14第五章同位素地球化学4解析
同位素地球化学与大气环境化学
同位素地球化学与大气环境化学同位素地球化学与大气环境化学，说到这两个词，很多人可能会觉得有点高深，甚至有点头大。
别急，我们慢慢聊。
这其实是两个跟我们日常生活息息相关的话题，虽然它们听起来像是科幻小说里的术语，但实际上，它们就在我们的周围。
让我们从“同位素地球化学”说起。
你知道我们周围的空气、水、土壤，甚至是人类和动植物，几乎都是由各种元素组成的吗？这些元素有很多种形式，我们叫它们“同位素”。
简单来说，同位素就是同一个元素的不同版本，可能是个体差异大一点，质量也有些区别，就像我们人类有不同的发型、身高和体重一样。
好啦，听着是不是就不那么复杂了？这些同位素对于地球化学有着非常重要的作用。
比如，我们通过分析某种元素的同位素比率，可以知道它是从哪里来的、经历了什么样的变化。
比方说，科学家通过分析海水中的氧同位素比率，就能推测出古代气候的温度，想想看，那些遥远年代的气候就这样被“翻译”出来，挺神奇的吧？然后，我们来说说“大气环境化学”。
大气环境，听着有点抽象，但其实它就是我们每天呼吸的空气。
这空气里面包含了各种各样的化学物质，不单单是氧气、氮气之类的常见成分，还有二氧化碳、甲烷、臭氧、颗粒物等等。
这些物质看似都挺不起眼，但它们的变化能直接影响我们的生活。
说白了，空气中的成分变化就是我们大气环境化学的核心。
举个例子，假如你每天都在雾霾中呆着，空气里的颗粒物和有害气体就会逐渐堆积，最后可能带来健康问题。
所以大气环境化学的研究，不仅仅是为了搞清楚大气里都有哪些东西，更重要的是弄明白它们是怎么变来的，变成什么样，最后又会对我们的健康和环境造成什么影响。
嗯，听着是不是有点小紧张，仿佛空气变得“危险”了？别担心！其实大气环境化学这门学问，也有它“暖心”的一面。
比如，它能帮我们预测气候变化，指导相关部门做出应对措施。
你知道吗，现在我们常听到的“全球变暖”这个话题，就是通过大气环境化学的研究，弄明白了二氧化碳这种温室气体是怎么影响地球温度的。
地球化学讲义 第五章同位素地球化学(中国地质大学)
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。
同位素地球化学(看放射性的部分)
§1 固体同位素样品实验技术简介
D/Ds=(D/Ds) 0+P/Ds(eλt -1) 87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr) 0 +87Rb/86Sr (eλt -1)
质谱测定
定量分析（同位素稀释分析）
两个步骤： 1、化学分离 2、质谱测定
研究领域 包括有两个方面： 1、同位素地质年代学 2、稳定同位素地球化学
同位素地质年代学是根据放射性同位素 随时间变化的规律，测定地质体的年龄 与活动历史；另外，放射性同位素的示 踪，可用来研究地壳、地幔和其他星体 的成因与演化；
稳定同位素地球化学是研究地质体中稳定 同位素的分布及其在各种条件下的运动规 律，并应用这些规律来解释岩石和矿石的 形成过程、物质来源及成因等问题。
出版社
6、沈渭洲，1993，稳定同位素地质，原子能出版 社
7、朱炳泉等，1998，地球科学中同位素体系理论 与应用，科学出版社
……
四、我国同位素地球化学的学术团体
我国同位素地球化学的研究工作从1958年开 始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。
学术团体： 1、中国矿物岩石地球化学学会—同位素地球化学
同位素地球化学是研究同一元素具有2个或2个以 上组成的核素。
自然界存在两类同位素： 一类是放射性同位素，它们能够自发地衰
变形成其它同位素，最终转变为稳定的 放射成因同位素；
另一类是稳定同位素，它们不自发地衰变 形成其它同位素或由于衰变期长其同位 素丰度变化可忽略不计。
在地球化学系统中，天然放射性同位素丰 度的变异记载着地质作用的时间，同时它们又 是地质过程有效的示中的物理化学条件等。因此，同 位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演 化，主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互 作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及 古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值 的信息，为地球科学从定性到定量的发展作出 了重要贡献。
第四讲同位素地球化学 Rb-Sr法
Rb/Sr ratios for various rocks:
Ultrabasic Basaltic Granites Shale Sandstone
0.2 0.06 0.25-1.7 0.46 3
玄武岩与砂岩的Rb/Sr比值相差达50倍!!
