稳定同位素课件.ppt

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1、三、稳定同位素地球化学基本概念氧、氢同位素地球化学自然界氧、氢同位素分馏的主要原因氧同位素的应用(一)基本概念稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。轻稳定同位素：1）原子序数Z＜20，ΔA/A≥10%(ΔA为两同位素质量差)；2）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是可逆的。例：O、H、S、C、N元素的同位素。重稳定同位素：1）原子序数Z＞20，ΔA/A＜10%；2）发生同位素成分变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果所造成的，这种变化是不可逆的。238U→206Pb、235U

2、→207Pb、232Th→208Pb，其中87Sr、143Nd、206Pb、207Pb、208Pb是重稳定同位素。(二)氧、氢同位素地球化学氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们以单质和化合物的形式遍布全球。水是一种极为重要的氢氧化合物。氢和氧是生物圈的最基本的物质组成，是各种生物赖以生存的基础。氢和氧是地壳的重要组成成分。氢和氧是大气的重要组成部分。由氢和氧组成的水（H2O）不仅参与自然界的各种化学反应和地质作用，而且也是自然界各种物质运动、循环和能量传递的主要媒介物。氢有两个稳定同位素：氕（1H）

3、和氘(2H)。氕的天然平均丰度：99.9844％；氘的天然平均丰度：0.0156％。氢同位素1H和2H彼此间有着最大的相对质量差（100％），因而同位素分馏特别明显。地球上氢同位素分馏范围达700‰，这一特点对于氢同位素的地球化学行为的研究非常有利。氢氧稳定同位素的丰度通常我们能够把氧同位素和其它同位素结合起来使用，互相验证。例如在全球变化研究，常常把碳、氢、氧的三种同位素结合使用，同时分析，同时测定。在研究天然水的同位素组成时更是不可分离。氧有三个主要的稳定同位素：16O、17O、18O。它们的平

4、均丰度为：16O＝99.762％；17O＝0.038％；18O＝0.200％（它们的比例16O:17O:18O＝500:0.2:1）。氧同位素自然界中氢、氧同位素的分馏主要是蒸发、凝结过程的同位素分馏和水与岩石圈、大气圈及生物圈的不同物质之间的同位素交换引起的。动力过程，如植物的光合作用、呼吸作用等也能引起较小的同位素分馏。蒸发时，较轻的同位素组分（1H和16O）总是优先富集在气相中，富集的顺序取决于温度。氢氧稳定同位素分馏(二)氧、氢同位素地球化学（一）自然界氧、氢同位素分馏的主要原因1.蒸发~凝

5、聚分馏：氢有两种稳定同位素（H、D），氧有三种同位素（16O、17O、18O）；水可能有九种同位素分子组合：H216OHD16OD216OH217OHD17OD217OH218OHD18OD218O水在蒸发过程中轻水分子H216O比重水分子D218O易于富集在蒸汽相中，而凝聚作用相反，重的水分子优先凝结。因此在气、液相之间发生H、O同位素的物理分馏。氢氧同位素的纬度效应:由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚过程使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、雪）中集中了最轻的水（δ18O、δD趋向更大负值）；大洋

6、及赤道地区出现重水（δ18O、δD趋向更大正值）。赤道大洋：蒸发→大气中轻同位素富集→空气凝聚过程→重分子优先成雨→再进入海水→大气中轻同位素更加富集。水蒸汽运移：赤道→内陆/低纬度→高纬度结果：赤道海水富集重同位素；高纬度内陆雨、雪富集轻同位素。雨水线1）雨水线不过原点（海水值）；2）干旱和热带地区雨水线的斜率小于83）不同区域雨水线实际上有一定的差别。例如，我国八个城市雨水H、O同位素的关系为：δD=7.9δ18O+8.22.水~岩同位素交换反应当大气降水同岩石接触，水与矿物（岩石）之间发生氧同

7、位素交换反应：1/2Si16O2+H218O1/2Si18O2+H216O(25℃，α=1.0492)其结果是岩石中富集了18O，水中富集了16O。由于大部分岩石中氢的含量很低，因此，在水~岩交换反应中氢同位素成分变化不大。有实验证明，在含OH的矿物中，水-岩反应结果使得矿物的δD增高。原因：键强度3.矿物晶格的化学键对氧同位素的选择实验证明：Si—O—Si键矿物18O最富;Si—O—Al，Si—O—Mg，Si—O—Fe其次;含（OH）的矿物18O最贫。这与水分子富集16O的规律是一致的。4．生物

8、化学作用植物光合作用的结果使18O在植物体中富集，放出O2富含16O：2H216O+C18O22(HC18OH)n+16O2光合作用的实质是水的去氢作用，植物将水分解，吸收其中的H与CO2结合成有机化合物分子。实测活的生物体、有机体、生物碳酸盐都具有高的18O。自然界中由于以上氧同位素的分馏作用，使得在不同地质体中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：有机体和CO2中18O/16O：2.1×10-3，最高地表水（H2O）18O/16O：1.98×10-3，最低岩浆岩、