稳定性同位素地球化学
稳定同位素地球化学研究进展
稳定同位素地球化学研究进展随着科学技术的进步,稳定同位素地球化学研究日益受到重视。
稳定同位素是某种元素的同位素,其原子核中的中子和质子的数量均相同,但质子数不确定。
与放射性同位素不同,稳定同位素不会衰变,因此能够在地球化学和生物地球化学等领域中广泛应用。
本文将从研究意义、研究方法、应用领域等方面进行探讨。
一、研究意义稳定同位素研究在地球科学、环境科学、生物地球化学等学科领域中有着重要的作用。
其中,稳定同位素地球化学的主要研究内容是掌握地球化学过程和环境演化的规律及机制。
例如,在构造地质学中,稳定同位素可以用于推测岩浆源区的成分和动力学过程;在古环境学中,稳定同位素可以用于重现气候变化和环境演化过程;在地球化学污染评价中,稳定同位素可以用于追踪污染物来源和迁移路径。
另外,在生物地球化学中,稳定同位素也发挥着重要的作用。
例如,在动物和植物的生物地球化学循环中,利用稳定同位素可以探究其食物链和生长状态;在微生物地球化学中,通过稳定同位素的应用,可以研究氮、硫、铁、碳等元素的循环和代谢规律。
综上,稳定同位素地球化学研究的意义在于提高对地球化学过程和环境演变规律的认识,为生态保护和资源管理提供科学依据。
二、研究方法稳定同位素研究主要依靠仪器分析技术和数据统计方法。
目前,应用最广泛的稳定同位素测量仪器为质谱仪,在气体、液体和固体样品的分析中均有广泛应用。
根据不同的研究对象和分析场合,稳定同位素分析方法有以下几种:1. 气体-稳定同位素分析法:适用于大气、水体、土壤及生物样品中的小分子有机化合物、气态元素、气体分子等的同位素分析。
2. 液体-稳定同位素分析法:适用于水体、沉积物、岩石、矿物等大分子有机化合物和元素化合物的同位素分析。
3. 固体-稳定同位素分析法:适用于岩石、矿物、古生物化石等固体样品中的元素同位素分析。
另外,数据统计方法也是稳定同位素研究的重要手段之一,例如稳定同位素分馏和稳定同位素混合模型等。
21-23稳定同位素地球化学
Hydrogen Lithium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Sulfur δ D δ 6Li δ δ δ δ δ δ
11 6
Ratio
D/H(2H/1H) li/7Li B/10B C/12C N/14N O/16O O/16O S/32S
18 18 216 1/3C16O2+ H O ƒ 1/3C O + H 3 2 3 2 O
α=1.0492
α=1.0286
反应使岩石中富集了18O、而在水中富集16O。由于大 部分岩石中氢的含量很低,因此水岩同位素交换反应 中氢同位素成分变化不大,但在含OH-的矿物中,水 岩反应结果使得矿物的δD增高。
1000ln A 10 / T B
6 2
α是分馏系数;T是绝对温度;A、B是常数,由实验 确定。从上式可知,温度越高,分馏越小;温度越低, 分馏越大。 在实际进行同位素地质温度测定时,只要测定两个共 生矿物的同位素组成,便可根据公式进行同位素平衡 温度计算。
稳定同位素地球化学
例子:含石英、白云母和磁铁矿的花岗片麻岩
H-O同位素地球化学
(3) 矿物晶格化学键 对氧同位素的选择 当火成岩和变质岩 达到氧同位素平衡时, 岩石中矿物氧同位素 有一个相应的分馏次 序,其中Si-O-Si键的 矿物中最富18O,其 次为Si-O-Al键、SiO-Mg键等。
H-O同位素地球化学
云和沉积物五个库间进行。
H-O同位素地球化学
1.H-O同位素的分馏 (1)蒸发-凝聚分馏: 水在蒸发过程中轻水分子H216O比重水分子D218O易于富 集在蒸汽相中,而凝聚作用相反,重的水分子优先凝结。 因此在气、液相之间发生H、O同位素的物理分馏。 由于水分子经过反复多次蒸发-凝聚过程使得内陆及高纬
稳定同位素技术在地球科学中的应用
稳定同位素技术在地球科学中的应用地球科学是研究地球表层及其内部构造和演化规律的学科,涵盖了地质学、地球化学、地球物理学等多个方向。
稳定同位素技术作为现代科学技术的一种重要方法和手段,广泛应用于地球科学的各个领域,为地球科学家们研究地球变化过程提供了有力的支撑。
稳定同位素是指同一元素中原子核外层电子数目相等、而原子核中中子数目不等的同一元素的不同体。
地球科学中通常使用的稳定同位素有碳同位素、氧同位素、氮同位素等。
