氢氧同位素分馏机理及其在地学中的应用
同位素地球化学在油气领域上的应用
同位素地球化学在油气领域上的应用同位素地球化学是研究地球上同位素的分布、变化和地球化学过程的一门学科。
在油气领域，同位素地球化学的应用主要体现在以下几个方面。
同位素地球化学可以用于研究油气的形成和演化过程。
通过分析油气中的同位素组成，可以确定油气的来源和成因。
例如，通过测定油气中的碳同位素比值，可以判断油气是来自海相还是陆相沉积环境，从而指导勘探工作。
同时，同位素地球化学还可以揭示油气的演化过程。
例如，通过测定油气中的氢同位素比值，可以判断油气的成熟度和演化过程，为油气勘探和开发提供重要依据。
同位素地球化学可以用于判别油气的来源和成因。
不同地质环境和沉积条件下形成的油气具有不同的同位素特征。
通过测定油气中的同位素组成，可以确定油气的来源和成因。
例如，通过测定油气中的氮同位素比值，可以判别油气的有机质来源，如海洋生物还是陆地植物。
同时，同位素地球化学还可以用于判别油气的类型和成分。
例如，通过测定油气中的氧同位素比值，可以判别油气中是否存在生物碳酸盐的组分，从而判断油气的类型和成分。
第三，同位素地球化学可以用于研究油气的运移和储集过程。
油气在地下储层中的运移和储集过程受到地质构造、岩石孔隙结构和流体作用等因素的影响。
通过测定油气中的同位素组成，可以揭示油气的运移和储集过程。
例如，通过测定油气中的氦同位素比值，可以确定油气的来源和运移路径，为油气勘探和开发提供重要依据。
同时，同位素地球化学还可以揭示油气在地下储层中的运移和储集机制。
例如，通过测定油气中的硫同位素比值，可以判断油气中硫化氢的来源和生成机制，从而揭示油气在地下储层中的运移和储集过程。
同位素地球化学还可以用于研究油气的污染和环境影响。
随着油气勘探和开发的不断深入，油气的污染和环境影响问题日益突出。
通过测定油气中的同位素组成，可以揭示油气的污染来源和迁移路径，为油气污染防治提供科学依据。
例如，通过测定地下水和土壤中的同位素组成，可以判断是否存在油气污染，从而指导油气污染防治工作。
同位素地球化学和分馏效应(氢氧同位素)
2 稳定同位素的标准值、实测值和成矿过程的
同位素效应
（1）氢-氧同位素 1)标准值(SMOW) The the Hydrogen isotope on Natural abundance: 2D: 1H=0.0156:99.9844; δDi(Pre mil)=[( D/H)i- (D/H )Standard]/ (D/H)Standard]×1000 Standard: Standard Mean ocean Water(SMOW) (D/H)SMOW=1.050(D/H)NBS-1 NBS-1:National Bureau of Sandards(USA)
一、稳定同位素
1. 轻元素的稳定同位素表示方法和分馏
（1）表示方法 目前，以发现稳定同位素数目大约300多种，而
目前应用在 矿床研究领域的稳定同位素主要有S、 H-O、C-O、N、Si、Li、B等。通常用轻稳定同位素 的组成来表示（δ），这是因为： ①原子量小，同位素组成变化大； ②同一元素的轻同位素与重同位素的质量差大，如⊿21H/1H=100%、⊿13-12C/12C=8.3%、⊿18-16O/16O=12.5%、 ⊿34-32S/32S=6.3%； ③它们形成的化学键以强共价键为特征； ④碳、硫、氮具有可变的电价； ⑤同一元素的轻同位素比重同位素具有更高的丰度。
Gregory et al.（1986）和Criss et al.（1987）基于δ-δ图 解原理，给出了开放体系中同位素交换反映的表达式。它们的结 果可以直接转化为δ-△表达式。下面简要讨论的多相封闭体系中 的同位素交换特征，根据质量守衡定律，有：
δx=x1δ1+x2δ2+x3δ3+x4δ4+xiδi
离图中的直线，说明体系为非平衡分馏（图1-1）。
现代同位素地球化学第三讲现代同位素地球化学第三讲
现代同位素地球化学第三讲氢氧同位素地球化学3.1 概况3.2 δD 和δ18O 在自然界的分布3.3 δD 和δ18O在地学研究中的应用3.1 概况•H=99.985%; D=0.015%; T=1x10-15%;•H和D之间有最大的质量差（100%）和最大的同位素分馏(700‰)；•水/岩反应中，δD一般不发生变化；•16O=99.72%; 17O=0.038%; 18O=0.2%;•分析精度要求：δD：±1‰；δ18O：±0.1‰l自然界中氢、氧同位素的分馏主要是平衡交换过程引起的。
