第三讲 H-O同位素
同位素的化学名词解释大全
同位素的化学名词解释大全引言：在化学领域，同位素是一种常常被提及的概念。
它们是指原子核中的质子数相同、中子数不同的同一种元素。
本文将介绍一些常见的同位素及其化学名词解释，以帮助读者更好地理解这一概念。
一、氢同位素1. 氢-1（H-1）：也称为普通氢或者轻氢，它是最常见的氢同位素，由一个质子和一个电子组成。
它在自然界中的丰度非常高。
2. 氚（T）：氚是氢的同位素之一，其原子核中包含一个质子和两个中子。
由于其不稳定性，氚在自然界中的含量非常稀少。
二、碳同位素1. 碳-12（C-12）：碳的最常见同位素，它的原子核由6个质子和6个中子组成。
2. 碳-13（C-13）：碳的稳定同位素之一，其原子核由6个质子和7个中子组成。
由于其相对较稳定，碳-13常用于核磁共振（NMR）等实验研究中。
3. 碳-14（C-14）：碳的放射性同位素，其原子核由6个质子和8个中子组成。
碳-14的半衰期约为5730年，常用于考古学和地质学中的碳定年。
三、氧同位素1. 氧-16（O-16）：氧的最常见同位素，包括8个质子和8个中子。
2. 氧-17（O-17）：氧的稳定同位素之一，其原子核由8个质子和9个中子组成。
氧-17常用于研究水文地质学和地球化学等领域。
3. 氧-18（O-18）：氧的稳定同位素之一，其原子核由8个质子和10个中子组成。
氧-18常用于气候学和地质学中，以研究气候变迁和水循环等问题。
四、铀同位素1. 铀-235（U-235）：铀的同位素之一，其原子核由92个质子和143个中子组成。
铀-235是重要的核燃料，在核能领域有广泛应用。
2. 铀-238（U-238）：铀的另一个同位素，其原子核由92个质子和146个中子组成。
铀-238在自然界中含量丰富，也可用于核能产生。
五、铅同位素1. 铅-204（Pb-204）：铅的最稳定同位素之一，其原子核由82个质子和122个中子组成。
2. 铅-206（Pb-206）：铅的同位素之一，其原子核由82个质子和124个中子组成。
氢氧同位素.ppt
热动力模式关键是要得到样品的 △(δDkaol)，也就是知道在始新世海岸处 δDkaol值。但古河流海拔为零的沉积地 层没有暴露，无法得到始新世海岸参考 值δDkaol，因此只能根据已有样品所得 到的曲线截距，δDkaol =（-75±5）‰ （r2=0.76）。为使推测更为稳妥，取其 最小值，海岸δDkaol=-80‰，这样取值 会导致低估高程。
三、热动力学模式
通过对现代大气在冷凝过程中物 理学和热动力学的研究，得到气团 随海拔的升高过程中影响降水中氢 氧同位素分馏递变的相关参数，推 导出高程(h)与随地形而改变的氢、 氧同位素变化值（Δ（δ18Op）)的 近似关系(图2)。
根据Rowley的高程（h）与Δ（δ18Op） 的关系图推导出以下关系式：
二、基本原理
当气团沿高地形抬升时水汽 冷凝，会导致氢氧同位素的动力 学分馏。高程越高，降水中越贫 18O和D。这种分馏符合瑞利分 馏规律，属于开放系统中动力系 统分馏(图1) 。
若地史时期山间的河湖主要靠当 地的降水补给，河湖水就能记录下 降水中氢氧同位素含量随高程而变 化这个规律。河湖中自生矿物沉淀 过程中往往能够与河湖水达到氢氧 同位素含量的平衡，这样就可以利 用岩石中自生矿物研究古高程变化。
六、优缺点
古高程计的热动力模式适用地域范 围广，应用便捷。热动力模式的计算中， 现代值只须有一个数值大概的趋势，起 到矫正古高程值作用就行，模式本身就 可以提供普适性(纬度低于35o的地区)的 古高程的计算公式(公式1)。
热动力模式这种方法的局限 性也很明显，即误差较大。由于 它是一个理想化的模型，无法针 对不同地方的气候、地形等影响 氢氧同位素的因素矫正误差。
研究中沿河流15个不同的地 点取了44个样品(图3)，样品分 为2类：一类是取自花岗岩碎屑 的原地高岭石(图中用圆点和三 角表示)；一类是取自河道砂岩 中的碎屑高岭石(用黑色方块表 示) 。
氢氧稳定同位素及其应用
