同位素分馏-吉林大学课程中心
第二章(同位素分馏).
第二章 同位素分馏
Isotope Fractionation
Outline
1 同位素分馏的概念 2 同位素热力学平衡分馏 3 同位素动力学非平衡分馏
4 质量相关分馏和质量不相关分馏
A B
Rstd Rபைடு நூலகம்td
Rstd
dA 1 RA 1000 dB 1 RB 1000
Rstd
dA 1 1000 dB 1 1000
布就保持不变，这就是同位素平衡状态的特点。
当体系处于同位素平衡状态时，同位素在两种矿物或两种物相之间 的分馏就称为平衡分馏。 在讨论同位素平衡分馏时，可以不考虑同位素分馏的具体机理，而 是把所有平衡分馏看作是同位素交换反应的结果。
根据地质体系中共存物相之间的同位素分馏大 小，应用已知的同位素分馏系数，即可计算物 相之间的同位素“平衡”温度。 同位素平衡分馏是同位素在地质（测温）研究 中的重要概念，如果同位素分馏没有达到平衡 状态，就不能用来测定地质温度。换言之，同
1 同位素分馏的概念
通过大量测定，目前已经了解到，不同物质同位素组成往往有微小
的差别。例如18O/16O比值，在自然界各种物质中的变化不过6%。
含义:某元素的同位素在物理、化学、生物等反应过程中以不同比例 分配于不同物质之中的现象称为同位素分馏。
例如一棵植物（如棉花）它的根、茎、叶上，其18O和D同位素组成是不一
dand
Rx Rstd dx 1000 Rstd
A-B = RA/RB
氢氧同位素分馏机理及其在地学中的应用
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。
第5章+同位素分馏应用
C4植物扩展的时间
大型食草动物齿冠珐琅质的δ13C值： 比食物的δ13C值偏重14‰ 全部以C3植物为食：-20‰ 全部以C4植物为食：+2‰ ~ -4‰ 土壤碳酸盐的碳同位素组成： 鸵鸟蛋壳 孟加拉扇沉积物有机质
13C
16
13C 12C
14C
12C
14C
C4 植物的出现和扩张
出现：在泛古陆分裂之前 扩张: 7 – 5 Ma δ13C
叶片
12C
32
14C
水气压差
呼吸损失φ： 植物之间变异很大 活力强弱：活性强的植物在0.3~0.5，维 持呼吸 根/冠比：根极难测定 估计呼吸损失：根据化学组成
13C
33
A g c (ca ci ) ca (1 ci / ca ) 1.6 E g w (ei ea )
υ看似独立变量，实际上它和A、E都有关联 生理上：气孔导度的变化对水气压差和E、A 都有直接的关联影响 微气象上：总阻力>0时，气孔导度升高，E和 ci/ca升高，A/E降低；<0时, 正好相反。个体组 成群体时，总阻力变小或变成负值，群体的碳 素固定和水分损失关系和个体单叶不尽相同
8
a p
如果 ci/ca=0.7
C 3 a ( b a )
ci ca
=20.9
C 4 a ( b4 b3 a )
7
ci ca
= 9.4
13C 12C
13C 12C
14C
14C
0
20
40
ห้องสมุดไป่ตู้60
80
100 C4
旺罗 吕厚远 吴乃琴 除多 韩家懋 吴玉虎 吴 海斌 顾兆炎 青藏高原高海拔地区C4植物 的发现 科学通报.2004,49(13)
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CO2进入植物体内----碳同化
二氧化碳同化（CO2 assimilation），简称碳同 化，是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和 NADPH)，将CO2转化为碳水化合物的过程。二 氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有许多 种酶参与反应。
羧化
光合作用
植物是通过光合作用将空气中的CO2转化为植物组织。 CO2+H2O→(CH2O)+O2
同位素效应( Isotope effect)
自然界有7种碳同位素（10C、11C、12C、13C、 14C、15C、16C），其中12C、13C是稳定同位素 ，没有明显的化学性质差别，但其物理化学性质( 如在气相中的传导率、分子键能、生化合成和分 解速率等)因质量上的不同常有微小的差异,导致 了物质反应前后在同位素组成上有明显的差异。 这种现象称作同位素效应(Isotope effect)。
This diagram of the fast carbon cycle shows the movement of carbon between land, atmosphere, and oceans in billions of tons of carbon per year. Yellow numbers are natural fluxes, red are human contributions in billions of tons of carbon per year. White numbers indicate stored carbon.
