3-同位素地球化学和分馏效应(氢氧同位素)
氢氧同位素分馏机理及其在地学中的应用
氢氧同位素分馏机理及其在地学中的应用
氢氧同位素，即水分子中的一部分原子核，因为其由氢原子和氧原子组成，通
常被称为氢氧。
氢氧同位素具有由氢原子和氧原子组成的两种稳定同位素，分别为氘（D）和氚（T）。
T和D的物理性质和化学性质几乎完全一致，但是它们具有偏
振性，氢氧同位素基本上具有可从水中分离的特性。
氢氧同位素分馏是通过将氢氧同位素与沉淀或离子固形物中的氢氧同位素不同
之处，使其于趋势和反应强度的不同，实现氢氧同位素的分馏。
氢氧同位素分馏受气体净化设备（如填料，柱式储存系统或反渗透模块）影响，该设备可以释放油气，并将氢氧同位素从气体中分离出来。
这种分离技术可以使氢氧同位素从接近自然的状态中进行选择性的提取。
在地学研究中，水的氢氧同位素分馏是研究流域源，特别是流域和质量循环过
程中重要作用的重要研究手段。
氢氧同位素被广泛用于地学研究，从流域水循环研究中推断水源，估算污染物迁移的距离以及研究特定区域的潮汐循环等。
氢氧同位素的分馏还可以为古气候研究提供参考，所以它还被广泛用于古气候研究。
因此，氢氧同位素的分馏在地学研究中发挥着重要的作用，有助于我们更好地
了解地壳结构、古气候变化以及物质迁移路径。
未来，氢氧同位素分馏将继续被广泛应用于地学研究领域，为地学研究和教育提供重要技术支持。
考点预测--同位素地球化学
《同位素地球化学》考点预测一名词解释1-同位素地球化学是研究自然体系（地球和宇宙体）中同位素的形成、丰度以及在自然作用过程中分馏和衰变规律的科学。
它是地球化学的一个重要分支学科。
2-同位素是指具有相同质子数和不同中子数的一组核素，它们在元素周期表中占据同一个位置。
3-核素是由一定数量的质子和中子构成的原子核，具有质量、电荷、能量、放射性和丰度五种主要性质。
4-放射性衰变不稳定核素自发地发射出粒子和能量而转变为另一种核素的过程。
5--同位素稀释法在已知量的“稀释剂”和未知量的元素样品的混合物中确定样品中某元素的同位素含量的方法。
6--同位素分馏由于同位素质量不同，在各种地球化学过程中会引起同位素在不同化合物和物相中的丰度变异，该现象称~ 7--分馏系数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，亦可以是不同化合物）二填空题1--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，为地球科学从定性观察到定量的发展作出了重要贡献。
2--同位素地球化学研究领域（分支科学）：放射性、稳定、天体同位素地球化学。
3--引起同位素成分变化的主要过程放射性同位素衰变、同位素分馏。
4--同位素地球化学研究思路和方法（思维方式）：理解基本原理、熟悉研究步骤、了解仪器设备、实现主动思维。
5--放射性衰变的结果是原子核的质子数和/或中子数发生变化，从某一元素的同位素转变为另一元素的同位素，直至最终转变成为稳定的同位素。
6--同位素地质年代学定年的基本公式：D=D0+N(eλt－1) ；为满足高精度的同位素质谱分析的要求，以同一子体元素的稳定同位素作为参照（记为Ds），可得：D/Ds=D0/Ds+N(eλt－1)/Ds 。
同位素分析是将样品元素的各同位素丰度以比值形式进行测量。
第五章4同位素地球化学基础
• • • • • • • 八、稳定同位素地球化学 （一）氢氧同位素地球化学 1.氢和氧的基本性质 (A/A)D/H = 100% (A/A)O18/16 = 100% H,99.985; D,0.015% 16O,99.756%; 17O,0.039%; 18O,0.205%
同位素地球化学基础
（2）岩浆岩 （3）沉积岩：最高的18O和变化范围 （4）变质岩：
同位素地球化学基础
4.研究意义 （1）矿物和矿床的成因 根据矿物及其中的流体包裹体研究
同位素地球化学基础
（2）花岗岩成因 • S型花岗岩：18O %o = 10-12.5 • (Sediment type) • I型花岗岩：18O %o = 7.5-9.5 • (Igneous type) （3）古环境（纬度）的确定
同位素地球化学基础
• • • • • • 2.自然界中氢和氧的分馏作用 （1）蒸发-凝聚分馏 H216Ol + H218OV <=> H218Ol + H216OV 25oC下 a(18O) = (18O/16O) l / (18O/16O)V =1.0029
同位素地球化学基础
• H216Ol + D216OV <=> D216Ol + H216OV • a( D) = (D/H)l /(D/H)V = 1.071 • D 与 18O之间有如下关系： • D = 8 18O + 10