这些同位素存在于自然界中的各种物质中,通过测量它们在物质中的含量及相对丰度的变化,可以揭示出地球环境的变化规律。
一、稳定同位素技术在地质学中的应用在地质学领域,稳定同位素技术主要应用于研究岩石和矿物的形成过程、地质变迁、地球化学循环等。
举例来说,碳同位素在化石记录中广泛应用,可以根据不同碳同位素的比例判别化石的生物来源,揭示生物演化的过程。
氧同位素则可以通过分析不同环境中的水体中的氧同位素含量,了解古气候变化、水文循环过程等。
二、稳定同位素技术在地球化学中的应用地球化学主要研究物质的起源、演化和循环,稳定同位素技术在地球化学中具有重要的作用。
例如,氧同位素技术可以通过分析大气中氧气和水分子中的氧同位素含量,研究大气氧的来源和演化过程。
此外,稳定同位素技术还可以用于研究植物光合作用和呼吸作用中碳同位素的分馏过程,揭示不同生态环境中植物的生长变化和稳定性。
三、稳定同位素技术在地球物理学中的应用地球物理学是研究地球内部物质性质和物理特性的学科,稳定同位素技术在地球物理学中也有广泛应用。
例如,同位素地球物理学是一门新兴学科,通过测量地下水中稳定同位素的含量,可以了解地下水的源和流动过程,研究地下水资源的分布和补给途径。
此外,稳定同位素技术还可以用于地震学研究,通过分析同位素含量的变化来预测地震活动的可能性。
总之,稳定同位素技术作为一项强大的工具,为地球科学家们解开地球之谜提供了有力的支持。
通过对稳定同位素的测量和分析,可以揭示地球物质的来源和演化过程,了解地理环境的变化规律,提供地球科学研究的新思路和方法。
百科知识精选同位素地球化学
分馏系数分馏系数表示同位素的分馏程度,反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。
在自然界,分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。
其表达式为:□ A-B=RA/RB式中A和B表示两种物质(物相),R代表重同位素对轻同位素的比值,如18O/16O,13C/12C等。
□ 值偏离1愈大,说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大;□=1时,物质间没有同位素分馏。
δ值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。
103ln□ 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈103ln□A-B。
因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103ln□值。
它同样表示物质间同位素分馏程度的大小,利用它可绘制同位素分馏曲线,拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。
在稳定同位素地球化学研究中,H、C、O、S等研究较深入。
它们在天然物质中分布广泛,可形成多种化合物,由于它们的同位素质量数都比较小,相对质量差别大,因而同位素分馏更明显,这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义。
地球化学研究中的稳定同位素地球化学
地球化学研究中的稳定同位素地球化学地球化学研究旨在了解我们的行星是如何以及为什么形成的,包括地壳、大气、水体和生物。
地球化学家使用各种方法和技术来研究这些过程,而稳定同位素地球化学是其中之一。
本文将介绍稳定同位素地球化学的基本概念,以及它如何应用于了解地球化学过程的早期历史和现代系统。
稳定同位素是指具有相同原子核数的元素,但具有不同的中性子数。
同位素地球化学是研究这些同位素在地球化学中的分布和交换过程的学科。
由于同位素的数目非常相似,因此它们的化学性质也非常相似。
这使得它们在地球化学和生物学中的应用非常广泛。
稳定同位素地球化学的应用广泛,仅举几例。
首先,它可以用于了解过去的气候和环境条件。
例如,钋同位素比研究表明,过去的气候变化和气候区域变化对全球生态系统和人类社会造成了深远的影响。
其次,它可以用于研究物质循环和生态系统中的动态变化。
例如,地球上的水循环和生态系统中碳、氮、硫等元素的循环和利用,可以用稳定同位素技术进行研究和监测。
此外,它还可以用于了解矿床和石油等地下资源的形成和演化过程。
除了稳定同位素外,同位素地球化学也包括放射性同位素地球化学。
