5)取样与加工 1 不独笑顽石生底事 气势若虹铅变银
4
一、同位素实验室
• 锆石U-Pb SIMS：北京离子探针中心刘敦一；中科院地质所离子探针实
验室（李献华）
• LA-(MC)-ICP-MS：西北大学袁洪林、柳晓明 ； 武汉地大刘勇胜、胡兆
• 中国科学院地质与地球物理研究所-固体同位素地球化学实验室-陈福 坤
– 常量和微量矿岩样品Rb-Sr，Sm-Nd和Pb同位素分析 – 颗粒云母和硫化物矿物的Rb-Sr微等时线定年 – 基于微区取样技术和微量Nห้องสมุดไป่ตู้同位素分析技术的矿物Sm-Nd微等时线定
年 – 高精度锆石U-Pb定年 – 超镁铁质岩石的Re-Os同位素分析 – Rb-Sr稀释分析700元/件； Sr同位素比值500元/件； Sm-Nd稀释分析
中南大学—刘继顺 同位素地质学(5)取样与加工 1 不独笑顽石生底事 气势若虹铅变银
8
二、同位素研究采样与加工要求
• 块状硫化物铜多金属矿床测年样品采集
– 块状硫化物铜多金属矿床测年,因可供测年对 象少,至今仍难
– 火山喷流沉积MSD,可采不同结构构造的矿石, 或从钻孔中按垂直分带采集不同类型矿石，分 离出黄铜矿, 闪锌矿, 方铅矿和黄铁矿等用 RbSr, Sm-Nd 和 Re-Os 等时线测定年龄
中南大学—刘继顺 同位素地质学(5)取样与加工 1 不独笑顽石生底事 气势若虹铅变银
11
二、同位素研究采样与加工要求
• 单矿物的分选
– 从岩石或矿石中分选出进行同位素测年 的单矿物之前, 首先要磨制薄片或光片, 鉴定岩石的结构构造,确定岩石或矿石的 矿物组成,粒径以及要选取的矿物是否新 鲜,了解矿物 之间的物理化学性质差异等
同位素地球化学研究进展
同位素地球化学研究进展同位素地球化学是研究不同元素同位素组成及其在地球化学过程中的应用的学科领域。
随着科技的进步和研究方法的不断发展，同位素地球化学研究取得了许多重要进展。
本文将从同位素分馏、同位素示踪、同位素定年等方面介绍同位素地球化学研究的进展。
同位素分馏是指同一元素的不同同位素在地球化学过程中有选择地分离的现象。
同位素分馏的研究对于地球和行星的演化过程以及地球内部和外部物质循环过程有着重要的指示意义。
过去几十年，同位素分馏的研究主要集中在稳定同位素（如氢、氧、碳、氮等）和放射性同位素（如铀、钍、铅等）上。
研究表明，同位素分馏与地球化学过程密切相关，如同位素分馏可以揭示地球的形成和演化过程、大气和海洋中的物质循环过程、生物地球化学循环等。
近年来，随着新技术的发展，研究范围不断扩大，涵盖了更多的元素和同位素体系。
同位素示踪是利用同位素在地球化学过程中的特殊性质来追踪地球系统中的物质的流动和转化过程。
同位素示踪技术被广泛应用于环境、气候、生态、地质等领域的研究中。
近年来，同位素示踪研究的进展主要集中在气候变化、水资源和环境污染等方面。
例如，氧同位素和氢同位素广泛应用于追踪水体起源和循环过程，碳同位素和氮同位素用于研究气候变化和生物地球化学循环等。
同时，同位素示踪技术在环境和地质工程中的应用也得到了广泛关注。
同位素定年是利用一些具有放射性衰变性质的同位素来确定岩石、矿物和古代生物的年代。
同位素定年是地质学和考古学研究中非常重要的手段之一、传统的同位素定年方法主要包括放射性同位素定年（如铀-铅、钍-铅、锶-锶等）和稳定同位素定年（如碳-14、氚、钾-锶等）。
近年来，随着加速器质谱技术的发展，同位素定年的精确性和应用范围不断扩大。
例如，放射性同位素铀-铅定年可用于确定火山岩和古岩石的年代，碳-14定年可用于确定古代文物和化石的年代。
总的来说，同位素地球化学研究在过去几十年取得了许多重要进展，涉及的领域不断扩大。
地球化学讲义+第五章同位素地球化学(中国地质大学)
我们一般把正在衰变的核素称为母核（体），衰变的产物称为子 核（体）。
自然界的放射性同位素虽然衰变方式和产物不同，但是都服从同 一个放射性规律，即：
在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数 与母核的原子数成正比。
用以下式子表示： -dN/dt=λN 其中， N：在t时刻未衰变完母核的原子数 dN/dt：单位时间内所衰变的原子数 λ：衰变速率常数（单位时间内衰变几率）1/年、1/秒 -：表示dt时间内母核的变化趋势是减少的
(一) 核素的性质
(4)核素具有能量：原子核聚集高质量的粒子于一个极小的体积 内，因此，原子核内孕含着巨大的能量，即核能，也称“结合能”。 结合能越高核素越稳定；结合能低（如H、N、Li、Be及高质量 数 的核素）的核素不稳定。在核衰变过程中，一部分核能通过放射出 各种粒子及射线而被释放出来。
(5)核素具有放射性：所谓放射性即不稳定核素通过放射出粒子 及辐射能量，而自发地调整核内的组成和结构，转变为稳定的核素 的现象，称为放射性衰变。放射性衰变的结果，使核素的质量、能 量和核电荷 数都发生变化，从而变为另外一种元素。