同位素地球化学基础
4.研究意义 （1）矿床物质来源（沉积岩，岩浆岩？） （2）硫同位素地碳同位素地球化学 • 自然界中的碳同位素 • 12C = 98.89% • 13C = 1.11% 1. 碳同位素的分馏反应：
同位素地球化学和分馏效应(氢氧同位素)
2 稳定同位素的标准值、实测值和成矿过程的
同位素效应
（1）氢-氧同位素 1)标准值(SMOW) The the Hydrogen isotope on Natural abundance: 2D: 1H=0.0156:99.9844; δDi(Pre mil)=[( D/H)i- (D/H )Standard]/ (D/H)Standard]×1000 Standard: Standard Mean ocean Water(SMOW) (D/H)SMOW=1.050(D/H)NBS-1 NBS-1:National Bureau of Sandards(USA)
一、稳定同位素
1. 轻元素的稳定同位素表示方法和分馏
（1）表示方法 目前，以发现稳定同位素数目大约300多种，而
目前应用在 矿床研究领域的稳定同位素主要有S、 H-O、C-O、N、Si、Li、B等。通常用轻稳定同位素 的组成来表示（δ），这是因为： ①原子量小，同位素组成变化大； ②同一元素的轻同位素与重同位素的质量差大，如⊿21H/1H=100%、⊿13-12C/12C=8.3%、⊿18-16O/16O=12.5%、 ⊿34-32S/32S=6.3%； ③它们形成的化学键以强共价键为特征； ④碳、硫、氮具有可变的电价； ⑤同一元素的轻同位素比重同位素具有更高的丰度。
Gregory et al.（1986）和Criss et al.（1987）基于δ-δ图 解原理，给出了开放体系中同位素交换反映的表达式。它们的结 果可以直接转化为δ-△表达式。下面简要讨论的多相封闭体系中 的同位素交换特征，根据质量守衡定律，有：
δx=x1δ1+x2δ2+x3δ3+x4δ4+xiδi
离图中的直线，说明体系为非平衡分馏（图1-1）。
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
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。
《氢氧同位素》PPT课件
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二、标准
O、H：
SMOW 标 准 (Standard Mean Ocean Water):δ18O＝0，δD＝0
D/HSMOW=1.050D/H NBS-1 18O/16OSMOW=1.00818O/16O NBS-1
V-SMOW（国际原子能委员会推荐标准，替代 SMOW）：由蒸馏的海水与少量其他水混合而 成。 δ18O＝0，δD＝0
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连续取不同的温度值即可获得图5-23所示的共 生矿物对氧同位素分馏与温度的关系曲线。
矿物对温度计
在形成过程中，达到并保持同位素平衡，那么 计算获得的同位素平衡温度与用其他方法测定 的温度值是一致的。应当指出，根据共生矿物 对氧同位素组成计算得出的温度代表同位素平 衡温度，这个温度值所反映的是矿物间同位素 平衡终止时的温度。
→ 18O： 石英→白云母（硬石膏）→碱性长石、
方解石、文石→白榴石→白云母、霞石→钙长 石（蓝晶石） →蓝闪石（十字石） →硬柱石 →石榴石、普通辉石、闪石→黑云母→橄榄石 （榍石） →绿泥石→钛铁矿（金红石） →磁 铁矿（赤铁矿） →烧绿石
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13C：CO22- →CO2 →C →CH4 →CO
34S： 辉钼矿→黄铁矿→闪锌矿→磁黄铁 矿→黄铜矿→斑铜矿→硫镉矿→铜蓝→方 铅矿→辰砂→辉铜矿→辉锑矿→辉铋矿→ 辉银矿
在一个矿床中不同的矿物的同位素交换是 否达到平衡，上述分配序列是一个判别标 准。使用同位素温度计时，共存的矿物的 同位素组成必须符合上述序列。
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2、 蒸发-凝聚过程交换：
Lowenstam等(1957)研究了巴哈马滩水样的盐 度与氧同位素组成的关系，表明两者之间呈明 显的线性相关(图4一29)。
地球化学-复习总结3
（3）沉积岩 • 87Sr来源： • 陆源碎屑物 • 自生矿物（海绿石等）
• 5.锶同位素地球化学演化
三、U-Th-Pb法定年和铅同位素地球化学 四、钾-氩法定年 五、钐-钕法年龄测定 六、14C法 重点：原理
