01 同位素地球化学基本原理A
第六章 同位素地球化学-1
第六章同位素地球化学第一节基本概念一、同位素的定义核素：是由一定数量的质子（P）和中子（N）构成的原子核。
核素具有质量、电荷、能量、放射性和丰度5中主要性质。
.同位素：原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做同位素(isotope)，他们处在周期表上的同一位置二、同位素的分类– 放射性同位素(radioactive isotope)：原子核是不稳定的，它们能够白发地衰变成其他的同位素。
最终衰变为稳定的放射性成因同位素。
目前已知的放射性同位素达1200种左右，由于大部分放射性同位素的半衰期较短，目前已知自然界中存在的天然放射性同位素只有60种左右。
放射性同位素例子：238U→234Th＋4He(α)＋Q→206Pb；235U→207Pb；232Th→208Pb– 稳定同位素(stable isotope)：原子核是稳定的，迄今还未发现它们能够自发衰变形成其他的同位素。
自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有260余种。
z轻稳定同位素，又称天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定。
其特点是①原子量小，同—元素的各同位素间的相对质量差异较大；②轻稳定同位素变化主要原因是同位素分馏作用所造成的，其反应是可逆的。
如氢同位素（1H和2H）、氧同位素（16O和18O）、碳同位素（12C和13C）等。
z重稳定同位素，又称放射成因同位素(radiogenic isotope)：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。
其特点是①原子量大，同—元素的各同位素间的相对质量差异小（0.7%~1.2%）环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变；②重稳定同位素变化主要原因是放射性同位素衰败引起，这种变化是单向的不可逆的。
如87Sr是由放射性同位素87Rb衰变而来的；三、同位素丰度同位素丰度(isotope abundance)：可分为绝对丰度和相对丰度绝对丰度是指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1H（取1H=1012）或28Si（取28Si=106）的比值表示。
地球化学的基本原理与应用
地球化学的基本原理与应用地球化学是一门研究地球各部分以及地球与外部环境间元素、化学物质在地球上的分布、变化和相互关系的学科。
它是地球科学中的一个重要分支，具有广泛的应用领域。
下面将介绍地球化学的基本原理以及其在各个领域的应用。
一、地球化学基本原理1. 元素和同位素：地球化学研究中关注的核心是元素的存在形式和同位素的分布。
元素是组成地球和生物体的基本构成单元，而同位素则可用来追踪地球系统中的物质运移和循环过程。
2. 地质过程：地质过程是地球化学变化的根源。
包括岩浆活动、土壤形成、水文循环、生物地球化学等。
通过对地质过程和地球物质的研究，可以了解地球表层的演化历史和地壳成因。
3. 地球系统：地球是一个复杂的系统，包括大气、海洋、地壳和生物圈等多个组成部分。
地球化学通过研究这些组成部分之间的相互作用，揭示地球系统中物质循环的规律。
4. 化学平衡和反应：物理化学原理是地球化学中的基础。
化学平衡理论被应用于地球化学计算模型的构建，以揭示物质在地球系统中的分布和转化。
二、地球化学的应用领域1. 矿产资源勘探：地球化学可以应用于矿床勘探和矿产资源评价。
通过分析不同元素的分布和同位素组成，可以找到矿床的富集区域和找矿指示。
2. 环境污染与地质灾害：地球化学方法可以用于环境污染物迁移和转化的研究，例如水体中的重金属污染、土壤中的有机物污染等。
同时，地球化学还能够评估地震、火山和滑坡等地质灾害的潜在危险性。
3. 水文地质研究：地球化学可以用于水文地质研究，例如地下水的起源、成分及其与地下水补给区域的关系。
同时，地球化学方法也可以应用于地下水的污染源溯源。
4. 古气候与环境演化：地球化学分析在古气候和环境研究中起着重要作用。
通过分析沉积岩中的同位素组成和微量元素含量，可以重建过去气候变化和环境演化的历史。
5. 生物地球化学和生态系统研究：地球化学可以揭示生物地球化学循环的机制和影响因素，例如元素的生物地球化学循环过程、生态系统中的能量流动与物质转化等。
第五章同位素地球化学-1-1详解
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。
达到同位素交换平衡时共存相同位素相对丰度比值为一
常数，称分馏系数α。例如：