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。
l蒸发过程也会造成氢、氧同位素的分馏。
蒸发时，较轻的同位素组分（1H和16O）总是优先富集在汽相中，富集的顺序取决于温度。
3.2 δD 和δ18O 在自然界的分布3.2.1 天外物质l陨石中δ18O 相差不大: 无球粒陨石和铁陨3.7~4.4‰, 普通球粒陨石、顽火球粒陨石和顽火无球粒陨石5.3~6.3‰;l月岩全岩δ18O 为5.67~6.3‰, 均较低, 原因: 温度高; 无沉积岩;l月岩δD很低: -68 ~ -917‰l月岩中单矿物: 3.9~7.15‰; 石英>斜长石>辉石>橄榄石>钛铁矿, 18O已达平衡;l月岩共生矿物间δ18O相差很小, 表明: 温度很高; 缺少流体;l月壤δ18O相对较高: 5.72~7.34‰3.2.2 天然水l1.海水:seawaterl2. 大气降水: meteoric watersl3.岩浆水(magmatic water):water-dominated hydrothermal fluids that separate from magmas l4. 同生水(建造水)(connate water, formation water, basinal fluid): connate waters trapped in pore spaces in sedimentsl5. 变质水(metamorphic water): fluidsassociated with metamorphic processes•同生水或沉积热卤水：指与沉积岩同时沉积且封闭于地层孔隙或层间的水。
11第18讲 同位素分馏应用-3
n dC * ( RI i I i k i i C i * ) dt i 1 输入土壤的植物残体不是均质的，其中的蛋白 质、脂类、纤维素等的碳同位素组成是不同的。 在透气良好的土壤中因分解速率不同而导致残留 物的碳同位素组成变化的情况并不多见，但在淹 水的沼泽里木质素等更多地保留在土壤里，导致 土壤有机质的同位素组成与输入的木质素比例密 切相关。
33 34
Peterson & Fry, 1987
营养级计算
营养级位置 ( 15 N消费者 15 Nbaseline) / 系数 2
这里以初级消费者 为计算起点，其营 养级为2级
35 36
不同湖泊的食物链长度相差较大
崔骁勇
6
绪论
2011-10-26
7 动物迁徙研究
7.1 动物水源的研究
AT ATt
(1) (2) (3)
AL1 / AL0 ln AT / AT ( AT0 AT1 ) 1 0 t ln( AT1 / AT0 )
e: NH4+ 的15N原子百分超；AL: 15NH4+； AT：NH4+ 0，1：起始和培养终了
19
(i n)d((ATt AT0 )/(m i n)) ATt AT0
该方法的前提和假设
(1) 培养期间矿化和固定的速率保持不变，0级反应 短时间内成立 (2) 固定后的15N不再矿化 温带土壤培养1周内成立 (3) 微生物对14N和15N没有歧视 难以完全成立
m gross
( AT0 AT1 ) ln( e1 / e0 ) ln( AT1 / AT0 ) t
Boström et al., Oecologia 2007 Isotope fractionation and 13C enrichment in soil profiles during the decomposition of soil organic matter
氢氧同位素交换动力学及其地质意义
火山地质与矿产第22卷第4号2001年VOLCANOLOGY&MINERAL RESOURCES Vol.22No.4文章编号:1003-9414(2001)04-0244-08氢氧同位素交换动力学及其地质意义¹钱雅倩,郭吉保,邱永泉(南京地质矿产研究所,江苏南京210016)(国土资源部同位素地质开放实验室,北京100037)(南京大学内生矿床成矿作用国家重点开放实验室,江苏南京210008)摘要:氢氧同位素交换动力学是同位素地球化学学科的前沿。
它使同位素地球化学的研究由静态向动态、定性向定量、封闭体系向开放体系发展;为各种天然地质过程的研究定量提供有关的时间、温度、作用机制、演化途径及地质体的冷却史等重要信息。
本文概述了氢氧同位素交换动力学参数、同位素交换动力学模式、在地学研究中的应用及实验测试新技术等。
