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第06章 稳定同位素地球化学01

第06章 稳定同位素地球化学01
第六章 稳定同位素地球化学
第五章 稳定同位素地球化学
第一节 基本概念及分馏机理 第二节 同位素地质温度计 第三节 氢、氧同位素地球化学 第四节 碳同位素地球化学 第五节 硫同位素地球化学
第一节 基本概念及分馏机理
一．基本概念 二．同位素分溜机理
一．基本概念
1. 稳定同位素及其丰度
什么是稳定同位素?
1/2C O 2 H 2 O « 1/2C O 2 H 2 O
16 18 18 16
(C O 2 ) (H2 O) K = 16 (C O 2 )1/2 (H2 18 O)
18
1/2
16
d. 平衡常数和分溜系数的计算
根据同位素交换反应的同位素分子浓度计算 热力学方程计算 lnK＝－ΔG°/RT
二、分溜方程的建立
• • • 理论计算 实验标定 经验估测
三、同位素平衡的判别
1. 2. 3. 4. 共生矿物的同位素富集顺序判别法 等温线图解法 Δ－δ图解法 Δ－Δ图解法
四、同位素测温方法和常用的测 温方程
1. 外部测温法 2. 内部测温法 3. 单矿物测温法
第五章 稳定同位素地球化学
第一节 基本概同位素地球化学 第四节 碳同位素地球化学 第五节 硫同位素地球化学
R reactant a= R product
H2Owater « H2Ova po ur
a 18 O water-vapour
( 18 O/ 16 O) water = ( 18 O/ 16 O) vapour
4.同位素组成－δ值
Delta - permil: d - ‰
d O sample =
A B = d A d B 1000ln a AB

第四讲 稳定S同位素

第四讲 稳定S同位素

稳定S同位素 Stable S isotopes
• 大气降水 – 雨水中的硫主要是硫酸盐，来源复杂， δ34S 变化很大：海水、 生物成因的H2S、工业生产排放的SO2以及火山喷发的硫气体组 分等； – 在靠近海洋地区，大气降水的δ34S 接近于正常海水硫酸盐，被 认为是来自海喷雾的硫酸盐； – 在非工业区，δ34S 在3.2-8.2 ‰范围内变化； – 在工业区，δ34S 高达15.6 ‰，这一高值与燃烧煤的硫同位素一致； – 在某些地区，尤其是干旱区，雨水中的硫酸盐也可以来自陆相 蒸发岩，或者干盐湖和土壤中的硫酸盐矿物经风化被风吹扬到 空气中。
0 +20
1000lnaH2
S4+
(‰)
S6+
+2 to +8 -20 to -40 -10 to -40
S-1
S
硫同位素分馏 Fractionation of S isotopes
Biologically-mediated SO4 reduction
NOTE: the bacterial reduction of sulfate occurs via kinetic fractionation larger a
What happened at 55Ma? Why might this affect marine d34S? What does it mean that variations occur on timescales shorter than 20Ma (Rt of oceanic sulfur)?
SO aH S 1.025
4 2
but a varies widely, depends on environmental conditions Use equations from previous lecture to calculate d34S of sulfate, sulfide as a function of fraction remaining.

稳定同位素示踪技术

稳定同位素示踪技术

表1：试验所得数据
试样 测定项目 15N丰度（%）
地上部分 3.597
15N原子百分超（%） N%（全氮百分含量）
质量（g）
3.227 4.57 1.16
N的数量（mg/盆） 53.0
根系
3.547 3.177 1.31 0.74
9.7
土壤
0.454 0.084 0.19 1000 1900
（一）植物中来自肥料及土壤氮的百分数
=110 （公斤氮/公顷）
“A”值可用于评价土壤肥力状况，定量地 评定同土壤有效养分水平密切相关的因素。
(三) 肥料氮素利用率
肥料氮素利用率
NDFF% × 植物全氮量（kg/公顷）
=
施氮量（kg/公顷）
肥料氮素利用率% (地上部)
= 64.5% × 53mg/盆 100mg/盆
= 34.19%
肥料氮素利用率% (根系)
一般用硫酸钾、硫酸铜和硒粉组成的混合催化剂， 三者的质量比为 100：10：1。
2. 将铵转化成氨气
在高真空气化装置中，用碱性次溴酸钠将铵氧化 而产生氮气，其反应式：
2NH4+ + 3NaBrO
N2↑+ 5H2O + 3NaBr
四 、质谱法测定15N丰度
（一）质谱仪器的工作原理
利用电磁学原理，使带电粒子按照质荷比 进行分离，从而测定其质量的分析仪器。
进行的示踪试验。
局限性:
1. 标记化合物偏高; 2. 样品制备复杂; 3. 所需的仪器如质谱仪比较昂贵。
第二节 稳定同位素15N的测定方法
同位素
12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N
氮元素的同位素
射线种类 半衰期 自然丰度 (原子%)