1/3CaC O3+H2 O≒1/3CaC O3+H2 O
16 18 18 16
（25℃，α=1.0310）
又如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2H 2 18O16O2 2H 2 16O18O2
(0℃:α=1.074, 25℃:α=1.006)
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
稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。
轻稳定同位素： 原子序数Z＜20（原子量小），同一种元素的各同位素 间的相对质量差异较大ΔA/A≥10% ；
第五章 同位素地球化学-1-1
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：
索洛霍芬石灰岩 美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁
PDB
NBS— 20 CD
3)分馏系数
对于同位素分馏系数，设有同位素平衡分馏反应： aA1+bB2≒aA2+bB1
式中： A 、 B 为含有相同元素的两种分子； a 、 b 为系数； 1
为轻同位素， 2 为重同位素。则同位素分馏系数α的定义 公式为： α=RA/RB=（A2/A1）/（B2/B1） 如： C16O32-+3H218O≒C18O32-+3H216O α=(18O/16O)CO32-/(18O/16O)H2O 当α>1,反应向右进行；当α<1，反应向左进行；α=1， 无同位素分馏。
，反应产物，特别是活动相中更富集轻同位素。
例如：C+16O2→C16O2 C+16O18O→C16O18O 平衡常数K1 平衡常数K2 K1/K2=1.17
③平衡分馏（同位素交换反应）：在化学反应中反应物和生成
物之间由于物态、相态、价态以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叫做平衡分馏，也称 同位素交换反应。
222 86
(镭)
（氡）
同位素地球化学第五章 同位素地球化学
3)放射性同位素应具有较高的地壳丰度，在当前的技术 条件下，能以足够的精度测定它和它所衰变的子体含 量。
4)矿物、岩石结晶时，只含某种放射性同位素，而不含 与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体，其数量亦是 可以估计的。
常用放射性同位素体系
同位素年代学方程
• Each process transforms a radioactive parent nucleus into one or more daughter nuclei.
a-decay
Emission of an a-particle or 4He nucleus (2 neutrons, 2 protons)
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) 。
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；
N
dN
t
dt
N N0
t 0
ln N t
N0
值的意义
是比例常数，后来称之为衰变 常数，量纲为时间的倒数。其意 义为一个放射性核素的原子在在 所描述的时间范围内发生衰变的 概率(probability)。
第一部分 同位素地球化学原理解析
2. 同位素分馏效应
由质子数目相同，中子数目不同的同位素原子或化合物之间物 理化学性质上的差异（热力学性质，运动及反应速度上的差异等）， 使得它们在自然界的各种地球化学作用过程中产生了同位素分馏。 根据分馏的性质和原因分为两大类型：热力学同位素分馏和动力学 同位素分馏。产生同位素分馏的各种作用统称为同位素分馏效应 （isotope fractionation efect）。
同位素分馏（isotope fractionation）：是指一系统中，某元素的各 种同位素原子或分子以不同的比值分配到各种物质或物相中的作用。
同位素分馏系数（α）（isotope fractionation coefficient)：某一组分 中两种同位素丰度之比与另一组分的相应比值之商。
AB
自然界物质的同位素交换，可以通过扩散、溶解-重新沉淀和微区化 学置换等方式来实现。交换可以在均质体系中进行，也可以在非均质体系 中进行。在均质体系中同位素交换速度快且容易接近或达到同位素平衡。
同位素交换及热力学同位素分馏特点
（1）同位素交换反应(isotope exchange reaction) ：
