同位素地球化学读书报告

同位素地球化学读书报告

————015112周磊磊

【前言】同位素地球化学是地球化学的一门分支科学，研究天然物质中同位素的丰度、变异及其演化规律的学科。同位素地球化学不仅研究地球及其圈层和地质作用过程中的同位素变化规律，而且研究范围已扩展到太阳系的其他星体并渗透到其他学科领域。同位素地球化学，又称核素地球化学、核地球化学、同位素地质学。自然界元素的同位素按其原子核的稳定性可以分为稳定同位素和放射同位素两大类。下面按分类各引用一篇文献来说明介绍。

【稳定同位素及应用】

介绍;一般认为凡原子能稳定存在长时间不衰变为其他元素的和素就称为稳定同位素。应用举例;稳定同位素在特定污染源中具有特定的组成,且具有分析结果精确稳定、在迁移与反应过程中组成稳定的特点,已被广泛应用于环境污染事件的仲裁、环境污染物的来源分析研究。下面介绍稳定同位素分析方法、稳定同位素分馏的研究现状及其在环境科学研究中的最新应用进展。

①稳定同位素的分析技术

稳定同位素的常规分析方法主要有: 质谱法、核磁共振谱法、气相色谱法、中子活化分析法、光谱法等。

②稳定同位素的分馏

由于同位素分子之间存在着物理与化学性质的差异,在各种地质、化学、生物过程中常常引起元素的同位素丰度涨落,造成同位素在不同化合物或在不同物相间分布不均匀的现象。通常把这种同位素在不同物质或在不同物相间分布不均匀的现象称为同位素分馏。

③稳定同位素技术在环境科学应用研究中的进展

由于稳定同位素在特定污染源中具有特定的组成,且具有分析结果精确稳定、在迁移与反应过程中组成稳定的特点,故已被广泛应用于环境污染事件的仲裁、环境污染物的来源分析中。此外,由于稳定同位素没有放射性,不会造成二次污染,人们已把环境监测用的指示剂从放射性标记物转向稳定同位素标记物。稳定同位素也在污染物质迁移转化与降解无害化过程中作为示踪剂而广泛应。

【放射性同位素及应用】

介绍：自然界中不稳定核素自发地不断放射出质点和能量，从而转变为稳定的核素，这种过程称为和衰变或蜕变。和衰变是放射性核素的一种特性，不受任何天然物理化学条件的

影响。放射性同位素在地球化学中的应用主要是用来测年，下面主要介绍利用放射性同位素测年的应用。

①同位素地质年龄测定的基本原理

同位素地质年龄测定依据元素放射性衰变的原理。放射性是指原子核自发地放射各种射线( 粒子)的现象。在磁场中研究放射性的性质时, 发现射线是由A、B、C等3 种射线组成的。A射线是高速运动的粒子流, 粒子由2 个质子和2 个中子组成, 实际上就是He 原子核。

B 射线是高速运动的电子流。C射线是波长很短的电磁波。

②放射性同位素方法测定地质年龄的前提

可用于岩石、矿物年龄测定的主要同位素体系有K-Ar ( Ar-Ar ) 、Rb-Sr、U-Th- Pb、Sm-Nd 和Re-Os 等体系。由于各同位素体系的放射性同位素具有不同的衰变速率( 或半衰期不同) 和不同的地球化学特征, 这使得每个同位素体系定年都具有独特优点和适用范围

③几种常见的测年方法

1)、U- Pb 法:完美的锆石微区U- Pb 年龄测定技术的引进对我国的地质科学研究起到

了巨大的推动作用, 并且其应用领域仍在进一步扩展中。

2）、Ar-Ar 法已经成为同位素地质年代学研究最主要的方法之一。

3）、Rb- Sr 法。是一个应用很广泛的方法, 利用等时线技术可以测定侵入岩、火山岩、

变质岩和某些沉积岩的同位素地质年龄。

4）、Sm-Nd 法。对于基性岩、超基性岩, 对太古宙古老岩石, Sm-Nd 等时线法是较好

的测年方法。

5）、Re-Os 法。是目前能够直接测定金属矿床矿化年龄的唯一。

【同位素地球化学在矿物中的研究】

通过测定矿物中元素H ,C ,O 和S 的同位素比值,认识矿物体系中的同位素效应,不仅能够确定矿物之间和矿物与流体之间的同位素平衡关系,而且能够了解影响矿物平衡和动力学同位素性质的因素。文中评述了稳定同位素分馏系数校准的理论计算、实验测定和经验估计方法,讨论温度、压力、化学成分和晶体结构等对矿物同位素性质的影响。由于同位素效应取决于矿物的物理和化学性质,因此应用稳定同位素来作为示踪剂不仅能够追索各种矿物学反应的路径,而且能够提供证据来阐明矿物晶体结构的某些细节。

①同位素平衡分馏

两种物质a 与b 之间的同位素分馏系数αa b定义为αa b = R a/ R b式中R 是N (18O) / N (16O) 或N (13C) / N (12C) 等同位素比值。

②影响矿物同位素性质的因素

1）、温度

温度对矿物振动能(或其配分函数) 的影响程度是决定该矿物同位素特征的首要因素2）、压力

压力效应是指同位素替代引起的摩尔体积变化。。根据平衡热力学定义,简约配分函数。3）、化学成分

一种矿物的同位素性质最主要地取决于该矿物内部化学键的性质。

4）、晶体结构

矿物的晶体结构能在一定程度上影响其同位素性质,取决于不同的结构基团内原子之

间相互作用的差异。与前节所讨论的化学键效应相比,结构效应的重要性是次要的,但在有

些情况下会令人惊奇地大。

5）、盐效应

水分子受其周围阳离子的影响,其振动频率不同于纯水分子,从而导致同位素性质上的差别,这种现象称之为盐效应。

③矿物学反应机制

稳定同位素是阐明自然界和实验室中出现的矿物学反应途径的极好示踪剂。就此而言,

氧同位素研究是最有用的,因为该元素在常见造岩矿物和流体中是无处不在的。根据一些实

验研究，当矿物与含水流体之间发生氧同位素交换时,涉及到溶解—再沉淀的过程。的确,全部金属氧键都被破坏并重新形成以影响这个交换,同时发生重结晶。这种效应已在对水溶液

流体存在下发生的矿物学反应的研究中揭示出来。

参考文献：

1、陈文, 万渝生, 李华芹, 等. 同位素地质年龄测定技术及应用[J]. 地质学报, 2011, 85(11): 1917-1947.

2、徐平, 吴福元, 谢烈文, 等. U-Pb 同位素定年标准锆石的 Hf 同位素[J]. 科学通报, 2004, 49(14): 1403-1410.

3、吴开兴, 胡瑞忠, 毕献武, 等. 矿石铅同位素示踪成矿物质来源综述[J]. 地质地球化学, 2002, 30(3): 73-81.

4、郑永飞, 徐宝龙. 矿物稳定同位素地球化学研究[J]. 地学前缘, 2000, 7(2): 299-320.

5、白志鹏, 张利文, 朱坦, 等. 稳定同位素在环境科学研究中的应用进展[J]. 同位素, 2007, 20(1): 57-64.