同位素地球化学(看放射性的部分)
地球化学中的同位素研究及其应用
地球化学中的同位素研究及其应用地球化学是研究地球上各种化学现象和过程的科学学科。
同位素是元素具有相同的原子序数和化学性质，但质量数不同的不同种类的原子，其在地球化学研究中发挥着重要的作用。
本文将探讨地球化学中的同位素研究以及其在不同领域的应用。
一、同位素的定义和分类同位素是指具有相同原子序数（即原子核中质子的数量相同）但质量数（即原子核中质子和中子的数量之和）不同的原子。
同位素的存在使得地球化学研究可以根据元素的同位素组成来分析物质起源、演化和地球系统中的各种过程。
同位素一般可以分为稳定同位素和放射性同位素两类。
稳定同位素是指在地球化学研究中具有稳定存在状态的同位素，如氢的两种同位素氢-1和氢-2，氧的三种同位素氧-16、氧-17和氧-18。
放射性同位素是指具有不稳定存在状态的同位素，如铀系列的235U和238U以及镭系列的226Ra等。
二、地球化学中的同位素研究方法1. 同位素质谱法同位素质谱法是地球化学研究中常用的分析技术，它可以通过测量元素的同位素比例来获取有关地球物质起源和演化的信息。
该技术基于同位素质量分析仪器，可以对地球系统中的各种物质样品进行同位素组成的测定。
2. 同位素示踪法同位素示踪法是地球化学研究中常用的实验手段，它通过采集含有某种同位素标记的物质，并追踪其在地球系统中的传输和转化过程。
该方法可以帮助科学家们了解物质的迁移路径、生物地球化学循环等过程，为地球系统模型的构建和预测提供重要依据。
三、地球化学中的同位素研究应用1. 地质探测地球化学中的同位素研究可以用于地质探测，例如利用同位素示踪法可以追踪岩石中的放射性同位素衰变过程，从而确定岩石的年代和形成过程。
这对于研究地质构造、地壳运动以及矿床形成等具有重要意义。
2. 古气候研究同位素的组成可以反映地球气候变化的过程。
通过对冰川和海洋沉积物中的同位素比例进行分析，可以了解过去气候变化的规律和机制。
这对于预测未来气候变化趋势以及制定环境保护政策有重要意义。
地球化学在地质年代学中的应用利用同位素定年方法
地球化学在地质年代学中的应用利用同位素定年方法地球化学在地质年代学中的应用——利用同位素定年方法地质年代学是研究地球历史和地质事件发生的时间顺序的学科。
在过去的几十年里，地球化学已经成为地质年代学中不可或缺的重要工具之一。
地球化学通过分析地球上不同元素的同位素比例，利用同位素定年方法帮助我们理解地质事件的发生时间和持续时间。
本文将介绍地球化学在地质年代学中的应用，并讨论同位素定年方法的原理和几个典型案例。
一、同位素定年方法的原理同位素即具有相同原子序数但不同质量数的元素。
同位素的存在使得我们能够利用其不稳定性进行年代测定。
同位素定年方法基于同位素的衰变速率，通过测量样品中稳定同位素与不稳定同位素的比例，推断样品的年龄。
最常用的同位素定年方法包括放射性同位素衰变法、稳定同位素比例法和同位素年龄比对法。
二、放射性同位素衰变法放射性同位素衰变法利用放射性同位素（例如铀、钾、碳）在时间上的稳定衰变来测定岩石和矿物的年龄。
通过测量样品中稳定同位素与不稳定同位素的比例，计算衰变时间，推算样品的年龄。
这种方法主要适用于岩石、矿物和有机物的年龄确定。
三、稳定同位素比例法稳定同位素比例法使用地球上不同元素的稳定同位素比例来确定地质事件的时间序列。
常用的稳定同位素包括氢、氧、碳和硫。
通过比较不同沉积岩样本中同位素的比例变化，可以确定岩石形成的时间，从而推测地质事件的年代。
该方法适用于古气候研究、古环境变化等领域。
四、同位素年龄比对法同位素年龄比对法是通过将同位素定年方法和地质年代学的基本原理相结合来确定地质事件的时间序列。
该方法基于不同地质事件中形成的岩石或矿物所含同位素的比例差异，通过与已知地质历史事件进行对比，推断地质事件的年代。
这种方法对于比较复杂的地质事件序列的年龄确定非常有用。
五、地球化学在地质年代学中的应用地球化学在地质年代学中发挥着重要的作用。
通过同位素定年方法，我们可以确定各种地质事件的年代，例如地壳运动、火山喷发和陨石撞击等。
地球化学研究中的同位素测年技术
地球化学研究中的同位素测年技术地球化学研究中的同位素测年技术被广泛应用于地质学、地球科学、考古学等领域，为我们揭示了地球历史的面纱。
同位素测年技术是通过分析地质物质中不同同位素的比例来确定物质的年龄，其原理基于同位素在自然界中的稳定性和放射性衰变的特性。
本文将介绍同位素测年技术的原理、应用领域及其在地球化学研究中的重要性。
一、同位素测年技术的原理同位素是同一个元素中具有相同原子序数但质量数不同的核素。
