化学海洋学第七章

第七章海水中的同位素

海洋学历史中的同位素化学，最初只是海洋学研究的手段，然后才成为海洋学研究的目标，现在它是更好的手段。

相关知识：

1、元素、核素、同位素

元素element：具有相同核电荷数的所有原子的总称。

同位素isotope：具有相同核电荷数、不同质量数的核素，互（共）称为同位素。少数元素只有一个天然同位素，但所有元素

都有人工产生的放射性同位素。同位素可以表示成：E A Z

核素nuclide：具有相同质量数、核电荷数和核能态，而且平均寿命足够长（大于10-10秒）的所有原子的总称。目前已知核素1250种，其中280种是天然存在的稳定核素。

2、放射性同位素radioactive isotope or radioisotope：极易发生放射性衰变的同位素。在已知核素中除了稳定核素外，均属于放射性同位素。

3、稳定同位素stable isotope：不发生或极不易发生放射性衰变的同位素。是与放射性同位素相对的概念。已知81种元素有稳定同位素。

4、自然界中的稳定同位素。

在自然界中质量数A的稳定范围1～209（Bi铋），但没有A=5、8的稳定核素；质子数（核电荷数）Z的稳定范围0～83，但没有Z=43、61的稳定核素；中子数N的稳定范围是0～126，但没有N=19、21、35、39、45、61、71、89、115、123的稳定核素。

A在40以内（Z在20以内）的元素N/Z基本等于1，此后N/Z呈现上升势头到Bi铋时N/Z=1.52，以后不存在稳定核素。注意N/Z≤1.52元素中也有放射性同位素。

Z为偶数的元素比Z为奇数的元素有多得多的稳定同位素，而且偶Z偶N占大多数。

7.1 海洋中的稳定同位素

7.1.1 海水中的稳定同位素丰度

我们不妨将每种元素中含量最多的同位素称为主导同位素，丰度较小的同位素称为从属同位素，从属同位素丰度与主导同位素丰度的比值称为相对丰度。当探讨同位素化学时，其实后者才是我们所关注的。因为自然界各种体系中从属同位素的浓度大多非常低，所以为了便于描述某体系中目标同位素的浓度、浓度差异和同位素的含量变化，常常采用以下方式表达同位素的组成：

1、相对丰度比：两种物质间（a 和b ）目标同位素的相对丰度的比值。以氢为例：

1000

1)/()/(∈+

==

b

a a

b H D H D α

相对丰度比恒大于零，当其值大于1时，说明a 物质中目标同位素含量高于b 物质，否则相反。 2、相对丰差：表示两种物质a 和b 间同位素组成的差异。以氢为例：

1000

]1)/()/([

⨯-∈=b

a H D H D

相对丰差可以是任何实数，当其值大于0时，说明a 物质中目标同位素含量高于b 物质，否则相反。 3、标准丰差：表示一种物质a 与标准物质Std 间目标同位素组成的差异。仍以氢为例：

1000

]1)/()/([

⨯-=Std

a a H D H D δ

相对丰差也可以是任何实数，当其值大于0时，说明a 物质中目标同位素含量较高，否则相反。 7.1.3 同位素组成的标准物质

作为衡量同位素含量差异的所谓“标准”，这里的标准物质应该具备如下三方面的特征：（1）目标同位素丰度适中，接近地球体系中该目标同位素的平均丰度；（2）目标同位素含量稳定，丰度较少受环境条件变化的影响；（3）比较容易取得。

通常，不同的目标同位素选用的标准物质也不同。例如： 1、用于氢氧同位素时，常用标准平均大洋水SMOW 。 SMOW 中氘的相对丰度(D/H)SMOW =0.16×10-3。 SMOW 中18O 的相对丰度(18O/16O)SMOW =2.0×10-3。

2、用于碳时，常用PDB ：它是用皮迪组拟箭石（主要成分是石灰石）在25.2℃时与100%的磷酸作用，反应生成的CO 2气

体作为13C 的标准物质。

PDB 中13C 的相对丰度(13C/12C)PDB =11.23×10-3。

另外PDB 中18O 的标准丰差等于： 说明PDB 是一种富含氧18的物质。

3、用于氮时，常用大气中的N 2作为标准物质。

4、用于硫时，常用迪亚布罗峡谷的铁陨石作为标准物质。 7.1.4 大洋水中氢氧同位素组成的变化

大洋水中氢氧同位素组成(D/H 和18O/16O)的变化主要是海水与大气作用引起的。

1、18O 的纬度效应。海水在蒸发和凝结时，两种同位素在蒸气和海水之间发生某种程度的分离被称为分馏。海水在蒸发和凝结时，18O 分馏的原因是：18O 较16O 更难于蒸发；而在凝结时18O 较16O 更容易由气态转化为液态。

经估算，蒸发时逸出海水的水汽中18O 要比原海水中的18O 少0.8%。这些水汽再凝结时，水蒸汽中氧18的丰度进一步减少。 全球而言，（副热带、南北回归线附近）低纬度的海域蒸发量大于降水量；高纬度相反。水汽在由低纬度向高纬度输送的过程中，由于不断凝结降水18O 逐渐变小。故高纬度海水中18O 贫乏，而低纬度海水中18O 富集。与此同时，盐度也呈现了相同的现象。 图7.1 太平洋表层水样中的δ18O 与盐度的关系

从图7.1中可以看出：高纬度的表层水中18

O 和盐度都比赤道海区低。说明水汽通过大气向南北极迁移，致使高纬度的雨水缺少18O ，盐度也几乎为零。

这一点在右图更明显，赤道产生的水汽经过多次分馏到两极时，降水中18O 已非常贫乏。

2、表层大洋水2H 的纬度效应[14]。

氘的纬度分布特征与诱因与氧18非常相像。

黄亦普等对采自东海、太平洋、大西洋等海域的43份表层水样的δD 的测定结果进行了研究发现δD 明显随纬度改变，而几乎不随经度变化；同时发现表层大洋水的δD 在纬度上呈现双峰分布的特征：即在南北回归线附近δD 呈现两个极

00

0161816

1818

411000]1)/()/([=⨯-=SMOW

PDB PDB O O O O O δ

0.0 -50 -10 -40

-30 -20