关键词:氢氧同位素;动力学参数;动力学模式;地质意义中图分类号:P59文献标识码:A1概况当前国内外对稳定同位素地球化学的研究已取得了大量有意义的成果,对地球科学的发展起了积极的推动作用。
但以往的研究主要基于同位素平衡分馏理论,研究的前提条件大多假设地质体中共生矿物组合间已达到同位素平衡,矿物的形成温度即为同位素交换的封闭温度。
但随着研究工作的深入,发现自然界有相当多的地质体中同位素交换并非都达到了平衡,非平衡现象时有发生,甚至还有倒转现象出现。
不少矿物的同位素交换封闭温度远低于其形成温度,同位素交换不平衡是十分常见的。
对于此类地质体必须借助于同位素交换动力学理论才能作出合理解释。
许多天然地质体的形成都经历了复杂多变的演化发展过程(包括成岩成矿过程等),大多伴有性质、来源和同位素组成不同的流体(水)参与,并且发生流体(水)和岩石(矿物)间的氢氧同位素交换,引起同位素动力分馏,此乃地质过程中保存下来的十分有用的原始地质记录。
无疑开展氢氧同位素交换动力学的研究,可为深入了解各种天然地质过程,定量提供有关的时间参数、瞬时温度、作用机制、演化途径等重要信息,也可为动态研究地质过程中不同阶段(期、次)、不同性质流体的来源及其参与时间、温度、流体的流速、流量和环流途径,地质体的冷却史和同位素动力分馏与成矿作用的关系等¹收稿日期:2001-06-23基金项目:国家自然科学基金项目(40073003)、国土资源部科技司自由探索项目(2000437)资助。
3-同位素地球化学和分馏效应(氢氧同位素)解析
①
一种元素的重同位素总是优先富集在化学键追强的 分子中。因此。两种物质之间的化学键强度相差愈大， 它们之间的分馏系数ɑ也愈大。 ② 分馏系数与元素的原子量数成反比，即同位素的分 馏程度与随元素原子数的增大而减小。 ③ 分馏系数与分子能量有关，而分子的振动能量又与 温度有关。温度愈高，因交化反映引起的同位素分馏 与不明显，分馏系数与温度成反比。 物理和化学过程中，同位素的分馏过程的热力学效应表 现含轻同位素的分子比含重同位素的分子更活跃，更 易参与作用。 各实验是采用的标样不同，统一换算标准公式为： δ样-标=δ样-工 +δ工-标+δ样-工×δ工-标×10-3 δ样-标：以国际标准表示的样品的δ值；δ样-工：是以 工作标准表示的样品的δ值；δ工-标：以国际标准表示 的工作标准的δ值
一、稳定同位素
1. 轻元素的稳定同位素表示方法和分馏 （1）表示方法 目前，以发现稳定同位素数目大约 300 多种，而 目前应用在 矿床研究领域的稳定同位素主要有 S 、 H-O 、 C-O 、 N 、 Si 、 Li 、 B 等。通常用轻稳定同位素 的组成来表示（δ），这是因为： ①原子量小，同位素组成变化大； ②同一元素的轻同位素与重同位素的质量差大，如⊿21H/1H=100%、⊿13-12C/12C=8.3%、⊿18-16O/16O=12.5%、 ⊿34-32S/32S=6.3%； ③它们形成的化学键以强共价键为特征； ④碳、硫、氮具有可变的电价； ⑤同一元素的轻同位素比重同位素具有更高的丰度。
轻稳定同位素的比值（ R ）可定义为样品 中某种元素的两种稳定同位素比值（R样）相对 标准样品中相应比值（R标）的千分差：
δ=[（R样- R标）]/ R标×1000
（2） 轻同位素分馏
同位素分馏是指在一系统中，某元素的同位素 以不同的比值分配到两种物质或物相中的现象；同 位素分馏系数ɑ值，表达形式为： ɑA，B=RA/RB， R表示两种物质的同位素比值，当ɑA， B>1表示物质A 比物质 B 富集重同位素，相反表示物质 A 比物质 B 富 集氢同位素。 ɑA-B=（1+δA/1000）/(1+δB/1000)= （1000+δA） /(1000+δB) 由此可见，只要测定一个体系内两种物质的 δ 值，便可以根据上是求得两种物质间的同位素分馏 系 数 ɑ 。 ɑA ， B≥1 时 ， δA≥δB ； 当 ɑA ， B≤1 ， δA≤δB。根据热力学量子理论，同位素分馏系数ɑ 值的同下列因素有关：
同位素分馏特征
同位素分馏特征同位素分馏是指在自然界或实验中，同一元素不同同位素在物理或化学过程中发生分离的现象。
这种分馏现象是由于同一元素的不同同位素具有不同的质量，从而在物理或化学反应中表现出不同的性质和行为。
同位素分馏在地质学、化学、生物学等领域都有重要的应用，对于研究地球演化、环境变化以及生物过程等具有重要意义。
同位素分馏可以发生在自然界中的各种物理和化学过程中。
其中最常见的是地球上的重力分馏和化学反应分馏。
