现代地球化学-稳定同位素地球化学
稳定碳同位素法在油气地球化学分析中的应用
稳定碳同位素法在油气地球化学分析中的应用李惠平（中国地质大学地球科学学院，湖北武汉，430074）摘要: 随着现代分析测试技术的提高,碳同位素在油气地球化学中的应用也越来越广泛。
总结碳同位素在油气地球化学中的应用,这些应用包括:用碳同位素研究来鉴别原油的生成环境和母质类型,对天然气进行成因分类和鉴别,判断天然气的成熟度,进行油气源对比，讨论油气的次生变化,研究油气运移,研究天然气的混合情况和油藏地球化学。
关键词: 稳定碳同位素;油气地球化学;进展1.鉴别原油的生成环境和油气母质类型稳定碳同位素技术在油气地球化学上应用广泛。
现在普遍认为石油是由古代海相或陆相盆地中的沉积有机质随地层沉降埋深热演化而生成的, 沉积环境决定了有机质的性质, 而有机质的类型影响生成油的碳同位素组成。
因此, 通过原油单体烃碳同位素的研究, 可以确定其生成环境和母质来源。
一般认为原油< - 30‰时, 其烃源岩的沉积环境为海相; 为- 29. 5‰～ - 28‰时, 其烃源岩的沉积环境为湖相; 为- 28‰～ - 24‰时, 其烃源岩的沉积环境为陆相, 与煤系地层有关。
总的来说, 海相来源原油碳同位素比陆相来源的轻。
Bjoroy研究认为湖相来源和陆相来源的原油中正构烷烃和类异戊二烯的同位素值有明显的差别: 在湖相来源的原油中, 类异戊二烯的同位素值与相同碳原子数的正构烷烃的类似; 而在陆相来源的原油中, 类异戊二烯的同位素值比相应的正构烷烃的轻;在湖相来源的原油中, 正构烷烃和类异戊二烯的同位素比值均随着碳原子数的增加变化微弱; 在陆相来源的原油中, 正构烷烃的同位素比值随着碳原子数的增加而变轻, 而类异戊二烯的同位素比值则随着碳原子数的增加而变重。
沈平等将我国主要地区石油分离为饱和烃和芳烃两个馏份进行碳同位素测定, 发现不同来源的石油, 其饱和烃和芳烃的碳同位素组成具有明显差异: 对型或煤系有关的轻质油, 其饱和烃和芳烃都富集较重的碳同位素,型原油与煤系有关的轻质油(或凝析油) 相比, 均具有较轻的饱、芳同位素组成。
浅析镍稳定同位素地球化学研究进展
76矿产资源M ineral resources浅析镍稳定同位素地球化学研究进展戴余优1，2，胡耀东1，王 彪2，邱滋发1，2，王卫东3，张雨欣3（１．江西省地质局工程地质大队，江西 南昌 ３３００２９；２．江西省地质工程集团有限公司，江西 南昌 ３３００２９；３．江西省井冈山市农业农村局，江西 吉安 ３４３６００）摘 要：近年来多接收杯电感耦合等离子体质谱（ＭＣ－ＩＣＰＭＳ）的广泛应用以及化学分离技术改善，极大提高了Ｎｉ稳定同位素分析方法的精确度和准确度，推进了Ｎｉ同位素地球化学的发展。
Ｎｉ特殊地球化学性质使其成为同位素地球化学前沿领域，并已取得了一系列成果。
本文首先介绍了高效、方便的分离纯化流程和高精度、准确度分析测试技术；其次，总结了地球主要储库的同位素分布和组成，结果表明地质样品Ｎｉ同位素分馏程度６０Ｎｉ达到 ３．５‰ 。
最后，综述了Ｎｉ同位素在反演星核形成、演化时间以及示踪源古环境、物质来源等领域的应用。
关键词：Ｎｉ稳定同位素；同位素分布和组成；分析测试中图分类号：Ｐ５９７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２３）１７－００７６－３A brief analysis of the application and progress in Nickel stable isotopic geochemistryDAI Yu-you 1,2, HU Yan-dong 1, WANG Biao 1,2, QIU Zi-fa 1,2, WANG Wei-dong 3, ZHANG Yu-xin 3（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ Ｂｒｉｇａｄｅ ｏｆ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００２９， Ｊｉａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｘｉ Ｇｅｏ－Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００２９， Ｊｉａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ；３．