3稳定性同位素分析

3稳定性同位素分析
4
一、原子的稳定性
• 原子核的稳定性，是指原子核不会自发地改变其 质子数、中子数和它的基本性质。按原子核的稳 定性可分为稳定原子核和不稳定(或放射性)原子 核两类。
• 原子核的结合能 • 原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是
非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程 度不同。 • 结合能与原子核内核子之比，称为比结合能 • 核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。
第一台质谱仪：1912年；
早期应用：原子质量、 同位素相对丰度等；
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析； 促进天然有机化合物结构分析的发展；
同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪；
19
20
质谱仪的种类
• 有机质谱仪： • 气相色谱质谱联用仪GC-MS • 液相色谱-质谱联用仪LC-MS：液相色
谱仪经接口与质谱计结合而构成的液相 色谱－质谱法的分析仪器。 • 其他有机质谱质谱仪
7
同 位 素 分 布 图 解
8
二、同位素的组成
同位素丰度元素中某种同位素的含量。 • 自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含
量(以原子百分计)。 • 氢的同位素丰度：1H=99.985％，2H=0.015
％；氧的同位素丰度：16O=99.76％， 17O=0.04％，18O=0.20％。 • 同位素组成存在一定范围的涨落，天然物质中， 较重元素相对恒定。轻元素不断地分离，由于衰 变某些元素的的同位素不断产生或消灭。
5
• 1、原子核中的质子数等于和大于84（钋）的原子核是 不稳定的。即原子序数84以后的元素均为放射性元素。

高一化学同位素课件

高一化学同位素课件

同位素在化学反应机理研究中的应用
总结词
同位素在化学反应机理研究中具有重要作用，可以帮助科学家了解反应过程中各个物种的结构和性质，从而揭示 反应机理。
详细描述
同位素在化学反应机理研究中可以用于标记反应物中的特定原子，从而在反应过程中跟踪和检测这些原子的变化 。通过同位素标记，科学家可以了解反应过程中各个物种的结构和性质，从而揭示反应机理。这种方法对于理解 化学反应的本质和设计新的化学反应具有重要的意义。
对同位素设备和设施进行定期 检查与维护，确保其安全可靠
。
同位素的废弃物处理
专业处理
同位素废弃物应由专业 机构进行处理，确保安
全无害。
分类管理
根据废弃物的性质和放 射性强度进行分类管理 ，采取不同的处理方式
。
减量化处理
通过适当的手段减少废 弃物的体积和放射性强
度。
安全储存与运输
在储存和运输过程中， 确保同位素废弃物的安 全，防止泄漏和事故发
结构和核反应过程等。
半衰期和放射性同位素
半衰期是指不稳定同位素发生衰变时 一半原子核发生衰变所需要的时间。 不同的不稳定同位素具有不同的半衰 期，从几秒到数千年不等。
放射性同位素在科学研究、工业生产 和医疗领域中具有广泛的应用，例如 用于放射性示踪、放射性治疗和核能 生产等。
放射性同位素是指具有不稳定原子核 的同位素，它们能够释放出射线，如 α射线、β射线和γ射线等。
同位素的形成是由于原子 核发生变化时，中子数发 生变化而形成的。
同位素的分类
根据中子数的不同，同位 素可以分为稳定同位素和 放射于同位素的中子数不同，它们的核 外电子数相同，因此它们的化学性质 相同。
放射性同位素的半衰期
放射性同位素会自发地发生衰变，产 生新的同位素或放射性元素，这个过 程有一定的半衰期。