同位素的稳定性是同位素测年技术有效应用的基础，而放射性同位素的衰变性质则被用于测定物质的年龄。
同位素测年技术的核心原理是根据衰变速率和父母同位素与子女同位素之间的比例关系来计算样品的年龄。
放射性同位素的衰变速率是稳定的，衰变过程中父母同位素的逐渐减少，而子女同位素的比例逐渐增加。
通过测量样品中父母同位素和子女同位素的含量，可以计算出样品的年龄。
二、同位素测年技术的应用领域同位素测年技术广泛应用于地质学、地球科学和考古学等领域，为研究地球历史和人类活动提供了重要的依据。
在地质学中，同位素测年技术可以用于确定岩石和矿石的形成时间，揭示地球地质演化的过程。
例如，铀系同位素测年方法可以用于测定岩石的年龄，帮助我们了解地球各个时期的构造变化和地球表面的历史。
在地球科学中，同位素测年技术被用于研究地球大气和海洋的循环过程，揭示气候变化的规律。
通过分析大气和海洋中的同位素比例，可以推断过去的气候环境，为预测未来的气候变化提供参考依据。
在考古学中，同位素测年技术被用于确定考古遗址中文物和生物化石的年代，揭示人类活动的发展历程。
通过测定遗址中的有机物的同位素比例，可以推断人类定居和活动的时间，帮助我们了解古代文明的兴衰和民族迁徙的历史。
三、同位素测年技术在地球化学研究中的重要性同位素测年技术在地球化学研究中具有重要的地位和作用。
首先，同位素测年技术是地球化学研究的重要方法之一，通过分析样品中同位素的比例，可以确定样品的年龄和形成过程，从而揭示地球的演化历史。
放射性同位素地球化学
0
Ha wai i
160 ¡
180 ¡
160 ¡
放射性同位素地球化学
140 ¡
North America
120 ¡
放射性同位素地球化学
Jason Morgan‘s Plume Model
• Upwelling from thermal boundary layer at the base of the mantle
放射性同位素地球化学
2.1 地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构
放射性同位素地球化学
放射性同位素地球化学
类地行星的形成
放射性同位素地球化学
主要陨石类型的相对含量
普通球粒陨石
普通球粒陨石
放射性同位素地球化学
球粒陨石类的主要特征
放射性同位素地球化学
碳质球粒陨石组 成与太阳光球的 组成基本一致
通用二元混合方程
• Vollmer（1976）和Langmuir等（1978）先后 给出了二元混合体系微量元素浓度的通用表 达式。该式理论上可适用于任何元素和同位 素。对任何一个二组份混合体系，其方程为
Ax＋Bxy＋Cy＋D＝0 （5.62） • 其中x，y是横坐标、纵坐标的变量，可以是
元素或元素的比值。当端元1和端元2上的坐 标即比值为（x1，y1）（x2，y2）时系数可表 示为：
放射性同位素地球化学
亏损地幔的贡献－大洋地壳的形成
拉斑玄武岩
放射性同位素地球化学
放射性同位素地球化学
富集地幔的贡献－大洋岛的形成
碱性玄武岩
放射性同位素地球化学
Kamtschatka
60 ¡ Alaska
70
PACIFIC
40 ¡
地球化学考点整理
一、主量元素：把研究体系（矿物、岩石）中元素含量大于1%的元素称为主量元素。
微量元素：研究体系中浓度低到可以近似地服从稀溶液定律的元素称为微量元素。
二、放射性同位素：原子核不稳定，它们以一定方式自发地衰变成其他核素的同位素。
放射性成因同位素：由放射性元素衰变而形成的同位素。
三、能斯特分配系数：在一定的温度、压力条件下，当两个共存地质相A、B平衡时，以相同形式均匀赋存于其中的微量组分i在两相中的浓度比值为一常数，该常数称为能斯特分配系数。
四、元素的地球化学亲和性：在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出来的有选择地与某种阴离子结合的特性，称为元素的地球化学亲和性。
五、高场强元素：离子半径小，离子电荷高，离子电位>3，难溶于水，化学性质稳定，为非活动性元素。
如：Th、Nb、Ta、Zr。
大离子亲石元素：离子半径大，离子电荷低，离子电位<3，易溶于水，化学性质活泼，地球化学活动性强。
如：Rb，K，Cs，Ba。
六、亲铁元素：在自然体系中，特别是在O、S丰度低的情况下，一些金属元素不能形成阳离子，只能以自然金属形式存在，它们常常与金属铁共生，以金属键性相互结合，这些元素具有亲铁性，属于亲铁元素。
七、放射性同位素的衰变方式：（1）β-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子，β-质点被射出核外，同时放出中微子v。