（3）Slap(Standard light Antarctic Precipitation)南极原始的粒雪样品。 δD SMOW = -55.50‰,δ18O SMOW = -428.5±1‰； D/H=(89.02±0.05)×10-6, 18O/16O=1882.766×10-6。
（4） PDB(Pee Dee Belemnite)美国卡罗莱纳州白垩系Pee Dee组中拟箭 石制成的CO2，作为碳氧同位素标准。 PDB的 δ13CPDB=0‰,δ18OPDB=0‰；13C/12C=1123.72 ×10-6, 18O/16O=415.80 ×10-5。
地球化学 第四讲 同位素地球化学
② 同位素交换反应：就是在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。（轻同位素易断裂） 例如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2H 2 18O16O2 2H 2 16O18O2
(0℃:α=1.074, :α=1.006)
Geochemistry
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：
③ 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。生物成因的34S低。 （前生物时代碳质成因？）
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Creativity
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元素：具有相同质子数的核素称为元素。
同位素：具有相同质子数，不同中子数的一组核
Geochemistry
应用地球化学-4同位素地球化学
2020年7月22日星期三
中南大学彭建堂制作
1
同位素地球化学是研究自然体系中同位素的形成、丰度及 在自然作用中分馏和衰变的科学
研究思路：在地球系统作用过程形成宏观地质体的同时， 还发生了同位素成分的变异，这种变异记录了地球物质发 生的时间和形成条件。
同位素地球化学为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、大气-海洋的相互作用、壳幔相 互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用、古气候和 古环境记录等提供了重要的有价值的信息。
D2O更多残留于水体中。经过多次物理分馏，在一些地区 （如高纬度区），大气降水将形成最轻的水。
2020年7月22日星期三
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17
e.g. 由于地球重力作用导致N同位素的扩散分异，大气高 空富集14N，而低层15N富集。 单向多次反复的物理过程中，同位素质量分馏效应 最明显。
2020年7月22日星期三
C+16O16O→C16O2 平衡常数为K1
C+16O18O→C16O18O 平衡常数为K2
实验测定：K1/K2=1.17
2020年7月22日星期三
中南大学彭建堂制作
19
③平衡分馏：在化学反应中，反应物和生成物之间由 于物态、相态、价态和化学键性质的变化，使轻、重 同位素分别富集于不同分子中而导致发生的分异。亦 称同位素交换反应。如：
中南大学彭建堂制作
21
若取某一给定样品的R值做标准，则可测定各地质样 品中R值与标准的绝对变差（δ）：
δ（‰）=（R样-R标）/R标 × 1000 =( R样/ R标-1) × 1000
δ＞0，样品比标准更富集；δ＜0，比标准更贫化； δ=0，与标准具相同的同位素比值。
地球化学第六章_同位素地球化学-放射性同位素
式中λ为衰变比例常数，简称衰变常数，dN/dt是任一时刻（t）时的衰变速率。 对上式积分得：
∫
t dN = −λ ∫ dt N0 N t0 N
设t=0时，放射性母体原子数为N0，得：lnN－lnN0＝－λ t 化简得：
N＝N0e
－λ t
，
该公式表示原子数为N0的放射性同位素， 与经过时间t后残存的母体原子数之间的关系。 设衰变产物的原子数为D*，当t=0时D＝0，经过时间t的衰变反应，则， D*＝N0-N 则，D*= N0(1-e ) or D= N(e -1) 如果一体系中，t=0 时的子体原子数为D0，则该体系子体原子总数为:
第六章 同位素地球化学 放射性同位素地球化学
第一节 放射性同位素地球化学基础
一、放射性衰变反应 1）. α衰变 放射性母体同位素放出α粒子, 而转变为另一个新的子体核素。 α粒子由 2 个质子和 2 个中子组成，带正电荷＋2。实际为 He 原子核。 衰变子体相对于母体来说，质子数和中子数各减少 2 ，同时质量数减少 4。
2