氢氧稳定同位素及其应用想象一下，你和你的朋友小明一起去参观一个奇妙的科学博物馆。
馆内各种各样新奇的展品就像繁星一样闪耀着知识的光芒，让人目不暇接。
我和小明在一个看似普通却又神秘的展柜前停了下来。
里面摆放着一些透明的小瓶子，瓶子里装着无色的液体。
小明皱着眉头，好奇地问我：“这些看起来普普通通的东西有什么特别之处吗？”我神秘地一笑，告诉他：“可别小瞧了这些，这里面涉及到氢氧稳定同位素呢。
”那什么是氢氧稳定同位素呢？简单来说，氢有三种同位素，分别是氕、氘、氚，其中氕和氘是稳定同位素；氧也有多种同位素，而我们常说的氧 - 16、氧 - 18就是稳定同位素。
它们就像是氢和氧家族中的兄弟姐妹，有着相似之处，却又各自有着独特的“性格”。
我继续给小明解释道：“你看，这些同位素虽然很微小，但它们的作用可大了。
比如说在研究气候变化方面，它们就像是大自然的小侦探。
”小明眼睛睁得大大的，就像两个铜铃，显然被我的话吸引住了。
“科学家们通过研究降水中氢氧稳定同位素的比例变化，就像在解读大自然写下的日记。
因为不同的气候条件下，这个比例是不一样的。
如果把地球的气候系统比作一个超级复杂的机器，那么氢氧稳定同位素就是这个机器运转过程中留下的特殊标记。
这难道不神奇吗？”不仅如此，在水资源研究领域，氢氧稳定同位素也是大有用处。
“就好比我们现在喝的水，”我指了指旁边的饮水机，“它来自哪里，经历过什么样的旅程，都可以通过分析其中氢氧稳定同位素的特征来推断。
这就像是给每一滴水都装上了一个小小的追踪器。
”小明一边听一边不住地点头，嘴里还嘟囔着：“原来如此，真是不可思议。
”在考古学方面，氢氧稳定同位素也扮演着重要的角色。
我拉着小明的手，走到一个古代陶器的展品前，对他说：“你看这个陶器，它的原材料可能来自某个特定的地区。
就像我们能通过口音辨别一个人的家乡一样，科学家们可以通过分析陶器中黏土所含水分的氢氧稳定同位素来判断这个陶器的原料产地。
这是不是有点像穿越时空的侦探工作呢？”在医学上，氢氧稳定同位素也有它的用武之地。
不同水体氢氧同位素
不同水体氢氧同位素一、海洋水体氢氧同位素海洋是地球上最广阔的水体之一，其中的水分子也含有不同的氢氧同位素。
海洋水体中的氢氧同位素主要有氢-1（氚）、氢-2（重氢）、氢-3（超重氢）、氧-16、氧-17和氧-18。
其中，氢-1和氧-16是最常见的同位素。
海洋水体中的氢氧同位素含量受多种因素的影响，包括水温、盐度、深度等。
一般来说，海洋表层水体中的氢氧同位素含量较高，随着深度的增加，含量逐渐降低。
这是因为氢氧同位素的分馏效应导致的。
根据研究发现，海洋水体中氢氧同位素的组成对于研究古气候变化具有重要意义。
通过对海洋沉积物中氢氧同位素的分析，可以推测出过去的气候变化情况。
因此，海洋水体中的氢氧同位素研究对于了解地球气候演变以及预测未来气候变化具有重要意义。
二、湖泊水体氢氧同位素湖泊是地球上重要的淡水资源，湖泊水体中的氢氧同位素也具有一定的特征。
湖泊水体中的氢氧同位素主要受到降水的影响，其中降水中的氢氧同位素含量与地理位置、季节等因素密切相关。
湖泊水体中的氢氧同位素含量的变化可以反映降水的季节性变化。
例如，在干旱季节，湖泊水体中的氢氧同位素含量较高，而在雨季，含量则较低。
这是因为降水中的氢氧同位素含量随着降水量的变化而变化。
湖泊水体中的氢氧同位素也可以用于研究湖泊的水文循环过程。
通过对湖泊水体中的氢氧同位素的分析，可以了解湖泊的水源、水量变化以及水体的混合程度等信息。
这对于湖泊生态系统的研究和管理具有重要意义。
三、地下水体氢氧同位素地下水是地下岩石裂隙或含水层中的水分子，其中的氢氧同位素也具有一定的特征。
地下水体中的氢氧同位素主要受到降水的影响，同时还受到地质构造、地下水流动速度等因素的影响。
地下水体中的氢氧同位素含量的变化可以反映地下水的来源和补给方式。
例如，降水中的氢氧同位素含量较高的地区，地下水体中的氢氧同位素含量也较高。
而在干旱地区，地下水体中的氢氧同位素含量则较低。
地下水体中的氢氧同位素研究对于水资源的管理和利用具有重要意义。
21-23稳定同位素地球化学