（2）电子捕获：原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层，故又称K层捕获），与一个质子结合变成一个中子。
（3）α衰变：重核通过放射出由两个质子和两个中子组成的α质点而转变成稳定核。
（4）重核裂变：重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片。
八、盐效应：当溶液中存在易溶盐类（强电解质）时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称盐效应。
电负性：电负性等于电离能（I）与电子亲和性（E）之和X=I+E，可用于度量中性原子得失电子的难易程度。
地球化学研究中的同位素分析技术
地球化学研究中的同位素分析技术地球化学研究是研究地球和行星体中的元素组成、地球历史演化以及地球的生命起源和演化等问题的学科。
同位素分析技术在地球化学研究领域中起着重要作用。
同位素是同一元素的不同质量核素，具有不同的原子质量，通过同位素的测量，可以揭示地球和宇宙中的一些重要物理、化学和生物过程。
本文将介绍地球化学研究中常用的同位素分析技术。
一、同位素分析技术的原理同位素分析技术是基于同位素的相对丰度差异进行的一种分析方法。
同位素相对丰度的测量可以通过质谱仪、质光谱仪、中子活化分析等手段进行。
这些方法通过测量同位素的质量、电荷、光谱峰位置等特性，从而确定样品中不同同位素的相对含量。
二、同位素分析技术的应用1. 放射性同位素分析放射性同位素是一种具有放射性衰变性质的同位素，通过测量放射性同位素的衰变速率，可以推断出地质历史、地球年龄以及地球内部的物质循环过程。
常用的放射性同位素分析技术包括铀系列、钍系列和钾系列等。
2. 稳定同位素分析稳定同位素是指不发生放射性衰变的同位素。
稳定同位素分析常用于研究地球系统中的元素循环、生物地球化学循环以及古气候变化等问题。
例如，氧同位素分析技术可以用于研究古气候变化、古海洋生物演化等；碳同位素分析技术可以用于研究碳循环、生物地球化学循环等。
3. 稳定同位素示踪技术稳定同位素示踪技术是通过测量示踪物中同位素的相对含量变化来研究地质过程和环境变化的方法。
例如，氧同位素示踪技术可以用于研究水循环、地下水补给和河流水源等；硫同位素示踪技术可以用于研究硫的来源、硫循环以及硫化物的形成和分解等。
三、同位素分析技术的挑战和发展趋势同位素分析技术在地球化学研究中起着重要作用，但也存在一些挑战。
首先，同位素分析技术需要高精度的仪器设备和实验条件，成本较高。
其次，样品准备和分析过程中存在一定的干扰因素，影响测量的准确性和可重复性。
此外，某些同位素的测量范围和准确性仍然有待提高。
为了克服这些挑战，同位素分析技术正在不断发展。
放射性成因同位素地球化学参数的误差计算:以Hf-Nd-Sr同位素为例
放射性成因同位素地球化学参数的误差计算：以Hf-Nd-Sr同位素为例吴宇宸;杨岳衡;杨进辉【摘要】放射性成因同位素地球化学中的参数大多不是直接测量量,而是由几个直接测量量经计算所得,其误差也受到这几个测量量误差的影响,涉及到比较复杂的误差传递问题.本文在介绍方差、标准偏差和标准误差等概念基础上,阐述误差合成与传递的基本原理与方法,然后以Hf-Nd-Sr同位素为例论述若干重要同位素地球化学参数的误差计算问题,并给出方便读者使用的Excel计算表格,对放射性成因同位素地球化学研究与应用有一定的使用价值和参考意义.【期刊名称】《地球化学》【年(卷),期】2015(044)006【总页数】8页(P600-607)【关键词】误差;传递系数;同位素;地球化学;Hf-Nd-Sr同位素【作者】吴宇宸;杨岳衡;杨进辉【作者单位】北京大学数学科学学院,北京100871;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029【正文语种】中文【中图分类】P5970 引言同位素地球化学是地球科学的重要分支学科,目前在地球的形成与演化、地质作用的进程与机理等方面的研究中发挥着越来越重要的作用[1]。
可以说, 同位素地球化学已成为解决地球科学重大问题不可或缺的重要工具[2]。
同位素地球化学包括放射性成因同位素和稳定同位素地球化学两个主要方面,其中放射性成因同位素地球化学的核心是利用放射性衰变基本原理和母-子体的质量关系, 确定若干同位素地球化学参数, 然后根据这些参数来对地球的地球化学储库和地质作用过程等进行定量刻画。
