同位素地球化学
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。
同位素地球化学(看放射性的部分)
§1 固体同位素样品实验技术简介
D/Ds=(D/Ds) 0+P/Ds(eλt -1) 87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr) 0 +87Rb/86Sr (eλt -1)
质谱测定
定量分析（同位素稀释分析）
两个步骤： 1、化学分离 2、质谱测定
研究领域 包括有两个方面： 1、同位素地质年代学 2、稳定同位素地球化学
同位素地质年代学是根据放射性同位素 随时间变化的规律，测定地质体的年龄 与活动历史；另外，放射性同位素的示 踪，可用来研究地壳、地幔和其他星体 的成因与演化；
稳定同位素地球化学是研究地质体中稳定 同位素的分布及其在各种条件下的运动规 律，并应用这些规律来解释岩石和矿石的 形成过程、物质来源及成因等问题。
出版社
6、沈渭洲，1993，稳定同位素地质，原子能出版 社
7、朱炳泉等，1998，地球科学中同位素体系理论 与应用，科学出版社
……
四、我国同位素地球化学的学术团体
我国同位素地球化学的研究工作从1958年开 始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。
学术团体： 1、中国矿物岩石地球化学学会—同位素地球化学
同位素地球化学是研究同一元素具有2个或2个以 上组成的核素。
自然界存在两类同位素： 一类是放射性同位素，它们能够自发地衰
变形成其它同位素，最终转变为稳定的 放射成因同位素；
另一类是稳定同位素，它们不自发地衰变 形成其它同位素或由于衰变期长其同位 素丰度变化可忽略不计。
在地球化学系统中，天然放射性同位素丰 度的变异记载着地质作用的时间，同时它们又 是地质过程有效的示中的物理化学条件等。因此，同 位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演 化，主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互 作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及 古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值 的信息，为地球科学从定性到定量的发展作出 了重要贡献。
地球化学研究中的同位素测年技术
地球化学研究中的同位素测年技术地球化学研究中的同位素测年技术被广泛应用于地质学、地球科学、考古学等领域，为我们揭示了地球历史的面纱。
同位素测年技术是通过分析地质物质中不同同位素的比例来确定物质的年龄，其原理基于同位素在自然界中的稳定性和放射性衰变的特性。
本文将介绍同位素测年技术的原理、应用领域及其在地球化学研究中的重要性。
一、同位素测年技术的原理同位素是同一个元素中具有相同原子序数但质量数不同的核素。
同位素的稳定性是同位素测年技术有效应用的基础，而放射性同位素的衰变性质则被用于测定物质的年龄。
同位素测年技术的核心原理是根据衰变速率和父母同位素与子女同位素之间的比例关系来计算样品的年龄。
放射性同位素的衰变速率是稳定的，衰变过程中父母同位素的逐渐减少，而子女同位素的比例逐渐增加。
通过测量样品中父母同位素和子女同位素的含量，可以计算出样品的年龄。
二、同位素测年技术的应用领域同位素测年技术广泛应用于地质学、地球科学和考古学等领域，为研究地球历史和人类活动提供了重要的依据。
在地质学中，同位素测年技术可以用于确定岩石和矿石的形成时间，揭示地球地质演化的过程。
例如，铀系同位素测年方法可以用于测定岩石的年龄，帮助我们了解地球各个时期的构造变化和地球表面的历史。
在地球科学中，同位素测年技术被用于研究地球大气和海洋的循环过程，揭示气候变化的规律。
通过分析大气和海洋中的同位素比例，可以推断过去的气候环境，为预测未来的气候变化提供参考依据。
在考古学中，同位素测年技术被用于确定考古遗址中文物和生物化石的年代，揭示人类活动的发展历程。
通过测定遗址中的有机物的同位素比例，可以推断人类定居和活动的时间，帮助我们了解古代文明的兴衰和民族迁徙的历史。
三、同位素测年技术在地球化学研究中的重要性同位素测年技术在地球化学研究中具有重要的地位和作用。
首先，同位素测年技术是地球化学研究的重要方法之一，通过分析样品中同位素的比例，可以确定样品的年龄和形成过程，从而揭示地球的演化历史。
百科知识精选同位素地球化学
分馏系数分馏系数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。
在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。
其表达式为：□ A-B＝RA/RB式中A和B表示两种物质(物相)，R代表重同位素对轻同位素的比值，如18O/16O，13C/12C等。
□ 值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；□=1时，物质间没有同位素分馏。
δ值稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。
其公式为□δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。
样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。
所以必须采用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。
