同位素地质学基础

5.同位素分馏和同位素分馏系数(α)： 5.同位素分馏和同位素分馏系数(α)： （1）同位素分馏：是指在一系统中，某元素的同位素以 ）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。例如：同一 热液体系中，共存的硫化物和硫酸盐，二者的同位素组分 不一致，前者富32S、后者富34S。又如：在蒸发过程中， 蒸汽相富H 蒸汽相富H、16O，液相中相对富D和18O。 ，液相中相对富D 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。
常用的稳定同位素
常用的稳定同位素有 H, Li, B, C, N, O, Si, S, and Cl Cl， 其中O, H, C 和 S 最为常用. O, . Most of these elements have several common characteristics: mass. (1) They have low atomic mass. (2) The relative mass difference between their isotopes is large (3) They form bonds with a high degree of covalent character. character. (4) The elements exist in more than one oxidation state (C, N,and S), form a wide variety of compounds(O), or are important constituents of naturally occurring solids and fluids. (5) The abundance of the rare isotope is sufficiently high (generally at least tenths of a percent) to facilitate analysis.
一、基本概念
同位素是指原子核内质子数相同而中子数不同的一类 同位素是指原子核内质子数相同而中子数不同的一类 原子，它们具有基本相同的化学性质，并在化学元素周期 表中占据同一位置。
例如，H 例如，H元素：1H、D、3H O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C、14C S元素：32S、33S、34S、36S Sr元素：88Sr、87Sr、86Sr、84Sr Sr元素： Sr、 Sr、 Sr、 Nd元素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、150Nd Nd元素： Nd、 Nd、 Nd、 Nd、 Pb元素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb Pb元素： Pb、 Pb、 Pb、 U元素：235U*、238U* U*、 Rb元素：85Rb、87Rb* Rb元素： Rb、 Sm元素：144Sm、150Sm、152Sm、154Sm、147Sm*、148Sm*、149Sm* Sm元素： Sm、 Sm、 Sm、 Sm、 Sm*、 Sm*、 （注：“ （注：“*”为放射性同位素）
同位素地质学基础
第一章 同位素的 基本概念和理论基础
同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：
1）计时作用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形 计时作用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形 成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各 种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质 体。 2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的 示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的 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，并能示踪物质来源。 3）测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温wenku.baidu.com 测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度 有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来测定成 岩成矿温度。 另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。
（一）稳定同位素
1．同位素丰度（isotope abundance）：指自然界存在的 同位素丰度（isotope abundance） 某一元素中各同位素所占的原子百分比。 表1 某些元素的同位素相对丰度
（一）稳定同位素
2．同位素比值（isotope ratio）：指某一种元素的两种同 同位素比值（isotope ratio） 位素丰度之比。 用R表示，例：SMOW的D/H=155.75×10-6； 表示，例：SMOW的D/H=155.75×
同位素组成表示方法： 同位素组成指的是样品中某一种元素的 各种同位素的相对含量。它可用丰度表 示，也可用比值R 示，也可用比值R或δ值表示。 如：87Sr/86Sr δ13C、δ18O、δD、δ34S
4.同位素效应
由于同一元素不同的同位素分子及其化合物具有不同 的质量， 的质量，因此当一种元素的某一种同位素被另一种质量不 同的同位素替换后， 同的同位素替换后，就会引起物理性质和化学性质上的差 异，这种差异称同位素效应(isotope effect) 这种差异称同位素效应(isotope effect)。 同位素质量的相对差别越大，所产生的物理性质和化 同位素质量的相对差别越大， 学性质上的同位素效应也就越明显。相对而言， 学性质上的同位素效应也就越明显。相对而言，氢的同位 素效应最为明显。 的相对质量差约100% 100%， 素效应最为明显。因为1H和2D的相对质量差约100%，而12C 的相对质量差约8.5% 8.5%， 和13C 的相对质量差约8.5%，160和180的相对质量差约 12.5%。 12.5%。
