同位素地质学讲义2013-本科教学 (2)
同位素地质学
同位素地质学
同位素地质学是一门研究地球上同位素分布、衰变和地质过程的学科。
同位素是元素
具有相同原子序数但不同质子数量的不同形式。
地球上存在多种同位素，它们的丰度和比
例可以提供有关地球历史、化学环境和地质过程的重要信息。
同位素地质学的应用广泛，包含了以下几个方面。
放射性同位素测年：放射性同位素如碳-14、铀-238和铅-206等具有已知的衰变速率，可以用来测定岩石、化石或古代遗迹的年龄。
通过测量样本中残留的同位素比例，可以推
算出样本形成或生物死亡的时间。
同位素分馏：同位素分馏是指不同同位素在地质过程中的分离现象。
通过研究同位素
比例的变化，可以了解到化学和物理过程背后的变化。
氧同位素分析可以揭示古气候和水
文循环的信息。
同位素地球化学：同位素地球化学是研究地球系统中同位素丰度、比例和相互作用的
学科。
通过研究同位素的地球化学过程，可以了解地球内部的物质循环、大气化学、生物
地球化学循环等重要信息。
地球化学讲义 第五章同位素地球化学(中国地质大学)
4）同位素标准样品
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世 界性的标准样品。世界标准样品的条件：
①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为 零点；
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。
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
(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 。
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。
稳定同位素在地质上的应用PPT课件
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例如：以石英、方解石共生矿物对为例：
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1000 lnα石英-水=3.38×106T-2 -3.40 1000 lnα方解石-水=2.78×106T-2-3.40 则石英—方解石氧同位素温度计为：
1000 lnα石-方=(3.38-2.78)·(106T-2)+[ -3.40 -（-3.40）] 1000 lnα石-方=Δ石-方=0.60（106T-2） 外部测温法，可用来计算水介质的氢、氧同位素组成。其条件是，
3、制备成质谱分析气体样品，化合物的另一组要有恒定的同位素组成， C要恒定。
CO2中测氧，
4、要求定量地制备出一种纯气体。
5、原始样品要有足够的纯度。
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§3.2 同位素标准
为了使同位素资料便于对比，同时消除样品分析过程中有可能的系统误差，必须将样品的同位素组 成与某一相应标准物质的同位素组成进行比较，水 石英~水 碱长石~水 方解石~水 白云母~水
a
b
3.38×106
2.15 ×106
2.78 ×106
2.38 ×106
温度区间(oC) -3.40 200~500 -3.82 350~500 -3.40 0~800 -3.89 350~650
形成时，两共生矿物与一个公共流体相达成平衡，则两 个矿物的 δ18O 值之间存在一个平衡差，由此值可根据内 部计温法计算成岩温度。
103lnαA-B =（A1— A2）（106T-2）+ （B1—B2）
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矿床的同位素组成
• 水是成矿溶液的主要成份，查明水的成因，是任何成矿理论首先必须解 决的问题，利用H、O同位素比值能够明确断定成矿溶液中水的来源和 蚀变溶液的成因，测定矿石矿物和脉石矿物的S、C的来源， 共生矿物 可以测温。
同位素地质学基础.