八、稳定同位素地球化学 （一）氢氧同位素地球化学 （二）硫同位素地球化学 （三）碳同位素地球化学 重点：1.原理；2.不同环境的稳定同位素特 征（如轻、重同位素各趋向于分布在何 环境或地质体中，为什么？）
(2)衰变定律 母体和子体概念： • 母体：放射性核素 • 子体：衰变产物
• 衰变定律表达式： -dN/dt = N （原子数目与时间的关系） dN / N = - dt, 左边由No积分到N, 右边由0 积分到 t, 得： ln N - ln No = - t N/No = e - t 或 N = No e - t
（4）同位素组成和分馏的表示方法 • 绝对比值 如大气中18O与国际通用标准样品之间的偏 差 • 绝对比值差： • R(样品) - R(标准样品) • 相对比值差： • （%o）= [(R样品- R标准)/ R标准]1000
如：
当t=0时，D* =0, 经过t时间后有： D* = No - N • 代入上式得： • D* = N( e t - 1)
(3)同位素年代学的技术和条件 • 准确测定衰变常数 • 高精度、高灵敏度的测定技术 • 样品的封闭性：例如，对于岩浆作用可 选择耐高温的岩石或矿物，如锆石等， 含水矿物中，角闪石的封闭性好于云母
第五章 同位素地球化学基础
一、同位素分馏和衰变反应 1.同位素的定义和分类 定义：质量数不同，质子数相同的核素为 同位素。
2.同位素分馏作用 A/A >=10% • 物理分馏（质量分馏）： 同位素质量差异引起的分馏称为物理分馏。 例如：蒸发-凝聚：蒸汽富H2O,水体富D2O 扩散：高层富14N，低层富15N 等
同位素地球化学
研究分析表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。
模型③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合 理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。
根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。稳定同 位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化。
分馏系数
稳定同位素地球化学
稳定同位素地球化学：
同位素地球化学的一个研究领域。主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律，并用来解决地质问题。 稳定同位素包括放射衰变成因的和非放射成因的，如206Pb、207Pb、208Pb、87Sr和143Nd就是分别由238U、 235U、232Th、87Rb和147Sm放射衰变而形成的稳定同位素；而H、C、O、S的同位素如1H、2H、12C、13C、16O、 17O、18O、32S、33S、34S、36S则是天然稳定同位素。由于H、C、O、S的原子序数小于20，所以其同位素又可 称为轻稳定同位素。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用。
03 第三章(氢氧同位素)
第三章 氢氧稳定同位素
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
轻元素稳定同位素的基本特点
1.原子量低，一般小于36。 2.同位素相对质量差大。 3.形成共价键，键性与同位素分馏有很大关系。 4.化学价可变，在化合价变化过程中会发生大的同 位素分馏 5.小丰度同位素的相对丰度为千分之几到百分之几， 便于精确测定。
位素分馏特别明显。地球上氢同位素分馏范围达700‰， 这一特点对于氢同位素的地球化学行为的研究非常有利。
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
• 大陆效应
降水的同位素组成随远离海岸线而逐步降低
• 降雨量效应
大气降水的平均同位素组成是空气湿度的函数。因此，雨水的平均 同位素组成与当地降雨量存在着某种关系。产生降雨量效应的主要 原因可能与雨滴降落过程中的蒸发效应及与环境水蒸气的交换有关。
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
河北平原地下水δD－δ18O关系及d值分布图
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
地球化学第六章 同位素地球化学-稳定同位素
第六章同位素地球化学——稳定同位素第一节基本概念一、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。