Hydrogen Lithium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Sulfur δ D δ 6Li δ δ δ δ δ δ
11 6
Ratio
D/H(2H/1H) li/7Li B/10B C/12C N/14N O/16O O/16O S/32S
18 18 216 1/3C16O2+ H O ƒ 1/3C O + H 3 2 3 2 O
α=1.0492
α=1.0286
反应使岩石中富集了18O、而在水中富集16O。由于大 部分岩石中氢的含量很低，因此水岩同位素交换反应 中氢同位素成分变化不大，但在含OH-的矿物中，水 岩反应结果使得矿物的δD增高。
1000ln A 10 / T B
6 2
α是分馏系数；T是绝对温度；A、B是常数，由实验 确定。从上式可知，温度越高，分馏越小；温度越低， 分馏越大。 在实际进行同位素地质温度测定时，只要测定两个共 生矿物的同位素组成，便可根据公式进行同位素平衡 温度计算。
稳定同位素地球化学
例子：含石英、白云母和磁铁矿的花岗片麻岩
H-O同位素地球化学
(3) 矿物晶格化学键 对氧同位素的选择 当火成岩和变质岩 达到氧同位素平衡时， 岩石中矿物氧同位素 有一个相应的分馏次 序，其中Si-O-Si键的 矿物中最富18O，其 次为Si-O-Al键、SiO-Mg键等。
H-O同位素地球化学
云和沉积物五个库间进行。
H-O同位素地球化学
1.H-O同位素的分馏 (1)蒸发-凝聚分馏： 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。 由于水分子经过反复多次蒸发-凝聚过程使得内陆及高纬
《氢氧同位素》课件
地球表面水体中的氢氧同位素分布
地球表面水体中的氢氧同位素分布受到 多种因素的影响，如气候、地形、地质
等。
在不同地区和不同水体类型中，氢氧同 位素的分布存在差异。例如，在冰川和 雪水中，氢氧同位素的含量较低；而在 湖泊和河流中，氢氧同位素的含量较高
。
地球表面水体中的氢氧同位素分布对于 研究地球气候变化和地表水循环等方面
02 氢氧同位素的形成与转化
太阳辐射压的影响
太阳辐射压对地球大气层中的气体分子产生作用，使得氢氧同位素在大气中的分布 发生变化。
太阳辐射压对大气中氢氧同位素的影响程度与太阳辐射的强度、波长以及大气层的 厚度等因素有关。
在地球大气层中，太阳辐射压对氢氧同位素的影响较小，但在某些特定条件下，如 极地的高空区域，其影响可能会更加显著。
具有重要意义。
氢氧同位素的转化机制
氢氧同位素在大气、地表水体和地下水体等不同环境中的转化机制存在差异。
在大气中，氢氧同位素的转化主要受到太阳辐射压、温度和湿度等因素的影响；而在地表水 体和地下水体中，氢氧同位素的转化还受到水流、地质构造和生物作用等因素的影响。
了解不同环境中氢氧同位素的转化机制对于研究地球化学循环和水文循环等方面具有重要意 义。
岩石年代测定
氢氧同位素可以用来确定岩石的形成年代。通过分析岩石中矿物和玻璃质中的氢 氧同位素比率，可以推算出岩石的冷却时间和地质年代。
火山岩年代测定
火山岩中的氢氧同位素比率也可以用来确定其形成年代。通过分析火山岩中的矿 物和玻璃质中的氢氧同位素比率，可以了解火山活动的历史和地质年代。
04 氢氧同位素在其他领域的 应用
气候变化研究
通过氢氧同位素技术，深入理解气 候变化的机制和过程，为应对气候 变化提供支持。
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）。
同位素课总结
(1) 各同位素体系简介，包括表达形式及其在地球各储库的分布(2) 各同位素在地质过程中的主要分馏机制(3) 稳定同位素在地质过程中的应用，例举主要应用及其原理。
一、稳定同位素理论及简介1、 同位素(isotope)是同一化学元素的核素，它们具有相同的核外电子排布结构。
由于核外电子数由原子核中质子数决定，因而总的化学性质相同，只是质量不同。
2、 稳定同位素：不具有放射性的同位素称为稳定同位素(Stable isotopes)。
