同位素地球化学-1
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。
氦同位素地球化学
自然界各种物质中的氦实际上 是上述3种不同成因氦的不同比例 的混合。 太阳风、宇宙尘、陨石中的氦 主要是宇宙成因氦与原始氦的混 合，其氦丰度和3He/4He 比值均很 高 。 宇 宙 尘 的 3He/4He 比 值 为 2.4×l0-4,4He 含 量 为 1.25×l0-1 cm3 STP/g。
氦的来源
根据物质的来源和氦同位素的特征，将 自然界中的氦储库分为4类： 一.地外物质，包括陨石和宇宙尘等；
二.地球物质：
1.地幔物质，包括上地幔和下地幔； 2.地壳物质；
3.地球大气。
放射性元素含量及 矿物岩石的形成年龄
矿物岩石的U、Th含量越高，形成 年龄越大，积累的放射性成因4He越 多，其3He/4He 比值就越低。陨石等 宇宙物质在宇宙射线中暴露的时间 越长，积累的宇宙成因3He越多，其 3He/4He 比值越高。
氦同位素的分析方法主要有两种:
• 加热提取方法 • 压碎提取方法
加热提取法:
(1)一次性加热提取 (2)分段加热提取 (3)激光探针加热提取
压碎提取法:
压碎法提取的主要是矿物流体包裹体 中的氦。可将放射性氦降到最低。
三、氦同位素的应用研究
1 .研究陨石起源演化，示踪陨石撞击 事件，区分地内、地外物质。 2 .划分地幔类型，研究壳幔相互作用、 地幔交代作用、地幔流体成矿作用，判 定地幔热柱是否存在。
氦同位素地球化学-1
氦同位素地球化学-2
地球样品中的氦主要是放射性 成因氦和地球原始氦的混合。 陆壳岩石富含 U 、 Th 等放射性 元素， U、 Th衰变产生 4He ，使 陆 壳岩石的 3He/4He 比 值普遍较 低，＜10-8。
氦同位素地球化学-3
地幔中放射性元素含量很低，衰变产生 的4He很少，使其基本保持了地球形成时 原始地幔的氦同位素特征。其中MORB的 3He/4He比值平均为1.2 ×10-5；地幔热点 的3He/4He比值B
第三章同位素地球化学一概论
达尔文在他的月球可能从地球分离出去的研究中，得
出一个5千7百万年的数值。
地质学家乔利用海洋里钠的聚积速率，计算出海洋的
年龄为8—9千万年。
在1893年里德根据沉积速率的研究，计算出从寒武纪
开始以来经历了6亿年。古德蔡尔德根据同样的方法计 算得出7亿年。
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成、丰度及其在地质作用中分馏
和衰变规律的科学。
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基本概念
核素 Nuclide 同位素 Isotope 稳定同位素 Stable isotope 放射性同位素 Radioactive isotope 同位素分馏 Isotope Fractionation 同位素衰变 Isotope radioactive decay
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基本概念
同量异位数：质子数不同而质量数相 同的一组核素,如:
86Rb-86Sr 144Sm-144Nd 40K-40Ar-40Ca 206Pb-206Tl, 204Pb-204Hg
教材中表1-9
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基本概念
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基本概念
核素：
核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原 子。例如，原子核里有6个质子和6个中子的碳原子， 质量数是12，称为碳-12核素，或写成12C核素。原 子核里有6个质子和7个中子的碳原子，质量数为13， 称13C核素。氧元素有16O，17O，18O三种核素。具
着，我们可以利用放射性同位素的这一特 同位素技术还可以用于矿产勘查、环境监测、 体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来 关，因些可用来设计各种矿物对的同位素温 性测定各种地质体的年龄，特别适合岩浆 地质灾害预报 源。 度计来测定成岩 -成矿温度。 岩、显生宙的前寒武纪地变质地层及其它 复杂地质体的年龄。
第五章同位素地球化学-1-1详解
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。
达到同位素交换平衡时共存相同位素相对丰度比值为一
常数，称分馏系数α。例如：
1/3CaC O3+H2 O≒1/3CaC O3+H2 O
16 18 18 16
（25℃，α=1.0310）
又如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应
2H 2 18O16O2 2H 2 16O18O2
(0℃:α=1.074, 25℃:α=1.006)
112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn
只有一种同位素的元素：Be、F、Na、Al、P等27种。
其余大多数由2-5种同位素组成。
(二) 同位素分类
放射性同位素：
其核能自发地衰变为其它核的同位素，称放射性同位素； 原子序数大于83，质量数>209 稳定同位素： 原子存在的时间大于1017年； 原子序数<83，质量数A＜209的同位素大部分是稳定的
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： 原子序数Z＜20（原子量小），同一种元素的各同位素 间的相对质量差异较大ΔA/A≥10% ；
地球化学 第四讲 同位素地球化学
College of geological science & engineering, Shandong university of science & technology
问题：如何用δ求解αA-B=RA/RB αA-B=RA/RB=（δA+1）/（δB+1） 4、同位素富集系数：
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第四部分
同位素地球化学
Geochemistry
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一 、稳定同位素分馏
同位素分馏效应：由于不同的同位素在质量上存在差别，这些差
