稳定同位素地球化学
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稳定同位素地球化学 Stable Isotope Geochemistry
地球化学定义
• 研究地球(包括天体)的化学组成、化学作用 及化学演化的学科。
• Geochemistry, we use the tools of chemistry to solve geological problems; that is, we use chemistry to understand the Earth and how it works.
测定同位素分馏与温度的关系。
稳定同位素地球化学发展
稳定同位素
➢稳定同位素(stable isotope)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ无可测放射 性的同位素
➢其中一部分是放射性同位素衰变的最终 稳定产物，称之为放射成因同位素 (radiogenic isotope)
➢另一部分是天然的稳定同位素，即自核 合成以来就保持稳定的同位素。
稳定同位素地球化学建立
✓ 与20世纪前半叶现代物理的发展密切相关； ✓ 中子的发现(H. Urey, 1932)，20世纪30和40年代关
✓同位素(isotope)：质子数相同而中子数不同 的原子 表示方法
✓等中子素(isotone) ✓同质异位素(isobar) ✓同质异能素(isomer)
同位素分类
✓放射性同位素(radioactive isotope)：凡能 自发地放出离子并衰变为另一种同位素 者。
长寿命放射性同位素
太阳系早期短寿命放射性同位素
(“关于化学地质的研究” Geological Magazine, 1868, 5:366-370)
——D. Forbes. 1868
地球化学的发展
• 瑞士化学家 Schönbein于1838首次使用“地球化 学”(geochemistry)这个名词.
• 两个主要发展阶段 经典地球化学阶段：着重研究元素的丰度、分布和 迁移;研究手段：传统化学方法 代表人物： 克拉克 维尔纳茨基 戈尔德斯密特
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.
129I-129Xe, half-life: 16 Ma. 16 Ma, 50%; 32 Ma， 25%；64 Ma, 6.125%; 160 Ma, 1/210 (0.1%).
天然和人工核反应生成的短寿命 放射性同位素
✓天然： 14C 3He 10Be
✓人工合成 超铀元素 第一个人工合成元素：锝(43 Tc)
• 近代地球化学
各项技术的发展，特别是分析测试技术 (电子探针、X射线衍射、拉曼和红外光 谱、质谱、离子探针等)； 地球内部、宇宙空间 定性、半定量－定量
地球化学主要工具
• 元素 主量元素 微量元素
• 同位素 放射成因同位素 稳定同位素
强有力的工具，渗透到地球科学的各个领域
✓天体化学 ✓陨石学 ✓大地构造 ✓岩石学 ✓矿物学 ✓矿床学 ✓海洋地质
于轻同位素组成变化的证实(A. Nier)； ✓ Harold Urey于1947发表文章“The
Thermodynamic Properties of Isotopic Substances”； ✓ 理论上预测了同位素分馏，并认为可以提供有用
的地球化学信息； ✓ 建立实验室测定天然物质的同位素组成，并试验
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.''
('On the study of Chemical geology' Geological Magazine, 1868, 5:366-370) 译文:
''然而，当地质学家站得更高时，渴望能够了解除了我们星 球组成物质的外部形态和物理属性之外的其它东西，他不 得不寻求化学的帮助。这是因为只有化学才能使他更加清 楚地认识这些物质的真正本质，解释它们的组成或来源， 或者发现它们经历过或可能现在正在进行的变化或者蚀变。 ''
✓水文地质 ✓冰川学 ✓大气化学 ✓古气候研究 ✓环境科学 ✓古环境研究 ✓考古 ✓医学和食品工业
由于各学科如此广泛地应用同位素地球化学研究手段，所有从事 地球科学研究的的科学家都有必要用同位素地球化学的基础理论 来武装自己。
时间尺度：太阳系演化早期到现代
地球科学中的空间尺度
元素周期表
基本概念
地球化学定义
• 研究地球(包括天体)的化学组成、化学作用 及化学演化的学科。
• Geochemistry, we use the tools of chemistry to solve geological problems; that is, we use chemistry to understand the Earth and how it works.
测定同位素分馏与温度的关系。
稳定同位素地球化学发展
稳定同位素
➢稳定同位素(stable isotope)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ无可测放射 性的同位素
➢其中一部分是放射性同位素衰变的最终 稳定产物，称之为放射成因同位素 (radiogenic isotope)
➢另一部分是天然的稳定同位素，即自核 合成以来就保持稳定的同位素。
稳定同位素地球化学建立
✓ 与20世纪前半叶现代物理的发展密切相关； ✓ 中子的发现(H. Urey, 1932)，20世纪30和40年代关
✓同位素(isotope)：质子数相同而中子数不同 的原子 表示方法
✓等中子素(isotone) ✓同质异位素(isobar) ✓同质异能素(isomer)
同位素分类
✓放射性同位素(radioactive isotope)：凡能 自发地放出离子并衰变为另一种同位素 者。
长寿命放射性同位素
太阳系早期短寿命放射性同位素
(“关于化学地质的研究” Geological Magazine, 1868, 5:366-370)
——D. Forbes. 1868
地球化学的发展
• 瑞士化学家 Schönbein于1838首次使用“地球化 学”(geochemistry)这个名词.
• 两个主要发展阶段 经典地球化学阶段：着重研究元素的丰度、分布和 迁移;研究手段：传统化学方法 代表人物： 克拉克 维尔纳茨基 戈尔德斯密特
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.
129I-129Xe, half-life: 16 Ma. 16 Ma, 50%; 32 Ma， 25%；64 Ma, 6.125%; 160 Ma, 1/210 (0.1%).
天然和人工核反应生成的短寿命 放射性同位素
✓天然： 14C 3He 10Be
✓人工合成 超铀元素 第一个人工合成元素：锝(43 Tc)
• 近代地球化学
各项技术的发展，特别是分析测试技术 (电子探针、X射线衍射、拉曼和红外光 谱、质谱、离子探针等)； 地球内部、宇宙空间 定性、半定量－定量
地球化学主要工具
• 元素 主量元素 微量元素
• 同位素 放射成因同位素 稳定同位素
强有力的工具，渗透到地球科学的各个领域
✓天体化学 ✓陨石学 ✓大地构造 ✓岩石学 ✓矿物学 ✓矿床学 ✓海洋地质
于轻同位素组成变化的证实(A. Nier)； ✓ Harold Urey于1947发表文章“The
Thermodynamic Properties of Isotopic Substances”； ✓ 理论上预测了同位素分馏，并认为可以提供有用
的地球化学信息； ✓ 建立实验室测定天然物质的同位素组成，并试验
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.''
('On the study of Chemical geology' Geological Magazine, 1868, 5:366-370) 译文:
''然而，当地质学家站得更高时，渴望能够了解除了我们星 球组成物质的外部形态和物理属性之外的其它东西，他不 得不寻求化学的帮助。这是因为只有化学才能使他更加清 楚地认识这些物质的真正本质，解释它们的组成或来源， 或者发现它们经历过或可能现在正在进行的变化或者蚀变。 ''
✓水文地质 ✓冰川学 ✓大气化学 ✓古气候研究 ✓环境科学 ✓古环境研究 ✓考古 ✓医学和食品工业
由于各学科如此广泛地应用同位素地球化学研究手段，所有从事 地球科学研究的的科学家都有必要用同位素地球化学的基础理论 来武装自己。
时间尺度：太阳系演化早期到现代
地球科学中的空间尺度
元素周期表
基本概念