比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。
稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103ln□ 值与T 2成反比,T为绝对温度。
103ln□ 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈103ln□A-B。
因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103ln□值。
它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。
在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。
它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义。
17-同位素地球化学
明这样做的原因。
（3）讨论模式年龄与等时线年龄的适用性。
六、同位素地球化学-3
Sm-Nd测年及Nd同位素地球化学
Sm、Nd化学性质
1.Sm、Nd：La系，原子序数分别为62和60。为典型金
属、强亲石元素，活泼性仅次于碱金属和碱土金属。
2.大陆地壳岩石Sm/Nd比值小于镁质火山岩Sm/Nd比值。
3.火成岩Sm、Nd含量从超基性、基性岩到酸性岩再到
熔融形成的花岗岩的初始143Nd/144Nd一般低于
CHUR。
理想的CHUR地幔岩库中Nd同位素演化情况
(
)
)
− 1)
− 1)
143
Nd
Nd S
147
144
Nd S
−(144
−(
)
)
(143Nd/144Nd)CHUR=0.512638；(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967
Sm-Nd测年及Nd同位素地球化学
TDM ：亏损地幔模式年龄
随着地壳从地幔中分异，地幔发生亏损，用相对于亏损
地幔计算的Nd同位素模式年龄很合理。
143
143
147
Nd
Nd
(144 ) CHUR=(144 )CHUR(t)+(144 ) (
Nd
Nd
143
143
147
Nd
Nd
(144 ) S=(144 )S(t)+(144 )(
Nd
Nd
143
Nd
144
Nd CHUR
147
144
Nd CHUR
(
1
TCHUR= ln 1+
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。
同位素地质年代学与同位素地球化学
同位素地质年代学与同位素地球化学嘿，伙计们！今天我们要聊聊一个非常有趣的话题——同位素地质年代学与同位素地球化学。
这可是一个让我们大开眼界的领域，让我们一起来看看吧！咱们来聊聊什么是同位素地质年代学。
简单来说，就是通过研究地球上的岩石和化石，了解地球的历史。
这些岩石和化石都有一个共同的特点，那就是它们里面含有各种各样的同位素。
同位素就是原子核中质子数相同，但中子数不同的原子。
这些同位素在自然界中的含量是有限的，而且它们的半衰期也是不同的。
所以，通过测量这些同位素的相对含量，我们就可以推算出这些岩石和化石形成的时间。
那么，同位素地球化学又是什么呢？它其实是同位素地质年代学的一个分支，主要研究的是地球上的物质是如何随着时间的推移而发生变化的。
这个领域的研究对象包括了大气、水、土壤等等。
通过对这些物质中的同位素进行分析，我们就可以了解到地球历史上的各种事件，比如火山喷发、气候变化、生物进化等等。
现在，让我们来举个例子，看看同位素地质年代学是如何帮助我们了解地球历史的。
假设我们发现了一块来自几千万年前的岩石样本，这块岩石中的碳-12同位素含量比现代岩石中的高很多。
根据我们的知识，我们知道这个时期的地球上还没有出现大量的树木，所以这块岩石很可能来自一个没有大量植物生长的时期。
通过这个例子，我们就可以看出同位素地质年代学对于我们了解地球历史的重要性。
接下来，我们再来聊聊同位素地球化学。
这个领域的研究对象非常广泛，包括了大气、水、土壤等等。
其中，大气同位素地球化学是一个非常有趣的领域。
我们知道，大气中的氮气、氧气、二氧化碳等气体都是由氮、氧、碳等元素组成的。
但是，这些气体中的氮、氧、碳原子却有着不同的同位素。
通过研究这些同位素的相对含量，我们就可以了解到大气中的气体是如何随着时间的推移而发生变化的。
例如，我们可以通过测量大气中甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的同位素含量，来了解过去的气候变化。
如果甲烷的同位素比例较高，那么说明过去的气候比较温暖；反之，如果甲烷的同位素比例较低，那么说明过去的气候比较寒冷。
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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
同位素相对富集系列•D: Al-OH > Mg-OH > Fe-OH
•
….•
•18O:Si-O-Si > Si-O-Al > Si-O-Mg •
•13C: •34S:
2.4 地质温度计l1000lnα=A×106/T2+ B
l
l
l有时表示为:
l绝对温度K.
l A, B, C查询:
www.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi http://www.ggl.ulaval.ca/cgi-
bin/isotope/generisotope_4alpha.cgi。