同位素及其衰变产物 （5）矿物岩石刚形成时只含某种放射性同位素，而不含与之有衰变关系的子体，或虽含一 部分子体但其数量可以估计 （6）对所测定的矿物、岩石的地球化学有相当可靠认识 2、同位素地质年代学所感兴趣的，是自然存在的为数不多的一些放射性同位素核素，主要 包括: – 具有非常慢的衰变速率的（如238U, 235U,232Th, 147Sm, 40K等）、 – 由长寿命放射性母体衰变产生的（如234U,230Th, 226Ra等）、 – 由天然核反应产生的（如14C, 10Be等）、以及由人工核试验产生的放射性同位素。 3、放射性同位素年龄的地质学含义 对同一地质体，选用不同的同位素测年方法，往往会得到不同的年龄值，它们所代表的 地质意义不同。 己有研究表明，对于一个缓慢冷却的岩体来说，不同矿物的封闭温度是不同的，不同的 同位素体系在同种矿物中的封闭温度也是不同的。 同位素年龄时钟是在低于封闭温度时才开 始启动的。 对于根据放射性同位素体系获得的地质年龄，Rollison（1993）划分出具有不同地质含义的 几种年龄： （1） 结晶年龄。对于火成岩体，矿物的结晶年龄记录了岩石的岩浆作用年龄。对于变质 岩体，如果变质矿物的结晶温度低于其封闭温度，则矿物一经形成，同位素时钟就 立即启动、开始记时，从而记录下变质岩结晶年龄。 （2） 冷却年龄。对于火成岩体，冷却年龄是指岩体固结之后的冷却过程中，达到矿物的 封闭温度时同位素时钟开始启动记录下来的年龄。对于变质岩体，矿物在变质高峰 期结晶生成，之后冷却过程中达到矿物的封闭温度时同位素时钟启动记录下来的年 龄。 （3） 变质年龄。很易与冷却年龄混淆，但它是指变质作用高峰期的年龄。变质年龄的确 定方法取决于变质作用的级别。对于低级变质作用，可选用封闭温度较高的某些特 定矿物来确定变质年龄； 对于高级变质作用， 则往往采用全岩的Rb-Sr或Sm-Nd同位 素体系来推断。 （4）地壳形成年龄。是指一个新的大陆地壳块体从地幔中分异出来的时间（O’Nions et al., 1983）。通常通过Sm-Nd模式年龄计算来获得。 （5）地壳滞留年龄。对来自大陆地壳块体剥蚀下来的沉积岩进行Sm-Nd同位素分析，可计 算获得一个地壳滞留年龄（tCR），反映地壳形成年龄。该年龄比地层沉积年龄值大。
地球化学的基本原理和应用
地球化学的基本原理和应用地球化学是地球科学的一个重要分支，它研究地球化学元素及其同位素在地球系统中的分布、变化和相互作用规律，探索地球内部和外部过程及其对环境的影响。
本文将介绍地球化学的基本原理和应用，并探讨其在环境科学、资源勘探以及地质学等领域的重要性。
一、地球化学的基本原理地球化学的研究基础主要建立在以下几个基本原理的基础上：1. 元素的宇宙起源：地球大部分化学元素的来源可以追溯到宇宙大爆炸的初期。
通过宇宙尘埃的云团和恒星演化过程，元素被逐渐合成并分布到宇宙各处。
2. 地球物质的成因：地球物质主要由岩石、矿物和土壤等构成。
通过研究地球各层物质的成分和性质，可以了解地球形成的历史和地球内部过程。
3. 地球化学元素的分布规律：地球化学元素分布受到地球内部地球化学循环和外部地球化学过程的影响。
研究地球物质中元素的含量和分布可以揭示地球内部地幔对地壳的物质供给和地球壳的物质循环规律。
4. 同位素的地球化学：同位素是具有相同原子序数但质量数不同的同一元素的不同种类。
通过研究同位素的分布和演化过程，可以追溯地球的演化历史、探索地球内部过程、判断化学反应过程以及解释大气和水体中的化学过程。
二、地球化学的应用领域1. 环境科学中的应用：地球化学研究对环境科学具有重要意义。
如通过研究地球化学元素在大气、水体和土壤中的分布和迁移规律，可以评估和监测环境污染，并为环境污染防治提供科学依据。
2. 资源勘探中的应用：地球化学在矿产资源勘探和开发中起着重要的作用。
通过研究地球化学元素的分布规律和同位素特征，可以指导找矿勘探活动，寻找矿床、矿体和矿化带。
3. 地质学中的应用：地球化学在地质学领域的应用广泛。
通过研究地球化学元素在岩石和矿物中的分布和特征，可以揭示地壳演化历史，研究岩石圈和火山作用，以及解释地质灾害等地质现象。
4. 生命科学中的应用：地球化学还应用于生命科学研究。
通过研究地球化学元素在生物体中的分布和转化规律，可以揭示生物地球化学循环的过程，研究生物地球化学效应，探索生物进化和生态系统过程。
地球化学的基本原理与方法
地球化学的基本原理与方法地球化学是研究地球化学元素在地球圈层中的分布、迁移和变化规律的科学。
它包括了广阔的研究领域，如地球的成因演化、地球内部物质的组成和运动、地形地貌的形成以及环境和生命的演化等。
本文将介绍地球化学的基本原理与方法，通过对样品的采集、分析和解释，揭示地球物质的特征与变化规律。
一、地球化学的基本原理地球化学的研究基于一系列基本原理。
