第五章稳定同位素沉积地球化学

第五章、稳定同位素沉积地球化学 2）同位素地球化学示踪 How do we know where the rocks came from?
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在沉积学中常用的稳定同为素为H、C、O和S。标准如下：
元素 氢 碳 同位素 H1 H2, D C12 C13 相对丰度(%) 99.984 0.016 98.89 1.111 芝加哥的PDB标准 （白垩纪皮狄组箭 石） 常用标准 标准平均海水SMOW)
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一、同位素定义的定义及研究意义

原子由原子核和核外电子构成。原子核决定原子的性质。原子核由质 子和中子组成，所以一个原子核可以用下列数字特征表示：A=Z+N， 式中Z为质子数，亦即原子序数，N为中子数，A为总核子数。

质子数相同而中子数不同的原于称为同位素(istop)，因为核外电子 数由原子核中的质子数决定，所以可以近似地说，相同元素同位素的 化学性质相同。中子数相同但质子数不同的原子称为等中子素 (Isotone)。总核子数相同的原子称为同量异位素，或同质异位素 (Isobar)。
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三 水圈的同位素组成

沉积岩形成的全过程都有不同类型的水的作用，因此了解水的同位素 组成及变化特点是十分重要的。水的类型很多，不同类型的水同位素作成 不同。对沉积岩影响最大的是海水、大气降水及空隙水、层间水和地下水。
(2)β -—衰变：自然界 中大多数为β -衰变，即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 射出反中微子 g ，通式为： 衰变结果：核内减少1个中子，增加1个质子，新核的质量数不变， 核电荷数加1，变成周期表上右侧相邻的新元素。例如：
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1902年Rutheford通过实验发现放射性同位素衰变不同于一般的化学 方应，具有以下性质： （1）放射性同位素在原子核内部发生衰变，其结果是从一个核素转 变为另一个核素； （2）衰变是自发的、永久不息的一种恒制反应，而且衰变是按一定 比例的； （3）衰变反应不受任何温度、压力、元素的存在形式及其物理化学 条件的影响；



如反应： C16O2（气）+2H218O（液）→ C18O2（气）+ 2H216O （液）
0℃时α=1.064； 23℃时α=1.059；327℃时α=1.014； 可见 随着温度升高，α逐渐趋近1。

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3、放射性同位素在地学领域的两方面应用

1）同位素年代学
Radiometric dating -A time machine to the past

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3 同 位 素 的 分 布
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碳 同 位 素 的 分 布
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氧 同 位 素 的 分 布
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硫 同 位 素 的 分 布
第五章
大气圈是各种气体的混合物，它的化学成分简单，氧、氮、氩是主要成分， 此外还有CO2、H2、N2O、SO2、H2S等， 1 大气氧同位素组成恒定为+23.5‰ ，CO2是空气中最重要的氧化物， 其O18 为41‰ 。 2 大气中的氢是以水蒸气和氢气的形式出现，D为-200——+25‰ ， 与雨水相似。 3 大气中的硫同位素变化大，主要是硫同位素的来源不同造成的，变 化范围5——20‰ 。 4 大气中的CO2的碳同位素在不同地区有所不同，在太平洋赤道水面 上的空气中为-6.7——-7.3‰ ，平均为-7.1‰ 。昼夜变化为-0.1——+0.1‰ ， 山区为-7.2‰ ，空气中甲烷的碳同位素为-40‰ ，CO的平均值为-27.4左右。
同位素表示法为该元素符号的左上角标以核子数，例如18O。氧元 素的原子序数为8，所以由元素符号本身可知，此同位素原于中含8个 质子，核子数为18，因此中子数为10。

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同位素在解决地学领域问题时的独到之处：
(1)计时作用 每个放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们都在 时时刻刻、不受干扰地走动着，因此可以用来测定各种地质体的年龄，尤 其是对隐生宙前寒武纪地层及其他复杂地质体。 (2)示踪作用 同位素成分的变化受到环境及其本身性质的影响，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，并示踪物质 来源。
氧
O16
O17 O18
99.763
0.0375 0.1905
标准平均海水 (SMOW) 芝加哥的PDB标准 （白垩纪皮狄组箭 石) 布洛峡铁陨石中的 陨硫铁(CDT)
硫
S32
S33 S34 S36
95.02
0.75 4.21 0.02
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表示方法