What accounts for huge range in Rb/Sr ratios of rocks?
同位素等时线年龄质量评价
观察等时线质量的直观方法是样品间分布的线性程度，早期采 用的方法是基于多元统计中的最小二乘法线性拟合，根据获得 的相关系数(1)，通常认为越接近于1越好；
相关系数易于受个别数据点影响，难以充分反映等时线线性质 量、样品间初始值不均一性和实验误差等的影响，据此 York(1966,1967)提出了用MSWD判别包括等时线年龄和表面年 龄均值等在内的年龄数据质量的指标；
Sr也溶于水和含水相中，但溶解程度弱于元素Rb； Sr属中等程度不相容元素； Sr的离子半径与元素Ca (0.99Å)相似，易于与Ca 在长石
中形成类质同象。Sr-Ca发生类质同象的其它矿物有方解 石、石膏、磷灰石和榍石； Sr趋于在地壳中发生相对于地幔的富集作用，但其富集程 度小于Rb。
玄武岩批次部分熔融过程 中，熔体Rb、Sr含量随 部分熔融程度F值的变化
After Wilson (1989). Igneous Petrogenesis. Unwin Hyman/Kluwer.
岩浆过程与 87Sr/86Sr比值
MORB
不同岩浆岩87Sr/86Sr比值
MORB
0.7025
Continents
0.7119
Ocean Islands
>0.704
地球化学中的同位素分析技术与应用
地球化学中的同位素分析技术与应用地球化学是一门涉及地球上化学元素存在及其变化的学科。
它涵盖了从大气、海洋、陆地到生物体内的各种化学元素分布及其分异规律。
同位素分析技术是地球化学研究中的重要分析手段之一。
同位素是同一元素在原子核结构上相同，但质量不同的不同种型态的元素。
同位素分析指的是通过测定地质、生物、环境样品中同位素的相对丰度及其分馏效应，通过同位素地球化学模型的分析，揭示地球物质系统的演化规律和探测自然过程的机制。
同位素分析技术在地球化学研究中的应用十分广泛，例如：地球物质的起源和演化，地球和生物圈中各种元素的循环，环境污染监测与评价，矿床成因及矿物勘探，气候变化及构造变形等方面。
下面分别介绍同位素分析技术在这些领域中的应用。
1. 地球物质的起源和演化同位素地球化学研究的源头可以追溯到20世纪50年代，美国科学家克劳索和因格兰首次把“同位素地球化学”从行星地球上解释到“星际空间”上，即从揭示地球元素组成及其演化历史的角度开始探索整个宇宙元素演化的规律。
他们利用气体中稀有同位素的分馏，揭示了太阳燃烧出氢-氦核合成所需的温度和压力条件，确立了太阳核合成模型，初步推断了太阳气体来自于行星际物质的良好证据。
同位素分析技术也被广泛地应用于探索地球内部物质的演化历史，例如岩石的年代测定、地壳-地幔对流模式、深部地幔和核的物质组成等研究领域。
2. 地球和生物圈中各种元素循环地球是一个自然系统，其中包含气候、水文、生态、地质等多个子系统，而这些子系统之间通过物质与能量的交流得以相互作用。
同位素分析技术应用于各元素的循环研究中，可以揭示出这些过程的动力学过程及其模式，从而更加深入地了解地球子系统之间的关联性。
例如氧同位素分析技术，在全球范围内广泛应用于大气水文学、地表水文学、地下水文学等领域的研究，从而精细地了解各种水在自然界中的循环、水文循环和大气水分平衡的关系。
稳定硫同位素、碳同位素技术在生态学研究领域中的应用也非常广泛，可揭示生态系统中各种生物类群之间、生物与环境之间的物质循环途径及过程，并进一步推断其生态学和环境学意义。
地球化学 第四讲 同位素地球化学
College of geological science & engineering, Shandong university of science & technology
问题：如何用δ求解αA-B=RA/RB αA-B=RA/RB=（δA+1）/（δB+1） 4、同位素富集系数：
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第四部分
同位素地球化学
Geochemistry
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一 、稳定同位素分馏
同位素分馏效应：由于不同的同位素在质量上存在差别，这些差