景天科植物的 CO2捕获和同化在时间上 是分开的
CAM Plants ：特别热,特别干旱的环境
相对低温潮湿
的夜晚，气孔 打开：CO2进 入固定为草酰 乙酸苹果酸
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
热液体系中硫同位素的瑞利分馏
热液体系中硫同位素的瑞利分馏
中文
瑞利分馏是一种非常重要的分离技术，近些年来被广泛应用于热液体系中的硫同位素分离技术。
瑞利分馏的原理是利用物质的分子量、结晶温度、活度、折射率和体积稳定特性进行分离。
以热液硫同位素为例，当温度控制在某一温度时，将同位素等温胶体溶液加入
瑞利分馏器中，它们会以不同的速度和比例分离出来。
瑞利分馏的好处就在于分离物的分子量的可控性，使得实验效果显著。
与传统的硫杂质分离技术相比，瑞利分馏具有多项优势。
首先，它更加高效，
采用这种技术的硫同位素可以在较短的时间内得到更加准确的分离效果。
此外，实验所得结果也更加可靠，因为它可以更好地模拟热液系统中硫同位素分子的结构，达到较好的分离效果。
在高校和高等教育领域，瑞利分馏在硫同位素的研究方面可谓无往不利，它的
出现不仅拓展了硫同位素研究的可能性，而且为很多新的实验设计提供了参考依据。
此外，瑞利分馏技术可以更精确地评价实验结果，有助于更有效地实施科学研究。
总之，瑞利分馏作为一种重要的分离技术，其技术受到越来越多高校和高等教
育机构的重视，它不仅可以提高科学研究的效率，而且有助于拓展实验室里的专业知识。
在热液体系中，硫同位素的瑞利分馏用于准确的结果获得，是高校和高等教育领域推进学术研究及其未来发展的不可或缺的技术基础。
天然气碳氢同位素分馏动力学及其应用
天然气碳氢同位素分馏动力学及其应用1. 研究背景天然气是一种重要的能源资源，其碳氢同位素分馏动力学研究对于天然气资源的开发和利用具有重要意义。
通过对天然气中碳氢同位素的分析，可以揭示天然气形成过程、地质特征和储集规律，为天然气勘探开发提供重要依据。
2. 碳氢同位素分馏动力学碳氢同位素分馏是指在地质过程中，由于化学反应或物理过程导致不同同位素的比例发生改变。
在天然气形成过程中，由于生物、热解和地下化学反应等作用，会导致天然气中碳氢同位素的分馏现象。
通过研究碳氢同位素的分馏动力学过程，可以揭示天然气形成的机制和规律。
3. 应用领域（1）地质勘探：通过对天然气样品中碳氢同位素比值的分析，可以确定天然气的成因和形成条件，指导地质勘探工作，提高勘探成功率。
（2）地质储层识别：通过对天然气中碳氢同位素的分析，可以识别地质储层的类型、性质和规模，为储层评价和开发提供依据。
（3）气源追踪：通过对不同地质层中天然气碳氢同位素的分析，可以追踪天然气的来源地和迁移路径，为天然气资源评价和开发提供技术支持。
4. 研究现状和挑战目前，国内外对天然气碳氢同位素分馏动力学研究取得了一些重要进展，但仍存在一些挑战和问题。
地质样品中的碳氢同位素含量较低，分析方法需要进一步提高灵敏度和准确度；地质过程中碳氢同位素分馏机制还不十分清楚，相关理论研究仍有待深入。
5. 展望未来，随着科学技术的进步和研究方法的不断完善，天然气碳氢同位素分馏动力学研究将得到进一步深化。
结合地质勘探、地球化学分析和现代物理技术，将为天然气资源的发现、评价和开发提供更加可靠的技术支持，促进天然气资源的合理开发和利用。
总结：天然气碳氢同位素分馏动力学是一个重要的研究领域，对于天然气资源的勘探、开发和利用具有重要意义。
通过深入研究和应用，可以为天然气资源的合理开发和利用提供重要技术支持。