(一) 核素的性质
(1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子 数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素， 同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。
(2)核素具有质量：核素因含有不同数量的质子和中子，而具有不同的质量，较 轻元素的同位素之间因质量差别导致在地质作用中的分异，这样，使得不同产状 的地质体中同位素间的相对丰度发生变化。
ΔR = R样品 - R标准；
3）样品相对于标准样品R的偏离程度的干分率： δ‰=（R样—R标）/R标×1000 =(R样/R标—1) ×1000
同位素地球化学7
206PbP 206PbI 238U (e238t 1)
[5.1]
207PbP 207PbI 235U (e235t 1)
[5.2]
208PbP 208PbI 232Th(e232t 1)
其中最关键的是所分析的样品在系统被测定时终身保 持Th、U、Pb封闭。
U-Pb等时线测年中最成功的一个地区是海洋碳酸盐岩 的直接定年(Smith和Farquhar，1989)。其它放射性定年
方法已经证明碳酸盐岩要定年是非常困难的，但是因为它 们低的Pb含量(大约100-500ppb)，与相对高的U含量(50100ppb)，多射(rugose)珊瑚在地质时间内能产生可测量的 206Pb的变化。图1表示泥盆纪多射(Heliophyllum)珊瑚的 U-Pb等时线及相伴的一个自生黄铁矿样品。376±10Ma (2σ ,MSWD=4.7)的等时线年龄与大约375-385 Ma的地层 年龄很好相比照。然而，从图1能看到一个Heliophyllum 珊瑚和四个Cystiphylloides中的三个离开了等时线。这可
图2 美国怀俄明 花岗岩山岩基的 等时线图解
a.Th-Pb错误等时 线（上）a的参考 线（下）
第五章U-Th-Pb同位素
§4.1 U-Pb等时线
铅的四个稳定同位素，只有204Pb是非放射成因的。 其它铅同位素都是来自U和Th的三个复衰变链的是终
产物。然而，每个系列的中间成员是相对短寿命的，
因此当涉用几百万年的地质时间尺度时通常被忽略掉。 表5.1表示了最终母体-子体对，其中最重原子量的母体 (238U)衰变到最低原子量的子体(206Pb), 反之亦然。要注 意的是，238U的半衰期与地球的年龄相当，而235U的半 衰期要短得多，因此几乎所有的原始地球中的235U已衰 变成207Pb。232Th的半衰期与宇宙年龄相当。
第五章 同位素地球化学-1-1
例如样品中34S/32S相对于标准样品的富集程度， 即以 δ34S‰ 来表示：
δ34S‰=[((34S/32S)样/(34S/32S)标)-1] ×1000
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；
④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/13C值。 生物化学分馏是同位素分异作用中重要的控制反应。
2、同位素丰度的表示方法 1）同位素丰度的表示方法
10.00
20.00 30.00
5.0
15.0 20.0
5.00
5.00 10.00
4.96
4.91 9.76
1.00498
1.00493 1.00980
30.00
10.0
20.00
19.61
1.01980
3、放射性同位素衰变 1)β——衰变：
放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即β— 粒子），同时放出反中微子 ，通式为：
112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn
只有一种同位素的元素：Be、F、Na、Al、P等27种。
其余大多数由2-5种同位素组成。
(二) 同位素分类
放射性同位素：
其核能自发地衰变为其它核的同位素，称放射性同位素； 原子序数大于83，质量数>209 稳定同位素： 原子存在的时间大于1017年； 原子序数<83，质量数A＜209的同位素大部分是稳定的
同位素水文地球化学
一、基本概念
同位素是指原子核内质子数相同而中子 数不同的一类原子，它们具有基本相同的化 学性质，并在化学元素周期表中占据同一位 置。
例如，H元素：1H、D、3H O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C S元素：32S、34S
1．稳定同位素：指目前尚未发现存在放射性衰 变的同位素。如：H、D、16O、17O、18O等。
1． 氚法：