元素：具有相同质子数和中子数的核素.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、同位素的丰度和原子量1．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。
地球化学讲义+第五章同位素地球化学(中国地质大学)
我们一般把正在衰变的核素称为母核（体），衰变的产物称为子 核（体）。
自然界的放射性同位素虽然衰变方式和产物不同，但是都服从同 一个放射性规律，即：
在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数 与母核的原子数成正比。
用以下式子表示： -dN/dt=λN 其中， N：在t时刻未衰变完母核的原子数 dN/dt：单位时间内所衰变的原子数 λ：衰变速率常数（单位时间内衰变几率）1/年、1/秒 -：表示dt时间内母核的变化趋势是减少的
(一) 核素的性质
(4)核素具有能量：原子核聚集高质量的粒子于一个极小的体积 内，因此，原子核内孕含着巨大的能量，即核能，也称“结合能”。 结合能越高核素越稳定；结合能低（如H、N、Li、Be及高质量 数 的核素）的核素不稳定。在核衰变过程中，一部分核能通过放射出 各种粒子及射线而被释放出来。
(5)核素具有放射性：所谓放射性即不稳定核素通过放射出粒子 及辐射能量，而自发地调整核内的组成和结构，转变为稳定的核素 的现象，称为放射性衰变。放射性衰变的结果，使核素的质量、能 量和核电荷 数都发生变化，从而变为另外一种元素。
(一) 核素的性质
(1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子 数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素， 同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。
(2)核素具有质量：核素因含有不同数量的质子和中子，而具有不同的质量，较 轻元素的同位素之间因质量差别导致在地质作用中的分异，这样，使得不同产状 的地质体中同位素间的相对丰度发生变化。
ΔR = R样品 - R标准；
3）样品相对于标准样品R的偏离程度的干分率： δ‰=（R样—R标）/R标×1000 =(R样/R标—1) ×1000
同位素(名词解释、填空)
1.同位素地球化学：研究地壳和地球中核素的形成丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律，并利用这些规律解决有关地质地球化学问题的学科。
2.核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。
3.同量异位数：质子数不同而质量数相同的一组核素。
4.稳定同位素：目前技术条件下无可测放射性的元素。
5.放射性同位素：能自发的放出粒子并衰变为另一种核素的同位素。
6.重稳定同位素：质子数大于20的稳定同位素。
7.亲稳定同位素：质子数小于20的稳定同位素。
8.同位素效应：由同位素质量引起的物理和化学性质的差异。
9.同位素分馏：在同一系统中某些元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或相态中的现象。
10.同位素热力学分馏：系统稳定时，导致轻重同位素在各化合物或物相中的分配差异。
11.同位素动力学分馏：不同的元素组成的分子具有不同的质量，由此而引起扩散速度、化学反应速度上的差异，由这种差异所产生的分馏效应称为同位素动力学分馏。
12.纬度效应：温度效应，随纬度升高，大气降水中的δD，δ18O降低。
13.大陆效应：海岸线效应，从海岸线到大陆内部，大气降水的δD，δ18O降低。
14.高度效应：岁地形增高，大气降水δD，δ18O降低。
15.季节效应：夏季，大气降水δD，δ18O比冬季高。
16.岩浆水：与高温岩浆处于热力学平衡的水，其中来自地幔，与铁、镁超基性平衡的水称为原生水。
17.半衰期：母核衰变为其原子核数一半，所经历的时间。
18.原生铅：指地球物质形成之前，在宇宙原子核合成过程中，与其他元素同时形成的铅。
19.原始铅：地球形成最初时期的铅。
20.初始铅：（普通铅、正常铅）U/Pb、Th/Pb比值低的矿物和岩石中任何形式的铅。
21.异常铅：一种放射性成因铅含量升高的铅。
22.矿石铅：一般是指硫化物矿中所含的铅。
23.岩石铅：火成岩和其他岩石中所含的铅。
24.BABI：目前公认玄武质无球粒陨石的（87Sr/86Sr）。
代表地球形成时的初始比值，其值为0.69897+-0.000031.质谱仪的结构由哪几部分构成：进样系统、离子源、质量分析器、离子流接收器。
