第四章水及水中同位素成分

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4.1 同位素基础知识
一、同位素及分类 1、概念 同位素是指周期表中占有同一位置，其原子核 中质子数相同而中子数不同的某一种元素的原子。 如：11H、21H、31H，即具有相的质子数，但具 有不同的质量数的原子。

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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应
（1）热力学同位素效应
指由于各种同位素原子和分子能态不同所引起的热力 学性质上的差异。它是发生在热力学平衡系统中，与化 学平衡和相平衡有关的同位素效应。
（2）动力学同位素效应

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用
2．动力同位素分馏 （3）分子的扩散作用
VC16O2 = Vc18o16o = Vc16o2／Vc16o18o==1.022 即：C16O2比C16O18O分子的平均速度大22‰，
当气体分子扩散时，就会引起同位素分馏。 动力学效应一般比热力学效应大得多。


NaCl
溶液

进行氯同位素交换反应，
发现在NaCl溶液中速度最慢，在KCl 溶液中速度最快。

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用
1、同位素交换反应
(2) 影响因素
同离子效应: 一种矿物溶解于水中，若水溶 液有与矿物溶解相同的离子，则这种矿物的溶 解度降低。
AB

RA RB
式中： AB —A，B 物质或相中的同位素分馏系数，
RA, RB —A，B 物质或相中的同位素比值
例如：

CO2—H20系统中氧同位素分馏系数
C16O2+H218O
C18O2+H216O
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应
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4.2 氢氧稳定同位素
一、 同位素交换效应
② 影响氧漂移的因素
A、温度是影响同位素交换反应的主要因素，一般 温度越高，交换反应的速度就越快，氧漂移的速度就越 明显；
B、水及岩石的初始δ18O含量。这两者的初始δ18O 差值越大，氧漂移越明显；
C、水与岩石接触的时间，面积；
D、压力，压力越大，氧漂移的越明显；
2．同位素分馏系数
例如： CO2—H20系统中氧同位素分馏系数
C16O2 + H218O
C18O2 + H 216O
CO2H2O
R CO 2
＝ R H 2O
＝
(18O /16O)CO2 (18O /16O) H 2O
25℃时， co2H2O =1.0407，说明CO2比与其平衡的水
富含40.7‰的18O，富集程度的求法：
W
10-6
δ18O=0‰
SMO D/H=(157.6±0.3)×10-6
W
δD=0‰
S
美国亚理利桑娜州卡杨迪亚布峡谷陨硫 CDT
铁
C
PBD
美国南卡罗娜州白垩系皮狄组的美洲似
箭石

34S/32S=0.0450045 δ34S=0‰
13C/13C=1123.72×10-5 δ13C=0‰
δ（‰）=（αA-B-1）×1000 δ（‰）=(1.0407-1) ×1000=40.7

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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应 由于某种元素的一种同位素被另一同位素所 替换，从而引起物质在物理、化学性质上出现差 异的现象，称之为同位素效应。 同位素效应是造成同位素分馏的根本原因。 C16O2 → C16O18O Vc16o2 → Vc16o18o

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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法 （2）同位素比值 指物质中某一元素的两种同位素含量之比
R=CA/CB
式中， C—同位素含量 A—重同位素 B—轻同位素
例如，RD =D/H

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4.1同位素基础知识
一、同位素及分类
2、分类
（3）按进入环境的方式
人工施放同位素，专指在研究过程中通过有目的人 为投放而进入环境的部分人工同位素。如测定地下水流 速流向的131I。
环境同位素，包括自然环境中原本存在的天然同位
素和在各种人工核反应过程中，自然进入天然环境的人
工同位素，如：核反应堆。
指由于同位素原子或分子的质量和能态不同引起的反
应速度（包括化学的、物理的和生物化学的）上的差异。
它是发生于非常平衡系统中，与不可逆过程有关的同位
素效应。

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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应 （3）物理化学同位素效应 如蒸发和凝结，结晶和溶解，吸附和解吸等，是与 同位素分子密度、蒸气压、热学性质、电磁学性质等物 理化学性质上的差异有关的同位素效应。它既可以发生 在平衡系统中，也可以发生在非平衡系统中。 （4）生物化学同位素效应 指有生物参与的各种同位素效应。多数生物化学同 位素效应属于动力学同位素效应。
4.1 同位素基础知识
一、同位素及分类
2、分类 （1）按同位素产生的条件 天然同位素, 如：3H，14C，18O等 人工同位素, 如：人工3H，60Co，82Br （2）按结构稳定性 稳定同位素, 如：D , 13C, 12C 放射性同位素, 如：3H, 14C, 238U


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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 2．动力同位素分馏 （4）动力系统可分为开放系统和封闭系统两种方式 在封闭系统中，动力分馏与反应物的消耗程度 有关，当反应物消耗越少时分馏就越明显。