很显然, 这些地球化学参数数值的大小及性质对我们来说至关重要。
同等重要的是这些参数的误差, 因为它决定了这些参数的可信范围。
一般说来, 基于同位素比值的这些地球化学参数涵义各不相同, 甚至涉及复杂的数学运算。
显然, 这些参数误差的确定需要一定, 甚至专门的数学知识。
本文从误差的基本概念出发, 介绍误差运算的基本方法, 然后介绍Sr-Nd-Hf同位素体系中代表性地球化学参数的误差计算实例, 并附有简洁明了的Excel计算表格, 供读者使用。
地球化学研究中的放射性同位素示踪技术
地球化学研究中的放射性同位素示踪技术放射性同位素具有放射性衰变的性质，可以通过其衰变特性对其存在时间和空间位置进行潜在记录。
因此，放射性同位素在地球化学研究中是一项非常有用的示踪技术。
放射性同位素的种类繁多，包括三种自然界存在的放射性同位素：铀系列中的^238U、钍系列中的^232Th和钾系列中的^40K，以及人工合成的同位素。
利用不同的放射性同位素及其衰变产物的测定，可以用于追踪不同类型的地球化学过程，如岩浆活动、沉积作用、地壳物质循环等。
岩浆活动是地球化学研究的重要内容之一，而利用放射性同位素示踪技术可以更全面地研究岩浆演化过程。
例如，锆石（ZrSiO_4）是一种常见的矿物，在岩浆岩中存在着大量锆石。
由于锆石在形成过程中会通过吸收不同元素形成其晶格，因此可以通过不同锆石晶体中同位素的比值演化来了解不同代岩浆的演化历程。
同样，稀土元素也存在着类似的示踪意义。
通过稀土元素的同位素比较，可以揭示成因不同的岩石对稀土元素的早期富集和后期再富集的过程。
在沉积作用中，放射性同位素同样可以作为一种重要的示踪剂。
沉积物的源区及其沉积环境类型、沉积深度都可以通过对同位素的测定来加以分析。
例如，放射性同位素碳14（^14C）被广泛应用于古气候和古环境的研究中。
碳可以进入到有机物和无机物中，在生物运动中不断地相互转换，当生物体死亡后，碳的摄取行为将被停止。
^14C的衰变速率很快，其半衰期约为5,700年，因此可以用它来确定化石年代，通过同位素比值的变化，可以推测出古代气候、环境等变化后果。
另外，在地球化学循环过程中，放射性同位素同样扮演着重要的角色。
例如，放射性同位素铀（U）和钍（Th）在地壳并非均匀存在，而是与岩石中的钙、钠、钾、铝等元素进行结晶或交换，从而形成了各种性质的矿物。
在矿物形成结束后，随着时间的推移，U和Th会发生衰变，产生一系列较为稳定的同位素，并释放出能量，影响化学反应和地球化学过程的发生。
综上所述，放射性同位素示踪技术在地球化学研究中起到了非常重要的作用。
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§1 固体同位素样品实验技术简介
D/Ds=(D/Ds) 0+P/Ds(eλt -1) 87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr) 0 +87Rb/86Sr (eλt -1)
质谱测定
定量分析（同位素稀释分析）
两个步骤： 1、化学分离 2、质谱测定
研究领域 包括有两个方面： 1、同位素地质年代学 2、稳定同位素地球化学
同位素地质年代学是根据放射性同位素 随时间变化的规律，测定地质体的年龄 与活动历史；另外，放射性同位素的示 踪，可用来研究地壳、地幔和其他星体 的成因与演化；
稳定同位素地球化学是研究地质体中稳定 同位素的分布及其在各种条件下的运动规 律，并应用这些规律来解释岩石和矿石的 形成过程、物质来源及成因等问题。
出版社
6、沈渭洲，1993，稳定同位素地质，原子能出版 社
7、朱炳泉等，1998，地球科学中同位素体系理论 与应用，科学出版社
……
四、我国同位素地球化学的学术团体
我国同位素地球化学的研究工作从1958年开 始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。
学术团体： 1、中国矿物岩石地球化学学会—同位素地球化学
同位素地球化学是研究同一元素具有2个或2个以 上组成的核素。
自然界存在两类同位素： 一类是放射性同位素，它们能够自发地衰
变形成其它同位素，最终转变为稳定的 放射成因同位素；
另一类是稳定同位素，它们不自发地衰变 形成其它同位素或由于衰变期长其同位 素丰度变化可忽略不计。