（2）封闭系统：反应物的补给速度远远小于反应速度的体系。
封闭系统：反应物的补给速度远远小于反应速度的体系。
分两种情况：一种对反应产物开放，如：H 一种对反应产物开放，如：H2S的去气和金属硫化物的沉淀。
反应产物开始时最大富32S，随着反应的进行，δ34S ，随着反应的进行，δ 逐渐增大，反应结束时，反应产物的δ 逐渐增大，反应结束时，反应产物的δ34S值大大超过硫酸盐的原始δ 盐的原始δ34S值。
另一种对反应产物封闭：反应产物生成后，没有与系统另一种对反应产物封闭：反应产物生成后，没有与系统脱离。
开始时，反应产物贫34S，随后逐步升高，反应结束时，接近或等于SO 的初始δ 时，接近或等于SO42-的初始δ34S值。
3．动力同位素分馏的特点：①单相不可逆反应；②反应物和反应产物之间不发生同位素交换；③伴随化学反应和物相的转变；④动力分馏不仅与同位素分子的反应速度有关，而且与初始反应物的消耗程度有关，即储存库效应；⑤反应产物优先富轻同位素。
同位素地质学原理
同位素地质学原理各位朋友！今儿个咱来聊聊一门特别有意思的学问——同位素地质学原理。
您要问啥是同位素地质学原理呀，别急，且听我慢慢给您说道说道。
这同位素地质学呀，简单来讲，就是一门通过研究地质体中同位素的分布、变化规律，来搞清楚地球历史和地质过程的科学。
就拿咱们熟悉的碳元素来说吧，您知道碳有好几种同位素，像碳- 12、碳- 13 和碳- 14 啥的。
这些同位素在自然界里的含量比例可不是随随便便定下来的，它们随着时间和地质过程会发生变化。
好比说碳- 14 吧，它会不断地衰变，通过测量一个古生物遗体或者古木材里剩余的碳- 14 的含量，咱就能推算出它的年代啦，这就是同位素测年的原理。
再比如说，氧也有同位素，像氧- 16、氧- 17 和氧-18 这些。
在研究古气候的时候，这氧同位素可派上了大用场。
因为不同的温度条件下，海水中氧同位素的比例会不一样。
咱们从深海沉积物里的有孔虫化石里分析氧同位素的组成，就能知道过去的气候是冷是热，是湿润还是干燥，就好像给过去的气候拍了一张张照片似的。
还有啊，同位素在研究岩石的成因和来源上也是功不可没。
比如说，通过分析岩石中锶同位素的组成，咱就能判断出这块岩石是来自地幔还是地壳，是在岩浆活动中形成的，还是经过了沉积、变质这些过程。
这就好比是给每一块岩石都办了一张“身份证”，让咱能清楚地知道它们的“身世”和“来历”。
您瞧，这同位素地质学原理啊，就像是一把神奇的钥匙，能帮咱打开地球历史的大门，让咱看到那些遥远的过去发生的事情。
它让咱们对地球这个大家伙的演化过程、气候变迁、岩石形成等等有了更深入、更准确的认识。
不过，这同位素地质学也不是那么容易的事儿，得有先进的仪器设备，得有专业的科学家们辛辛苦苦地采集样本、做实验、分析数据。
但是，每一次新的发现，每一次对地球历史的新认识，都让咱们觉得这一切的努力都是值得的。
好啦，今儿个跟您讲了讲这同位素地质学原理，不知道您听明白没有。
希望您以后再听到这个词儿的时候，不再是一头雾水，也能跟别人显摆显摆啦！。
Mo同位素讲义(第一讲)-2
矿床的δ65Cu
不同的含铜矿物的Cu同位素存在明显的差异， 因而有可能将Cu 同位素作为一种灵敏的地球 化学示踪剂，指示热液成因和来源。 Marechal 等 (1999) 首次分析了采自世界各地的 7 个含铜矿物，发现其具有明显不同的Cu 同 位素组成 (δ65Cu =- 3.03 ‰～ + 5.74‰) ，其 中最低值为一个自然铜样品，最高值为一个 黄铜矿样品。
反映生物分馏的试验
Fe(Ⅲ)基质（六方针铁矿和赤铁矿） 经细菌还原作用得到的溶液中的Fe(Ⅱ)的 δ56Fe的值要比六方针铁矿的δ56Fe值低约 1.3‰ (Beard et al.,1999)。
太平洋和大西洋的铁锰结核、古代条带状 铁建造等沉积岩中δ56Fe有2‰～3‰的变化， 指出其中也可能有细菌分馏作用的存在，
Biological Fractionation
Cu2+被还原为Cu+的过程中，会发生很大的同位 素分馏，Cu+富集63Cu，而Cu 2+富集65Cu （Zu et al., 2002)。 2Cu2+ + 4 I - = 2CuI + I2 (T＝20 ℃)
沉淀物CuI 与残留溶液间存在大的Cu同位素分馏 Δε65Cu=40) ，且CuI 富集轻同位素63Cu。上述化 学反应实际上是一个两步反应过程。首先溶液中 二价铜离子Cu2+ 还原为一价铜离子Cu+ ,其次 Cu+ 与I 结合生成CuI 沉淀。
生物作用产生Cu同位素分馏两个实验（Zhu等，2002）