06第六章(氮同位素)PPT课件

06第六章(氮同位素)PPT课件
为富氧环境下的细菌作用，将硝酸盐还原为氮气。该过程平衡了 自然界的固氮过程，否则大气中的氮将在100Ma以内消耗殆尽。
反硝化作用的顺序为：NO3- NO2- NO N2O-N2 。 由两个步骤组成:①细胞吸收营养物质，无分馏氮同位素 分馏。
二、氮同位素分馏
2.1 δ15N 的表示方法及测定
氮同位素的国际标准为大气N2，其“绝对”同位素比值为 15N/14N=(3676.5±8.1)×10-6 (Hayes, 1982)，定义其δ15 N=0‰。
氮同位素样品的制样方法多为燃烧法(Combustion)，δ15 N分析 精度为0.1–0.2‰。
Denitrification causes the δ15N-values of the residual nitrate to increase exponentially as nitrate concentrations decrease. Experimental investigations have demonstrated that fractionation factors may change from 10 to 30‰, with the largest values
❖ 含氮矿物少见，主要有钠硝石(NaNO3)、硝石(α-KNO3)、鸟粪石 (NH4MgPO4.6H2O)、磷酸镁钠石(NH4MgPO4.H2O)、陨氮钛石(TiN)、氧氮 硅石(Si2N2O)等。
❖ 在地表条件下，氮可以气、液或固态存在，具有多变价态（由+5 到-3），存在形式为NO3-、NO2-、N2、NH4+、NH3、NO2、NO、N2O和氨基 酸等有机氮等。
➢ The large amount of energy needed to break the molecular nitrogen bond makes nitrogen fixation a very inefficient process

Pb同位素ppt课件


• 地质体中的206Pb、207Pb、208Pb含量随时 间而变化（增长）。 • 用204Pb作基准，用206Pb/204Pb、 207Pb/204Pb、208Pb/204Pb来表述铅的变化 规律。
几个概念：
• 放射性成因铅——岩石矿物形成以后， 由其中的238U 、235U、232Th衰变所产生的 那部分206Pb、207Pb、 208 Pb。 • 普通铅——不含U、Th及其衰变系列中 的放射性同位素的矿物或岩石中的铅， 由原始铅+放射成因铅组成，其中放射成 因的铅是矿物或岩石形成以前由放射性 母体的衰变所形成的。
• 如果在t年以前铅从没有同位素分馏的体 系中分离出来, 则
Pb T t 8 8 (2 0 4 ) a ( e e ) t 0 Pb 207 Pb • T t 5 5 (2 0 4 ) b ( e e ) t 0 Pb 137 .88 208 Pb T t 5 5 (2 0 4 ) c k ( e e ) t 0 Pb
• 正常铅——符合单阶段演化模式，能给 出有意义模式年龄的普通铅。 • 异常铅——不符合单阶段演化模式，模 式年龄无意义的普通铅。
– J型铅（异常铅）——模式年龄小于矿床 （或岩石）年龄。 – B型铅（异常铅）——模式年龄大于矿床 （或岩石）年龄。
铅同位素研究中使用的参数和 符号：
• t0=45.7108a a0=206Pb/204Pb • b0=207Pb/204Pb c0=208Pb/204Pb • =238U/204Pb V=235U/204Pb W=232Th/204Pb =238U/235U=137.88 K=W/ • 8=0.15512510-9/a (238U的衰变常数) 5=0.98485109/a(235U的衰变常数) 2=0.049475109/a(232Th 的衰变常数)

Rb-Sr——同位素地球化学课件PPT

• 利用等时线既可求出年龄，又可以得到锶初始值
• 数据点拟合程度的好坏，也是检验所有样品是否一 直保持封闭的一个尺度
0.710 0.708
t>0
87Sr/86Sr
0.706
t=0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
87Rb/86Sr
同源岩浆岩石Rb-Sr同位素演化和等时线图
等时线 的拟合
• 最常用的是双误差最小二乘回归法进行拟合。
• 实际观测也表明，矿物中的Rb—Sr衰变图确 实受到影响 。
基本假设
• 假设在区域变质或接触变质过程中， 87Sr的变 化仅仅是由于放射性同位素87Rb的衰变导致的， 而矿物中铷和锶的浓度基本上保持不变
• 如果在热变质过程中，矿物发生了同位素均匀 化，一般手标本大小的全岩样品都保持着封闭 体系，则可以计算矿物等时年龄（内等时线）， 代表变质年龄，而全岩年龄代表成岩年龄
未受变质的沉积岩的年龄测定
• 沉积岩中的含铷矿物，既可以是自生的，也 可以是它地生成的和碎屑的
• 自生的有海绿石、钾盐、光卤石等 • 海绿石较好，可以反映沉积年龄 • 蒸发岩矿物不够稳定，所测年龄不可靠
小结
• 铷和锶是分散元素，它们在火成岩、沉积岩和 变质岩中的浓度从小于几ppm到大于几百ppm。
挑选单矿物时，除了含钾矿物以外，通常还 会挑选一种富钙贫钾矿物，如磷灰石、榍石 等。它投点基本落在纵轴上。
变质岩的年龄测定
变质岩的年龄测定
• 变质作用可以是热变质，也可以有流体的参 与，结果使岩石的总体化学组成和微量元素 成分都可能发生变化。
• 可以预料，变质作用对岩石中存在的天然放 射性元素的母体和子体的关系将产生深刻影 响。