别使其在物理和化学性质上存在微小的差异，从而使同位素在其共 存相之间分配发生变化。（相对质量差大的易察觉） 引起分馏效应的原因： 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 (如比重、熔点)，这样在蒸发、凝聚、升华、
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
Geochemistry
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二.同位素组成及分馏表示方法（稳定同位素）： 1、同位素比例（R）：用重同位素与轻同位素比值表示， 例如R（18O/16O）=2.0×10-3.(原子数）
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。
第五章同位素地球化学
1000lnαA-B=δA-δB=ΔA-B (同位素分馏值)
当δB相同时,ΔA-B越大,上式得精确性越差,一般适用于
87 37
Rb
3887
Sr
E
40 19
K
2400Ca
E
2)电子捕获 母核自发地从核外电子壳层(K或L层电子轨道上)捕获1个电 子,通常在K层上吸取1个电子(e),与质子结合变成中子,质 子数减少1个(就是β—衰变逆向变化),通式为:
A Z
Xe Z A1Y源自E40 19K
e
1480Ar
E
3) α—衰变
(一)放射性
1)放射性与放射性射线 ➢原子核自发地放射各种射线得现象称放射性;放射性射线 由、、三种射线组成。
2)放射性衰变 ➢放射性同位素射出各种射线而发生核转变得过程。
3)半衰期与平均寿命 ➢半衰期(T1/2):放射性母体同位素得原子数衰减到原有数目 得一半所需要得时间。特征常数 ➢平均寿命:放射性母体同位素在衰变前所存在得平均时间。
30、00 20、0 10、00 9、76
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:
放射性母核中得一个中子分裂为1个质子和1个电子(即β— 粒子),同时放出反中微子 ,通式为:
A Z
X
Z
A1Y
E
X:母核,Y:子核;Z:原子序数,A: 质量数,E:能量 。
同位素地球化学
研究分析表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。
模型③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合 理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。
根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。稳定同 位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化。
分馏系数
稳定同位素地球化学
稳定同位素地球化学：
同位素地球化学的一个研究领域。主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律，并用来解决地质问题。 稳定同位素包括放射衰变成因的和非放射成因的，如206Pb、207Pb、208Pb、87Sr和143Nd就是分别由238U、 235U、232Th、87Rb和147Sm放射衰变而形成的稳定同位素；而H、C、O、S的同位素如1H、2H、12C、13C、16O、 17O、18O、32S、33S、34S、36S则是天然稳定同位素。由于H、C、O、S的原子序数小于20，所以其同位素又可 称为轻稳定同位素。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。
S同位素地球化学解析
细菌释放出还原过程中形成的 H2S
硫酸盐细菌还原过程产生的同位素分馏 大小，与还原细菌的种类、还原反应速 度及体系的开放与封闭程度等因素有关。
在对硫酸盐开放的环境中， 如自然界的深海或静海环 境，还原消耗掉的可从上 覆海水中不断得到补充， 使得同位素组成基本保持 不变。此种环境下形成的 硫化物具有相对稳定的 d34S值，K1/K2值为 1.040~1.060，即硫化物的 d34S值比海水硫酸盐的低 40‰~60‰（图6.5.1a）。
