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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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：