与稳定同位素不同,放射性同位素衰变会导致元素发生变化,而稳定同位素只涉及元素内部中性子数量的变化。
两类同位素地球化学研究可以相互补充。
稳定同位素地球化学的应用有赖于其具有高精度、多重标记和非破坏性等特点。
例如,一些同位素的比例测量可以用极高的精度实现,达到1/1000万或更高的精度。
这在研究少量物质的分布和交换过程时非常有用。
稳定同位素还可以用于多个化学物种的标记。
其中,氢、氧、碳、氮和硫等元素的同位素标记被广泛应用于研究生态系统和地壳环境中的物质循环。
最后,稳定同位素技术是一种非破坏性的分析方法。
这使得它能够在不影响样品的情况下分析地球化学系统的动态变化。
鉴于稳定同位素地球化学的广泛应用,地球科学家使用许多技术和方法来进行稳定同位素分析。
其中一种最常用的技术是质谱仪。
同位素地球化学5
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
5.3.2 氢、氧同位素地球化学
➢ 5.3.2.1
➢5.3.2.2 ➢5.3.2.3 ➢5.3.2.4
自然界氢氧同位素的分馏 各种自然产状水的氢氧同位素组成 岩石中的氢氧同位素组成 氢氧同位素地球化学应用
3、封存水 大气降水和海水深循环后长期封存(不 流动)的产物,以高温和高矿化度为特征。 ❖ δD=-120‰~ - 25‰; ❖ δ18O=-16‰~+25‰
4、变质水
❖ δD=-140‰~ - 20‰; ❖ δ18O=-16‰~+25‰ ❖ 高温变质水与岩石达到同位素交换平衡,
因此,变质热液的同位素组成指示变质环 境、原岩性质和流体来源。
实验测试25℃时液相(l)和气相(v)间 氢氧同位素分馏系数为:
αl-v= (18O / 16O)l/ (18O / 16O)v=1.0029 αl-v= (D/H)l/ (D/H)v =1.017
➢由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚过程,
使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相(雨、 雪)中集中了最轻的水( δ18O 、δD趋向更 大负值);
5、原生水及岩浆水☆
❖ 来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水称 为原生水;
❖
δD=-85‰~ -50‰;
δ18O=5‰~+9‰
❖ 岩浆水指的是高温硅酸盐熔体所含的水及 其分异作用形成的水 :
❖
δD=-80‰~ -50‰;
δ18O=6‰~+10‰
5.3.2.3 岩石中的氢氧同位素组成
1、岩浆岩 2、沉积岩 3、变质岩
稳定同位素分馏
稳定同位素分馏稳定同位素分馏是一种常用的地球化学方法,它基于稳定同位素在自然界中的分布和变化规律,通过对样品中不同同位素的比例进行分析,可以揭示地球化学和生物地球化学过程的本质。
稳定同位素是指同一元素的不同质量的同位素,其核外电子结构相同,但核内质子和中子的数量不同。
相对于质子数不变的同位素,质子数较多的同位素具有更高的相对原子质量。
在自然界中,不同同位素的分布和比例受到多种因素的影响,如化学反应、生物过程、地质作用等,因此可以用来研究这些过程的本质。
稳定同位素分馏是指在自然界中,不同同位素在化学或生物过程中的分布和变化。
例如,氧分子中存在两种稳定同位素氧-16和氧-18,它们的相对丰度随着海洋水温度和大气压力的变化而变化。
当海水中氧-18的含量增加时,海洋生物中氧-18的相对含量也会增加,这种现象称为生物同位素分馏。
同样的,氢分子中存在两种稳定同位素氢-1和氢-2,它们的相对丰度随着水分子的蒸发和降水而变化。
当水分子蒸发时,相对丰度较高的氢-2会更容易蒸发,因此蒸发后的水中氢-2的相对含量会增加,这种现象称为物理同位素分馏。
稳定同位素分馏的应用十分广泛。
在地质学中,通过分析不同同位素的比例可以揭示岩石和矿物的成因和演化过程。
在生物地球化学中,通过分析生物体内不同同位素的比例可以了解生态系统的结构和功能。
在环境科学中,通过分析水体和大气中不同同位素的比例可以研究水循环和气候变化。
在考古学中,通过分析古代生物体内不同同位素的比例可以了解古代人类的生活方式和环境变化。
稳定同位素分馏的分析方法主要包括质谱法、光谱法和色谱法等。
其中,质谱法是最常用的方法之一。