硫酸盐细菌还原过程产生的同位素分馏大小，与还 原细菌的种类、还原反应速度及体系的开放与封闭
程度等因素有关。
在硫酸盐组分的补给速度 低于其还原速度的封闭、 半封闭环境中，由于富32S 的硫酸盐优先被还原成 H2S ， 因 此 最 初 形 成 的 硫 化 物 的 d34S 值 最 低 。 随 着 还原作用的进行，越是晚 期 形 成 的 硫 化 物 ， d34S 值 就越高。
和正价的硫酸盐（+4价和+6价）。不同的含硫化合
物之间由于价态的不同、化学键强度的强弱不同，
会产生明显的硫同位素分馏效应。
各种硫化物和硫酸盐的稳定性和溶解度 不同，如硫化物在低温水溶液中极难溶， 而硫酸盐的溶解度则相当大，造成富34S硫 酸盐被溶解并带走，留下富32S的硫化物， 发生两者的机械分离。
0.02
硫同位素组成表示为d34S：
• 标准为迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁 （CDT）。
•
自 然 界 中 硫 同 位 素 的 分 馏 十 分 大 ， d34S 值 变 化
可达180‰。这与硫同位素的质量差和一系列化学性
质有关。
•
同位素地球化学基础
衰变定律
母体和子体概念： 母体：放射性核素 子体：衰变产物
同位素地球化学基础
01
卢瑟福（1902）实验结果：
03
衰变的母体、子体原子数只与时间有关，与体系T,P等物理化学条件无关。
02
单位时间内衰变的原子数正比于放射性母体原子数。
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
衰变定律表达式： dN/dt = N （原子数目与时间的关系） dN / N = - dt, 左边由No积分到N, 右边由0积分到 t, 得： ln N - ln No = - t N/No = e - t 或 N = No e - t
04
例如：蒸发-凝聚：蒸汽富H2O,水体富D2O
05
扩散：高层富14N，低层富15N
06
等。
07
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
化学分馏
01
在化学反应过程中引起轻重同位素的分异称为化学分馏 分子振动频率 化学键强度 反应速率(K) = > 产物中富集轻同位素
02
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
01
偏差值：与国际通用标准样品之间的偏 差
03
R(样品) - R(标准样品)
05
（%o）= [(R样品- R标准)/ R标准]1000
02
绝对比值差：
04
相对比值差：
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
18O（%o）= [(18O / 16O )样品- (18O / 16O )标准]/ (18O / 16O )标准}1000
同位素地质年代学与同位素地球化学
同位素地质年代学与同位素地球化学嘿伙计们，今天我们来聊聊一个非常有趣的话题：同位素地质年代学与同位素地球化学。
这可是一个让我们大开眼界的领域，让我们一起来探索一下吧！咱们来了解一下什么是同位素地质年代学。
简单来说，就是通过研究地球上各种岩石和化石的同位素含量，来推算出它们形成的时间。
这个方法可是厉害了，因为它不需要知道这些岩石和化石的具体形成时间，只需要知道它们的年龄就行了。
这就像是给了一个人的出生证明，但是不知道他到底是什么时候出生的，只知道他多大了一样。
那么，同位素地球化学又是什么呢？它和同位素地质年代学有点像，也是通过研究地球上各种物质的同位素含量，来了解地球的历史。
不过，它的研究对象可就不仅仅是岩石和化石了，还包括土壤、水、大气等等。
这就像是在研究一个人的生活史，而不仅仅是他的出生和成长过程。
现在，我们来看看这两个领域有什么有趣的地方。
它们都是通过研究地球上的各种物质来了解地球的历史。
这就像是在看一部关于地球的电影，我们可以通过观察演员们的表现，来了解他们的生活和经历。
而且，这部电影还不是导演拍的，而是自然界自己拍的。
这是不是让你觉得很神奇呢？这两个领域的研究方法都非常重要。