（1） 氚的起源：大气层上部—宇宙射线的 快中子（超过400万电子伏特）与稳定的14N 的核反应：
14N+n→3H(T)+12C
3H(T)与大气中的氧原子化合成HTO,以大气 降水或水汽的形式参与水循环。
（2） 地下水氚的定年：
①在一定条件下，地下水流中任意一点 的 滞留氚时（间T）(t)含有量关与，氚其的关输系式入为量：（T0）和水的
E. 化学沉淀或生物沉淀的碳酸钙样品的14C含
量对局部比与大气处于平衡的植物的14C含量对局
部条件依赖的程度要高的多。
⑷ 14C年龄误差来源及修正 ① 测量误差；
② 大气中14C含量的变化：P33 图1—2 ③ 利用标准样品及δ13C的变化关系消除系 统误差
⑸ 14C法测定含碳样品的年龄的步骤：
③ 季节效应：最大浓度在6~7月，最小浓度在 11~12月；
④ 高度效应：大气降水氚含量高处大于低处；
降水量效应：在同一纬度地区，大气降水的氚浓度 随降水总量的增加而减少。
（5）各种地表水体的氚浓度变化规律：
① 湖泊：
Байду номын сангаас
A. 主要由大气降水补给的湖泊：氚浓
度存在季节性变化，降水滞留时间短和小湖
B.休斯效应：20世纪以来的木头的初始 放射性比变平均比19世纪低2﹪，这是由于工 业 进革入命大后气燃层烧引有起机 的燃 。料使大量不含14C的CO2
地球化学中的同位素示踪和分析
地球化学中的同位素示踪和分析地球化学是研究地球化学元素地球内部和表层分布、地球化学过程及其规律的学科。
而同位素则是一种在化学和物理方面都具有重要意义的存在。
地球化学中的同位素示踪和分析，是通过同位素不同的浓度和比例来逐步研究地球物质的来源、演化和变化的过程。
在此过程中，地球化学家们可以获取大量有关地球构造、生物演化、古气候、古环境等重要信息。
本文将会探讨地球化学中的同位素示踪和分析的基本原理及其应用。
一、基本原理同位素是指具有相同原子序数(Z)但质量数(A)不同的原子。
同种元素的不同同位素，因为质量的差异而具有不同的化学特性和物理特性。
地球化学中，多数同位素其存在量非常稀少，可以利用现代分析技术对其进行测定，进而对地球物质进行示踪和分析。
在地球科学中，同位素示踪和分析的主要原理是利用同位素存在量不同的特性，对化学和地质过程进行追踪和研究。
具体而言，同位素示踪和分析是在分析样品中不同同位素存在量的基础上，研究样品来源、演化、变化等方面的科学方法。
地球化学中的同位素示踪可以分为两类，一种是稳定同位素示踪，另一种则是放射性同位素示踪。
稳定同位素示踪主要是利用稳定同位素在地球化学过程中不同的分馏效应，来推测样品中的某些地球化学过程，如元素演化，矿物相变，物种演化等。
放射性同位素示踪，则主要是利用放射性同位素的不同半衰期，来推测样品中年代和历史上某些事件的发生时间。
在同位素示踪的过程中，通常采用同位素比值的方法来获得与分析对象相关的信息。
同位素比值(R)是指两个同种元素不同同位素的存在量之比，可以根据比值的变化来推测样品中与分析对象相关的信息。
例如，碳同位素示踪就是利用炭素同位素比值中稳定同位素^13C和^12C的存在量差异，来推测样品中元素演化，动植物来源等信息。
二、应用地球化学中的同位素示踪和分析在地质学、生物学、气候学等领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用：1. 地球内部物质循环及元素分馏模型研究地球内部物质循环及元素分馏模型研究需要大量的岩石和矿物样品，利用稳定同位素的存在量差异，可以推测出岩石、矿物的成因和演化历史。
地球化学中的同位素分析技术
地球化学中的同位素分析技术在地球科学领域中，同位素分析技术是一项关键而广泛应用的技术。
同位素分析可以为我们解析地球系统的演化过程、研究地下水资源的动态变化、了解生物地球化学循环等提供重要的线索和信息。
本文将介绍地球化学中常用的同位素分析技术，包括质谱法、放射性同位素法和同位素比值法。
一、质谱法质谱法是一种常见的同位素分析技术，主要用于确定样品中各种同位素的相对丰度。
该技术基于样品中同位素的质量差异，通过质谱仪将样品中的同位素分离出来，并通过检测器进行检测和分析。
常用的质谱法包括质谱质谱法（MS-MS）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）。
质谱质谱法结合了质谱仪和质谱/质谱仪的优点，可以提高同位素测量的准确性和灵敏度。
而ICP-MS技术则可以同时测量多种元素的同位素组成，并具有高灵敏度和高分析速度的特点。
二、放射性同位素法放射性同位素法是一种基于放射性同位素衰变的分析技术。
每种放射性同位素都有其特定的半衰期，通过测量样品中放射性同位素的衰变速率，可以确定样品的年龄、起源等信息。
常用的放射性同位素包括铀、钍、铀系列等。
放射性同位素法在地质学、环境科学和考古学等领域得到广泛应用，为我们提供了研究地球演化和环境变化的重要工具。