首先，地球是一个相互关联的系统，地球化学过程是有序的、相互影响的。
其次，地球的物质由元素组成，各元素以化学形式存在，并且会在地球圈层中相互转化和迁移。
再次，地球化学元素的分配在很大程度上受到地球内部和外部过程的影响。
此外，地球系统中的不同层次和不同尺度的相互作用也对地球化学产生重要影响。
二、地球化学的研究方法1. 野外采样：地球化学研究从野外的实地采样开始，通过采集不同地貌、不同地质单位和多个层次的岩石、土壤、水和气等样品，获得地球化学元素的信息。
2. 实验室分析：通过高精度分析仪器对采集的样品进行实验室分析，如电子探针、质谱仪、原子吸收光谱仪等。
这些分析方法能准确测定样品中各元素的含量和同位素组成。
3. 数据处理和解释：通过对实验室分析得到的数据进行处理和解释，得出样品的地球化学特征。
常用的处理方法包括数据标准化、统计分析、元素比值计算等。
四、地球化学研究的应用领域地球化学在地球科学中具有广泛的应用价值。
以下是一些典型的应用领域：1. 地壳演化与成矿：通过地球化学方法，可以揭示地球内部岩石圈和陆地表层物质的成分和来源，了解地球演化的历史和成岩成矿过程。
2. 环境地球化学：通过地球化学技术，可以监测和评估环境中的污染物，如土壤、水体和大气中的有害物质。
这有助于制定合理的环保政策和资源管理方案。
3. 气候与气象地球化学：地球化学方法可以帮助研究气候变化与气象现象之间的关系，揭示气候演化的机制，并为气候预测和气象灾害分析提供数据支持。
4. 生物地球化学：通过地球化学研究，可以了解生命活动对地球环境的影响，研究生物地球化学循环，从而推进生物多样性保护和生态系统管理。
第一部分 同位素地球化学原理
δ值(δvalue) ：指某一元素样品中的两种稳定同位素的比值相对于某 种标准样品对应比值的千分差值，即 δ=
R样品 R标准 R标准
×1000 (‰)
式中的R 代表样品、标准样品的同位素比值。 同位素组成（is、同位素比值或δ值）的一种的称谓。
16 18 16 2
V
/V
46 / 44 1.022
②氧化还原反应中的动力同位素分馏 氧化还原反应过程是一个不可逆的化学过程。在这一过程中， 由于不同质量数的同位素原子或分子，参与反应的速度不同而引起 同位素分馏。反应速度的差别越大，所引起的动力分馏越明显。 一般而言，氧化反应过程中，反应速度总体较快，反应物与反 应产物之间的同位素分馏不太明显。但是，还原反应速度较慢，可 以产生明显的同位素分馏。
2.2 动力学同位素分馏
一种元素的同位素原子或分子，由于质量数不同而导致它们的物理 化学性质上的微小差异，在化学反应或蒸发作用过程中，出现反应速 度或运动速度的快慢不一，其所引起的同位素分馏，称为动力学同位 素分馏(isotope dynamic fractionation)。动力学同位素分馏伴随有化学 反应和物相转变的发生，并且是单相不可逆的过程。
（3）Slap(Standard light Antarctic Precipitation)南极原始的粒雪样品。 δD SMOW = -55.50‰,δ18O SMOW = -428.5±1‰； D/H=(89.02±0.05)×10-6, 18O/16O=1882.766×10-6。 （4） PDB(Pee Dee Belemnite)美国卡罗莱纳州白垩系Pee Dee组中拟箭 石制成的CO2，作为碳氧同位素标准。 PDB的 δ13CPDB=0‰,δ18OPDB=0‰；13C/12C=1123.72 ×10-6, 18O/16O=415.80 ×10-5。 （5） CDT(Canyon Diablo Troilite)美国亚利桑那州Comyon Diablo铁陨 石中陨硫铁相的硫同位素组成，34S/32S=0.0450045，δ34SCDT=0‰。 在不同类型的样品测定中，由于采用不同的标准样品得到不同的 δ值，如：水的δ18O值是相对于标准样品SMOW，而碳酸盐的δ18O值 是相对于PDB标准，在应用中要换算为相同标准。
最新5第五章1同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
• 电子捕获
原子自发地从K或L层电子轨道吸取一个电 子形成中子，通式为：
AZM
+
e
-
=>
A Z
-1M
,例如：
4019K + e - => 4018Ar
13857La + e - => 13856Ba
同位素地球化学基础
• 衰变
重核通过放出质点（He核），通式为：
AZM
=>
A-4 Z
同位素地球化学基础
H, O, C, S 同位素国际标准
同位素比值 缩写符号 标准样品
2D/1H
SMOW 标准平均大洋水
18O/16O
SMOW 标准平均大洋水
18O/16O 13C/12C
PDB PDB
美国南卡罗林纳州白垩系 皮狄组的美洲似箭石