同位素地质年代学需要我们找到那些含有特定同位素的岩石和化石，然后通过测量它们的同位素比例来计算出它们的年龄。
而同位素地球化学则需要我们找到那些含有特定同位素的土壤、水和大气等物质，然后通过测量它们的同位素比例来了解它们的组成和变化过程。
这就像是在做一个侦探工作，我们需要找到那些关键的证据，然后才能破解这个谜团。
这两个领域的研究成果对我们的生活也有很大的帮助。
比如说，通过对地球上的岩石和化石的研究，我们可以了解到地球的历史变迁，从而更好地保护我们的家园。
而通过对地球上的土壤、水和大气的研究，我们可以了解到环境的变化和污染情况，从而采取相应的措施来改善环境质量。
这就像是在给我们的生活做一次全面的体检，让我们知道哪里出了问题，然后想办法解决。
同位素地质学(4)同位素示踪
其中Im为以Cm作为分母同位素的某元素在岩浆 中的同位素比值；
Ia为以Ca作为分母同位素的某元素在围岩中的 同位素比值；
这时Im和1/Cm之间无线性相关性。
在这种情况下，对某一元素和其同位素而言， 结晶分异同化混染模式和简单的混合模式相比， 它们具有相同的Im～1/Cm之间线性关系，具有相 同
1/Ca，而结晶分异同化混染模式在Ia，1/η·Ca。当 r→∞时，η＝1，式（6.98）和式（6.90）相同， 两种模式的相关线一致，AFC模式在D＞1时，相关 线的斜率减小，在D＜1时的斜率增大。
如果作图，则构成三元混合曲面方程。宏观上 地幔、下地壳、上地壳物质的循环即构成了三 元混合。地幔中各种不同同位素特征的源区有 时候用三元混合模型理论比二元混合更符合在 玄武岩中所观察到的同位素资料
5.33AFC模式中的同位素
产生同化混染和分离结晶混合作用时同位素比值 关系方程,它只在特殊情况下有解。
踪 经历了相当长时期后，子体同位素将按新的母
子体关系发生改变，这就是所谓的同位素长时
效应。
把同位素的长时效应和母子体作为元素的短时
效应相结合，就可用正演或反演的方法探讨体
系形成的地球化学过程和演化历史，这便是同
位素示踪。
.
5 5.11地球参考系中某些重要的参考数据 1 示 踪 同 位 素 表 示 法
部 射性衰变体系的母子体元素多属于这一类。
分 由于各元素的固/液相分配系数的差残留固相中母子体比值发生 改变。对于实比批式平衡部分熔融过程，设DP 和DD分别为母、子体的固液相总分配系数。根 据公式（5.19）和（5.20），部分熔融后熔
同 体相和残留相的母子体比值（P/D）t和（P/D） 位 s分别有：
地球化学中的稳定同位素
地球化学中的稳定同位素稳定同位素是指在自然界中，核外电子数量相同，但质子数或中子数不同的同一元素的不同类型。
在地球化学中，稳定同位素可以用于探究地球和生命的起源和演化，研究大气、水体和岩石圈的物质循环和生态系统的结构与功能。
下面本文将探讨稳定同位素在地球化学中的应用和意义。
一、稳定同位素的定义和特征同一元素的同位素结构、化学性质近似，只有不同中子数的核能够区分它们。
一般地，同位素的质量数是它的质子数和中子数的和，所以同位素的质量通常都不是整数。
而稳定同位素是相对于不稳定同位素而言的。
稳定同位素相对不稳定同位素，在核的构成上有较高的稳定性以及质量数成正比增大。
在地球化学中，常用稳定同位素作为指示地球环境的工具。
其主要特征是原子核中的质子和中子的比值稳定，不会发生α、β、γ衰变。
二、稳定同位素在地球化学中的应用地球化学中的很多研究都需要利用稳定同位素进行探究。
如下是一些稳定同位素在地球化学中的应用：1.碳同位素碳由两种同位素构成，即碳-12和碳-13，其中碳-12占总碳的98.9%。
在生态系统中，生物体对不同碳同位素的利用、转换过程与环境变化密切相关，因此，研究碳同位素在生态系统中的地位和作用，可对生态学、环境保护和气候变化等问题提供重要的参考。
2.氧同位素氧同位素主要包括氧-16、氧-17和氧-18。
在水文地球化学中，氧同位素是水循环研究中的重要因素。
依据氧同位素的比例、分布可以判断水来源，搞清水的运移路径。
同时因为不同温度条件下氧同位素比例存在一定的差异，所以也可以在探究过去的气候变化时提供参考。
3.硫同位素硫同位素有三种，分别为硫-32、硫-33和硫-34。
硫有广泛的利用价值，包括石油和天然气、硫酸等化工品生产，和生物活性。
硫同位素对矿床研究也有很大的帮助。