6. 同位素相对富集系数(Δ值)： 同位素相对富集系数(Δ值
Δ值也是用来表示两种物质间同位素组成差别的程度。定义为： ΔA-B=δA-δB。 注意：① 是同种元素的同位素组成的比较 ② 是绝对差。
7.同位素分馏系数(α)与δ值的关系 7.同位素分馏系数(α)与
8. ΔA-B、αA-B和δA、δB之间的关系：
⑥ 标准换算： δ样-标=δ样-工+δ工-标+10-3δ样-工·δ工-标 δ样-标：以国际标准表示样品的δ值； ：以国际标准表示样品的δ δ样-工：以工作标准表示样品的δ值； ：以工作标准表示样品的δ δ工-标：以国际标准表示的工作标准的δ值。 ：以国际标准表示的工作标准的δ
（二）稳定同位素分类： 1．轻质量数稳定同位素：氢、氧、碳、硫 轻质量数稳定同位素：氢、氧、碳、硫 特点：（1 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏及原因：在于元素的物 理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 特点：（1 特点：（1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要是由于 它们的放射性母体同位素的衰变所引起的。 它们的放射性母体同位素的衰变所引起的。
（2）同位素分馏系数(α)： ）同位素分馏系数(α)： 某一化合物中两种同位素丰度之比与另一种化合物的相应比值之 某一化合物中两种同位素丰度之比与另一种化合物的相应比值之 商。定义为 α A− B =
RA RB
。
式中：RA为A物质的一种元素的同位素丰度之比；RB为B物质中同种元 素的同位素丰度之比。 α硫化物-硫酸盐=(34S/32S)硫化物/(34S/32S)硫酸盐。 硫化物α>1，表示A物质比B物质富重同位素，α<1表示富轻同位素。α α>1，表示A物质比B物质富重同位素，α<1表示富轻同位素。α值愈 偏离1 偏离1，则说明两种物质之间同位素分馏的程度愈大。
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(radiogenic isotope)，如87Sr是由放 (radiogenic isotope) Sr 射性同位素87Rb Rb衰变而来的； 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 1700余种同位素，其中 1700 稳定同位素有260 260余种。 260
9、标准样品及其选用条件
同位素分析资料要能够进行世界范围内的 比较，就必须建立世界性的标准样品。世 界标准样品的条件： ①在世界范围内居于该同位素成分变化 的中间位置，可以做为零点； ②标准样品的同位素成分要均一； ③标准样品要有足够的数量； ④标准样品易于进行化学处理和同位素 测定。
10．标准样品及其值的换算： 10．标准样品及其值的换算： ① SMOW：标准平均海水、H、O同位素国际标准。 SMOW：标准平均海水、H δD=0, δ18O=0，绝对同位素比值： O=0， 18O/16O=2005.20×10-6，17O/16O=373×10-6 O=2005.20× O=373× ② V-SMOW(Vienna SMOW)，蒸馏海水。 SMOW)，蒸馏海水。 ③ Slap(Standard light Antarctic Precipitation) 南极洲原始的粒雪样品。 ④ PDB(Pee Dee Belemnite)美国卡罗莱纳州白垩系Pee Belemnite)美国卡罗莱纳州白垩系Pee Dee组中拟箭石制成的CO Dee组中拟箭石制成的CO2作的碳氧同位素标准，一般取 PDB的 PDB的δ13C=0,δ18O=0。 O=0。 PDB的 PDB的δ18OPDB与SMOW的δ18OSMOW之间的换算： SMOW的 δ18OSMOW=1.03086δ18OPDB+30.86 ⑤ CDT(Canyon Diablo Troilite)美国亚利桑那州 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， Diablo铁陨石中陨硫铁相的硫同位素组成， 34S/32S=0.450045，δ34S S=0.450045， =0。 CDT=0。
按其原子核的稳定性可以分为两大类同位素： 放射性同位素(radioactive isotope)： 1. 放射性同位素(radioactive isotope)：其核能自 发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素。 2. 稳定同位素(stable isotope)：到目前为止，还没 稳定同位素(stable isotope)： 有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素。 需要注意的是：核素的稳定性是相对的，它取决于现 需要注意的是：核素的稳定性是相对的，它取决于现 阶段的实验技术对放射性元素半衰期的检出范围，目前一 般认为，凡是原子存在的时间大于10 般认为，凡是原子存在的时间大于1017a的就称稳定同位素， 反之则称为放射性同位素。
18O/16O=1997×10-6；迪亚布洛峡谷铁陨石的陨硫铁 O=1997× 34S/32S=0.0450045等。 S=0.0450045等。
3．δ值：样品中两种稳定同位素的比值相对于某种标准对 应比值的千分差值：
R样品 − R标准 δ(‰)= δ(‰ ×1000 R标准
例如：硫同位素以迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁的 硫等标准(CDT)，这个标准硫的 硫等标准(CDT)，这个标准硫的34S/32S=0.0450045。它 S=0.0450045。它 的同位素组成相当于整个地球的平均同位素组成。δ 的同位素组成相当于整个地球的平均同位素组成。δ＞ 0表示34S比标准样品是富集了；δ＜0表示34S比标准样 比标准样品是富集了；δ 品是贫化了。 定义δ 定义δ值的目的在于： ① 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用δ 因为自然界的稳定同位素组成的变化很微，用δ 值可以明显表示变化的差异； ② 便于全世界范围内数据大小的对比。 被选作标准的样品应具备同位素成分均匀、数量大、 被选作标准的样品应具备同位素成分均匀、数量大、 地质产状有特殊意义及便于采样和同位素成分测定等特 点，目前世界通用的同位素标准样品见下表。