3、 一般传统稳定同位素限于质量数小于40的非金属元素，如CHONS 。
4、 同位素比值R=X*/X ，X*和X 分别表示重同位素和轻同位素含量.5、6、 两种物质间同位素分馏的程度用分馏系数a 表示：7、 ∆ = 103 ln α ; ∆ = (α - 1) × 1038、 振动能是产生同位素分馏的主因——这是理论计算同位素分馏的基础。
9、 自然界存在三种类型的同位素分馏，平衡分馏，动力学分馏和非质量相关分馏。
二、H 、O 同位素1、氧有3种稳定同位素 16O 17O 18O 氢有2种稳定同位素 1H D(2H)2、地球上的岩石有相似的氢同位素组成，平均：-60‰；大气水具有非常轻的氢同位素组成；地幔dD ：-90~-60‰；绝大多数火成岩的d18O 变化范围为5~15‰，dD 范围为-40~-100‰。
橄榄岩：d18O ＝5.5‰ MORB ： d18O ＝5.7‰；M 型花岗岩：δ18O = 6－7.5‰，同正常玄武岩浆分异有关；I 型花岗岩：δ18O = 7.5－10‰，源岩是贫18O 的地壳岩浆岩；S 型花岗岩：δ18O = 10-13‰，是富18O 沉积岩部分熔融产物。
化学沉积岩δ18O 较高，20-403、分馏机制：由于晶体化学差异，矿物不同18O 富集程度也不同。
石英>方解石》角闪石》黑云母》橄榄石。
4、O 同位素应用：古温度计、古气候、示踪陆壳物质再循环、水岩相互作用H 同位素应用：示踪成矿流体来源三、C 同位素1、自然界中碳以12C 、13C 、14C 等多种同位素的形式存在，12C 、13C 相对丰度分别为98.89%、1.11%；14C 只有极微量且具放射性，半衰期为5730年。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
梨
肃南
167.4 -0.00 -00.0
红石窝
3248
河
38 40'
3.4 D-18O同位素系统
D-18O system: The Meteoric Water Line
• 大气降水中D-18O同位素组成取决于大气温度
3.2 O、H同位素分馏 The fractionation of O and H isotope
(1) 封闭系统中的平衡蒸发过程
在封闭系统中，如果蒸发过程进行得很缓慢，在液相和气相界面上将达到平 衡，并且在整个过程中保持这种水－气之间的相平衡。 根据分馏系数的定义：
1 、地表水和地下水的相互转化关系
祁连山区
98 00' 98 30' 99 00' 99 30' 100 00' 100 30' 101 00' 32.90 -8.64 -54.8 39 40' 104.9 -8.96 -50.1
黑河流域源区水样同位素分布图
39 40' 54.40 -9.14 -56.5 24.9 -9.56 -45.7 10.40 -9.61 <1.6 24.70 -59.8 -9.14 -50.9 -8.71 -54.4 <2.00 -9.64 -62.2
非平衡条件有关， h相对较低时，为非 其中湿度是最主要 平衡状态，平衡分 馏与动力分馏共存。 的因素。
h较小时，以动力分 馏为主； 这也是并不是所 有的降水都落在 GMWL上的原因。
边界层
h＝100%
水体上部非平衡蒸发模型
3.2.1 湿度对同位素分馏的影响 Effect of Humidity on Fractionation
3.2.3 温度对同位素分馏的影响
Effect of temperature on Fractionation
3.2.3 温度对同位素分馏的影响
Effect of temperature on Fractionation
3.2.3 温度对同位素分馏的影响
Effect of temperature on Fractionation
3.3 降雨同位素的季节变化 Seasonal Variation
3.4 同位素维度效应 Latitude Effect
Latitude Effect
–
Cloud Light
Rain Rain Rain
δD Cloud δ18O Evap.