重力分馏是指在地球上的重力场中，不同同位素由于质量差异而发生分离。
例如，地球大气层中气体的分馏就是由于不同同位素的质量差异而引起的。
在地球大气层中，较轻的同位素会相对富集在高处，而较重的同位素则相对富集在低处。
这种分馏现象对于研究大气层的物质循环、气候变化等具有重要意义。
化学反应分馏是指在化学反应中，不同同位素由于化学反应速率的差异而发生分离。
化学反应速率的差异与同位素的电子结构和化学键强度等因素有关。
在化学反应中，速率较快的同位素会相对富集在反应产物中，而速率较慢的同位素则相对富集在反应物中。
这种分馏现象对于研究化学反应动力学、同位素地球化学等具有重要意义。
同位素分馏在地质学上有着广泛的应用。
通过分析地球中不同同位素的比例，可以了解地球的演化历史、地壳运动、岩石形成等过程。
例如，通过分析岩石中铅同位素的比例，可以确定岩石的年龄和形成过程；通过分析大气中氧同位素的比例，可以了解过去气候变化的情况。
同位素分馏还可以用于研究地下水资源的形成和演化过程，以及地下水与地表水的相互作用。
在化学和生物学领域，同位素分馏也有着重要的应用。
通过研究同位素的分馏过程，可以了解化学反应的机理和动力学。
例如，通过研究碳同位素的分馏过程，可以了解生物体内碳的代谢和循环过程。
同位素分馏还可以用于研究生物体的食物链和生态系统的结构与功能。
通过研究不同生物体中同位素的比例，可以了解食物链中能量和物质的传递过程，以及生态系统中的能量流动和物质循环。
氢氧同位素1
13
C：CO22- →CO2 →C →CH4 →CO
34
S： 辉钼矿→黄铁矿→闪锌矿→磁黄铁 矿→黄铜矿→斑铜矿→硫镉矿→铜蓝→方 铅矿→辰砂→辉铜矿→辉锑矿→辉铋矿→ 辉银矿 在一个矿床中不同的矿物的同位素交换是 否达到平衡，上述分配序列是一个判别标 准。使用同位素温度计时，共存的矿物的 同位素组成必须符合上述序列。
第三讲
稳定同位素在矿床学中的 应用
思考题
1、同位素的分馏有哪些形式？ 2、各种同位素平衡条件下，相对重同位素递 减序列。 3、主要的同位素分析标准有哪些？ 4、什么是氧同位素的内部温度计和外部温度 计？应用时应该注意哪些问题？ 5、各种成因水的同位素组成的范围 6、说出集中氧同位素在矿床研究中的应用。
Pb:
CIT标准：18.625，15.475，36.300 GS4标准：16.158，15.406，35.841 NBS： 16.937，15.491，36.721
三、样品的表示方法：
δ18O=[（18O/16O）样品-（18O/16O）smow]/ （18O/16O） smow ×1000 ‰
第一节 概述
一、同位素分馏
不同的同位素组成的分子之间的相对质量差， 会对分子中原子的振荡、化合物的一系列的 物理常数和热力学函数产生一定成的影响， 因此在物质运动过程中会表现出同位素的分 馏现象。 同位素分馏是指在一个系统中，某元素的同 位素以不同的比值分配到两种物质货物相中 的现象。
3、 还原作用
海水硫酸盐与岩石中 Fe3+ 反应（无机作 用）： SO42- + 8Fe2+ + 10H+==H2S + 8Fe3+ + 4H2O
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氢氧同位素分馏机理及其在地学中的应用
氢氧同位素，即水分子中的一部分原子核，因为其由氢原子和氧原子组成，通
常被称为氢氧。
氢氧同位素具有由氢原子和氧原子组成的两种稳定同位素，分别为氘（D）和氚（T）。
T和D的物理性质和化学性质几乎完全一致，但是它们具有偏
振性，氢氧同位素基本上具有可从水中分离的特性。
氢氧同位素分馏是通过将氢氧同位素与沉淀或离子固形物中的氢氧同位素不同
之处，使其于趋势和反应强度的不同，实现氢氧同位素的分馏。
氢氧同位素分馏受气体净化设备（如填料，柱式储存系统或反渗透模块）影响，该设备可以释放油气，并将氢氧同位素从气体中分离出来。
这种分离技术可以使氢氧同位素从接近自然的状态中进行选择性的提取。
在地学研究中，水的氢氧同位素分馏是研究流域源，特别是流域和质量循环过
程中重要作用的重要研究手段。
氢氧同位素被广泛用于地学研究，从流域水循环研究中推断水源，估算污染物迁移的距离以及研究特定区域的潮汐循环等。
氢氧同位素的分馏还可以为古气候研究提供参考，所以它还被广泛用于古气候研究。
因此，氢氧同位素的分馏在地学研究中发挥着重要的作用，有助于我们更好地
了解地壳结构、古气候变化以及物质迁移路径。
未来，氢氧同位素分馏将继续被广泛应用于地学研究领域，为地学研究和教育提供重要技术支持。