地球化学讲义+第五章同位素地球化学（中国地质大学）

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1、地球科学学院地球化学教研室——多媒体课件地球化学geochem@cug.edu.cn第五章同位素地球化学同位素地球化学是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的科学。同位素地球化学中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新第五章同位素地球化学本章内容自然界引起同位素成分变化的原因同位素年代学稳定同位素地球化学中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新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

2、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。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新一、自然界引起同位素成分变化的原因核素的性质同位素分类同位素成分的测定及表示方法自然界引起同位素成分变化的原因中国地质大学

3、地球科学学院地球化学系制作，更新一、自然界引起同位素成分变化的原因（一）核素的性质1.什么叫核素?由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子核称为核素，任何一个核素都可以用A=P+N这三个参数来表示。而具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组核素称为同位素。O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此，氧有质量数分别为16O、17O、18O三个同位素。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新(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。

4、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。(3)核素具有丰度：自然界的核素具有两种丰度。一是核素的绝对丰度，是指自然界各种核素存在的总量，它与组成核素的核子数量和结构有关，反映核素的稳定性。当原子序数Z<20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰度高；当2083时

5、，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。二是核素的相对丰度，是指元素同位素所占总质量的百分数，例如大气中三个氧同位素的相对丰度是:16O：99.763%；17O：0.0375%；18O：0.1995%。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新(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

6、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)核素的性质中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新(二)同位素分类从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素：一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素；另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素。然而，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

7、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1017年的就称稳定同位素，反之则称为放射性同位素。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新(三)同位素成分的测定及表示方法一般来说质量数A＜209的同位素大部分是稳定的，只有少数是放射性的,如14C，40K，87Rb；而质量数大于209的同位素全部属于放射性同位素。一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中同位素最多的是Sn元素，有10个同位素：112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素

8、：Be、F、Na、Al、P等27种。其余大多数由2-5种同位素组成。中国地质大学地球科学学院地球化学系制作，更新(三)同位素成分的测定及表示方法一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释等环节。下面简单介绍一下化学制样及质谱