别使其在物理和化学性质上存在微小的差异，从而使同位素在其共 存相之间分配发生变化。（相对质量差大的易察觉） 引起分馏效应的原因： ① 物理分馏:也称质量分馏, 同位素之间因质量差异而引起的与
质量有关的性质的不同 (如比重、熔点)，这样在蒸发、凝聚、升华、
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
Geochemistry
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二.同位素组成及分馏表示方法（稳定同位素）： 1、同位素比例（R）：用重同位素与轻同位素比值表示， 例如R（18O/16O）=2.0×10-3.(原子数）
同位素地球化学
同位素地球化学
同位素地球化学是以同位素的分布特征为研究对象，研究地球内部和表面形成过程和变化的一门重要的地学分支。
它利用稳定同位素的比值来研究地球的演化及其在时空尺度上的变化。
同位素地球化学既是一门独立的学科，也是地球科学中的多学科交叉学科。
它将地球科学、核物理学、化学和生物学等多学科有机地结合在一起，研究地球中某种物质的原始成分，以及它们在地球内部、大气中等不同环境中的运动、改变和转化过程，以及由此引起的地球演化过程。
同位素地球化学的研究方法有多种，其中最重要的是测量和分析地球表面、地壳、地幔和地球内部的同位素比例。
它的研究重点是地球作为一个整体的演化过程，以及地球内部物质的原始成分、流动性和转化过程，以及它们如何影响地球表面和大气环境的演变。
一般而言，同位素地球化学的研究不仅要研究地球表面和内部的同位素含量，还要研究其分布特征。
通常情况下，同位素的分布特征受到地壳、地幔和地球内核的影响，它们的分布特征各不相同。
在同位素地球化学的研究中，要根据地球的特定环境对同位素的分布特征进行分
析，可以深入地理解地球的演化过程、结构特征以及其影响因素。
在实际应用中，同位素地球化学已经成为地质勘查、矿物开采、矿产评价以及环境保护等领域的重要手段之一。
人们可以利用同位素地球化学的结果，对潜在的矿产资源进行定量评估，进而提高地质勘查的准确性和效率。
此外，同位素地球化学还可以用来研究地表微生物的活动、空气污染的源头和扩散趋势，以及地表水的污染特征等。
总之，同位素地球化学是地球科学研究的一个重要分支，它结合了多学科的知识，为地质勘查、矿产开发、环境保护和其他领域的实践活动提供了有效的技术支持。
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。
稳定性同位素地球化学
授课教师：李净红 武汉工程科技学院
第六章 稳定性同位素地球化学 1 稳定性同位素的基本理论 2 H-O稳定同位素 3 C稳定同位素 4 S稳定同位素
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 稳定同位素概念
不 具 有 放 射 性 的 同 位 素 称 为 稳 定 同 位 素 （ Stable Isotope）。
z 同位素效应
由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差，从 而引起该分子在物理和化学性质上的差异，称为同位 素效应（isotope effect）。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏
同位素分馏（isotope fractionation）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。
这两个标准的氢、氧同位素组成分别为： δDVSMOW=0‰，δ18OVSMOW=0‰ δDslap=-428‰，δ18OSLAP=-55.50‰
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素
氧同位素标准SMOW居于全球氧同位素变异范围的 中间，
SMOW作为氢同位素标准时则位于“重”的一端，大 部分岩石、矿物和天然水的δD< 0 ‰。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 分馏值Δ与分馏系数的转换
根据分馏系数的定义，则有：
α A−B = RA / RB
α A−B
=
1+δA 1+δB
/1000 /1000
=
1000 + δ A 1000 + δ B
Δ A−B =（RA / RB −1）×1000 =（α A−B −1）×1000
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中国科学院地质与地球物理研究所
INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICS CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Patterson (1956)测定地球形成年龄 = 4.55±0.07 Ga
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中国科学院地质与地球物理研究所
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同位素地球化学
（60 学 时）
授课： 李献华1，储雪蕾1，朱祥坤2 助教： 张吉衡3
1. 中国科学院地质与地球物理研究所 2. 中国地质科学院地质研究所 3. 中国科学院大学
Charles Lyell (1830) 《地质学原理》
─ “现在是了解过去的一把钥匙”
1797-1875
20世纪之后，放射性同位素测量
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视频
中国科学院地质与地球物理研究所
INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICS CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
学历：
中国科学技术大学（本科），地球化学专业 中国科学院地质研究所（硕士），导师：侯德封、陈锦石 日本东北大学理学院（理学博士），导师：Hiroshi Ohmoto
工作经历：
1973-1979 中国科学技术大学，教员； 1982-现在 中国科学院地质研究所、中国科学院地质与地球物理研究所，
助研、副 研究员、研究员；中国科学院研究生院/中国科学院大学 兼职教授；1985-1988，美国Pennsylvania State University作访 问学者；多次赴日本东北大学和冈山大学、德国马普化学所、美国 加州大学河边分校、香港大学等短期访问研究。