34S/32S
CD
美国亚历桑那州卡扬迪阿
布洛铁陨石中的陨硫铁
• 温度：温度越高，分馏作用越小。 • 平衡程度：
同位素地球化学基础
各同位素的质量差
同位素 2D-1H 13C-12C A/A 100% 8.3%
18O-16 34S-32S O 12.5% 6.25%
同位素 87Sr-86Sr 144Nd-143Nd
A/A 1.2% 0.7%
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
• 质谱仪测定 见下图
同位素地球化学基础
思考题： • 自然界中放射性同位素组成变异的原因？ • 自然界中非放射性同位素组成变异的原
因？
5第五章1同位素地球化学 基础
同位素地球化学基础
• 地质体的年龄 • 板块构造 • 地球的年龄 • 太阳系各天体的年龄 • 物质来源 • 地球、地壳和地幔演化
地球化学的基本原理与研究方法
地球化学的基本原理与研究方法地球化学是研究地球各种元素、同位素在地球内外相互分配的科学，是研究地球层、地表、水体和大气中元素和同位素组成、分布和迁移规律的学科。
地球化学研究的主要内容包括物质来源、地球化学过程、地球化学时标以及地球化学计量等方面。
本文将介绍地球化学的基本原理与研究方法。
一、地球化学的基本原理地球化学研究以元素和同位素为研究对象，其基本原理可以概括为以下几点：1. 元素循环：地球上的元素在不同的地球系统之间进行循环。
例如，在岩石圈中，元素经历了岩浆作用、岩石风化和沉积作用等过程，不断地在地球系统中迁移和转化。
2. 同位素分馏：同位素分馏是地球化学中的重要现象。
同位素的分馏是指在地质、化学或生物过程中，不同同位素的分布比例发生变化。
通过研究同位素分馏过程，可以揭示地质、化学和生物时间尺度上的环境变化和地球演化过程。
3. 地球系统的开放性：地球系统是开放的，并与外部环境进行物质交换。
例如，大气中的的氧气可以通过生物作用与地壳中的氧发生反应形成氧化物。
这些交换过程对地球系统的物质组成和环境变化产生重要影响。
二、地球化学的研究方法地球化学研究方法是通过采集地球样品，利用实验室中的仪器设备对样品中的元素和同位素进行分析，来揭示地球化学特征和环境变化。
主要的研究方法包括：1. 野外样品采集：地球化学研究通常需要采集岩石、土壤、水体、大气等不同类型的地球样品。
采集样品的方法要求采集的样品具有代表性，以保证研究结果的可靠性。
2. 样品前处理：采集到的地球样品需要进行前处理，包括样品的破碎、磨粉、溶解等步骤。
这些前处理工作是为了获得样品中的溶液或粉末，以便进行后续的元素和同位素分析。
3. 元素分析：地球化学研究中常用的元素分析方法包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法和质谱法等。
这些方法可以对地球样品中的元素进行准确的定量和定性分析。
4. 同位素分析：同位素分析是地球化学研究中重要的手段，通过测量同位素的比例来研究地球化学过程。
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。
01 同位素地球化学基本原理B
第二节 同位素的基本概念和 质谱分析
• 一、同位素的定义和物理化学性质 • 1，概念：
• 凡是原子核内质子数相同而中子数不同 的原子互称同位素。
• 同位素在元素周期表中占据同一位置，通常 记作：
•
A
X 或AXZ Z
• 其中X代表元素符号，Z为原子序数，A为质 量数。
• 除113Cd/113In外，A为奇数的稳定同位素不存 在。
• 相邻3个同量异位素中，中间放射性同位 素发生β-衰变时，该同位素同样具有k层 电子捕获。如： • • • •
40Ar←(k)←40 50Ti←(k)←50
K*→(β-)→40Ca La→(β-)→138Ce Lu→(β-)→176Hf
二、同位素丰度
• 某一元素中各同位素间的相对含量，即各同 位素所占的原子百分数，叫同位素丰度。 • 如铁的4个同位素丰度分别是：
• 5.89％，91.8％，2.1％，0.3％
• 原子核越稳定的同位素，丰度越高； • 原子序数较小的元素，通常有1种同位素 丰度占绝对优势； • 原子序数较大的元素，通常以2-3个同位 素为主。
• 利用质谱分析法测定同位素成分和丰度 的工作一般称为同位素的质谱分析。能 进行质谱分析的仪器叫质谱计。 • 目前所用质谱计是按尼尔（Nier,1940） 设计制造的。其构成和工作原理如下：
（一）质谱计的构成
• 1，进样系统：经过前处理的样品，制成气体、 液体或固体装入进样系统； • 2，离子源：将样品电离成带正电荷或负电荷 的离子，并将离子流加速，聚集成束；
三，同位素丰度规律
• 同位素丰度与核的稳定性有直接关系。 • 同位素丰度存在4个基本规律：
1，对称定则