质谱法利用质谱仪对样品中不同同位素的相对丰度进行分析,其原理是将样品分子分解成离子,然后通过磁场分离不同质量的离子,最后通过检测器进行检测。
质谱法具有精度高、灵敏度高、分析速度快等优点,因此在地球化学、生物地球化学、环境科学等领域得到了广泛应用。
总之,稳定同位素分馏是一种重要的地球化学方法,它可以揭示自然界中不同同位素的分布和变化规律,为研究地球化学和生物地球化学过程提供了有力的工具。
稳定同位素地球化学
元素 H、O
C C S
标准样 大洋水平均 美国南卡罗莱纳州,皮迪组的美洲箭石(已耗尽) 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
缩写 SMOW
PDB NBS—20
CD
STABLE ISOTOPE
• 2.质谱仪测定:
•
质谱仪是目前同位素成分测定的
主要手段(MAT—261,MAT—251)。
其工作原理是:把待测元素的原子或分
子正离子化,并引入电场和磁场中运动,
带正电的质点因质量不同而被分离测定。
• δA=
STABLE ISOTOPE
• 热力学性质 • 电能---电子层分布 • 平动能 • 转动能 • 振动能---产生同位素分馏的主要原因 • 振动频率与原子的质量成反比 • 含有较轻同位素的分子比重同位素的分子具有
STABLE ISOTOPE
② 同位素交换反应:就是参与反应的各相物质在保持化学平衡的 状态下,各物相间发生同位素再分配的现象。 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:方铅矿和闪锌矿之间达到反应平衡时, 大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2 (0H ℃2 :1 α=O 18 . 071 4O , 6 2 25 ℃:α2 =H 1.02 01 6O )6 1O 8 2
近年来,稳定同位素地球化学以同位素分馏理论为基础,将 重点从同位素平衡体系转向非平衡体系(如同位素交换动力学)。 激光探针同位素分析技术的日趋成熟,又大大促进了应用研究。 目前,稳定同位素应用正向着地球科学的各个领域渗透,研究已 涉及水圈、古海洋、气候学、冰川学、古环境、考古学、天体化
STABLE ISOTOPE
• 习惯上把微量(较小相对丰度)同位素 放在R的分子上,这样可以从样品的δ值, 直接看出它含微量同位素比标准样品是 富集了,还是贫化了。 • δ>0表示34S比标准样品是富集了; • δ<0表示34S比标准样品是贫化了。
稳定同位素在地球科学中的应用
稳定同位素在地球科学中的应用稳定同位素在地球科学中的应用稳定同位素是指具有相同原子序数但不同中子数的同一元素的同位素。
相比于放射性同位素,稳定同位素具有更长的半衰期,不会放射出有害辐射。
它们在地球科学研究中具有广泛的应用。
本文将就稳定同位素在地球科学领域中的应用进行探讨。
首先,稳定同位素可以用于地质年代学研究。
地质年代学是研究地球历史演化和地质过程的学科。
通过分析含有稳定同位素的岩石、土壤或化石样品,可以确定它们的形成时间和地质历史。
例如,稳定同位素碳-13和氮-15可以用于研究生态系统中不同生物群落的演化历史和营养链结构。
通过分析不同组织中稳定同位素的比例,可以推断生物的食物来源和环境条件的变化。
其次,稳定同位素可以用于研究水文地质学。
水文地质学是研究地下水运动和分布的学科。
稳定同位素的水分馏分异质性可以反映不同地下水水源之间的关系。
例如,稳定同位素氢-2和氧-18在地下水中的比例可以用于确定地下水的来源、补给途径和水文循环过程。
通过分析地下水中稳定同位素的组成,可以揭示地下水运动的路径和速率,指导地下水资源的管理和保护。
此外,稳定同位素也在气候变化研究中扮演重要角色。
稳定同位素氧-18在海洋和冰川中的沉积物中广泛存在,可以用于重建古气候变化。
由于氧-18的同位素分馏效应与温度和降水量有关,因此可以通过分析古代沉积物中氧-18的比例来推断古气候条件。
此外,稳定同位素碳-13和氧-18可以用于研究碳循环和海洋生态系统的变化,为预测气候变化和海洋生物多样性的响应提供重要依据。
最后,稳定同位素在地质资源勘探中也有重要应用。
矿产资源勘探需要探明矿体的成因和分布规律。
稳定同位素地球化学可以帮助确定成矿流体来源和作用过程。
稳定同位素铅-206和铅-207可以用于铅锌矿和铀矿的成矿年龄测定。
通过分析稳定同位素的比例,可以判断矿体的成因类型和矿床的形成机制,指导矿产勘探和开发。