第一部分 同位素地球化学原理
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。
3-同位素地球化学和分馏效应(氢氧同位素)解析
①
一种元素的重同位素总是优先富集在化学键追强的 分子中。因此。两种物质之间的化学键强度相差愈大， 它们之间的分馏系数ɑ也愈大。 ② 分馏系数与元素的原子量数成反比，即同位素的分 馏程度与随元素原子数的增大而减小。 ③ 分馏系数与分子能量有关，而分子的振动能量又与 温度有关。温度愈高，因交化反映引起的同位素分馏 与不明显，分馏系数与温度成反比。 物理和化学过程中，同位素的分馏过程的热力学效应表 现含轻同位素的分子比含重同位素的分子更活跃，更 易参与作用。 各实验是采用的标样不同，统一换算标准公式为： δ样-标=δ样-工 +δ工-标+δ样-工×δ工-标×10-3 δ样-标：以国际标准表示的样品的δ值；δ样-工：是以 工作标准表示的样品的δ值；δ工-标：以国际标准表示 的工作标准的δ值
一、稳定同位素
1. 轻元素的稳定同位素表示方法和分馏 （1）表示方法 目前，以发现稳定同位素数目大约 300 多种，而 目前应用在 矿床研究领域的稳定同位素主要有 S 、 H-O 、 C-O 、 N 、 Si 、 Li 、 B 等。通常用轻稳定同位素 的组成来表示（δ），这是因为： ①原子量小，同位素组成变化大； ②同一元素的轻同位素与重同位素的质量差大，如⊿21H/1H=100%、⊿13-12C/12C=8.3%、⊿18-16O/16O=12.5%、 ⊿34-32S/32S=6.3%； ③它们形成的化学键以强共价键为特征； ④碳、硫、氮具有可变的电价； ⑤同一元素的轻同位素比重同位素具有更高的丰度。
轻稳定同位素的比值（ R ）可定义为样品 中某种元素的两种稳定同位素比值（R样）相对 标准样品中相应比值（R标）的千分差：
δ=[（R样- R标）]/ R标×1000
（2） 轻同位素分馏
同位素分馏是指在一系统中，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；同 位素分馏系数ɑ值，表达形式为： ɑA，B=RA/RB， R表示两种物质的同位素比值，当ɑA， B>1表示物质A 比物质 B 富集重同位素，相反表示物质 A 比物质 B 富 集氢同位素。 ɑA-B=（1+δA/1000）/(1+δB/1000)= （1000+δA） /(1000+δB) 由此可见，只要测定一个体系内两种物质的 δ 值，便可以根据上是求得两种物质间的同位素分馏 系 数 ɑ 。 ɑA ， B≥1 时 ， δA≥δB ； 当 ɑA ， B≤1 ， δA≤δB。根据热力学量子理论，同位素分馏系数ɑ 值的同下列因素有关：
东华理工水文地球化学 孙占学习题
第一章地下水的无机化学成分一、名词解释1、侵蚀性CO 2 2、游离CO 2 3、平衡CO 2 4、Ph 5、去硝化作用6、硝化作用7、微量组分8、大量组分9、组分二、填空题1、地下水中的化学组分可以分为四组：（），（），（），和（）；水的中性点的pH 值随温度的升高而（）。
2 、Cl - 具有很强的迁移性能，其原因在于：（），（），（）。
碳酸衍生物的存在形式与水的pH 值有关，当pH>8 时，以（）占优势：当pH<5 时，则以（）占优势。
3、细菌按呼吸方式分有和两大类。
三、简答题1、地下水中氟的来源简况。
2、地下水中的主要气体成分及来源。
3、何谓地下水中的微量元素？研究它有何意义？4、什么是硝化作用或去硝化作用，它们各在什么环境中进行？四、论述题试论地下水中二氧化碳的起源及其水文地球化学意义。
第二章地下水中的有机物质及其地球化学意义一、简答题1、机物质对元素的迁移与沉淀有何影响? 2、溶性有机物质对地下水中元素迁移和富集的影响？3、下水中的有机质的来源有哪些？其中哪个最重要？4、机物质对铀的迁移和富集有何影响？5、溶性有机物质对化学元素在水中的迁移和富集有哪些影响？6、什么情况下有机物有利于铀的水迁移，在什么情况下它有利于铀的沉淀？二、填空题1、地下水中有机质的主要来源有（）和（）。
三、论述题根据表3.12 和3.13，分析地下水中有机物的来源。