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｒｕｒａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｊｉｎｇｇａｎｇｓｈａｎ Ｃｉｔｙ， Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｊｉ’ａｎ ３４３６００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ （ＭＣ－ＩＣＰＭＳ） ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｗｈｉｃｈ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｎｉ ｓｔａｂｌｅ ｉｓｏｔｏｐｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ｎｉ ｉｓｏｔｏｐｅ ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ． Ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， Ｎｉ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔｉｅｒ ｏｆ ｉｓｏｔｏｐｅ ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｐｒｏｇｒｅｓｓ． Ｆｉｒｓｔ， ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙ， ｔｈｅ ｉｓｏｔｏｐｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｎｉ ｉｓｏｔｏｐｉｃ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓａｍｐｌｅｓ ６０Ｎｉ ｒｅａｃｈｅｄ ３．５‰． Ｆｉｎａｌｌｙ，， Ｎｉ ｉｓｏｔｏｐｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｒａｃｅ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｒ ｎｕｃｌｅｉ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｎｉ ｄｅｐｏｓｉｔｓ， ａｎｄ ａｒｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｒａｃｅ ｐａｌｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ， ｐａｌｅｏ－ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｅｎｔｓ， ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ Ｎｉ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｙｃｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅａｒ ｆｕｔｕｒｅ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｗｅ ｒｅｖｉｅｗ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｏｆ Ｎｉ ｓｔａｂｌｅ ｉｓｏｔｏｐｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆ ｓｔａｒ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｃｉｎｇ ｏｆ ｐａｌｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｏｕｒｃｅｓ．Keywords: Ｎｉ ｓｔａｂｌｅ ｉｓｏｔｏｐｅｓ；Ｉｓｏｔｏｐｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；Ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ收稿日期：２０２３－０６作者简介：戴余优，男，生于１９９０年，汉族，江西上饶人，硕士，水工环工程师，研究方向：生态环境修复、农业地质、土壤质量调查、耕地污染治理、地质矿产。