稳定同位素比值
一般测定的比值有D/H、O18/O16、C13/C12、S34/S32 值——系指样品中稳定同位素比值相对于某一标准的对 应比值的千分偏差。 （%）=（R样-R标/R标）x1000 R 代表同位素比值. 该值反映了同位素比值的变化方向和速度，正值样品较 标准富含重同位素，负值表示样品叫标准富轻同位素。 对于氧同位素两种标准的换算公式为： SMOW=1.03037XPDB+30.37



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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。 例如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应。
(0℃：分馏系数α=1.074, 25℃：α=1.006) 大量实测资料表明：价态和相态差别大的化学反应，同位素交换反应更明显。 ③ 生物化学反应：动植物及微生物在生存过程中经常与周围介质进行物质交换 ，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。 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 （从热力学角度上来讲H218O的内能、热容、熵与H216O是不同的），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。 例如：C+16O2→C16O2 C+16O18O→C16O18O 平衡常数K1 平衡常数K2 经实验测定K1/K2=1.17。

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稳定同位素又可分为轻稳定同位素和重稳定同位素
轻稳定同位素特点： ①原子量小，同一元素的同位素之间的相对质量差异较大 （ΔA/A≥5%） 例如：[A(D)-A(H)]/ A(H)=100% ②轻稳定同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用，这种分馏反 应是可逆的。 重稳定同位素特点： ①原子量大，同一元素的同位素之间的相对质量差异较小 （ΔA/A=0.7%～1.2 %），环境的物理化学条件的变化，通常不会引 起重稳定同位素成分的改变。 ②重稳定同位素成分的变化是由放射性衰变造成的，这种变化在地 球历史的演变中是单方向的，不可逆的，如87Rb→87Sr。因此，地球 化学体系中的重稳定同位素组成的变化，常常用来研究地球化学体系 的演化，是一种极为重要的地球化学参数和示踪剂。

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2.同位素分馏效应
（1）同位素分馏效应：在地质作用过程中，由于质量差异引起轻稳 定同位素(Z＜20)相对丰度发生改变的过程。 2）引起分馏效应的原因：物理分馏、同位素交换反应、生物化学反 应、动力分馏。 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。 例如：蒸发作用强烈的死海（约旦、巴勒斯坦国之间）咸水中H218O 含量最高。单向多次反复的物理过程，同位素分馏效应最明显。




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（3）分馏系数α：表示同位素分馏作用的大小 。 α=某元素同 位素在A物质中的比值/某元素同位素在B物质中的比值 其中A、 B可以是相同的化合物，亦可是不同化合物 例如： 气态氰氢酸与液态氰氢酸根共存一段时间后，两者的13C/12C比值 都发生了变化，其分馏系数为： （α偏离1愈大，分馏作用愈强；α接近1，表示 分馏作用愈弱） 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越小，分馏效应愈不显著。

（3）电子捕获：是母核自发地从核外电子壳层捕获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（是β-衰变逆向变化），通式为： 这样，其衰变产物子核质量数不变，质子数（核电荷数）减 1，变成周期表上左侧相邻的新元素。例如：

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（4）重核裂变：重放射性同位素自发地分裂为2—3片原 子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散， 如238U，235U，232Th都可以发生这种裂变。 在自然 界中，有些同位素只需通过一次某种固定形式的衰变，即 可变成某种稳定同位素： 但是，有些放射性同位素需经过一系列不同形式的衰 变才能变成稳定同位素：

凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者为放射性同位素。其中有 的是长寿命的，例如87Rb，它能自发衰变，形成稳定的87Sr。又如238U、235U、 232Th、等均为此类。有些放射性同位素，须经过连续的衰变过程才成为最终 的稳定同位素，例如238U放出8个∝粒子衰变为206Pb，构成一个由母体放射性 同位素、许多中间放射性同位素和最终的放射成稳定同位素组成的放射系。