表3.12 补给、迳流和排泄区地下会中有机物的含量补给区迳流区排泄区化合物平均值mg/L 分布率% 平均值mg/L 分布率% 平均值mg/L 分布率% 挥发性有机酸6.7 58 60.0 58 25.6 70 有机酸6.7 88 26.0 93 20.1 100 环烷酸1.9 34 1.3 38 2.3 67 高分子酸0.09 65 0.15 71 0.12 61 酚类 1.1 50 1.2 46 0.5 59 表3.13 地下水中有机碳的含量地下水有机碳平衡含量，毫克/升潜水27.4 层间承压水48.5 层间承压水的排泄区52.5 石油矿床附近的层间承压水370～826 油汽凝结矿床附近的层间承压水（以酸性挥发有机物为主）石油矿床外围的层间承压水110 石油矿床中不产油的地层水60第三章水及水中元素的同位素成分（一）名词解释1、同位素效应2、同位素分馏3、温度效应4、纬度效应5、高程效应6、大陆效应7、季节效应8、雨量效应9、山体屏蔽效应10、氧漂移11、降水氢氧稳定同位素的高程效应（二）填空题1、氧同位素的国际标准英文缩写为（），而碳同位素的国际标准缩写为（）。
中国萤石矿床锶同位素、氢氧同位素地球化学特征
第一作者简介：朱敬宾（1970～），男，主要从事区域地质调查及矿产勘查工作，高级工程师。
E-mail ：***************通讯作者简介：王吉平(1955～)，男，从事矿床地质研究工作，教授级高级工程师。
E-mail ：********************收稿日期：2020-09-25 改回日期：2020-10-21❶基金项目：中国地质调查局“中国矿产地质与区域成矿规律综合研究”(中国矿产地质志)项目(1212011220369)；“江西赣南-福建浦城地区战略性萤石硼资源调查”（DD20190816）；“东部地区硼磷萤石等重要非金属矿产调查”（DD20160057）第43卷 第1期 化工 矿 产 地 质 V ol.43 No.12021年03月 GEOLOGY OF CHEMICAL MINERALS Mar. 2021中国萤石矿床锶同位素、氢氧同位素地球化学特征❶朱敬宾1 王吉平1 商朋强2 石秋圆11 中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 0727542 中化地质矿山总局，北京 100013摘 要 通过对前人所做典型萤石矿床和区域萤石矿床锶、氢氧同位素地球化学资料的综合研究，从锶、氢氧同位素地球化学特征角度分析了中国萤石矿床的物质来源和萤石矿形成时成矿流体的性质及来源。
由锶同位素地球化学资料综合分析得出：以灰岩为主要围岩的沉积改造型及部分热液充填型萤石矿床成矿物质主要来源于其围岩灰岩；以火山岩、火山碎屑岩为主要围岩的热液充填型萤石矿床其成矿物质主要来自于围岩火山岩、火山碎屑岩；以花岗岩为主要围岩的热液充填型萤石矿其成矿物质来源于围岩花岗岩。
由氢氧同位素地球化学资料综合分析得出：以灰岩、花岗岩为主要围岩的沉积改造型萤石矿床其成矿流体既有岩浆水和大气降水的混合液，也有大气降水，所有萤石矿床中的巨晶萤石的氢氧同位素组成都落在大气降水线附近，其成矿流体以大气降水为主。
关键词 中国萤石矿床 锶同位素 氢氧同位素 物质来源 成矿流体性质中图分类号：P619.215；P59 文献标识码：A 文章编号：1006–5296（2021）01–0007–10中国萤石矿床分布广泛，主要分布于浙江、湖南、江西、福建、河南和内蒙古等省区。
同位素地球化学复习资料
14、硫、碳同位素分馏作用？ 答：Ⅰ、S ⑴、化学动力学分馏：主要指硫在氧化-还原反应过程中所产生的硫同位素分馏； ⑵、生物动力学分馏：自然界硫同位素组成变化重要原因之一是厌氧细菌引起硫酸盐离子的还原作 用； ⑶、平衡分馏：高氧化的硫富34S，SO42- >SO32- >SO2 >Sx > H2S > S2-（原因：键强）。 Ⅱ、C ⑴、氧化-还原反应：CH4 +2H2O <=> CO2+4H2 ⑵、光合作用：6CO2 +6H2O => C2H12O6+6O2（有机物中将富集 12C） ⑶、同位素交换反应：13CO2(气) +12CO32-(液) <=> 12CO2(气) +13CO32-(液) 一般规律： δ13C‰：CO<CH4<C<CO2<CO32-即：还原态、有机物富集12C, 氧化态、无机物富集13C。
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T=300-600º C T>700º C
阿尔伯达
b)平衡条件下定量水/岩比值
W/Rclosed= (δ18Orockfinal - δ18Orockinitial )/ (δ18Ofluidinitial- δ18Ofluidfinal )