稳定同位素技术的发展及其应用
核技术与核安全课程作业稳定同位素技术的发展及其应用原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子称为同位素，它们处在周期表上的同一位置，可分为稳定性同位素和放射性同位素。
放射性同位素的原子核是不稳定的，它通过自发的放出粒子而衰变成另一种同位素。
而不具有放射性的同位素称为稳定同位素，其中一部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物，称为放射成因同位素；另一部分是天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定，迄今为止还未发现它们能够自发衰变形成其他同位素。
自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有270余种。
有的元素由很多的稳定同位素组成，如第50号元素锡含有10个稳定同位素；而有的稳定同位素却仅仅只有一个稳定同位素，如元素氟、钠等。
稳定同位素较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点，在地质、生态、医药、农业等领域研究中得到广泛应用。
1.稳定同位素技术的发展过程稳定同位素的发现比放射性同位素要晚一些，1912年汤姆孙用电磁分析器（近代质谱计的雏形）才第一次确定了氖-20和氖-22的存在；1927年发现了氧的稳定同位素O 17和O 18；1932年发现了重氢（D ）。
1936年尤里等用精馏法从水中富集了O 18，随后又用化学交换法富集了Li 8，C 13，N 15和S 34，不但证实了早年发表过的有关分离的计算理论，同时也发现了化学交换法对大量分离轻同位素很合适的。
与此同时也采取了几种物理方法分离了若干种同位素。
在1930-1941年期间稳定同位素分离还处于探索阶段，此时尚无工业规模的生产，少量分离物只是提供研究同位素本身的核性质以及作为示踪原子用。
到20世纪50年代后期，由于科学技术的进步及稳定同位素特殊性质的逐步显示，才使之得以迅速发展。
我国稳定同位素的研制工作起步于50年代中，60年代首先在农业上获得应用。
之后，在医药学中的应用也取得初步成果。
目前，我国已有一支稳定同位素的研究、生产机应用的技术队伍，个别产品进入了国际市场。
地球化学知识点整理
地球化学绪论1、地球化学的定义：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学2、地球化学的基本问题：【填空】（1）质：地球系统中元素的组成（2）量：元素的共生组合和赋存形式（3）动：元素的迁移和循环（4）史：地球的历史和演化3、地球化学研究思路：【简答】在地质作用过程中，在宏观地质体变化和形成的同时，亦伴有大量肉眼难以辨别的化学组成变化的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，应用现代化学分析测试手段，剖析这些微观踪迹，从而揭示宏观地质作用的奥秘。
即“见微而知著”。
第一章地球和太阳系的化学组成第一节地球的结构和组成1、地球的圈层结构、主要界面名称：（1）地震波（P波和S波）在地球内部传播速度的变化，反映出地球内部物质的密度和弹性是不均一的。
这种不均一性在地球的一定深度表现为突变性质。
由此得出，地球内部具有壳层结构的概念，即认为地球由表及里分为地壳、地幔和地核三个部分。
界面分别为：莫霍面和古登堡面。
（2）上地壳和下地壳分界面为康拉德面。
上地壳又叫做硅铝层，下地壳又叫做硅镁层。
大陆地壳由上、下地壳，而大洋地壳只有下地壳。