4.氢同位素常见的氢同位素有氢-1、氘和氚。
氢同位素的存在可以反映一些重要环境参数，如降水来源、植物的水分来源等。
同时，氢同位素还可以用于考察化石水的来源和多层储层的性质等。
同位素地球化学4
图13 Shap花岗岩侵位时(395Ma前)Stockdale流纹岩的Rb-Sr 假等时线图 表明阴影区之外的样品中Sr可能的开放系统行为，四个取样 点以不同的符号相区分。
§3.4沉积岩定年 沉积岩沉积时间的绝对年龄是非常重要的问题，但解决起来 又是非常困难的。精确的定年取决于同位素时钟的完全重新启 动。因此，沉积岩的Rb-Sr定年有赖于在该岩石中Sr同位素系统 在沉积或早期成岩阶段达到均一化，并随后保持系统封闭直到 现今的假设。然而，我们将看到这两个要求可能是相互排斥的。 原理上，沉积岩依其含Rb相存在的性质可分为两组。外来(碎 屑)矿物在埋藏变质作用过程中中度抵抗开放系统行为，但随之 而来的问题是继承同位素特征。自生矿物是直接从海水沉淀来 的，因此显示了良好的初始Sr同位素均一化。然而，它们在埋藏 后极易重结晶并可能不保持封闭系统。 实际上，与这些沉积物类型相关的两种不同的定年方法已趋 向合并。碎屑沉积岩的分析已向细粒、几乎完全自生的矿物(如 伊利石)的分析，以避免碎屑组分的影响。相反的是，自生矿物 的分析已集中在次自生矿物海绿石，因为真正的自生含 Rb蒸发 矿物对埋藏变质作用过于易受影响以致不能成为地质时计。
在几平方公里的范围内从Arendal紫苏花岗岩各个出露点采集 了8个全岩样品。它们主要得到大约为1540Ma和1060Ma的两组年龄。 Field和Raheim(1979a)将较老的年龄解释为高级紫苏花岗岩矿物的 形成时间，较年轻的确定了随后低级事件的年龄。这由可能与穿过 该区与不规则分布的窄裂隙有关的轻微矿物蚀变得到证实。该较轻 年龄的重新启动事件落在该区未变形的花岗岩岩席1063±20Ma的误 差范围内。 为了证明从轻微扰动对片麻岩区区域采样的影响，Field和 Raheim在1km2的范围内采集了8个样品。数据(图12)形成一条表面年 龄为1259±26Ma的良好线性排列。其MSWD值为1.58,表明围绕回归 线的数据离散可能由分析误差引起，但是还没有地质证据证明此时 该事件的存在。因此，Field和Raheim将线性排列归结为其斜率相 应于重新启动年龄(由1035Ma的矿物等时线决定)的紧密分布的梯队 排列。因为每个地点的Rb/Sr比值变化范围小(如地点4，图12)，位 于每条次级等时线上的样品并不与虚构的复合“等时线”偏离很多。 因此，可得出结论：在Rb-Sr系统有扰动的地区，在得出区域地质 年代解释之前，为了了解有关组分的活动性，有必要作详细的采样 研究。
同位素地球化学第五章 同位素地球化学
放射性衰变
自然界中部分核素在能量上处于不稳定状 态，自发地从某一核素衰变成为另一核素， 并伴随各种粒子形式的能量释放的过程称为 放射性衰变。
发生放射性衰变的同位素称放射性同位素， 或母体同位素(radioactive parent nucleus )。
放射性衰变过程中及最终形成的稳定同位 素称为放射成因同位素或子体同位素 (radiogenic daughter nuclei) 。
放射性同位素丰度的变异记载着地质作用 的时间，同时它们又是地质过程有效的示踪剂， 而对于稳定同位素丰度的变异或分镏除了示踪 地质过程外，还可指示地质过程中的物理化学 条件等。
同位素地球化学在研究地球或宇宙体的成 因与演化，主要包括地质时钟、地球热源、壳 幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造 作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要 有价值的信息，为地球科学从定性到定量的发 展作出了重要贡献。
t1/2=0.693/
•母体(N)和子体同位素(D)存在如下关系： N0=N+D
D N
D N (et 1)
Evolution of daughter isotopes
No/ So
*
Daughter D/S
Concentration ratios
Parent N/S
0 0
t 1/2
2 3 time