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用
3、物理过程引起的同位素分馏 即物质在溶解与结晶，蒸发与浓缩，吸收与解吸等
过程中，所发生的同位素分馏。
如：100℃时，H2O的蒸气压为105Pa，D2O的蒸汽 压为9.5×105Pa蒸发时，显然H2O更容易进入气相。 4、放射性衰变及核反应
R18O =18O/16O R34S =34S/32S 等
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法 （3）δ值（千分偏差值） 指物质中某一元素的两种同位素的比值相对于某一
种标准比值的千分差值：
δ(‰)=(R样—R标)/R标×1000‰
式中 ： R样—样品中的同位素比值 R标—标准中的同位素比值
δ18O=-10‰，说明该样品比标准富16O 10‰

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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
3、国际标准
表4-1 O、H、S、C国际标准
元素 O H
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ标准 标准平均海水 标准平均海水
代
同位素的组成
号
SMO 18O/16O=(1993.4±2.5)×

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4.2 氢氧稳定同位素
一、 同位素交换效应
一般在温度>80℃条件下发生的水岩作用中 “氧漂移” 明显。由于岩石中H很少，故水岩 反应一般不会引起氢的漂移。
在地下热水中，常发现δ18O高于大气降水， 而δD值与降水相近。

Hydrogeochemistry
水文地球化学
第四章 水及水中同位素成分
东华理工大学L水O文GO地球化学课程组
本章内容
4.1 同位素基础知识 4.2 氢氧稳定同位素 4.3 氢的放射性同位素—氚 4.4 碳同位素 4.5 硫同位素 4.6 同位素在水文地质学中的应用

盐效应: 矿物在纯水中的溶解度低于矿物在 高含盐量的容液中的的溶解度，这种含盐量升 高使矿物溶解度增大的现象。

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 2．动力同位素分馏 由动力同位素效应（反应速度差异效应） 引起的同位素分馏，称之为动力同位素分馏。 一般规律是轻同位素比重同位素反应速度快， 优先富集产物之中。 （1）光合作用：生物优先吸收12C、11O、1H （2）脱硫酸作用: SO42- 脱硫酸作用产生 H232S
键强↓

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 1、同位素交换反应
(2) 影响因素
C、交换溶液的性质：由于有些同位素交换反应是经 过溶解→再沉淀的机理来实现的，因此交换反应受到盐 效应的影响。
纯水

例如：钠长石

KCl
溶液
蒸发
蒸发相中富16含 O
液相中富1含 8O


0 / 18
16 O汽 18O/16O液
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应
2．同位素分馏系数
两种物质（或两种不同相）之间，同位素分馏程度
用两种物质中同位素比值之商表示：
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应
1、同位素分馏
某元素的同位素，由于质量差异，使其在物理-化学过 程中，以不同比例分配于不同的物质或不同相之间的现 象，称之为同位素分馏。
原因：质量差引起物理性质和化学反应速度的差异
例如： H2O
H 2 16 O H 2 18 O

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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
1、同位素组成
物质中，某元素的各种同位素相对含 量，即为该物质中该元素的同位素组成。 如：水分子中，氢元素有二种稳定同位素: 11H、21H 。
这二种同位素在水中的相对含量，即 为水的同位素组成。
若δ(‰)>0，表示样品比标准富含重同位素 δ(‰)<0 ，表示样品比标准富含轻同位素

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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
3、国际标准 为了准确的比较不同样品间同位素比值的变化，国
际上采用统一标准。 例 如 ： 某 水 样 测 得 1 8 O/16O = 1973.4×10-6 ， 水 样
238U→206pb, Th →207pb

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4.2 氢氧稳定同位素
一、 同位素交换效应
1、氢氧同位素分馏
（1）水－岩同位素交换反应
Si18O2 + H216O
其结果是水中富集18O。
Si16O18O + H2O
① 氧漂移
由于岩石中的δ8O值大，水岩同位素交换的 结果使水富含 18O（水中的δ18O值增大），称为 氧漂移。

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 (2) 影响因素
A、温度：lnα＝A/T2 + B/T + C（反比关系）
B、化学成分：重同位素先富集在化学键最强的 分子中。
石 英→斜长石→辉石→橄榄石
18Ｏ↓
Ｓi –O Al-O Mg-O

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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 １、同位素交换反应 (1) 定义 不同的化合物之间，不同相之间或不同的分 子之间，只发生同位素的再分配，而不发生化学 变 化 的 反 应 ， 称 为 同 位 素 交 换 反 应 ： C16O2 + H218O C18O2 + H216O

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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法 （1）同位素丰度 指在自然界或物质中某一元素的各种同位素在该元素
中的所占的百分比。 如氢在自然界的平均丰度：11H = 99.9844%， 21H = 0.0156%。