总之,稳定同位素在地球科学中具有广泛的应用。
稳定同位素技术在地质科学中的应用
稳定同位素技术在地质科学中的应用稳定同位素技术是利用地球物质中同一元素不同同位素在化学反应中的不同反应速率来分析地质过程的一种方法。
稳定同位素技术不仅在地球科学领域得到了广泛应用,也在其他领域,如生物学、生态学、环境科学等中发挥重要作用。
本文主要探讨稳定同位素技术在地质科学中的应用。
一、同位素地球化学同位素地球化学是稳定同位素技术的一个重要应用方向。
同位素地球化学研究的是地球物质中各元素同位素的分布与空间变化,通过同位素分析,可以从微观角度深入探讨地球物质的形成与演化机制。
如氧同位素就是一个较为常用的地质同位素,它主要用于研究大气、水体、沉积物等地质过程。
氧同位素在大气科学方面可以用于研究靠近海洋和陆地区域的降水同位素分布,以此揭示气象要素和局地气象变化。
在地质时标等领域,氧同位素也常常被人们用来研究不同地质时期的气候变化。
二、岩石地球化学稳定同位素技术在岩石地球化学领域也有着广泛的应用。
岩石和矿物中同位素含量的变化可以揭示岩石和矿物的形成和演化过程。
例如,石英和方解石中的氧同位素组成可以用于时间尺度的研究,而锶同位素组成与岩浆成因联系更为密切。
稳定同位素技术在岩石地球化学研究中的应用还包括研究成矿作用、火山喷发等地质现象。
三、环境地球化学稳定同位素技术在环境地球化学中的应用也越来越受到重视。
环境地球化学是研究环境中各种元素及其同位素分布、迁移和转化的科学,通过分析环境中元素和同位素的分布特征,可以认识到环境本质和特征,进而为环境治理和保护提供科学依据。
如氮、碳等同位素可以用于研究环境污染的来源和演变,硫同位素可用于研究酸雨的生成过程,而稳定铅同位素则可以用于重金属污染历史的追溯。
四、同位素地质年代学同位素地质年代学是通过同位素变化研究地质时间尺度的方法。
通过对地球物质中不同元素对时间的记录,可以研究地层的时代顺序以及地层岩石的物质来源和演化过程。
如铀-钍同位素法可用于绝对年龄并研究地壳物质循环过程,钾-氩同位素法可以用于研究火山岩的年龄,而锆石U-Pb同位素法是目前最常用的地质年代学方法之一。
稳定同位素在地球化学和环境科学中的应用
稳定同位素在地球化学和环境科学中的应用稳定同位素(Stable Isotope)指的是自然界中相对稳定的同位素,它们的核子数和质量数相同,但质子和中子的数量略有不同。
在地球化学、环境科学、生物学等领域中,我们可以通过研究这些稳定同位素的分布、比率变化等,来了解物质的来源、转化过程、并且推断出环境或生态系统的变化情况。
【稳定同位素的分类】目前为止,已经发现超过200种稳定同位素,我们可以根据它们的质子数和中子数来进行分类。
1. 氢同位素:质子数为1,核子数从1到3不等,如氢-1、氢-2、氢-3。
2. 碳同位素:质子数为6,核子数从11到16不等,如碳-11、碳-12、碳-13、碳-14、碳-15、碳-16。
3. 氮同位素:质子数为7,核子数从11到16不等,如氮-11、氮-12、氮-13、氮-14、氮-15、氮-16。
4. 氧同位素:质子数为8,核子数从13到18不等,如氧-13、氧-14、氧-15、氧-16、氧-17、氧-18。
5. 硫同位素:质子数为16,核子数从27到34不等,如硫-27、硫-28、硫-29、硫-30、硫-31、硫-32、硫-33、硫-34。
【稳定同位素的应用】1. 地球化学研究在地球科学领域中,稳定同位素被广泛应用于研究各种物质(如矿物、岩石、水和气体)的成因和演化过程。
以氢、氧同位素为例,地球上几乎所有的水都会带有不同的氢、氧同位素,而在不同地区,不同水体所带的同位素比例也会有所不同,通过研究这些同位素的比例,我们可以了解水的来源、循环方式、化学反应等信息。
此外,稳定同位素还可以用来研究某些物质(如钙、铁、镁等)的生物地球化学循环过程。
2. 环境科学研究稳定同位素不仅在地球科学领域中有广泛应用,也广泛运用于环境科学领域。
例如,稳定同位素可以用来追踪污染物的来源和传递途径。
以氮同位素为例,当污染物进入生态系统中时,会改变当地氮的同位素比例,而这种比例变化可以帮助我们分析有害物质的来源、移到何处,以及对环境和生态系统产生的影响。
矿物稳定同位素地球化学研究_郑永飞
1 平衡分馏系数
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 。 在热力学平衡条件下 ,