Gregory et al. （1986 ）和 Criss et al. （ 1987 ）基于 δ -δ 图 解原理，给出了开放体系中同位素交换反映的表达式。它们的结 果可以直接转化为δ -△表达式。下面简要讨论的多相封闭体系中 的同位素交换特征，根据质量守衡定律，有： δ x=x1δ 1+x2δ 2+x3δ 3+x4δ 4+xiδ i 式中的x1+x2+x3+x4+xi+=1，若x1 和x3相与x2 和 x4、xi更富重同 位素，且δ 1>x2≥δ 3>δ 4>xiδ i, 则条斜率符号相反的相关直线 仍可以表达为： δ 1=α 2•△12+b δ 2= -α •△12+b 在平衡条件下，△ij只是温度的函数。在封闭体系下，两组共 生矿物的彝族同位素数据在δ -△图解上呈两个斜率相反的线性展 布。对应的同位素分馏即为平衡条件下的分馏值。因此得到有用 的同位素温度，斜率的大小指示了体系中两种矿物的相对比值， 高温端的最大最小δ 指指示两种流体的同位素组成，因此可以用 来推断热液的源区。一般是从高到低温的演化过程。不遵从同位 素平衡和质量守恒的岩石、矿床形成体系肯定是同位素非平衡或 开放体系（混合体系），在非平衡条件下，△ij受动力学同位素效 应的制约，在δ -△图解上直线的截距和斜率之取决于质量守恒。
2）δ -△图解 在δ -△图解中，以每种矿物的δ 值为y轴，以矿物对的△值为x 轴，两条直线斜率的夹角为ɑ（图1-1）；一般地对于两项（1相、 2相）封闭体系而言，其总的同位素组成为： δ s=x1•δ 1+ x2•δ 2(s代表体系；xi 代表摩尔数，且x1+x2=1) 在δ -△空间中，根据质量守恒定律，上是可以变成： δ 1= x2•△12+δ s δ 2= -x2•△12+δ s(△12=δ 1+δ 2) 上式满足条件是：①体系中相1与相2之比保持平衡；②δs保持常 数；③相1 与相 2 之间的同位素交换是引起体系内各相 δi 变化的唯 一原因。当体系中只有两种物质时，即x1+x2=1，则以上条件均能 满足。然而，在自然界的大多数体系中，一般至少两相以上的物 相；显然,上述给出的两相的封闭体系或开放体系都不适合。
轻稳定同位素的比值（ R ）可定义为样品 中某种元素的两种稳定同位素比值（R样）相对 标准样品中相应比值（R标）的千分差：
δ=[（R样- R标）]/ R标×1000
（2） 轻同位素分馏
同位素分馏是指在一系统中，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；同 位素分馏系数ɑ值，表达形式为： ɑA，B=RA/RB， R表示两种物质的同位素比值，当ɑA， B>1表示物质A 比物质 B 富集重同位素，相反表示物质 A 比物质 B 富 集氢同位素。 ɑA-B=（1+δA/1000）/(1+δB/1000)= （1000+δA） /(1000+δB) 由此可见，只要测定一个体系内两种物质的 δ 值，便可以根据上是求得两种物质间的同位素分馏 系 数 ɑ 。 ɑA ， B≥1 时 ， δA≥δB ； 当 ɑA ， B≤1 ， δA≤δB。根据热力学量子理论，同位素分馏系数ɑ 值的同下列因素有关：
δ18Oi(Pre
mil)=[(18O/16O)i(18O/16O)Standard]/ (18O/16O)Standard]×1000 Standard: Standard Mean ocean Water(SMOW) (18O/16O)SMOW=1.008(18O/16O)NBS-1
δ A-δ B 图解判断平衡分馏（实心园）和非平衡分馏（空心圆）;四相 封闭体系中共存相1和2的和δ -△理论图解（Zheng1992）
Gregory等（1986）对δ A-δ B图解的理论基础进行了充分研究，建立了 δ A-δ B空间非平衡同位素交换的数学模型，将同位素交换速率以准一阶 微分方程表示，并将此方程应用于封闭的无水体系、水-岩作用体系用体 系和流体流动的开放体系。给出的动力学分馏关系式： δ A=mδ B-b 式中的截距b为两种物相A、B在一定条件下（给定交换介质的相对速率常数 KA/KB、同位素交换分数F和温度t）同位素交换速率常数比值函数的。斜 率m的定义为： m=[1-（1-F）Ka/Kx]/F 式中F为同位素交换分数，定义为： F=（ɑ0-ɑAC）/（ɑ0-ɑBC） ɑ0代表A、B之间的初始分馏系数，ɑC代表平衡分馏系数。由于0≤F≤1， 在为常数的矿物对图解中直线的斜率 m恒为正数。显然，当F=1，说明体 系为平衡分馏，因此在δ -δ 得到斜率为1的等温线。 由上式可知，当两种矿物的（Ka/Kb）接近1时，所有部分交换的矿物 对在δ -δ 图解上都可以落在斜率为 1的直线上。但是，氧在造岩矿物中 的扩散速率存在几个数量级的差别（Zheng et al.，1998）；各种矿物 的溶解度数据也表明，溶解/沉淀模型种同位素交换的相对速率也存在 1 到2个数量级的差别。这表明在地质过程中任意两相之间同位素交换的相 对速率通常难以接近1。 因此，我们能够应用这个图解中斜率为1的线性关系检验同位素交换 的平衡状态。与此同时，还表明如果物相之间的同位素交换要达到平衡， 需要的是开放体系，或是准开放体系。
（3） 同位素交换反应