【填空】2、固体地球各圈层的化学成分特点：（分布顺序）地壳：O、Si、Al、Fe、Ca地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca地核：Fe-Ni地球：Fe、O、Mg、Si、Ni第二节元素和核素的地壳丰度1、基本概念：【名词解释】（1）地球化学体系：我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，有一定的空间，处于特定的物理-化学状态，并且有一定时间的连续（2）丰度：研究体系中被研究元素的相对含量（3）克拉克值：地壳中元素的平均含量（4）质量克拉克值：以质量计算表示的克拉克值（5）原子克拉克值：以原子数之比表示的元素相对含量。
它是指某元素在某地质体全部元素的原子总数中所占原子个数的百分数。
（6）浓度克拉克值：某一元素在地质体中的平均含量与克拉克值的比值2、克拉克值的变化规律：（1）递减：元素的克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。
第四讲同位素地球化学 Rb-Sr法
4.2 Rb-Sr同位素体系特征
87Rb=27.83% 85Rb=72.17%
88Sr=82.53% 87Sr=7.04% 86Sr=9.87% 84Sr=0.56%
Rb由两个同位素组成，其 中87Rb经-衰变成为87Sr。 85Rb为稳定同位素。
Sr由四个同位素组成，均为稳 定同位素，其中87Sr为87Rb的放 射成因同位素。
.67 .01
.1
1
10
K2O/Na2O
.67 100 .001
.01
.1
1
87Rb/86Sr
北秦岭新元古代宽 80 坪群玄武岩Rb-Sr
同位素体系开放
10
4.8 沉积作用和成矿作用定年
对成岩过程形成的自生矿物进行分析，可获得沉积岩的沉积年龄
毛里塔尼亚[非洲] 前寒武纪地层RbSr法定年： 图例： 页岩全岩 伊利石 碳酸盐
t=Time of crystallization
Rb/Sr= Rb/Sr=1.2 0.8 ROCK
(87Sr/86Sr) i= 0.702
Rb/Sr=0.6
Rb-Sr同位素等时线年龄原理示意图
After some time increment (t0 t1) each sample loses some 87Rb and gains an equivalent amount of 87Sr
Rb-Sr反等时线 Provost, 1990
原 岩
全岩等时线封
年 闭，获得了原
岩年龄；
龄 长石和黑云母 与 矿物发生开放，
与全岩样品构
变 成了变质事件
等时线。
质 年 龄
peak metamorphic temperature closure or ‘blocking’ temperature
稳定同位素技术在地质科学中的应用
稳定同位素技术在地质科学中的应用稳定同位素技术是利用地球物质中同一元素不同同位素在化学反应中的不同反应速率来分析地质过程的一种方法。
稳定同位素技术不仅在地球科学领域得到了广泛应用，也在其他领域，如生物学、生态学、环境科学等中发挥重要作用。
本文主要探讨稳定同位素技术在地质科学中的应用。
一、同位素地球化学同位素地球化学是稳定同位素技术的一个重要应用方向。
同位素地球化学研究的是地球物质中各元素同位素的分布与空间变化，通过同位素分析，可以从微观角度深入探讨地球物质的形成与演化机制。
如氧同位素就是一个较为常用的地质同位素，它主要用于研究大气、水体、沉积物等地质过程。
氧同位素在大气科学方面可以用于研究靠近海洋和陆地区域的降水同位素分布，以此揭示气象要素和局地气象变化。
在地质时标等领域，氧同位素也常常被人们用来研究不同地质时期的气候变化。
二、岩石地球化学稳定同位素技术在岩石地球化学领域也有着广泛的应用。
岩石和矿物中同位素含量的变化可以揭示岩石和矿物的形成和演化过程。
例如，石英和方解石中的氧同位素组成可以用于时间尺度的研究，而锶同位素组成与岩浆成因联系更为密切。
稳定同位素技术在岩石地球化学研究中的应用还包括研究成矿作用、火山喷发等地质现象。
三、环境地球化学稳定同位素技术在环境地球化学中的应用也越来越受到重视。
环境地球化学是研究环境中各种元素及其同位素分布、迁移和转化的科学，通过分析环境中元素和同位素的分布特征，可以认识到环境本质和特征，进而为环境治理和保护提供科学依据。
如氮、碳等同位素可以用于研究环境污染的来源和演变，硫同位素可用于研究酸雨的生成过程，而稳定铅同位素则可以用于重金属污染历史的追溯。
四、同位素地质年代学同位素地质年代学是通过同位素变化研究地质时间尺度的方法。