同位素基础获奖课件

大，垂直层理方向变化较大
■从矿床底部到顶部，δS34具有增大趋势 ■在共生矿物中： δS34黄铁矿 ＞δS34闪锌矿 ＞δS34方铅矿
三、硫同位素旳地质应用
1、鉴别成岩物质起源
■在地质作用过程中，因为多种硫化物旳形 成条件不同，相应旳硫同位素构成也不同， 所以硫同位素构成也就能够用来鉴别成岩 物质起源。
2024/10/9
17
每个测定样品旳δ(‰)值可正可负，正值表达与原 则相比所测样品中重同位素有一定旳富集，而负值则 表达重同位素有一定旳贫化，亦即轻同位素有所富集。
不同相（不同矿物、液体、气体）中同位素构成不 同，即产生了同位素分馏，两相间同位素比值之商称 为同位素分馏系数
R / R， RA 、RB分别为A相及B相中重同位素
(
D H
)标准
1000
(
D H
)标准
2024/10/9
15
同位素分析资料要能够进行世界范围内旳比 较，就必须建立世界性旳原则样品。世界各国所 采用旳原则样品已基本统一。国际原则样品旳名 称及其同位素绝对比值见下：
氢、碳、氧、硫同位素原则样品
元
标
准
素
H 平均大洋水标准（Standard Mean Ocean Water）
24
2、花岗岩旳硫化物 ■因为花岗岩成因复杂、多样，故其硫化物旳
δS34值也不相同 ■一般由幔源衍生而来旳花岗岩，其硫化物中
旳δS34值在-3~+8‰之间，且单个岩体中δS34 值变化范围窄，阐明成岩物质比较均匀
■ S花岗岩δS34值为-9.4~+7.6 ‰ ■ I花岗岩δS34值为-3.6~+5.0 ‰
与轻同位素A旳比值B。
2024/10/9

