同位素地球化学汇编

瑞利分馏(Raleigh fractionation)
l 是指在开放体系中，反应生成的产物一旦形成后，马上
就从系统中分离开，从而实现同位素分馏效应的过程。 例如，雨滴从云中陆续形成，并不断移离云层就是一个 典型的瑞利分馏过程
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l 由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差, 这种 质量差异所引起的该分子在物理和化学性质上的差异， 称为同位素效应(isotope effect) l 在不同的物理、化学和生物作用过程中，会出现不同的 同位素效应，发生某种程度的同位素分馏 l 氢的两个同位素（ 1H 和 2H ）的相对质量差是所有元素 的同位素中最大的，因此自然界中氢同位素分馏也最大.
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同位素动力学分馏
♦ 不同同位素组成的分子具有不同的质量，它们
千分分馏作用（1000lnα）和同位素分馏值Δ
l
近似的δ值，a值和Δ值关系可用下式表示：
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l
必须注意，上述 同位素分馏值 Δ和分馏系数α 的近似关系式 的使用是有条件的。下表列出了不同的αA和αB值条件下， 和α的数据对比 的数据对比。 。当δB值相同时 值相同时， ， 上式的精确性就愈差。 上式的精确性就愈差 。 值愈大， 值愈大 ，
现代同位素地球化学第二讲
稳定同位素分馏及其应用
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l2.1 同位素效应 l2.2 同位素分馏 l2.3 分馏系数及其应用 l2.4 地质温度计 l2.5 同位素平衡体系的验证
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§ 分馏值(∆): 某同位素在不同物相中同位素
组成δ之差：
∆A-B=δA-δB
§ 对含有同一元素的一系列化合物， ∆具有
加和性, 例如A，B，C三种化合物
∆A-C= ∆A-B+∆B-C
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l 对于理想气体，lna与1/T2呈正比
1000lnα=A×106/T2 + B
l 含有同一元素的一系列化合物，α也具有相关性,
例如A，B，C三种化合物
αA-C
=
αA-B * αB-C
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δ and α 关系?
RA δA = 1000 − 1 Rstd RB δB = 1000 − 1 Rstd
α A− B = R std R std δA × + 1 1000 δB × + 1 1000
α A−B
δA + 1000 = δB + 1000
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l 1/2C16O2+H218O→1/2C18O2+H216O
αCO
2
-H
2
18O/16O) 18O/16O) =( /( O CO H 2
2
0
αCO
-H O=1.04 2 2
at 25℃
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同位素分馏系数α
• 例如 CaCO3和 H2 O之间氢同位素交换反应可写成： 氧
• 则 CaCO3 和 H2 O之间的分馏系数α可表示为 ：
• 在 25o C时，α CaCO3- H2O = 1.031
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千分分馏作用（1000lnα）和同位素分馏值Δ
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热力学分馏一：同位素 学分馏一：同位素交换
♦指参加化学反应的不同化合物之间及 不同物相之间同位素再分配的现象。 如： A0X + B*X = A*X + B0X
16O 18O=16O18O+C16O + C 2
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以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象
l同位素分馏系数（α）：两种物质或物相间同位素
分馏的程度。又称分离系数
αA-B=RA/RB
lRA和RB分别表示某一元素的两种同位素在A、B两种物
质中的比值，如18O/16O、 2H/1H、13C/12C等
lα=1时，无分馏；
α值与分馏程度成正比
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同位素分馏系数（α）
两种物质之间的同位素分馏程度，通常用同位素分馏系数（α）来表示， 等于两种物质的同位素比值（R）之商，即
O ( 16 ) A RA O α A− B = = 18 O RB ( 16 ) B O
式中，A和B表示两种物质或者同 一物质的两种相态。
18
同位素分馏系数表示同位素分 馏的程度，它反映了两种物质 之间同位素相对富集或亏损的 大小。也就是说，哪种物质含 有更多的重同位素，哪种物质 含有更多的轻同位素 当αA-B>1时，表示A物质比B物 质富集重同位素；当αA-B<1时， 则指A物质比物质B富集轻同位 素；当αA-B=1时，表示两种物 质之间没有同位素分馏
在扩散速度上表现出差异；分子质量不同会导 致分子参与化学反应的速度。这种因分子扩散 和反应速度不同导致的分馏称为同位素 的分馏称为同位素动力学 分馏。 分馏 。包括：
v扩散过程 v氧化还原 v光合作用
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同位素组成δ值
l 物质中一种元素的几个同位素的绝对量的测量，通常是十分困难
的。实际工作中往往采用相对测量法，即只要知道待测物质中某 元素的两种稳定同位素的比值与一标准物质中同一元素的两种同 位素的比值之间的差异即可。这一差异用δ值来表示：
l 因此，利用矿物对或矿物-水之间实验测定的或
理 论 计 算 的分馏系数，作 1000lna-1/T2 坐标图 时，通常能获得平滑的线性曲线
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简化分馏系数(103lnα)和分馏值(Δ)
α A− B δ A + 1000 = δ B + 1000
α A− B δA +1 = 1000 当θ << 1时， ln(1 + θ ) ≈ θ δB +1 1000
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千分分馏作用（1000lna）
l 利用数学计算可知1000ln(1.00n) ≈ n l 例如，aCaCO - H O=1.031，则1000lna=31
3 2
l 因此1000lna称为千分分馏作用 l 或称”简化分馏系数”
同位素交换特点
§ 可逆反应 §等分子，等浓度 §恒温过程 §可发生于不同相态间
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热力学分馏二：蒸气压分馏
• 由于不同同位素组成的化合物蒸气压不
同，在蒸发和凝聚过程，蒸气压差异所 造成的同位素分馏称之。在H，O同位素 分馏中特别重要
将上式取对数形式可简化为如下近似关系式：
1000 ln α A − B ≈ δ A − δ B
103lnαA-B数值能够近似地用两种物质同位素组成之差来表示。因 此，只要测定出样品的δ值，就可以直接计算103lnαA-B。由此可见， 103lnαA-B值也能表示两种物质的同位素分馏程度，具有分馏系数 （αA-B）相似的作用。故称之为”简化分馏系数”
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2.2 同位素分馏
l同位素分馏：是指在一地质体系中，某元素的同位素
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(isotope effects)
2.1 同位素效应
δ
l 因此，δ值是样品与标准之间同位素比值间的相对偏差，单位用
千分值（‰）表示
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αA-B = RA/RB
Rx Rx − Rstd − 1 δx = 1000 δx = 1000 Rstd Rstd Rstd Rstd δA × + 1 = RA 1000 δB × + 1 = RB 1000
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δ and α
α
A−B
δ = δ
Fra Baidu bibliotek
A B
+ 1000 + 1000
用上式来表示同位素分馏系数有许多优点。可以看出，只要测定出一个体系 内两种物质的δ值，就可以计算出同位素分馏系数α，应用现代同位素测试技 术很容易做到这一点。 当αA-B≥1时，则δA≥δB；当αA-B<1时，则δA＜δB。 由此可见，当两种物质的δ值差别愈大，同位素分馏程度也就愈大。
同位素分馏的方式
• 同位素热力学分馏：化学平衡和相平衡
过程中的同位素分馏。原因包括同位素交 换和蒸气压差异
• 同位素动力学分馏：化学反应速度和物
质扩散速度不同导致的同位素分馏
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