三、同位素比值法同位素比值法是一种基于不同同位素的比例关系进行分析的技术。
通过测量样品中不同同位素的比值，可以获得一些关于样品来源和过程的信息。
常用的同位素比值法包括碳同位素比（δ13C）、氮同位素比（δ15N）和氧同位素比（δ18O）等。
这些同位素比值可以用于研究生物地球化学循环、古气候变化、水文地球化学等方面。
四、案例分析在一个地下水资源调查项目中，同位素分析技术被广泛应用。
研究人员采集了地下水样品，并使用质谱法测定了样品中各种同位素的浓度。
通过分析地下水中氧同位素比（δ18O）和氢同位素比（δ2H），研究人员可以判断水体的来源以及水文循环过程。
此外，还可以通过测量样品中放射性同位素的浓度，获得地下水的年龄和补给速率等信息。
同位素地球化学绪论
1923年国际原子量委 员会决定：化学元素 是指由具有相同核电 荷的同一类原子
学科的形 成和发展
元素地球化学的诞生
奠基阶段（20世纪初~30年代）
地球化学作为一门独立学科形成于20世 纪初，主要奠基人为美国化学家克拉克 (F.W. Clarke, 1847—1931)、挪威矿物学 家和地球化学家戈尔德史密特( V.M. Goldschmidt, 1888—1947)、俄罗斯矿物 学家和地球化学家维尔纳茨基(1863— 1945)及费尔斯曼(1883—1945)等。
同位素地球化学的诞生
奠基阶段（19世纪末~30年代）
稳定同位素首先Thomson (1913) 发现（ 氖元素的同位素），随后Aston发现了202 种同位素。
地质年代学建立在Becquerel (1886)发现 放射性和居里夫妇（1898）证实放射性衰 变规律的基础上，Soddy(1910)首先提出同 位素的概念
19世纪对化学元素认识的飞跃
1862：法国矿物学家陈库尔托斯 (Alexandre-Emile Beguyer de Chancourtois, 1820~1866)对已知元素 的系统组织提出了“圆柱—螺旋” 表，最早发现化学元素的周期性。
1868：德国科尔契霍夫(G.R.Kirchhoff, 1824 ~1887)和本森(R.W. Bunsen, 1811~1899)发明光谱分析法。
教材：《同位素地质学教程》，沈渭洲编，原子能出版 社，1997
绪论
一、同位素地质学的定义和研究内容 二、同位素地质学发展简史
一、同位素地质学的定义和研究内容
地球化学是研究自然界，主要是地球及其各组成 部分的化学演化及其机理的科学,它作为一门独 立学科形成于20世纪初，是化学与地质学之间的 交叉研究领域。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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；
3）测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的 温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来 测定成岩成矿温度。
另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。
一、自然界引起同位素成分变化的原因
核素的性质 同位素分类 同位素成分的测定及表示方法 自然界引起同位素成分变化的原因
(二) 同位素分类
从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素： 一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位 素； 另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰 变成其它核的同位素，称为稳定同位素。 然而，核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验技术对 放射性元素半衰期的检出范围，目前一般认为，凡是原子存在的 时间大于1017年的就称稳定同位素，反之则称为放射性同位素 。
一、自然界引起同位素成分变化的原因
（一）核素的性质 1.什么叫核素? 由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素
的原子核称为核素，任何一个核素都可以用A=P+N这 三个参数来表示。
而具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组 核素称为同位素。
O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此一对放射性同位素都是一只时钟，自地 球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以 测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及 复杂地质体。