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• 对于宇宙中元素的这种分布格局，E.M 布尔比奇等于1957年提出恒星核合成元 素理论来解释其成因，认为恒星演化遵 循如下的流程，并在不同阶段形成不同 核子数的核。其流程如下：
太阳系形成略图
恒 星 演 化 流 程 示 意 图
星际 气体
原始星
星际 中子星 黑洞 物质
白矮星
主序星
超新星 爆炸
红巨星
• 原子核的结合能除以核子数称平均结合
能，它反映原子核的稳定程度。平均结 合能越大，核子越难拆散；反之亦然。
• 通常而言，质量居中的核子的平均结合 能较大，它较轻核和重核稳定。
3，原子核的聚变和裂变
轻核聚合成较重的核叫聚变； 高温下的轻核聚变反应称热核反应; 重核裂解成两个以上中等质量的核称裂变。 聚变和裂变是获得核能的两种途径。 如：
7，p过程：质子捕获过程，形成低丰度 的同位素 8，x过程：合成D, Li, B等元素
6，地球上的天然核转变
地球上已知的天然核转变分两类： ①, 天然放射性同位素的衰变和裂变及其 诱发的核反应 ②, 宇宙射线引起的核反应 一般认为，地球内部不存在重要核反应， 而大气圈、水圈和岩石圈中存在着多种低能 核反应。
2，原子核的结合能
理论上，原子核的质量应确切地等于质子 和中子质量之和，但是实测发现却不是这样: 质子mH=1.007825原子单位 中子mn=1.008665原子单位
上二者之和为：2.016490 原子质量单位 实测2H核质量：2.014102原子质量单位
• 这种质子和中子结合成原子核时所减少的质 量叫质量亏损(△m)。 • 呈自由状态的核子（质子和中子）相互靠近 结合成原子核时所释放的能量叫结合能(△E)。 结合能与质量亏损遵循质能方程： • △E= △mc2
自然界存在的轰击粒子中能量最大的是 宇宙射线。因而讨论地球上自然核反应 时，应留意天然中子源和宇宙射线所引 起的核反应。
5，元素的起源
人们通过多种途径研究元素的起源，但最有 效的是研究宇宙中各种元素的相对丰度，从 而合理解释宇宙中元素的分布。
太阳系中元素丰度图
• H和He是宇宙中最丰富的2种元素，它们 分别占宇宙原子总数的93﹪和7﹪ ，占宇 宙物质质量的76﹪和23﹪ 。 • 一般而言，元素的丰度随原子量的增加 而下降。
优质煤完全燃烧时所释放的能量。核弹 爆炸时，1千克铀裂变释放的能量，相当 于20000吨TNT炸药爆炸放出的能量!
铀 原 子 激 发 裂 变 示 意 图
核裂变的控制
• 发生核聚变需要在1亿度的高温下才能进 行，因此又叫热核反应。 • 核聚变有几个方面比核裂变优越： • a，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性 污染产生，没有难于处理的废料； • b，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水 中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容 易得多。
地质上有意义的宇宙成因核
赫茨普龙-罗素图
赫 茨 普 龙 罗 素 图
-
白矮星吸收红巨星物质示意图
黑 洞 示 意 图
中 子 星
哈 勃 望 远 镜 拍 摄 到 的
超 新 星 爆 炸
1987年发现的一颗超新星爆发
1，氢燃烧过程：形成He, C, N, F, Ne等元素 2，氦燃烧过程：形成12C, 16O, 20Ne , 24Mg等 3，α过程：形成4n型核类，如 24Mg， 28Si….. 40Ca, 48Ti等
• 其中的3H和14意义重大
• ② 宇宙射线与地表水圈反应： • 产生的3H 及3He是人类提取的主要来源。 • ③ 地壳中一些矿物与宇宙射线作用形成 宇宙成因核，如： • •
25Mg(d,n)26Al 28Si(p,α)26Al
• 陨石中有大量宇宙成因核，这是因为陨 石主要来自无大气屏蔽的地球之外，因 而可与高能的原始宇宙射线作用。
上式简记为： 14N(α,p)17O，称α-p反应。
利用加速带电粒子作为核弹的反应有： a, 质子：p-α，p-γ，p-d，p-n b, 氚核：d-p，d-α，d-n c, α粒子：α-p，α-d，α-n；
② 中性粒子轰击的核反应
中子不带电荷，与其它核间不存在排斥 力作用，因而是最理想的核弹。 根据能量，种子可分为快中子、慢中子 和热中子。 能量1.0Mev以上的中子称快中子。
• 1H+1H→2H+e++γ • 1H+2H→3He+γ • 3He+3He→4He+21H •
235U+1n→139Xe+95Sr+21n
→ +24.7Mev → +200Mev
• 聚变和裂变反应中均放出大量的能量。 如：铀裂变释放出200亿千卡能量。 • 原子核分裂时放出的能量非常惊人。1克 铀完全裂变时所释放的能量，相当于2吨