通过对地球物质中不同元素对时间的记录，可以研究地层的时代顺序以及地层岩石的物质来源和演化过程。
如铀-钍同位素法可用于绝对年龄并研究地壳物质循环过程，钾-氩同位素法可以用于研究火山岩的年龄，而锆石U-Pb同位素法是目前最常用的地质年代学方法之一。
同位素地球化学
C16O2 (气) +2H218O (液) ≒C18O2 (气) +2H216O (液) ， 在 0℃:α=1.064, 23℃:α=1.059；327℃:α=1.014, 可见高温越高，α →1 。
地质体中共存相之间同位素分馏系数α可以通过实测两相δ值结 果用下列公式逼近：
3）半衰期与平均寿命 半衰期（T1/2）：放射性母体同位素的原子数衰减到原有 数目的一半所需要的时间。特征常数 平均寿命：放射性母体同位素在衰变前所存在的平均时间。
4）放射性衰变的类型 单衰变 连续衰变与衰变系列：
一个放射性母体、若干个放射性中间子体和一个最终稳定 子体所形成的衰变链称衰变系列 分支衰变：放射性同位素同时存在两种或多种衰变方式， 形成不同的稳定子体。
αA-B=RA/RB=（1+δA/1000）/（1+δB/1000） lnαA-B=ln（1+δA/1000）-ln（1+δB/1000） 通常α是接近于1的数值，
α=1.00χ-1.0χ0 数学上可证明： 1000ln(1.00χ)≈χ
则下式是方便的近似计算式： 1000lnαA-B=δA-δB=ΔA-B 1000lnαA-B=1000ln（1+δA/1000）-1000ln（1+δB/1000）＝ δA-δB=ΔA-B （同位素分馏值）
1.02000
10.00 5.0
5.00
4.96
1.00498
20.00 15.0
5.00
4.91
1.00493
30.00 20.0
10.00 9.76
1.00980
《同位素地球化学》课件
通过分析地壳、地幔和地核中元素的同位素组成，可以揭示地球内部的结构和组成。
同位素地球化学分析的意义
有助于理解地球内部的物理、化学和动力学过程，对于地震预测、矿产资源勘探和环境保护等领域具有重要意义 。
04 同位素地球化学在环境科学中的应用
识别污染源
识别不同来源的污染物质
同位素地球化学可以通过分析不同来源污染物质的同位素特征，判断污染物的来源，如工业排放、农 业活动、城市生活等。
追溯污染源的路径
通过同位素标记技术，可以追踪污染物的迁移路径，了解污染物在环境中的扩散和转化过程。
评估环境质量
评估水质质量
同位素地球化学可以分析水体中的溶 解氧、氮、磷等元素的同位素组成， 了解水体的富营养化程度和污染物含 量，评估水质的好坏。
监测空气质量
通过分析大气中不同气体的同位素特 征，可以了解空气污染物的来源和浓 度，评估空气质量的好坏。
02 同位素地球化学的基本原理
同位素分馏
定义
同位素分馏是指由于化学或物理 过程导致同位素组成的差异，使 得不同物质同位素分馏可 分为质量分馏和热力学分馏。质 量分馏是由于分子质量不同而引 起的同位素分馏，而热力学分馏 是由于化学反应平衡状态的变化 引起的同位素分馏。
应用
同位素分馏是同位素地球化学研 究的重要基础，可用于研究地球 内部物质反应、地质年代学以及 示踪地球化学过程等。
同位素地质年代学
定义
应用
同位素地质年代学是利用放射性同位 素衰变定律和同位素分馏原理，测定 地质体形成年龄和地质事件发生的时 代。
同位素地质年代学在地质学、地球化 学和地球物理学等领域具有广泛的应 用，为研究地球演化历史和地质事件 提供了重要的时间参考。
(完整word版)地球化学知识点整理
地球化学绪论1、地球化学的定义：地球化学是研究地球（包括部分天体）的化学组成、化学作用和化学演化的科学2、地球化学的基本问题：【填空】（1）质：地球系统中元素的组成（2）量：元素的共生组合和赋存形式（3）动：元素的迁移和循环（4）史：地球的历史和演化3、地球化学研究思路：【简答】在地质作用过程中，在宏观地质体变化和形成的同时，亦伴有大量肉眼难以辨别的化学组成变化的微观踪迹，它们包含着重要的定性和定量的地质作用信息，应用现代化学分析测试手段，剖析这些微观踪迹，从而揭示宏观地质作用的奥秘。
即“见微而知著”。
第一章地球和太阳系的化学组成第一节地球的结构和组成1、地球的圈层结构、主要界面名称：（1）地震波（P波和S波）在地球内部传播速度的变化，反映出地球内部物质的密度和弹性是不均一的。
这种不均一性在地球的一定深度表现为突变性质。