未来，随着科学技术的不断发展，相信天然气碳氢同位素分馏动力学研究将迎来更加美好的发展前景。
吉林大学2020学年第学期
其它
题目名称和教学内容
学时
题目名称和内容
学时
题目名称和内容
学时
题目名称和内容
学时
干酪根镜下特征
10
～
11
第三章储集层和盖层
第一节储集层的物理性质
第二节碎屑岩储集层
第三节碳酸盐岩储集层
第四节其它岩类储集层
第五节盖层及其封闭性
6
11
实验三：TTI值计算与应用
2
实习报告三
12
第四章石油和天然气的运移
6
7
实验一：含油岩系岩石及原油宏观特征观察
2
实习报告一
7
～
9
第二章油气成因与烃源岩
第一节油气成因理论发展概述
第二节生成油气的物质基础
第三节油气生成的地质环境与物理化学条件
第四节有机质演化与生烃模式
第五节烃源岩
第六节石油地球化学对比
8
作业1
9
实验二：原油宏观特征测试及
2
实习报告二
第1页
周次
课堂讲授
实践、实验课
等砂体中的油气分布
第四节：天然气分布广泛性
3
注：本进程表由任课教师于开课前填写，并且在开课后一周内向教师所在教研室、开课学院各
上交一份存档，同时由教师所在学院（教学中心）以软盘的形式统一报教务科。
第一节油气运移基本形式
第二节油气初次运移
第三节油气二次运移
第四节油气运移中若干问题
4
作业2
13～
14
第五章油气藏的形成与破坏
第一节油气成藏机理
第
第四节油气藏的破坏
5
14～
15
第六章圈闭和油气藏各论
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Archaeological Bone Chemistry
吉林大学边疆考古中心 蔡大伟
大气圈
地球就被这一层很厚的大气层包围着。大 气层的成分主要有氮气，占78．1％；氧气 占20．9％；氩气占0．93％；还有少量的 二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、 氪气、氙气、氡气）和水蒸气。
12C——98.9% 13C——1.19%——稳定同位素 14C——10-10%——放射性同位素
碳同化路径
据碳同化过程中最初产物所含碳原子 的数目以及碳代谢的特点，将碳同化 途径分为三类：
C3途径(C3 pathway，卡尔文循环) C4途径(C4 pathway，哈奇途径) CAM(景天科酸代谢，Crassulacean
acid metabolism)途径。
C3途径
巧妙的实验设计
卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖
C3途径
卡尔文循环(C3途径)：光合作用最先 生成的有机物是含有三个碳的3PGA(3-磷酸甘油酸)，称为C3途径。又 称卡尔文循环、卡尔文--本生循环或 光合环。它是所有植物光合作用碳同 化的基本的和共同具有的途径。仅能 通过C3途径固定CO2的植物被称为C3植 物。
This diagram of the fast carbon cycle shows the movement of carbon between land, atmosphere, and oceans in billions of tons of carbon per year. Yellow numbers are natural fluxes, red are human contributions in billions of tons of carbon per year. White numbers indicate stored carbon.