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。
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。
地球化学解析地球岩石中的同位素组成
地球化学解析地球岩石中的同位素组成地球岩石是地球上最庞大的自然资源之一，通过对其同位素组成的分析，可以深入了解地球历史、地质构造、岩石形成过程等方面的信息。
同位素是具有相同质子数，但中子数不同的同一元素的不同形式，其稳定性和放射性在地球化学中发挥重要作用。
本文将介绍地球化学中解析地球岩石中的同位素组成的方法和应用。
一、同位素的基本概念同位素是指同一元素中，质子数相同而中子数不同的核。
同位素的质量数等于其质子数与中子数之和。
同位素在化学性质上具有相似性，但在物理性质上存在差异，其中最常见的性质就是其放射性。
同位素按照其放射性可分为稳定同位素和放射性同位素两类。
二、同位素分析方法在地球化学研究中，常用的同位素分析方法包括质谱法和同位素地球化学方法。
1. 质谱法质谱法是一种利用质谱仪对元素、化合物或物质所含的同位素进行分析的方法。
常见的质谱法包括质谱质谱法(MS-MS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。
2. 同位素地球化学方法同位素地球化学方法主要利用同位素的物理性质，通过对岩石、矿物或水样品中同位素组成的测定，解析地球系统中的物质循环、地质历史和地球环境等。
常见的同位素地球化学方法包括稳定同位素地球化学和放射性同位素地球化学。
三、同位素地球化学的应用1. 稳定同位素地球化学的应用稳定同位素地球化学广泛应用于水文地球化学、岩石地球化学、大气环境等领域。
例如，利用氢氧同位素可以探究地球水循环过程、水源区的划分和水资源的管理。
利用碳同位素可以追踪地球上的碳循环和生物地球化学循环过程。
利用氧同位素可以研究古气候变化和古环境演化等。
2. 放射性同位素地球化学的应用放射性同位素地球化学主要应用于地质年代学和地下水资源勘探等领域。
例如，利用铀-铅同位素测年方法可以确定岩石和矿石的年龄。
利用钾-氩同位素方法可以测定火山岩的年龄。
利用同位素示踪技术可以研究地下水流动路径和补给来源等。
综上所述，地球岩石中的同位素组成是地球化学研究的重要内容之一，通过同位素的分析可以获取丰富的地质、地质历史和地球环境信息。
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目前世界上通用的同位素标准样品列于下表
氧有两个标准：标准大洋水（SMOW）和美
洲似箭石（PDB）
换算关系δ18OSMOW=1.03086 18OPDB +30.86
4、同位素分馏系数（α）
两物质间同位素分馏的程度可以用同位
素分馏系数来衡量。 同位素分馏系数是两种物质中某元素同 位素比值之商，即： α A-B＝ RA/RB
1、同位素测温原理
两个矿物、两相或两个分子间达到平衡时， 它们之间的同位素交换平衡分馏系数/富集 系数与平衡温度之间存在如下关系式
ΔA-B ＝ δ A－δB ＝ 1000ln α ＝A/T2＋B
2、同位素地质测温前提
①矿物对必须共生，即同时在同一地质体系中
形成； ②矿物对彼此要达到化学和同位素平衡，且矿 物形成后同位素平衡不被破坏。 ③选做测温的矿物对要常见，且在较大的温度 和压力范围内保持稳定，矿物的化学成分应比 较简单，变化小。
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。
④动力分馏
其实质是质量不同的同位素分子具有不同
的分子振动频率和化学健强度 。 因轻同位素形成的键比重同位素更易破裂， 这样在化学反应中轻同位素分子的反应速 率高于重同位素分子。 C+16O→ C 16O2 C+ 16O 18O→ C 16O 18O K1/K2=1.17
5.3.1 稳定同位素基础及分馏机理
5.3.1.1 同位素分馏机理 5.3.1.2 几个相关参数 5.3.1.3 同位素地质测温
5.3.1.1 同位素分馏机理
1、同位素分馏的概念
在地质作用过程由于质量差所引起
的同位素相对丰度的变异，称为同 位素分馏作用/效应。
2、同位素分馏的机理
同位素分馏效应的原因：物理分馏、同 位素交换反应、生物化学反应、动力分 馏。
