现代地球化学-稳定同位素地球化学

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1、现代地球化学储雪蕾(E-mail:xlchu@mail.iggcas.ac.cn;电话:82998417)中国科学院研究生院中国科学院地质与地球物理研究所2010.9稳定同位素地球化学一．基本概念二．同位素组成及表示方法三．同位素分馏机制四．同位素地质温度计五．氢和氧同位素地球化学六．碳和硫同位素地球化学一、基本概念同位素（Isotope)定义核内质子数相同而中子数不同的同一类原子。同位素的分类：(1)放射性同位素：原子核不稳定，能自发进行放射性衰变或核裂变，而转变为其它一类核素的同位素称为放射性同位素。(2)稳定同

2、位素：原子核稳定，其本身不会自发进行放射性衰变或核裂变的同位素。核素表Z：质子数；N：中子数稳定同位素传统与非传统稳定同位素稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其变化。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(fractionation)，即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生了变化，使得一部分物质富集轻同位素，另一部分物质富集重同位素。一般传统稳定同位素研究限于质量数小于40的非金属元素，如氢(H/D)、碳(13C/12C)、氧(18O/16O和17O/16O)、硫(34S/32S和33S/32

3、S)和氮(15N/14N)等传统意义上的。最新多接收等离子体同位素质谱技术已经能够对一些过渡族金属元素的同位素分馏进行实验测定和研究，这些金属和卤族元素的稳定同位素，如Li、Mg、Cl、Ca、Cr、Fe、Cu、Zn、Se和Mo等构成了非传统稳定同位素研究的新领域。Mo的稳定同位素有7个,即92Mo,94Mo,95Mo,96Mo,97Mo,98Mo和100Mo。传统的稳定同位素非传统的稳定同位素传统稳定同位素的基本特征(1)原子量低（A＜40）。(2)同位素之间的相对质量差是大的。(3)化合物一般具有高度的共价键。(4

4、)元素有多个化学价，氧化态和还原态，如S和C；或化合物有多种状态，气、液、固态，如H和O。(5)低丰度的同位素应足够检测，以便保证质谱分析精度。同位素丰度（Isotopeabundance)在稳定同位素地球化学研究中的同位素丰度是指相对丰度，即指同一元素各同位素的相对含量。如氧有三种稳定同位素，它们在自然界的平均丰度为：16O=99.762%，17O=0.038%，18O=0.200%对轻的元素（Z＜20）来讲，一般最轻的同位素相对丰度是最高的，且有奇偶数规律。非放射成因稳定同位素的相对丰度和比值表示自然界中非放射成

5、因稳定同位素比值的变化范围同位素效应（Isotopeeffect)质量数不同的同位素取代造成元素在物理和化学性质上的差异，称为同位素效应。一般规律：元素的同位素相对质量差越大，同位素效应越显著。这解释了为什么自然界中H与D之间的同位素分馏远大于其它元12C和13C）之间的分馏；也解释了为什么传统稳定素的同位素（如同位素只探讨质量数小于40的元素。水分子的不同同位素变体的物理化学性质差异同位素效应的量子理论解释氢气分子的势能图D-D，即重同位素组成的分子零点能低于H-D和H-H，即较轻同位素组成的分子的零点能，所以重同

6、位素在化学反应产物中相对轻同位素是亏损的，而在残余的反应物中则相对富集。同位素比值（Isotoperatio)R=重同位素丰度/轻同位素丰度如：18O/16O，D/H，34S/32S，13C/12C同位素分馏（Isotopefractionation)同位素在不同物质或不同物相间分配比例不同的现象称之为同位素分馏。同位素分馏系数（Isotopefractionationfactor)αA-B=RA/RB即α值，表示某元素的同位素在两种物质（A和B）之间的分馏的程度。由于一般不同物质间同位素比值都很接近，α值在0.9x

7、xx至1.0xxx之间变化。二、同位素组成和表示方法δ值（δvalue）样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差。δ（‰）=［（R样–R标）/R标］X1000=［（R/R）-1］X1000样标R：样品的同位素比值，R：标准的同位素比值样标δ>0(正值）表明样品相对标准富集重同位素δ<0（负值）表明样品相对标准亏损重同位素δ=0表明样品与标准同位素比值相同氧同位素表示18181618161816δO（‰）={[(O/O)样–(O/O)标]/(O/O)标}X1000钼同位素表示同位素分馏系数α与δ值的关系αA-

8、B=(δA+1000)/(δB+1000)103lnα≈δ-δ=ΔA-BABA-B即lnα与A,B两种物质的δ值之差相关。A-B同位素平衡分馏系数与温度的关系103lnα=a/T2+b/T+c（T:K)其中a，b，c分别为常数。1）在一般低温下，a/T2可以忽略，简化：103lnα=b/T+c2）在高温下，b/T可以忽略，简化：3ln210α=