收稿日期:1999 11 19 作者简介:郑永飞(1959 — ), 男 , 教授 , 博士 , 长期从事同位素地球化学研究 。 基金项目:国家自然科学基金资金项目(49453003);中国科学院资助项目
第 7 卷第 2 期 2000 年 4 月
地学前缘(中国地质大学 , 北京) Eart h S cience Front iers (C hi na U ni versit y of Geosciences , Beijing)
Vol .7 No .2 Apr .2000
矿物稳定同位素地球化学研究
郑永飞 , 徐宝龙 , 周根陶
例如 , 在对岛状硅酸盐矿物的处理过程中 , 所有岛状硅酸盐矿物都采用相同的频谱位移 , 而 且这一位移是以水溶液中高对称状态的离子内部力场为基础计算的 , 这就隐含一个假设前 提 , 即岛状硅酸盐中离子的内部力场与水溶液中高对称的[ SiO4] 4 -离子内部力场完全一致 , 而这一假设明显忽略了矿物中阳离子的作用和离子在矿物中的对称状态 。
— 299 —
同 位 素地 球 化 学
地 学 前 缘
2000 , 7(2)
分馏系数 α与两种物质之间的同位素交换反应平衡常数 K 有关 。 例如 , 石英与水之间的氧
同位素交换反应可以表示为
1/ 2Si16O 2 +H218O
1/
2S
i18O2
+H
1 2
6O
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。
地球化学中的稳定同位素应用
地球化学中的稳定同位素应用地球化学是研究地球上元素和化学反应的学科,涉及岩石、土壤、水、大气等自然界各种物质的化学成分、组成、性质与变化规律。
稳定同位素在地球化学研究中扮演着重要角色,它们不仅能够提供元素的地质定年、热液作用发生的时代、化学反应的动力学等信息,还能够揭示地球历史上生命演化和古环境变迁等方面的问题。
本文将介绍稳定同位素在地球化学中的具体应用。
稳定同位素的定义同位素是指原子中,原子序数不变,质子数以及中子数不同的原子核。
稳定同位素是指具有稳定原子核的同位素,相对计量比例不会发生改变。
应用一:地质定年同位素的存在量可以通过质谱技术进行测量,而不同同位素的存在量比例可以用同位素分馏系数来表示。
同位素分馏系数是同一物质内不同同位素相对存在量的比值,其大小和温度、压力、化学组成等因素有关。
在大自然中,同位素分馏现象通常受到物质来源、形成温度、化学性质等因素的影响。
地球中的大部分物质都具有同位素分馏现象,如果岩石的形成温度和时间比较确定,测量该岩石中不同同位素的存在量,就能够精确计算出相对的地质年龄。
稳定同位素在地质定年中的应用主要有两种方法:一个是通过同位素比值来推断其岩石年龄,如氧同位素比值用于确定化学沉淀物(如石灰岩等)或骨骼的年龄,碳、氮同位素比值用于确定有机物的年龄;另一个是通过稳定同位素示踪,揭示它们在成岩过程中受到的环境变化,如碳、氮同位素可以揭示有机物在生长过程中受到的水、氮营养条件等的变化。
应用二:地球化学过程地球化学过程通常由岩石圈、水圈和大气圈三个系统相互作用而形成,其中既有生物化学反应、水文地球化学过程,也有构造作用引起的高温热液作用等。
稳定同位素在探测这些地球化学过程中发挥着重要作用。
例如,在水文地球化学中,同位素分馏所表现的是水的挥发作用。
水分有18O和16O两种同位素,18O水比16O水更容易蒸发,因此,水体中,18O与16O的比例大小能够表现水的源头、地下水系统及人为污染影响等信息。
第七章 稳定同位素地球化学
第七章稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其变化。
同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用,即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生变化,造成一部分物质富集轻同位素,另一部分富集重同位素。
同位素及其化合物在物理或化学性质上的差异叫做同位素效应。
同位素效应的产生从根本上讲是由于同位素在质量上的差异引起的,同位素质量差越大,所引起的物理化学性质上的差异也就越大。
因此,对质量较轻的元素,其同位素的相对质量差异较大。