在地球化学系统中，天然放射性同位素丰 度的变异记载着地质作用的时间，同时它们又 是地质过程有效的示中的物理化学条件等。因此，同 位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演 化，主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互 作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及 古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值 的信息，为地球科学从定性到定量的发展作出 了重要贡献。
第五章 同位素地球化学
引言
一、同位素地球化学的学科性质 同位素地球化学是研究地球和宇宙体中 核素的形成、丰度以及在自然作用过程 中分镏和衰变规律的科学。它是地球化 学的一个分支学科。
同位素是指同一元素原子核内质子数相同而 中子数不同的一类原子，它们在元素周期中占据 同一个位置。
例如，硫有4个同位素，它们分别为1632S、1633S、 1634S和1635S，这4个同位素都有16个质子，因而它 们都位于元素周期表第三周期第ⅥA族。一个元 素可以由一种或几种同位素组成。
著作：
1、Faure, 1986. Principle of Isotopic Geology 2、Depaolo, 1989, Nd Isotopic Geochemistry 3、Mcurry, 1988, Isotopes In Earth Science 4、Dickin, 1995, Radiogenic Isotope Geochemistry 5、郑永飞等，2000，稳定同位素地球化学, 科学
一、同位素稀释法简介
原理：
在已知量的“稀释剂”和样品未知量的正常元 素的混合物中确定样品中某元素的同位素含量。
稀释剂：是含有已知同位素浓度的物质，其同位 素组成不同于天然正常样品，富集某种同位素。
（ 85Rb：72.15%，87Rb：27.85%) 在被分析的样品中，这种元素的同位素成分是
已知的（自然界正常物质的同位素平均组成）， 而浓度是不知道的。
二、同位素地球化学的发展现状
同位素地球化学发展迅速，已渗透到地球科学 的各个研究领域，如：大地构造学、岩石学、 矿床学、海洋学、环境科学、空间科学等。
主要表现在以下方面： 1、实验测试技术不断完善和提高； 2、多元同位素体系的综合研究； 3、研究领域不断扩大； 4、各种新方法的出现； 5、建立各种理论模型。
=S[(RS-Rm)/(Rm-RN)] ·(BAbS/BAbN) 其中：RS=AAbS/BAbS
RN=AAbN/BAbN
在同位素稀释法中，称N/S为混合比。 最佳稀释比须满足以下条件： Rm=(RN－RS)1/2
同位素稀释法优点： 1、灵敏度高， 达10-12 2、准确度高 3、不受其他元素干挠 4、假如做到同位素均一化，则不需对混合物
因而，已知量的样品溶液和已知量的稀释剂混 合时，混合物的同位素组成就能用来计算样品 溶液中该元素的量。
同位素稀释法应用于那些具有两个以上 同位素的所有元素。
重量（原子数） 同位素比值
稀释剂（Sp) 已知
已知
样品(Sm) ?
已知
混合物
？
质谱测定
令R表示某元素的两种同位素A与B的丰度 比值，并令N和S分别代表混合物中正常 元素和稀释剂的原子数，则：
三、有关同位素地球化学的文献与著作
文献： 1、Geochemica and Cosmochimica Acta 2、Earth and Planetary Science Letters 3、Chemical Geology 4、Contribution to Mineralolgy and Petrology 5、Lithos 6、Journal of Petrology 7、Journal of Geophsical Review 8、岩石学报 9、地球化学 ……
Rm=(AAbS S+AAbN N)/(BAbS S+BAbN N) 式中： AAbN 是正常元素中A的丰度；
BAbN 是正常元素中B的丰度； AAbS 是稀释剂中A的丰度； BAbS是稀释剂中B的丰度。 上式中只有N是未知数，可求解N。
对式：Rm=(AAbS S+AAbN N)/(BAbS S+BAbN N) 进行改写： N=S[(AAbS-RmBAbS)/(BAbNRm-AAbN)]
基本任务 1、研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史； 2、同位素地质计时，为地球和太阳系的演化确定
时间坐标； 3、研究同位素在宇宙、地球和地球各圈层中的分
布、分配，不同地质体中的丰度及其在地质过 程中的活动、富集与亏损、衰亡与增长的规律， 阐明同位素组成变异的原因，据此来探讨地质 作用的演化及物质来源。