由此得出，地球内部具有壳层结构的概念，即认为地球由表及里分为地壳、地幔和地核三个部分。
界面分别为：莫霍面和古登堡面。
（2）上地壳和下地壳分界面为康拉德面。
上地壳又叫做硅铝层，下地壳又叫做硅镁层。
大陆地壳由上、下地壳，而大洋地壳只有下地壳。
【填空】2、固体地球各圈层的化学成分特点：（分布顺序）地壳：O、Si、Al、Fe、Ca地幔：O、Mg、Si、Fe、Ca地核：Fe-Ni地球：Fe、O、Mg、Si、Ni第二节元素和核素的地壳丰度1、基本概念：【名词解释】（1）地球化学体系：我们把所要研究的对象看作是一个地球化学体系，有一定的空间，处于特定的物理-化学状态，并且有一定时间的连续（2）丰度：研究体系中被研究元素的相对含量（3）克拉克值：地壳中元素的平均含量（4）质量克拉克值：以质量计算表示的克拉克值（5）原子克拉克值：以原子数之比表示的元素相对含量。
它是指某元素在某地质体全部元素的原子总数中所占原子个数的百分数。
（6）浓度克拉克值：某一元素在地质体中的平均含量与克拉克值的比值2、克拉克值的变化规律：（1）递减：元素的克拉克值大体上随原子序数的增大而减小。
地球化学中的元素和同位素地球化学
地球化学中的元素和同位素地球化学地球化学是一个研究地球物质中元素、同位素分布和演化的学科。
元素是构成地球物质的基本物质，同位素则是同一元素中质量数不同的不同原子核。
元素和同位素的地球化学分析可以帮助我们了解地球的演化历史、地球环境变化、地质过程等多个方面。
一、元素的地球化学元素是地球化学研究的基本单位，地球上的元素分布受制于地球的演化历史和物质组成。
总体而言，地球表层分布的元素可以分为地壳元素、海洋元素和大气元素。
地壳元素是地壳中丰富的元素，包括氧、硅、铝、铁、钙等等，它们占到地壳质量的99%以上。
其中最丰富的是氧元素，它占地壳中质量的46.6%，其次是硅元素，占28.2%。
地壳元素的绝大部分都是宇宙尘埃在地球形成过程中沉积下来的，也有部分来自于岩浆的分异作用和地球内部的物质漏失。
海洋元素主要包括钠、氯、镁、钙等，以及微量元素如铬、钴、铜、锌、铅等。
这些元素常常被沉积在海洋底部的海底泥中，它们的含量一般很低且难以采集分析。
大气元素包括氢、氧、氮、碳以及其他的惰性气体。
其中氧和氮占了大气元素的绝大部分，占比分别为21%和78%。
大气元素是通过地球大气层的物理、化学和生物过程不断循环传输的，它们对地球环境的影响也很大。
二、同位素地球化学同位素是同一元素中质量数不同的不同原子核，同位素地球化学就是研究地球物质中同位素分布和演化的学科。
同位素地球化学的核心是同位素分析技术，它包括同位素质谱分析、放射性同位素年代学和同位素示踪技术。
同位素质谱分析是一种高精度的技术手段，它可以对地球物质中同位素的含量进行精确定量分析。
例如，氧同位素的分析可以用来研究古气候变化，硫同位素的分析可以用来追踪地球物质的来源和演化历史，铅同位素的分析可以用来研究地球内部物质演化和大气污染状况等。
放射性同位素年代学是利用放射性同位素的半衰期来测定物质年龄的技术手段。
不同放射性同位素的半衰期不同，因此可以用来测定不同时间尺度的物质年龄，例如，碳-14同位素可以用来测定古代有机物的年代，铀-铅同位素可以用来测定地球地质历史上的时间尺度。
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丰度比值
1.5575 x 10-4 1.1237 x 10-2 3.677 x 10-3 2.0052 x 10-3, 2.0672 x 10-3 4.5005 x 10-2
我们实测样品的δ 值都是相对这些标准，所以根 据δ值定义这些标准的δ 值应为0‰，如δ DVSMOW=0‰。
国际(原)标准
•
Mo的稳定同位素有7个,即92Mo, 94Mo, 95Mo, 96Mo, 97Mo, 98Mo 和100Mo。
传统的稳定同位素
非传统的稳定同位素
传统稳定同位素的基本特征
(1) 原子量低（A＜40）。 (2) 同位素之间的相对质量差是大的。 (3) 化合物一般具有高度的共价键。 (4) 元素有多个化学价，氧化态和还原态，如S 和C； 或化合物有多种状态，气、液、固态， 如H和O。 (5) 低丰度的同位素应足够检测，以便保证质谱 分析精度。