天青蛋白分别从体外和体内的两种途径摄取已知同位素比 值的铜，结果发现这两种过程中，铜同位素都会产生分馏。 酵母菌培养在已知铜同位素比பைடு நூலகம்的溶液里，然后从酵母菌 里分别提取出铜的金属硫蛋白和铜锌过氧化物歧化酶，测其 同位素比值，最后再次测定培养液的同位素比值，结果不仅 发现了δ65Cu培养液远远大于δ65Cu金属硫蛋白和δ65Cu歧化酶。 Δ培养液–金属硫蛋白≈1.71 ‰ ， Δ歧化酶–金属硫蛋白≈0.53‰。
同位素地质学基础共44页文档
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——ห้องสมุดไป่ตู้洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
同位素地质学基础
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
同位素水文地质学
同位素水文地质学同位素水文地质学是研究地下水的同位素特征和其在地质和水文过程中的应用的学科。
同位素水文地质学的研究对于理解地下水系统的起源、补给和流动方式以及水资源管理具有重要意义。
背景和定义同位素水文地质学是地理学、地球化学和水文学交叉的学科，利用同位素的比例和分布特征来研究地下水的起源、水文动态以及水文地质过程。
同位素可以是地球自然界中存在的稳定同位素（如氢同位素、氧同位素、碳同位素等）或放射性同位素（如放射性碳-14、放射性锶-90等）。
地质学和水文学的重要性同位素水文地质学在地质学和水文学领域中发挥着重要的作用。
在地质学中，通过分析同位素特征，可以推断地下水体的来源、年龄及其受到的影响。
同位素水文地质学也可以用于研究水文过程，如水循环、水体补给、地下水的流动路径以及地下水与地表水之间的相互作用。
总之，同位素水文地质学在地质学和水文学的研究中具有重要的地位，为我们深入理解地下水体的形成和运动提供了有力的工具和方法。
同位素示踪技术是一种常用于水文地质研究的方法，它能够通过测量水中不同同位素的比例来揭示水文地质过程和水体来源。
同位素示踪技术主要包括同位素稳定性示踪和同位素放射性示踪。
同位素稳定性示踪同位素稳定性示踪是通过测量水体中不同同位素的稳定性同位素比例变化来推断水文地质过程。
稳定性同位素是指在天然环境中相对稳定的同位素，如氢（D/H）、氧（18O/16O）和碳（13C/12C）等。
这些同位素在水文地质中的应用广泛，能够揭示水的源地、水体的混合和水体的循环过程。
例如，氢同位素（D/H）可以用于确定水体的来源和补给方式。
氧同位素（18O/16O）常用于研究地下水与地表水之间的相互作用和补给关系。
碳同位素（13C/12C）则可以用于探究有机污染物的来源和迁移途径。
同位素放射性示踪同位素放射性示踪是利用放射性同位素分析方法来研究水文地质问题。
放射性同位素主要包括碳-14和氚等。
放射性同位素的测量可以揭示水体的循环速率、补给方式以及水体演化的时间尺度。
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深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来
• 新的仪器测试技术使得能高精度地测 试越来越多的同位素
• 向各个相关领域快速扩散，应用越来 越广
2. 稳定同位素分析测试方法
2.1 样品预处理方法 2.2 同位素质谱测定方法
2. 1 样品预处理方法
氢：U（Zn）还原法 氧： ✓ H2O：CO2-H2O平衡法 ✓ 碳酸盐：磷酸法 ✓ 硅酸盐：BrF5法
2. 1 样品预处理方法
碳： ✓ 碳酸盐：磷酸法 ✓ 有机碳：氧化法（燃烧法） 硫： ✓ 硫化物：氧化法（燃烧法） ✓ 硫酸盐：先转换为硫化物
• 研究内容 ：稳定同位素地球化学；同位 素地质年代学
发展简史
• 奠基阶段：20世纪初~30年代 • 理论和学科发展阶段：30~70年代 • 深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来
奠基阶段：20世纪初~30年代
稳定同位素首先Thomson (1913) 发现（氖元素的同位素），随后Aston 发现了202种同位素。
1.4 同位素标准物质
✓标准物质特征：稳定、量大、易得、有 代表性。
✓ 标准级别：国际标准；国家标准；实验 室标准。
✓ 常用标准：SMOW；PDB；CDT