稳定同位素示踪技术概要42页PPT

39、没有不没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
稳定同位素示踪技术概要
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
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➢光合作用的实质是水的去氢作用，植物将水分解，吸收其中 的H与CO2结合成有机化合物分子。实测活的生物体、有机体、 生物碳酸盐都具有高的18O。 ➢自然界中由于以上氧同位素的分馏作用，使得在不同地质体 中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：
有机体和CO2中 18O/16O：2.1×10-3，最高 地表水（H2O） 18O/16O：1.98×10-3，最低 ➢岩 浆 岩 、 变 质 岩 以 及 高 温 形 成 的 碳 酸 盐 岩 居 中18O/16O ： 2.01~2.04×10-3 ➢沉积岩中比较富18O
氢氧同位素的纬度效应: 由于水分子经过反复多次蒸发~凝聚 过程使得内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、雪）中集中了 最轻的水（δ18O、δD趋向更大负值）；大洋及赤道地区出现 重水（δ18O、δD趋向更大正值）。
赤道大洋：蒸发→大气中轻同位素富集→空气凝聚过程→ 重分子优先成雨→再进入海水→大气中轻同位素更加富集。 水蒸汽运移：赤道→内陆/低纬度→高纬度 结果：赤道海水富集重同位素；高纬度内陆雨、雪富集轻 同位素。
三、稳定同位素地球化学
➢基本概念 ➢氧、氢同位素地球化学
自然界氧、氢同位素分馏的主要原因 氧同位素的应用
(一) 基本概念
稳定同位素又分重稳定同位素和轻稳定同位素。 • 轻稳定同位素：
1）原子序数Z＜20，ΔA/A≥10% (ΔA 为两同位素质量差)； 2）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是 可逆的。 例：O、H、S、C、N元素的同位素。 • 重稳定同位素： 1）原子序数Z＞20，ΔA/A＜10%； 2）发生同位素成分变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果 所造成的，这种变化是不可逆的。 238U→206Pb、235U→207Pb、232Th→208Pb， 其中87 Sr、143Nd、206Pb、207Pb、208Pb是重稳定同位素。
87Rb 87Sr 14S7 m 14N 3 d
(二) 氧、氢同位素地球化学
氢和氧是自然界中的两种主要元素，它们以单质和化合物的形式遍 布全球。水是一种极为重要的氢氧化合物。
氢和氧是生物圈的最基本的物质组成，是各种生物赖以生存的基础。 氢和氧是地壳的重要组成成分。 氢和氧是大气的重要组成部分。 由氢和氧组成的水（H2O）不仅参与自然界的各种化学反应和地质
作用，而且也是自然界各种物质运动、循环和能量传递的主要媒介 物。
氢氧稳定同位素的丰度
➢ 氢同位素
氢有两个稳定同位素：氕（1H）和氘(2H)。氕的天然平均 丰度：99.9844％；氘的天然平均丰度：0.0156％。
1H和2H彼此间有着最大的相对质量差（100％），因而同位 素分馏特别明显。地球上氢同位素分馏范围达700‰，这一 特点对于氢同位素的地球化学行为的研究非常有利。
“I”型花岗岩 δ18O＜10‰ “S”型花岗岩 δ18O＞10‰
其结果是岩石中富集了18O，水中富集了16O。由于大部分 岩石中氢的含量很低，因此，在水~岩交换反应中氢同位素 成分变化不大。有实验证明，在含OH的矿物中，水-岩反应 结果使得矿物的δD增高。 原因：键强度
• 3.矿物晶格的化学键对氧同位素的选择 • 实验证明： • Si—O—Si键矿物18O最富; • Si—O—Al，Si—O—Mg，Si—O—Fe 其
雨水线
1）雨水线不过原点（海水值）； 2）干旱和热带地区雨水线的斜率小于8 3）不同区域雨水线实际上有一定的差别。例如， 我国八个城市雨水H、O同位素的关系为： δD= 7.9δ18O + 8.2
2.水~岩同位素交换反应 当大气降水同岩石接触，水与矿物（岩石）之间发生氧同 位素交换反应：
1/2Si16O2+H218O 1/2Si18O2+H216O (25℃，α=1.0492)
（二）氧同位素的应用
1.讨论有关岩石的成因问题
幔 源 镁 、 铁 质 岩 石 18O/16O 与 球 粒 陨 石 基 本 一 致 （2.03~2.04×10-3），其δ18O变化范围很窄(5~7‰) 。这是用氧 同位素来判断幔源岩石的重要证据之一。这与矿物化学键对 18O同位素选择富集有关。
花岗岩δ值较高，而且变化范围较大，主要是其成因及源区 较复杂所致：源自(二) 氧、氢同位素地球化学
（一）自然界氧、氢同位素分馏的主要原因 1.蒸发~凝聚分馏： 氢有两种稳定同位素（H、D），氧有三种同位素（16O、 17O、18O）；水可能有九种同位素分子组合：
H216O HD16O D216O H217O HD17O D217O H218O HD18O D218O 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。
次; • 含（OH）的矿物 18O最贫。 • 这与水分子富集16O的规律是一致的。
造岩矿物富集 18O 顺序
18O 降低
石英
碱性长石
白榴石
霞石
钙长石
海绿石
石榴石
黑云母
橄榄石
白云石 方解石
蓝晶石
十字石 普通辉石
榍石
硬石膏 角闪石
4．生物化学作用
➢植物光合作用的结果使18O在植物体中富集，放出O2富含16O： 2H216O+C18O2 2(HC18OH)n+16O2
氢氧稳定同位素分馏
自然界中氢、氧同位素的分馏主要是蒸发、凝 结过程的同位素分馏和水与岩石圈、大气圈及 生物圈的不同物质之间的同位素交换引起的。
动力过程，如植物的光合作用、呼吸作用等也 能引起较小的同位素分馏。
蒸发时，较轻的同位素组分（1H和16O）总是优 先富集在气相中，富集的顺序取决于温度。
➢ 氧同位素
氧有三个主要的稳定同位素：16O、17O、18O。它们的 平均丰度为：16O＝99.762％；17O＝0.038％；18O＝ 0.200％（它们的比例16O:17O:18O＝500:0.2:1）。 通常我们能够把氧同位素和其它同位素结合起来使用， 互相验证。例如在全球变化研究，常常把碳、氢、氧的 三种同位素结合使用，同时分析，同时测定。在研究天 然水的同位素组成时更是不可分离。