第5章 同位素地球化学
Part Ⅳ
第5章 同位素地球化学
5.1 自然界同位素成分变化的机理 5.2 放射性同位素地球化学
5.3 稳定同位素地球化学
5.3 稳定同位素地球化学
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
①物理分馏 ②平衡分馏（同位素交换反应） ③生物化学分馏 ④动力分馏
①物理分馏
也称为质量分馏，同位素之间由质量 引起的一系列物理性质的微小差别(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。
②同位素交换反应（平衡分馏）
5、同位素富集系数（Δ）
何谓同位素富集系数（Δ） 在同位素平衡条件下，不同化合物中的 同类同位素组成δ值的差，称为同位素富 集系数，用Δ表示。
ΔA-B＝ δ A－δB
对于同一元素的一系列化合物而言，同
位素富集系数具有简单的加和性：
ΔA-C ＝ ΔA-B ＋ΔB-C
例
已知 △FeS - ZnS=A △ ZnS - CuS=B 计算 △ FeS – CuS？
稳定同位素
同位素分类：稳定同位素(stable
isotope)和不稳定同位素或放射性同位素 (unstable or radioactive isotope)。 稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原 子核的变化不能被觉察。 目前认为，凡是原子能够稳定存在的时间 大于1017a的就称为稳定同位素，反之就 称为放射性同位素。
5.3.1.2 几个相关参数
1、同位素比值（ R ）
单位物质中所含某元素的重同位素与轻
同位素原子数的比值，表示为：
R＝φ(x*)/φ(x)
式中x*、x分别代表重、轻同位素， φ(x*)和φ(x)分别代表重、轻同位素的 原子数。
如大气中的氧同位素
R＝φ(18O)/φ(16O) =0.1995/99.763=2.0×10－3
同位素富集系数与分馏系数的关系
1000ln αA-B ≈ δ A－δB ＝ ΔA-B 如果已知某个矿物的同位素组成、分馏系 数或富集系数，可获得与之平衡的矿物相 的同位素组成
同位素分馏系数/富集系数与 温度的关系
ΔA-A/T2＋B
5.3.1.3
同位素地质测温
④矿物对之间的同位素分馏要足够大，即
分馏系数越大越好。 ⑤矿物对的同位素分馏方程要可靠。
3、同位素测温常用方法
①外部测温法 ②内部测温法 ③单矿物测温法
当我们谈论同位素比值时，总是指重同
位素与轻同位素之比
2、同位素组成表示(δ)
取某一给定样品的R值为标准，可测得各
地质样品中R值与标准的绝对偏差（千分 差），以δ表示：
δ （‰）＝（R样/ R标－1）×1000
从样品的δ值直接看出样品中重同位素比标
准富集或贫化的程度。
δ18O （ ‰） =[(18O / 16O)样/(18O / 16O)标)－ 1] ×1000
＝[φ(A2)/φ(A1)]/[φ(B2)/φ(B1)]
式中A、B为含有相同元素的两种分子
例如：
α CaCO3-H2O =(18O/16O)CaCO3/(18O/16O)H2O
α偏离1愈大，分馏作用愈强； α接近1，表示分馏作用弱； 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越接近1， 分馏效应愈不显著 。
化学反应中反应物和生成物之间由于物 态、相态及化学键性质的变化，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。
一般来说，重稳定同位素富集在氧化态 或价态高的化合物中。
③生物化学分馏/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
δ34S（ ‰）=[(34S / 32S)样/(34S / 32S)标)－1] ×1000
例如 样品的δ>0，表明重同位素比标准更
富集； 若δ<0，表明重同位素相对标准贫化； 若δ＝0，表明样品与标准具有相同 的同位素丰度比。
3、同位素标准
被选作标准的样品应具有的条件：
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。