NBS: National Bureau of Standard, USA NIST: National Institute of Standards and Technology, USA IAEA: International Atomic Energy Agency 中国国家参考标准：如GBW04409（石英）；GBWE070017（水样）
同位素平衡分馏系数与温度的关系 103 ln α = a/T2 + b/T + c 其中a，b，c 分别为常数。 1）在一般低温下，a/T2可以忽略，简化： 103 ln α = b/T + c 2）在高温下，b/T可以忽略，简化： 103 ln α = a/T2 + c （T: K)
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稳定同位素标准
这些过程往往受速度控制，其造成的同位素分馏受扩 散速度或化学反应速度控制，依赖于路径、时间与速 度。 生物参与的化学过程，一般同位素动力学效应明显， 这在C和S同位素分馏的研究中占有重要位置。
起因：由快速、单向、不完全的反应或过程引起（包括生 物为媒介的反应或过程）。 例如：伴随着蒸发过程、扩散过程、分解反应过程，及光 合过程等等发生的同位素分馏都属于动力分馏。 由于轻同位素取代具有相对高的势能，因此它相对 “活泼”，优先反应。 - 例如，C-H键比C-D键容易破裂，它容易反应。 - 反应没有达到平衡时，轻同位素相对富集在产物中，而 重同位素则在反应物中相对富集。 - 通常生物为媒介的氧化还原反应中会产生大的动力分 馏，例如：光合作用生成的有机体贫13C，细菌还原产生 的硫化物贫34S。
如：18O/16O，D/H，
34S/32S，13C/12C
同位素分馏（Isotope fractionation) 同位素在不同物质或不同物相间分配比例 不同的现象称之为同位素分馏。 同位素分馏系数（ Isotope fractionation factor)
αA-B = RA/R
B
即α值，表示某元素的同位素在两种物质 （A和B）之间的分馏的程度。 由于一般不同物质间同位素比值都很接 近，α值在0.9xxx至1.0xxx之间变化。
同位素交换与平衡分馏
同位素交换反应一般可表示为 aA1 + bB2 = aA2 + bB1 A和B为两种物质，它们都含有轻同位素1和重同位素2。 同位素交换平衡时有 K = (A2/A1) a/(B2/B1)b 统计力学给出同位素平衡常数K表示为 K = (QA2/QA1)/ (QB2/QB1) 而某同位素物质的配分函数Q可以表示为 Q =Σi (gi exp(−Ei /kT)) gi为简并数，Ei为允许的能级，k为Boltzmann常数，T为 温度（K）。
现代地球化学
储雪蕾
(E-mail:xlchu@; 电话:82998417)
中国科学院研究生院 中国科学院地质与地球物理研究所 2010.9
稳定同位素地球化学
一．基本概念 二．同位素组成及表示方法 三．同位素分馏机制 四．同位素地质温度计 五．氢和氧同位素地球化学 六．碳和硫同位素地球化学
推导：
A B
2. 同位素动力学分馏（Isotope kinetic fractionation） 一些物理-化学（如蒸发、扩散、化学反应 等）过程和生物（如光合作用、呼吸作用和细菌 硫酸盐还原等）过程，达不到反应物与产物之间 的同位素交换的平衡，称之为同位素动力学分 馏。
k1 k2
α (分馏系数）= k1/k2
普遍规律：重同位素相对富集在化学键强或能态最低的物相中。 1. 同一物质如水：固态 ＞ 液态＞ 气态； 相同化学式的，共价化合物 ＞ 离子化合物。 例如: 碳酸盐中的 18O - 由于氧紧密地束服在离子半径小的、高价C4+, 所以特别被富集。 - Δ18Ocal-water = δ18Ocarb-δ18Owater = 30‰ 例如: 石英 （SiO2） 是最富集18O的矿物。 2. 晶体结构（如文石与方解石）是次要的因素：
样品的δ 值的计算需要引入一个标准。在对 于样品的同位素组成进行比较时，必须采用同一 的标准。目前国际上采用的标准如下：
同位素
δD δ13C δ15N δ18O δ34S
比值
D/H 13C/12C 15N/14N 18O/16O 34S/32S
标准
VSMOW VPDB AIR VSMOW, VPDB VCDT
水分子的不同同位素变体的物理化学性质差异
同位素效应的量子理论解释
氢气分子的势能图
