第一章 同位素的基本概念和理论p
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同位素地球化学
第一章 同位素的 基本概念和理论基础
同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：
1）计时作用：每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。 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。
R = 重同位素丰度/轻同位素丰度
3．δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对 于某种标准对应比值的千分差值： δ(‰)= ×1000
=[(R样品/R标准) -1]×1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁 的硫等标准(CDT)，这个标准硫的34S/32S=0.0450045。 它的同位素组成相当于整个地球的平均硫同位素组 成。
传统与非传统稳定同位素
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。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏 作用(fractionation)，即轻同位素和重同位素在物质中 的分配发生了变化，使得一部分物质富集轻同位素，另一 部分物质富集重同位素。 一般传统稳定同位素研究限于质量数小于40的非金属元素 ，如氢(D/H)、碳(13C/12C)、氧(18O/16O和17O/16O)、 硫(34S/32S和33S/32S)和氮(15N/14N)等传统意义上的。 最新多接收等离子体同位素质谱技术（MC-ICPMS）已经 能够对一些过渡族金属元素的同位素分馏进行实验测定和 研究，这些金属和卤族元素的稳定同位素，如Li、Mg、 Cl、Ca、Cr、Fe、 Cu、Zn、Se和Mo等构成了非传统 稳定同位素研究的新领域。
（一）稳定同位素
1．同位素丰度（isotope abundance）：指自然界存在的
某一元素中各同位素所占的原子百分比。 表1 某些元素的同位素相对丰度
对轻的元素（Z＜20）来讲，一般最轻的同位素相对丰度是最高的，且有奇偶数规律。
2．同位素比值（isotope ratio）：指某一 种元素的两种同位素丰度之比。 用R表示，例：SMOW的D/H=155.75×10-6； 18O/16O=1997×10-6；迪亚布洛峡谷铁陨石 的陨硫铁34S/32S=0.0450045等。
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，称为放射成因同 位素(radiogenic isotope)，如87Sr是由放 射性同位素87Rb衰变而来的； 另一部分是天然的稳定同位素，自核合成 以来就保持稳定。如氢同位素（1H和2H）、 氧同位素（16O和18O）、碳同位素（12C和13C） 等。自然界中共有1700余种同位素，其中 稳定同位素有260余种。
δ34S（‰）= {[(34S/32S)样–(34S/32S)标]/(34S/32S)}标
一、基本概念
同位素的定义
同位素是指原子核内质子（Z）数相同而 中子数（N）不同的同一元素的一组原子， 它们具有基本相同的化学性质，并在Байду номын сангаас学元 素周期表中占据同一位臵。
例如，H元素：1H、D、3H* O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C、14C* S元素：32S、33S、34S、36S Sr元素：88Sr、87Sr、86Sr、84Sr Nd元素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、 150Nd Pb元素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb U元素：235U*、238U* Rb元素：85Rb、87Rb* Sm元素：144Sm、150Sm、152Sm、154Sm、 147Sm*、148Sm*、149Sm* （注：“*”为放射性同位素）
传统稳定同位素的基本特征
常用的稳定同位素有 H、B、C、N、O、Si、S, 其中O、H、C 和 S 最为常用。 Most of these elements have several common characteristics: (1) They have low atomic mass（A＜40）. (2) The relative mass difference between their isotopes is large. (3) They form bonds with a high degree of covalent character. (4) The elements exist in more than one oxidation state (C,N,and S), form a wide variety of compounds(O), or are important constituents of naturally occurring solids and fluids. (5) The abundance of the rare isotope is sufficiently high to facilitate analysis.