• SMOW：Standard Mean Ocean Water • PDB：Pee Dee Beleminite • CDT：Canyon Diablo Troilite
著名学者
•张本仁（中国科学院院士）： 区域地球化学
淤崇文（中国科学院院士）： 地球化学动力学
付家漠（中国科学院院士）： 有机地球化学
欧阳自远（中国科学院院士）： 天体化学
年轻学者
•郑永飞（中国科学院院士） 氧同位素地球化学
蒋少涌 B、Si同位素地球化学
李献华 同位素地质年代学
朱详坤 过渡元素同位素
2002 《Stable Isotope Geochemistry》. Hoefs J. 2004
考核方法
平时成绩：30% 考试：70%
0 绪论
定义和研究内容 发展简史 国内研究概况
定义和研究内容
• 地球化学是研究自然界，主要是地球及 其各组成部分的化学演化及其机理的科 学。
• 三个主干分枝：元素地球化学 同位素 地球化学 实验地球化学
研究机构
中国科学院地球化学研究所 中国科学院广州地球化学研究所 中国科学院地质与地球物理研究所 中国地质科学院同位素重点实验室 南京大学 北京大学 东华理工大学
第一部分 稳定同位素地球化学
• 1. 几个基本概念 • 2. 稳定同位素的分析方法 • 3. 稳定同位素的应用
1. 几个基本概念
著名学者
•涂光炽（1920-2007） 1949年获得明尼苏达大学博士学位 在中国最早讲授地球化学课程 曾任中国科学院地质研究所和地球化学 研究所所长
•司幼东（1920-1968） 中国实验地球化学的奠基人，指导和建 立了中国第一个成矿实验室，进行了Sn 、Nb、Ta等配合物的成矿实验，提出酸 碱分离与成矿作用的关系
非质量相关 分馏：不服从 质量相关分馏 的同位素分布 称为非质量相 关分馏。
1.3 同位素值的表示方法
✓同位素比值：如13C/12C；18O/16O等。
✓ 值：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
（‰）= （（R样/R标）- 1）× 1000
R样：样品的同位素比值 R标：标准样品的同位素比值 0 表明样品较标准样品含重同位素 0 表明样品较标准样品含轻同位素 = 0 表明样品与标准样品同位素比值一致
国内研究概况
• 著名学者 • 研究机构
著名学者
•候德封（1900-1980）： 提出地层地球化学、化学地史、化学 地理的概念，创立了 “核子地质学 ”
•李璞（1911-1968）： 1950年获剑桥大学博士学位，1958-1962 年建立我国第一个同位素地球化学实验 室，并完成第一批同位素年龄数据。
精品
同位素地质学2013-本科教学 (2)
讲课内容
绪 论：同位素地质学发展历史 第一部分：稳定同位素地球化学 第二部分：同位素地质年代学
教材与主要参考书
教材：《同位素地质学教程》，沈渭洲编， 原子能出版社，1997
主要参考书： 《地球化学》陈骏等编，科学出版社，2005 《稳定同位素地球化学》郑永飞，科学出版社.
1.2 同位素的分馏效应
✓同位素分馏定义：同位素以不同比例分配 于不同物质或物相的现象。分馏系数:
αx-y=RX/RY
热力学平衡分馏：不同物质或物相间的同平衡分馏。
动力学非平衡分馏：某些特定的物理、 化学、生物化学反应会产生偏离平衡分馏 的现象。
地质年代学建立在Becquerel (1886)发现放射性和居里夫妇(1898)证 实放射性衰变规律的基础上， Soddy(1910)首先提出同位素的概念
理论和学科发展阶段：30~70年代
• 稳定同位素的分馏机制与应用研究，在这 方面做出突出贡献的科学家有: Urey(1947)、 Taylor (1967,1968)、Hoefs（1970）、 Ohmoto(1972)
深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来
• 空间 — 上天：宇宙化学、行星对比、地球及太 阳系的 成引演化；
•
入地：地球深部研究，包括地幔组成和岩石圈
演化；
•
下海：海洋地球化学及其元素与大气圈、岩石
圈和生物圈之间的交换、循环和通量。
• 时间 — 与地球形成和早期演化以及生命起源有关的地 球化学；与评价和预测现代环境演化有关的环 境地球化 学和第四纪地球化学研究。
1.1 同位素的定义 1.2 同位素的分馏效应 1.3 同位素值的表示方法 1.4 同位素标准物质
1.1 同位素的定义
同位素定义：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。