27Al(α,-n) 30P- 30Si 29Si
28Si(α,-n) 31S-31P 30Si
(α,-n) 32P
(α,-n) 33P
宇宙射线引起的核反应
• 宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流，是 引起地球物质发生核转变的主要因素。 • ⑴ 原始宇宙射线：地球大气层外的宇宙射 线，由70-90﹪的质子，9-29﹪的α粒子，少 量序数少于2的其它粒子
• • • • • •
16O(α,-n)19Ne-19F 18O
17O 19F
(α,-n) 20Ne (α,-n)27Si- 27Al (α,-n) 29Si
(α,-n) 21Ne (α,-n) 26Al-26Mg (α,-n)28Si
(α,-n) 22Na-22Ne
23Na 25Mg
24Mg 26Mg
② 同量异位素： 质子数不同，质量数相同 （A1=A2 ， Z1≠Z2，N1≠N2） 如40Ar与40Ca ③ 同中子异位素： 质子数不同，中子数相同 （N1=N2， Z1≠Z2，A1≠A2） 如39K与39Ar
④ 同质/同核异能素： 质子数、中子数、质量数相等，但原子 核能级不同 （Z1=Z2，N1=N2，A1=A2） 如40Ar与40Ar* 除质子、中子外，原子核内还有光子、 重子、中微子、介子等离子。
4，e过程：形成Cr, Mn, Fe, Co, Ni等铁 锋元素 上述4过程生成A﹤60的元素。更重的核 是轻核连续俘获中子生成的
5，s过程：慢中子俘获过程，核可通过 放出β-衰变 6，r过程：快中子俘获过程，与s过程的 区别在于：
s过程：吸收中子→β-衰变→吸收中子 →β-衰变→… r过程：吸收中子→吸收中子→…β-衰变 →β-衰变→…
原子核反应的形式取决于核弹（或投射粒 子）的种类、能量以及靶核（被轰击核） 的性质。主要的核弹有： ①带电粒子：质子、氚核、粒子（p, t, α); ②中性粒子：中子（n); ③高能光子： γ射线( γ ).
① 带电粒子轰击的核反应
如卢瑟福首次发现的核反应：
14N+4He→17O+1H+Q
同位素地球化学
第一章 同位素地球化学 的基本原理
第一节 原子和原子核反应
1、原子和原子核结构 电子：带负电，电荷单位为e (4.8×10-10静电单位) 原子 原子核 质子：带正电 与电子电荷相等(Z) 中子：不带电(N)
Be原子结构示意图
Li 原 子 结 构Байду номын сангаас示 意 图
C 原 子 结 构 示 意 图
• ⑵ 次级宇宙射线：宇宙射线进入大气与 大气原子核发生反应后的宇宙射线，其中 μ介子50 ﹪以上，其次为电子( e-)和光子 (γ)并有少量次生中子，氘、氚，3He等
• 宇宙射线引起的核反应主要有如下几类： • ① 宇宙射线与大气圈反应，如： • •
14N(n.t)12C 14N(n,p)14C
地壳矿物中的核反应
• 地壳矿物中常见核反应是α-n，n-r，次有 α-p, α-d 等。 • 其中α粒子主要来自铀、钍矿物的放射性衰 变。
• 地壳矿物中的α-n反应对造岩元素同位 素组成，矿物中稀有气体同位素组成及 变异等都有明显影响，造成19F，21Ne， 22Ne，26Mg，27Al，28S，29Si，30Si， 31P，32P等同位素的增多，如：
中性粒子的轰击裂变
中性粒子轰击核反应
③ 高能光子照射下的核反应
γ射线引起的核反应不同于其它核反应， 它不是由粒子间的核反应引起，而由电磁 辐射对核中粒子的作用所产生的能量是这 些反应的源泉。由于这种能量远小于核子 间的结合能，故γ射线反应的效率很低。 但若通过γ-n反应得到具一定能量的中子 则是可行的。
氢 原 子 聚 变 反 应 示 意 图
原 子 弹 爆 破 形 成 的 蘑 菇 云
中 国 第 一 颗 氢 弹 试 爆 图
法国第一颗氢弹试爆图
• • • •
铀块能发生链式反应的条件是： a, 铀块中铀的纯度高； b, 铀块体积大； c, 要有外界诱发条件。
4，原子核反应形式
原子核受外来因素诱发而导致原子核结构改 变成原子核反应。历史上第一次核反应是 1919年卢瑟福发现的。 不是由于外来因素而自发地发生核结构改变 称为核衰变。如238U、235U、232Th等放出α粒 子的衰变。
原子直径为1-5埃(10-10米)，质量为10-24-1022克，质量集中在原子核，但原子核直径 只有原子直径万分之一。 元素的电子层结构决定其化学性质，即得
失、共享电子的特征；而原子核内部结构 则是引起同位素地球化学差异的内因。
元素周期表—原子半径（pm)
根据原子核内质子和中子组合方式的不 同： ① 同位素： 质子数相同，中子数不同 （Z1=Z2，N1≠N2，A1≠A2） 如 12C与13C