D-D，即重同位 素组成的分子零点 能低于H-D和H-H， 即较轻同位素组成 的分子的零点能， 所以重同位素在化 学反应产物中相对 轻同位素是亏损 的，而在残余的反 应物中则相对富 集。
同位素比值（Isotope ratio) R = 重同位素丰度/轻同位素丰度
α CO − H O =
2 2
RCO2 RH 2O
= 1.0233
在25°C达到平衡时，CO2的18O/16O比值比H2O高。 共价键具有大的平衡分馏，而离子键平衡分馏 小，通常可忽略。 同位素分馏由分子振动能级差异引起，低温能级 差异大平衡分馏大；特别高温度能级差为零，不产生 分馏。
富集规律（平衡分馏）
核素表
Z：质子数；N：中子数 稳定同位素
传统与非传统稳定同位素
稳定同位素地球化学研究自然界稳定同位素的丰度及其 变化。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏 作用(fractionation)，即轻同位素和重同位素在物质中的分 配发生了变化，使得一部分物质富集轻同位素，另一部分物 质富集重同位素。 一般传统稳定同位素研究限于质量数小于40的非金属元 素，如氢(H/D)、碳(13C/12C)、氧(18O/16O和17O/16O)、硫 (34S/32S和33S/32S)和氮(15N/14N)等传统意义上的。 最新多接收等离子体同位素质谱技术已经能够对一些过 渡族金属元素的同位素分馏进行实验测定和研究，这些金属 和卤族元素的稳定同位素，如Li、Mg、Cl、Ca、Cr、Fe、 Cu、Zn、Se和Mo等构成了非传统稳定同位素研究的新领域。
同位素丰度（Isotope abundance) 在稳定同位素地球化学研究中的同位素丰度是 指相对丰度，即指同一元素各同位素的相对含量。
如氧有三种稳定同位素，它们在自然界的平均 丰度为：
16O
= 99.762%， 17O = 0.038%，18O = 0.200%
对轻的元素（Z＜20）来讲，一般最轻的同位 素相对丰度是最高的，且有奇偶数规律。
非放射成因稳定同位素的相对丰度和比值表示
自然界中非放射成因稳定同位素比值的变化范围
同位素效应（Isotope effect) 质量数不同的同位素取代造成元素在 物理和化学性质上的差异，称为同位素效 应。
一般规律：元素的同位素相对质量差越大， 同位素效应越显著。
这解释了为什么自然界中H与D之间的同位素分馏远大于其它元 素的同位素（如12C和13C）之间的分馏；也解释了为什么传统稳定 同位素只探讨质量数小于40的元素。
三、 同位素分馏机制
严格讲，在周期表中所有元素的同位素由于 质量差异在天然过程中都会产生同位素分馏。但 实际上仅有轻元素的同位素分馏才能被检测到。
自然界的各种物理，化学和生物的反应和过 程包括：蒸发作用，扩散作用，吸附作用，化学 反应，生物化学反应等等。这些过程中的轻元素 的同位素分馏是显著的，探讨这些过程的同位素 分馏机制是稳定同位素地球化学的基础。
13C/12C
PDB：Belemnitella Americana（美国北卡罗来纳州白垩系Pee Dee建 造美洲似箭石） •
34S/32S
CDT：美国亚利桑那州Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite)
同位素标准样品
实验室常备一批标准样品，作为检验和实际 分析时的标准。有国际原子能机构、美国国家标 准与技术研究所和中国推出的同位素标准样品。 例如：NBS-28(石英) δ18O = +9.6‰ (VSMOW) GBW04415(Ag2S) δ34S = +22.15‰ (VCDT)
- Δ18Oarag-cal = 0.5‰
3. 类质同像取代 (例如: Ba 取代 Ca) 也有一定的影响： - Δ18OBa-cal-water = 25‰ (Ca-方解石是30‰ )
瑞利同位素分馏 (Rayleigh isotope fractionation)
在两相共存体系A和B中，A不断 地离开体系使B在体系中量不断减 少，这样的过程就称为瑞利分馏。 注意： 1. 每瞬间产生的A脱离体系，对A来讲体 系是开放的； 2. B转变为A，B得不到补充而不断减 少，对B来讲体系是封闭； 3. 在两相分离的瞬间，A与B达到同位素 平衡或分馏系数为常数。 自然界如海水蒸发、雨滴不断 从云中凝聚、岩浆去气、矿物从溶液 中晶出和沉淀，等等。
同位素分馏的类型