2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本 身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形 成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。
(三) 同位素成分的测定及表示方法
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）。
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。 3.同位素成分表示方法： 1)绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示，例如32S/34S， 12C/13C等； 2)对标准样品R的绝对比率差（ΔR）
地球化学
——多媒体课件
地球科学学院地球化学教研室
第五章 同位素地球化学
同位素地球化学是研究地壳和地球中核素的形成、丰 度及其在地质作用中分馏和衰变规律的科学。
同位素地球化学
第五章 同位素地球化学
本章内容 自然界引起同位素成分变化的原因 同位素年代学 稳定同位素地球化学
同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：
(三) 同位素成分的测定及表示方法
一般来说质量数A＜209的同位素大部分是稳定的，只有少 数是放射性的,如14C，40K，87Rb；而质量数大于209的同位素 全部属于放射性同位素。
一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中 同位素最多的是Sn元素，有10个同位素：
112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn 自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素： Be、F、Na、Al、P等27种。其余大多数由2-5种同位素组 成。
ΔR = R样品 - R标准；
3）样品相对于标准样品R的偏离程度的干分率： δ‰=（R样—R标）/R标×1000 =(R样/R标—1) ×1000
例如对34S/32S相对于标准样品的富集程度， 即以 δ34S‰ 来表示：
δ34S‰=[((34S/32S)样/(34S/32S)标)-1] ×1000 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。
(一) 核素的性质
(4)核素具有能量：原子核聚集高质量的粒子于一个极小的体积 内，因此，原子核内孕含着巨大的能量，即核能，也称“结合能”。 结合能越高核素越稳定；结合能低（如H、N、Li、Be及高质量 数 的核素）的核素不稳定。在核衰变过程中，一部分核能通过放射出 各种粒子及射线而被释放出来。
(5)核素具有放射性：所谓放射性即不稳定核素通过放射出粒子 及辐射能量，而自发地调整核内的组成和结构，转变为稳定的核素 的现象，称为放射性衰变。放射性衰变的结果，使核素的质量、能 量和核电荷 数都发生变化，从而变为另外一种元素。
(3)核素具有丰度：自然界的核素具有两种丰度。 一是核素的绝对丰度，是指自然界各种核素存在的总量，它与组成核素的核子 数量和结构有关，反映核素的稳定性。 当原子序数Z<20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰度高； 当20<Z<83时，N/P=1.5，最稳定； 当Z>83时，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。 二是核素的相对丰度，是指元素同位素所占总质量的百分数，例如大气中三个 氧同位素的相对丰度是: 16O：99.763%； 17O：0.0375%；18O：0.1995%。
(一) 核素的性质
(1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子 数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素， 同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。
(2)核素具有质量：核素因含有不同数量的质子和中子，而具有不同的质量，较 轻元素的同位素之间因质量差别导致在地质作用中的分异，这样，使得不同产状 的地质体中同位素间的相对丰度发生变化。