C4途径
自20世纪50年代卡尔文等人阐 明C3途径以来，曾认为光合碳 代谢途径已经搞清楚了，不管 是藻类还是高等植物，其CO2固 定与还原都是按C3途径进行的 。
澳大利亚科学家Hatch（哈奇）和S1ack（斯莱克）在研究玉 米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物时发现，当向这些绿色 植物提供14CO2时，光合作用开始后的1s内，竟有90％以上的 14C出现在含有四个碳原子的有机酸(一种C4化合物)中。随着 光合作用的进行，C4化合物中的14C逐渐减少，而C3化合物中 的14C逐渐增多。于70年代初提出了C4-双羧酸途径(C4dicarboxylic acid pathway)，简称C4途径，也称C4光合碳同 化循环(C4 photosynthetic carbon assimilation cycle， PCA循环)，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中 有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称 为C4植物(C4 plant)。
生物圈
碳循环—生物圈途径
水圈（吸收与释放）
岩石圈（沉积与释放）
海水里碳元素主要赋存形式是溶解的二氧化 碳分子和碳酸根离子。碳酸根离子可以形成 一类叫碳酸盐岩的岩石 成为岩石圈的重要组 成部分。实际上 ，在地球诞生到现在 海洋 一时没有停止过的碳元素的固定。而固定下 来的碳 就是以岩石的形式进入岩石圈。在化 学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏， 所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。 火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的 碳再次加入碳的循环。
光合作用的发生部位——叶绿体
基 粒
类囊 体
类囊 体腔
外
内基
膜
膜质Leabharlann 光合作用的过程光反应—发生在类囊体生成ATP 和NADPH
暗反应—碳同化过程（不直接需要光）
碳素同化是光合作用的一个重要方面。从能 量转换角度看，碳同化是将ATP和NADPH 中的活跃化学能转换为储存在糖类中稳定的 化学能，较长时间供给生命活动的需要；从 物质生产角度看，占植物体干重90%以上 的有机物基本上都是通过碳同化形成的。
小麦
水稻
、、
大豆
棉花
C3类植物叶片特点
维管束鞘细胞（无叶绿体）
叶肉细胞 （有叶绿体）
C3途径（发生在叶肉细胞中）
羧基是由羰基和羟基组成的基团，它是羧酸的官 能团,为羧基—COOH。 （1）羧化反应
RuBp
(2)还原阶段
3-磷酸甘油酸(PGA)在ATP的参与和3-磷酸甘油酸激酶的 催化下，生成1，3-二磷酸甘油酸，再经过3-磷酸甘油醛脱 氢酶的催化，被NADPH还原成3-磷酸甘油醛(GAP)的反应过 程。
CO2进入植物体内----碳同化
二氧化碳同化（CO2 assimilation），简称碳同 化，是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和 NADPH)，将CO2转化为碳水化合物的过程。二 氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有许多 种酶参与反应。
羧化
光合作用
植物是通过光合作用将空气中的CO2转化为植物组织。 CO2+H2O→(CH2O)+O2
（3）再生阶段 3-磷酸甘油醛(GAP)经过一系列的变化，最 后转变为5-磷酸核酮糖，再在磷酸核酮糖激 酶的作用下发生磷酸化作用重新形成1,5-二 磷酸核酮糖(RuBP) 。
ATP
由CO2合成一 个磷酸三糖 需消耗6个 NADPH和 9个ATP
总反应式：
3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6NADPH——GAP+6NADP+ +9ADP+3RuBP+9Pi
电泳技术和同位素示踪技术
20世纪的50年代，Melvin Calvin 单细胞光合有机体—小球藻悬液。 持续的光照和CO2，使光合作用处 于稳态。接着，他们在短时间内 加入放射性同位素标记的CO2以标 记循环的中间物。然后，将细胞 悬液迅速倾入煮沸的乙醇溶液中 杀死细胞，致使酶失活。最后， 使用双相纸电泳和放射自显影分 离、分析循环中的中间物。
PGA + ATP + NADPH + H+ → GAP + ADP + NADP+ + Pi
3-磷酸甘油酸是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用 同化力（ATP与NADPH）使3-磷酸甘油酸的羧基转变成3-磷 酸甘油醛的醛基。当CO2被还原为3-磷酸甘油醛时，光合作 用的贮能过程便基本完成。
酶：3-磷酸甘油酸激酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