如H与D 质量差100%,O16和18O质量差12.5%,而204Pb和206Pb质量差仅1%,在目前技术条件下,能测量到的由于同位素效应所造成的自然界同位素丰度变异仅限于质量数小于40的元素内。
这就是稳定同位素地球化学目前所涉及的同位素仅限于元素氢(H/D)、碳(14C/13C)、氧(18O/16O)、和硫(34S/32S)以及硼(11B/10B)、氮(15N/14N)的原因所在。
7.1 同位素分馏和组成的表示7.1.1同位素分馏由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配称为同位素分馏。
这里需引入二个概念。
同位素比值:定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比,如在陨石中硫同位素比值为:R=34S/32S=1/22.22当我们谈论同位素比值时,总是指重同位素和轻同位素之比。
同位素分馏系数:定义为在平衡条件下,经过同位素分馏之后二种物质(或馏份)中某元素的相应同位素比值之商。
设某二种物质为A,B,某元素的同位素比值为R A,R B,则同位素分馏系数为:所以当我们讨论同位素分馏系数时,必须指明是那种物质对那种物质。
一般α值为接近1的一个数字,离1愈远,同位素分馏就愈大,α=1表示物质间无同位素分馏。
R值可通过具体对象的测定而获得,某种物理化学环境下的α值则可通过实验过程确定。
把R和α两者联系起来,可用来探讨地质过程的物理化学状况。
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授课教师:李净红 武汉工程科技学院
第六章 稳定性同位素地球化学 1 稳定性同位素的基本理论 2 H-O稳定同位素 3 C稳定同位素 4 S稳定同位素
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 稳定同位素概念
不 具 有 放 射 性 的 同 位 素 称 为 稳 定 同 位 素 ( Stable Isotope)。
z 同位素效应
由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差,从 而引起该分子在物理和化学性质上的差异,称为同位 素效应(isotope effect)。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏
同位素分馏(isotope fractionation)是指在一系统 中,某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或 物相中的现象。
这两个标准的氢、氧同位素组成分别为: δDVSMOW=0‰,δ18OVSMOW=0‰ δDslap=-428‰,δ18OSLAP=-55.50‰
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素
氧同位素标准SMOW居于全球氧同位素变异范围的 中间,
SMOW作为氢同位素标准时则位于“重”的一端,大 部分岩石、矿物和天然水的δD< 0 ‰。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 分馏值Δ与分馏系数的转换
根据分馏系数的定义,则有:
α A−B = RA / RB
α A−B
=
1+δA 1+δB
/1000 /1000
=
1000 + δ A 1000 + δ B
Δ A−B =(RA / RB −1)×1000 =(α A−B −1)×1000
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
C-O同位素
PDB(Pee Dee Belemnite):美国南卡罗来纳州白垩 系PeeDee组拟箭石
绝对同位素比值13C/12C=11237.2 × 10-6、 18O/16O=2067.1× 10-6
根据定义,其δ13C=0,相对SMOW,其 δ18O=30.86‰。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
C-O同位素
在研究碳酸盐样品的氧同位素组成时,还习惯采用 同时作为碳同位素标准的PDB标准(Pee Dee Belemnite)。
δ18OSMOW= 1.03091 δ18OPDB + 30.91 δ18OPDB= 0 .97002 δ18OSMOW - 29.98