同位素的分类：
按其原子核的稳定性可以分为两大类同位素： 1. 放射性同位素(radioactive isotope)：其 核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同 位素。 放射性同位素例子：
238U→ 234Th＋4He(α)＋Q 235U 232Th
→206Pb
→
207Pb 208Pb
→
2. 稳定同位素(stable isotope)：根据目前的测 试条件和技术水平，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。 需要注意的是：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1017a的就称稳定同位素，反之则称为放射性 同位素。
第一章 同位素的 基本概念和理论基础
同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：
1）计时作用：每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。 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。
R = 重同位素丰度/轻同位素丰度
3．δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对 于某种标准对应比值的千分差值： δ(‰)= ×1000
=[(R样品/R标准) -1]×1000
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁 的硫等标准(CDT)，这个标准硫的34S/32S=0.0450045。 它的同位素组成相当于整个地球的平均硫同位素组 成。
传统与非传统稳定同位素
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。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏 作用(fractionation)，即轻同位素和重同位素在物质中 的分配发生了变化，使得一部分物质富集轻同位素，另一 部分物质富集重同位素。 一般传统稳定同位素研究限于质量数小于40的非金属元素 ，如氢(D/H)、碳(13C/12C)、氧(18O/16O和17O/16O)、 硫(34S/32S和33S/32S)和氮(15N/14N)等传统意义上的。 最新多接收等离子体同位素质谱技术（MC-ICPMS）已经 能够对一些过渡族金属元素的同位素分馏进行实验测定和 研究，这些金属和卤族元素的稳定同位素，如Li、Mg、 Cl、Ca、Cr、Fe、 Cu、Zn、Se和Mo等构成了非传统 稳定同位素研究的新领域。
（一）稳定同位素
1．同位素丰度（isotope abundance）：指自然界存在的
某一元素中各同位素所占的原子百分比。 表1 某些元素的同位素相对丰度
对轻的元素（Z＜20）来讲，一般最轻的同位素相对丰度是最高的，且有奇偶数规律。
2．同位素比值（isotope ratio）：指某一 种元素的两种同位素丰度之比。 用R表示，例：SMOW的D/H=155.75×10-6； 18O/16O=1997×10-6；迪亚布洛峡谷铁陨石 的陨硫铁34S/32S=0.0450045等。
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，称为放射成因同 位素(radiogenic isotope)，如87Sr是由放 射性同位素87Rb衰变而来的； 另一部分是天然的稳定同位素，自核合成 以来就保持稳定。如氢同位素（1H和2H）、 氧同位素（16O和18O）、碳同位素（12C和13C） 等。自然界中共有1700余种同位素，其中 稳定同位素有260余种。
δ34S（‰）= {[(34S/32S)样–(34S/32S)标]/(34S/32S)}标
一、基本概念
同位素的定义
同位素是指原子核内质子（Z）数相同而 中子数（N）不同的同一元素的一组原子， 它们具有基本相同的化学性质，并在Байду номын сангаас学元 素周期表中占据同一位臵。
例如，H元素：1H、D、3H* O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C、14C* S元素：32S、33S、34S、36S Sr元素：88Sr、87Sr、86Sr、84Sr Nd元素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、 150Nd Pb元素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb U元素：235U*、238U* Rb元素：85Rb、87Rb* Sm元素：144Sm、150Sm、152Sm、154Sm、 147Sm*、148Sm*、149Sm* （注：“*”为放射性同位素）
传统稳定同位素的基本特征
常用的稳定同位素有 H、B、C、N、O、Si、S, 其中O、H、C 和 S 最为常用。 Most of these elements have several common characteristics: (1) They have low atomic mass（A＜40）. (2) The relative mass difference between their isotopes is large. (3) They form bonds with a high degree of covalent character. (4) The elements exist in more than one oxidation state (C,N,and S), form a wide variety of compounds(O), or are important constituents of naturally occurring solids and fluids. (5) The abundance of the rare isotope is sufficiently high to facilitate analysis.
同位素的分类：
按其原子核的稳定性可以分为两大类同位素： 1. 放射性同位素(radioactive isotope)：其 核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同 位素。 放射性同位素例子：
238U→ 234Th＋4He(α)＋Q 235U 232Th
→206Pb
→
207Pb 208Pb
→
2. 稳定同位素(stable isotope)：根据目前的测 试条件和技术水平，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。 需要注意的是：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1017a的就称稳定同位素，反之则称为放射性 同位素。