Heavy
0
Sea
Equator Temperate
Latitude
大气降水线
湿度对蒸发水体同位素富集的影响 图中：斜率为GMWL（粗线）附近每条直线初始部分的近似值。
3.2.1 湿度对同位素分馏的影响 Effect of Humidity on Fractionation
3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响
Effect of evaporation on fractionation
3.1 天然系统中的O、H同位素 O and H isotope in natural systems
天然体系中氢有两种稳 定同位素：
1H(99.985%) 2H(0.015%)
3.1 天然系统中的O、H同位素 O and H isotope in natural systems
天然体系中氧有三种稳 定同位素： 16O(99.762%) 17O(0.038%) 18O(0.200%) 氧是地球上丰度最大 的元素，其广泛分部 在各类物质库中
基
本
情
额 济 纳 旗
况
洪 果 尔 山
位于祁连山中段，典型干旱区内流盆地 祁连山区—走廊平原—额济纳旗盆地 总面积约为13万平方公里
主要水源是黑河干流及其支流来水 水资源供需矛盾突出，环境趋于恶化
0
25
50 km
包 尔 乌 拉 山
水 弱
鼎 新
巴 丹 吉 林 沙 漠
酒 泉
张 掖 山
正 义 峡
狼 心 山
1000
当水从海洋蒸发，然后又从云中凝结时造成了同位素分馏。结果降水普 遍比海水减少δD和δ18O。
凝结雨滴δD和δ18O值成比例减少是瑞利条件下凝结分馏的特点。
3.2 O、H同位素分馏 The fractionation of O and H isotope
（3）瑞利条件下的凝结过程
3.2 O、H同位素分馏 The fractionation of O and H isotope
4364 31.32 -8.47 -54.1
河 园
163.2 -8.32 58.30 -53.7 -8.09 -50.0
托
5146 42.20 -6.95 -41.4
山
40.30 -7.43 -49.0
托来牧 场
38 40'
河
托
黑
勒
40.38 -8.82 -65.3
脉
71.50 -8.23 -49.0
第三部分 氢氧稳定同位素
稳定H、O同位素 Stable isotopes of O and H
Goals: 1. Understand how to mathematically represent processes that impact O and H isotopes in natural systems 2. Be able to solve simple isotopic fractionation problems 3. Understand how O and H isotopes change throughout the hydrologic cycle 4. Understand how we use these changes to understand the paleoclimate
（4）不平衡开放系统 当蒸发进行很快时，蒸发速度大于凝结速度，蒸气相与冷凝相之间 处于不平衡状态。蒸发与凝结都不能单纯地用瑞利模型来解释。因为 在这种情况下，凝结作用受到限制（速度慢），而蒸发过程可以分解 为一个单纯地动力蒸发过程和一个同位素交换反应。动力蒸发过程受 水蒸气分子扩散速度所支配，一般动力分馏比热力分馏大得多。 通常，与液体的原始同位素组成相比，经过蒸发后其δ18O值可增加 几倍，而δD值可增加几十倍。这种现象在干旱地区特别明显，例如撒 哈拉沙漠地区，δ18O值可增加30－40倍，而δD值可增加150倍。这种现 象对我们了解干旱地区大气降水和地下水的氢氧同位素组成具有重要 意义。
3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响
Effect of evaporation on fractionation
3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响
Effect of evaporation on fractionation
3.2.2 蒸发对同位素分馏的影响
Effect of evaporation on Fractionation
I
祁 2400 连 山
2000 36
I'
龙 首 山
•
南部盆地以粗颗粒为主，含
高 程 1600 (m)
1200
59 O 260
Q3
张 掖 市
C25 145 民 参 1 2 185
山 丹 河
Q4 N16 16
Q3 C 136 184150
水层单层变为多层型，其中前一
Q2
种类型占绝对优势
北部盆地以细粒物质为主，含 水层结构单层变为多层型，后者 分布最广。
Pole
3.4 同位素维度效应 Latitude Effect
3.5 同位素高度效应 Altitude Effect
Altitude Effect
Light Cloud Altitude
High
Cloud
Heavy
Low
3.5 同位素高度效应 Altitude Effect
H-O同位素分馏的影响因素
3.6 同位素随气候的变化 Co-variation with Climate
3.6 同位素随气候的变化 Co-variation with Climate
3.6 同位素随气候的变化 Co-variation with Climate
黑河流域地下水同位素研究
主要问题
1、地表水和地下水的相互作用关系 2、地下水系统的补给和流动
0
18
36
45km
河
5072 39 20'
河 坝 水
镜铁山
5289 33.40 -9.16 -46.6
1853
49.00 -9.21 -51.0
75.00 -8.77 -43.1
大
洪
祁
5564
河 乐 丰 营河
27.2 -9.39 -44.8
98.60 -5.41 -39.0
39 20'
3571 39 00'
例如，在25℃条件下，
D(W V ) பைடு நூலகம்.074
18
O (W V )
1.0092
这意味着，在平衡条件下，蒸气比水少74‰的 D 和 9.2‰的18O。
3.2 O、H同位素分馏 The fractionation of O and H isotope
（2）瑞利条件下的平衡蒸发
瑞利条件下的平衡蒸发公式 也可用δ表示，即
顺 嘎 诺 尔
北
大
河
酒 泉
合 黎 山
高 台
龙 首
黑
连 祁
山
祁
连 山
肃 南
河
张 掖
C-N
Q2-4
区
祁 连
K-N-Q1
Q2-4 N-Q1 Ar N2