同位素地球化学

现代同位素地球化学第二讲

l2.1 同位素效应

l2.2 同位素分馏

2.3

l分馏系数及其应用

l2.4 地质温度计

l2.5 同位素平衡体系的验证

(isotope effects)l 同位素效应2.1 同位素效应

(isotope effect)

l l 1H 2H

2.2 同位素分馏l同位素分馏：

l同位素分馏系数（α）：

分离系数

αA-B=R A/R B

l

l

同位素分馏系数（α）

18O R 同位素分馏系数表示同位素分馏的程度，它反映了两种物质161816()()A A A B B B O O R O

α−==之间同位素相对富集或亏损的大小。也就是说，哪种物质含有更多的重同位素，哪种物质含有更多的轻同位素当αA-B >1时，表示A 物质比B 物质富集重同位素；当αA-B <1时，则指A 物质比物质B 富集轻同位素；当αA-B =1时，表示两种物

质之间没有同位素分馏

l

αCO

2-H

2

O

=(18O/16O)CO

2

/(18O/16O)H

2

αCO

2-H

2

O

=1.04 at 25℃

同位素分馏系数α

•例如CaCO3和H2O之间氢同位素交换反应可写成：

氧

•则CaCO3和H2O之间的分馏系数α可表示为：

•在25o C时，αCaCO3-H2O = 1.031

同位素组成δ值l 物质中一种元素的几个同位素的绝对量的测量，通常是十分困难的。实际工作中往往采用相对测量法，即只要知道待测物质中某元素的两种稳定同位素的比值与一标准物质中同一元素的两种同位素的比值之间的差异即可。这一差异用δ值来表示：

l 因此，δ值是样品与标准之间同位素比值间的相对偏差，单位用千分值（‰）

表示

δx =1000R x −R std R std

αA-B = R A /R B δx =1000R x R std −1 δA =1000R A R std −1 R std

×δA 1000+1 =R A δ and α 关系?δB =1000R B R std −1

R std ×δB 1000+1 =R B +× +×=

−1100011000B std A std

B A R R δδααA −B =δA +1000δB +1000

1000

1000++=−B A

B A δδαδ and α

由此可见，当两种物质的δ值差别愈大，同位素分馏程度也就愈大

§分馏值(∆):

∆A-B=δA-δB

§

加和性

∆A-C= ∆A-B+∆B-C

千分分馏作用（1000lna）

l

l

l千分分馏作用

l简化分馏系数

简化分馏系数(103ln α)和分馏值(Δ)

1ln(1)θθθ+≈ 当时，10001000++=−B A B A δδα1100011000

A A

B B δαδ−+=+<<1000ln A B A B

αδδ−≈−”简化分馏系数

千分分馏作用（1000lnα）和同位素分馏值Δ

千分分馏作用（1000lnα）和同位素分馏值Δl近似的δ值，a值和Δ值关系可用下式表示：

l 必须注意，上述同位素分馏值Δ和分馏系数α的近似关系式的使用是有条件的。下表列出了不同的αA 和αB 值条件下，

和α的数据对比的数据对比。。当δB 值相同时值相同时，，

值愈大值愈大，，

上式的精确性就愈差上式的精确性就愈差。。

l

1000lnα=A×106/T2+ B lα

αααl矿物对矿物-水

同位素分馏的方式•同位素热力学分馏：

•同位素动力学分馏：

热力学分馏一：同位素交换♦

A0X + B*X = A*X + B0X

16O2+ C18O=16O18O+C16O

同位素交换特点§

§

§

§

热力学分馏二：蒸气压分馏•蒸气压

同位素动力学分馏

♦

同位素动力学分馏

v扩散过程

v氧化还原

v光合作用

瑞利分馏(Raleigh fractionation) l开放体系

瑞利分馏过程

同位素动力学分馏

•瑞利分馏过程可用下式来表示：

为体系中混合物的原始量，通过蒸发混合物量变为V，较不•式中V

o

挥发组分的含量在残余部份中从N

变为N（即重同位素组分），α值

o

为分馏系数。

•这个公式成立的前提是假定在任一特定时刻，体系中蒸汽与残余部分总是处于瞬间同位素平衡状态。

同位素动力学分馏

•通过这一公式，根据某一温度下的分馏系数

α值及体系的初始量和同位素组成，可以求出蒸馏到任一特定时刻（即•式中f 代表该时刻体系中剩余蒸气的分数，α为液体-蒸气间的同位素分馏系数。

体积为V 时）的同位素组成δ值，可用下式表示：

2.3 分馏系数及其应用

•平衡判定•温度计算

不同分子之间的热力学平衡分馏系数1000lna A-B与温度T2成反比，与相对质量差(M*-M)/M*×M 成正比；与不同分子化学键强之差(a A-a B)成正比, 重同位素趋向富集在化学键较强的结构位置、分

子之中或物相中