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1944年 (第一版) 1965年 (第二版)
2000年出版的Arthur Holmes的第一本传记
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Arthur Holmes 在 Durham大学任教 (1924-1942)
Durham University
以Arthur Holmes命名的地质系楼 ─ Arthur Holmes Building
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中国科学院地质与地球物理研究所
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地球是何时形成的？
18世纪中期之前，属于神学关心的问题
1650年大主教Ussher宣布世界是在公元前4004年创造出来的
1726-1797
James Hutton (1785) 《地球的理论》 ─ “均变论”
研究方向：
长期从事稳定同位素地球化学领域的研究：包括同位素交换反应动 力学；应用稳定同位素研究流体、水/岩相互作用、岩浆和成矿作用；应用 碳、硫同位素进行海相地层对比、古海洋C和S的生物地球化学循环，以及 地球早期环境与生命的协同演化等。
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朱祥坤
主讲教授简介
中国科学院地质与地球物理研究所
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Frederick Soddy, 1913
The Age of the Earth
推断地球的年龄为1600 Ma
At the author’s age of 23 years old
提出“同位素”概念
原子质量不同但化学性质相同
(占据化学周期表中同一位置，希腊语)
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V.M. Goldschmidt (1888-1947)
F.W. Clarke (1847-1931)
C.C. Patterson (1922-1995)
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学: 地球科学、岩石学报、地球化学等国内外学术期刊编委。
研究方向： 同位素年代学和地球化学、火成岩地球化学、前寒武纪地质学、化学 地球动力学、微区原位同位素实验
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主讲教授简介
储雪蕾 (xlchu@)
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• F.W. Clarke Medal
- to an early-career scientist for a single outstanding contribution to geochemistry or cosmochemistry
• C.C. Patterson Medal
- for a recent innovative breakthrough in environmental geochemistry of fundamental significance.
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The Geochemical Society 大奖
• V. M. Goldschmidt Award
- for major achievements in geochemistry or cosmochemistry
需要 10 mg 铅进 行Pb同位素比值 分析
Triton Plus 热电离质谱
只需 10-8 mg 铅 进行Pb同位素比 值分析
Cameca IMS 1280HR 离子探针
只需 10-10 mg 铅 进行Pb同位素比 值分析
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同位素年代学100年的发展历程
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以Pb同位素分析为例看同位素分析技术的进步
Professor Nier circa 1940 with the mass spectrometer he used to isolate Uranium 235
学历与工作经历：
1983年，中国科学技术大学地球化学专业本科毕业，获学士学位； 1988年，中国科学院地球化学研究所/美国联邦地质调查所
联合培养博士研究生，获博士学位。 1988年12月-2005年10月，在中国科学院广州地球化学研究所工作，
历任助理研究员、副研究员、研究员。 2005年11月至今，在中国科学院地质与地球物理研究所工作，任研究员。
同位素年代学 — 现代定量地质学的基石
1. 理论基础：放射性衰变定律 2. 分析方法：现代物理、化学、计算机技术 3. 应用领域：地球科学各分支学科(时间坐标)
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课程安排 1. 第01-21学时
李献华：放射性同位素地质年代学与地球化学
2. 第21-42学时 储雪蕾：稳定同位素地球化学
3. 第43-60学时 朱祥坤：非传统稳定同位素地球化学
1. 理论基础：扎实 2. 分析方法：熟悉 (分析地球化学) 3. 应用领域：活学活用 (化学地球动力学……)
教学目的之二：温故知新、教学相长
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相关课程
分析地球化学、化学地球动力学、比较行星学
预修课程
高等数学、无机化学、物理化学、矿物学、岩石学、元素地球化学
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教学目的之一：把“厚”书念“薄”
同位素年代学大事记
1896，Becquerel发现天然放射性 1902，Rutheford & Soddy提出放射性衰变公式 1903，Curie夫妇报道Ra衰变生成大量热 1906，Rutherford提出Pb/U比值可用于定年 1907，Boltwood首次测定了3个晶质铀矿年龄 1908-1911，Holmes精确测定铀矿石U/Pb年龄