从同位素角度来讲，可分三种类型： 1）岐化反应：同一元素在同种化学分子之间； 如：H2O+D2O=2HDO 2）简单同位素交换反应：含有同一元素的不同分子之 间进行的同位素交换; H2O(液）+D2O（气）= HDO（液）+H2(气） 3）复杂同位素交换反应：不同的分子之间进行的同位 素交换。 NH3+HDO= NH2D+ H2O; NH3+ D2O= NH2D+ HDO; 地质上主要应用简单的同位素交换反应，并符合： 1)同位素交换是可逆的；2)反映前后分子数和化学组 分不变；3)主要是分子键的断开和重新组合； 4)恒温状态下进行；5)没有热熵的变化。 但是，设是理想状态。
2 稳定同位素的标准值、实测值和成矿过程的
同位素效应
（1）氢-氧同位素 1)标准值(SMOW) The the Hydrogen isotope on Natural abundance: 2D: 1H=0.0156:99.9844; δDi(Pre mil)=[( D/H)i- (D/H )Standard]/ (D/H)Standard]×1000 Standard: Standard Mean ocean Water(SMOW) (D/H)SMOW=1.050(D/H)NBS-1
NBS-1:National
Bureau of Sandards(USA) reference water(Standards Mean Ocean Water)
And oxygen isotope on Natural abundance(in air oxygen):
18O: 17O: 16O=0.1995:0.0375:99.763
①
一种元素的重同位素总是优先富集在化学键追强的 分子中。因此。两种物质之间的化学键强度相差愈大， 它们之间的分馏系数ɑ也愈大。 ② 分馏系数与元素的原子量数成反比，即同位素的分 馏程度与随元素原子数的增大而减小。 ③ 分馏系数与分子能量有关，而分子的振动能量又与 温度有关。温度愈高，因交化反映引起的同位素分馏 与不明显，分馏系数与温度成反比。 物理和化学过程中，同位素的分馏过程的热力学效应表 现含轻同位素的分子比含重同位素的分子更活跃，更 易参与作用。 各实验是采用的标样不同，统一换算标准公式为： δ样-标=δ样-工 +δ工-标+δ样-工×δ工-标×10-3 δ样-标：以国际标准表示的样品的δ值；δ样-工：是以 工作标准表示的样品的δ值；δ工-标：以国际标准表示 的工作标准的δ值
第三节 同位素地球化学和同位素分 馏效应及其地质意义
引 言
自从T.J.Thmoson（1913）发现氢的氖元素、 F.W.Aston利用他制造的第一台质谱计先后测定氖、氩、 氪等71种元素中共发现202种同位素后；同位素地球化学 被广泛应用于各科学领域的研究。首先用于地质方面研究 是A.Holmes（1932，1937，1938），他运用钙、铅同位素 进行了矿石的成因探讨；在H.C.Urey（1947）论述了同位 素物质热力学性质基础上，S. Epstein（1953）、H.P. Taylor（1967，1968）、R.N. Clayton（1961，1963）、 H. Ohmoto（1972）及J.R.O‘Neil（1968，1977）等进行 了广泛地质应用研究，逐渐使得同位素地球化学在地质上 的应用趋于成熟。目前，在地学领域已被广泛地探讨各种 地质体成因和形成环境，当前广泛用于矿床研究领域的同 位素有S、H-O、C-O、N、Si、Li、B、Sr-Nd、Re-Os、普 通Pb及Ar、He等同位素比值和同位素体系。可分为：稳定 同位素、稳定同位素和稀有气体同位素。
(4) 矿物之间的同位素平衡
共生的热液矿物之间是否达到并保留了他们 形成史的同位素平衡，是应用矿物队的前提和 基础。这里一方面根据同位素平衡温度与地质 产状之间的吻合性来验证同位素的平衡；另一 方面也可以应用δ-Δ和δ-δ图解，依据同位 素数据本身判断同位素平衡δ-Δ和δ-δ图解 是稳定同位素数据解释上最常用的两种图解， δ-δ图解用于开放体系，δ-Δ图解用于封闭 体系；他们的共同优点是在于可以考虑温度和 质量守恒。
一、稳定同位素
1. 轻元素的稳定同位素表示方法和分馏 （1）表示方法 目前，以发现稳定同位素数目大约 300 多种，而 目前应用在 矿床研究领域的稳定同位素主要有 S 、 H-O 、 C-O 、 N 、 Si 、 Li 、 B 等。通常用轻稳定同位素 的组成来表示（δ），这是因为： ①原子量小，同位素组成变化大； ②同一元素的轻同位素与重同位素的质量差大，如⊿21H/1H=100%、⊿13-12C/12C=8.3%、⊿18-16O/16O=12.5%、 ⊿34-32S/32S=6.3%； ③它们形成的化学键以强共价键为特征； ④碳、硫、氮具有可变的电价； ⑤同一元素的轻同位素比重同位素具有更高的丰度。