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 分馏值Δ与分馏系数的转换
由于1000ln(1.00n)≌n 因此,近似的δ值,α值和Δ值关系可用下式表示:
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素 国际原子能委员会(IAEA)研制和分发了两个用 作同位素标准的水样:
V-SMOW(Vienna-SMOW),它是用海水经蒸馏 后加入其他水配制的,
SLAP(Standard Light Antarctic Precipitation), 它是由南极融冰水配制的。
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,称为放射成因同位素。
另一部分是天然的稳定同位素,是核合成以来就保持 稳 定 。 如 氢 同 位 素 ( 1H 和 2H ) 、 氧 同 位 素 ( 16O 和 18O)、碳同位素(12C和13C)等。
自然界中共有1700余种同位素,其中稳定同位素有 260余种。
分馏是由于同位素在物理及化学性质上的轻微差异产 生的,因此分馏的大小与同位素质量差成正比。
例如,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。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏系数α
两种物质间同位素分馏的程度用同位素分馏系数α表 示。常以两种物质中的同位素比值之商来表示:
α值通常十分接近1,一般用1.00n(n为自然数)表 示。α值愈偏离1,则说明两种物质之间同位素分馏 的程度愈大
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏系数α
CaCO3和H2O之间O同位素交换反应可写成:
则CaCO3和H2O之间的分馏系数α可表示为:
在25oC时,α( CaCO3- H2O) = 1.031
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
S同位素 CDT (Canyon Diablo Troilite)美国亚利桑那州 Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁 δ34S = 0 绝对同位素比值34S/32S=0.0450045
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
δ = R样品 - R标准 ×1000
R标准
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。
一、稳定同位素的基本理论
z 同位素组成表示
例如δ18O:
基本概念与分类
δ 18O
(18O =
/16 O)样品 (- 18O /16 (18O /16 O)标准
O)标准
×1000
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏值Δ
某一同位素在A,B两种不同的化合物中同位素的组 成δ值之差,可用同位素分馏值Δ来表示:
Δ A−B = δ A − δ B
对含有同一元素的多种不同化合物,分馏值Δ具有加 和性,例如A,B,C三种化合物
Δ A−C = δ A−B − δ B−C
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素 SMOW (Standard mean ocean water): 标准平均海水: δD=0, δ18O=0
绝对同位素比值: 18O/16O=2005.20 × 10-6 17O/16O=373 × 10-6
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素丰度
同位素丰度(isotope abundance)是指某一元素中各 同位素所占的原子百分比。
ห้องสมุดไป่ตู้
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素组成表示
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用δ 值来表示: