3-同位素地球化学和分馏效应(氢氧同位素)解析

第六章同位素地球化学第一节基本概念一、同位素的定义核素：是由一定数量的质子（P）和中子（N）构成的原子核。

核素具有质量、电荷、能量、放射性和丰度5中主要性质。

.同位素：原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做同位素(isotope)，他们处在周期表上的同一位置二、同位素的分类– 放射性同位素(radioactive isotope)：原子核是不稳定的，它们能够白发地衰变成其他的同位素。

最终衰变为稳定的放射性成因同位素。

目前已知的放射性同位素达1200种左右，由于大部分放射性同位素的半衰期较短，目前已知自然界中存在的天然放射性同位素只有60种左右。

放射性同位素例子：238U→234Th＋4He(α)＋Q→206Pb；235U→207Pb；232Th→208Pb– 稳定同位素(stable isotope)：原子核是稳定的，迄今还未发现它们能够自发衰变形成其他的同位素。

自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有260余种。

z轻稳定同位素，又称天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定。

其特点是①原子量小，同—元素的各同位素间的相对质量差异较大；②轻稳定同位素变化主要原因是同位素分馏作用所造成的，其反应是可逆的。

如氢同位素（1H和2H）、氧同位素（16O和18O）、碳同位素（12C和13C）等。

z重稳定同位素，又称放射成因同位素(radiogenic isotope)：稳定同位素中部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物。

其特点是①原子量大，同—元素的各同位素间的相对质量差异小（0.7%~1.2%）环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变；②重稳定同位素变化主要原因是放射性同位素衰败引起，这种变化是单向的不可逆的。

如87Sr是由放射性同位素87Rb衰变而来的；三、同位素丰度同位素丰度(isotope abundance)：可分为绝对丰度和相对丰度绝对丰度是指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1H（取1H=1012）或28Si（取28Si=106）的比值表示。

地球化学讲稿绪论地球科学以自然物质的组成及其各类运动形式为研究内容。

地球化学是地球科学中研究物质成分的主干学科，以元素及其化学运动为研究对象，是地球科学的基础学科之一是地球化学专业的专业基础课利用化学的方法研究地球中元素的含量、分布及化学变化的地质科学现代地球科学有三门基本学科：地质学、地球物理学和地球化学。

此外，还包括地理学、气象学、水文学、海洋学、土壤学、环境地学等学科。

2.地球化学1838年瑞士化学家Sch?nbein(申拜因)首次提出了“地球化学”这个名词；1842年预言：“一定要有了地球化学，才能有真正的地质科学。

”地球化学的定义：地球化学是研究地球及其子系统（含部分宇宙体）的化学组成、化学机制和化学演化的科学。

1）从研究对象来看：是地球及其子系统（地壳、地壳及其自然作用体系（岩浆作用、沉积作用、变质作用、成矿作用、表生作用、生态环境）），目前正在向宇宙天体拓展；2）从研究形式来看：主要是元素和同位素在自然界的化学运动形式；3）从研究时间来看：包涵了整个地球、地壳演化和全部地质作用时期；对单个元素和同位素来讲，是研究它们的发生、不断发展及螺旋式演化的全部历史。

为此，地球化学是地质学与化学相结合的一门边缘学科，但本质上是隶属地球科学同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一,在元素周期表上占有同一位置,化学行为几乎相同,但原子质量或质量数不同,从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。

同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数,例如碳14，一般用14C而不用C14.在自然界中的丰度：指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。

丰度的大小一般以百分数表示。

人造同位素没有丰度。

周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度加权的平均值，这是因为各种同位素在自然界中往往分布的比较均匀，取平均值计算比较准确。

以原子百分数表示的地壳中某种元素各同位素的相对含量。

同位素分馏定义
同位素分馏是指同一元素不同同位素在地球化学过程中发生不同的比例的现象。

同位素分馏可以发生在地壳形成、气候变化、地球生物活动以及地球内部的熔融过程中。

这是因为不同同位素有不同的化学性质和物理性质，使得它们在地球化学过程中会有不同的分布和排列方式。

同位素分馏的机制主要有两种：质量分馏和溶液分馏。

质量分馏是由于不同同位素的质量差异引起的，质量较大的同位素更容易被重力聚集在地球的核心或地壳形成过程中，而质量较小的同位素则更容易分布到地球的大气层或海洋中。

溶液分馏是由于溶液中不同同位素之间的化学反应速率不同引起的，某些同位素更容易被溶解在溶液中或与其他元素形成化合物，从而使得同位素比例发生变化。

同位素分馏在地球科学中具有重要的应用价值，能够帮助科学家研究地球历史变化、地质过程和气候变化等问题。

同时，同位素分馏也可以用于地质资源勘探、环境保护和医学诊断等方面。

同位素瑞利分馏同位素瑞利分馏（Rayleigh fractionation）是地球化学和环境科学中一个重要的概念，它描述了在自然界中，由于温度、压力和溶解度等因素的变化，同位素之间的相对丰度会发生变化。

这种现象最早由英国物理学家约翰·斯特拉特·瑞利（John Strutt Rayleigh）在19世纪末提出，因此得名。

同位素瑞利分馏在地质、大气、海洋等许多领域都有广泛的应用，对于研究地球的演变历史、气候变化以及生物地球化学过程等方面具有重要意义。

同位素瑞利分馏的基本原理是：在一定的温度和压力条件下，同位素之间的相对丰度受到物理和化学因素的影响，从而导致同位素的分离。

这些因素包括同位素的质量差异、分子间的相互作用力、化学反应速率等。

当这些因素发生变化时，同位素之间的相对丰度也会随之改变，从而产生瑞利分馏效应。

同位素瑞利分馏可以分为两种类型：动力学分馏和动力学-化学分馏。

动力学分馏主要是由于同位素质量差异导致的运动速度差异而产生的分馏效应。

例如，在气体分子中，较重的同位素分子运动速度较慢，较轻的同位素分子运动速度较快，因此在相同条件下，较重的同位素分子在气体中的丰度较低。

动力学-化学分馏则是由于化学反应速率的差异导致的分馏效应。

例如，在地球内部，由于化学反应速率的差异，较重的同位素可能会被优先固定在矿物中，从而导致其在地壳中的丰度降低。

同位素瑞利分馏在地质学中的应用主要体现在以下几个方面：1. 同位素年代学：通过测量岩石或矿物中的同位素比例，可以确定它们的形成时代。

这是因为在地球内部，同位素的比例会受到温度、压力和化学反应等因素的影响，从而随着时间的流逝而发生变化。

通过对这种变化的研究，可以揭示地球的演变历史。

2. 同位素地球化学：通过研究地球内部的同位素分布，可以了解地球的物质来源、演化过程以及地球内部的物理化学条件。

例如，通过测量地壳和地幔中的氧同位素比例，可以推断出地壳和地幔的形成过程以及它们之间的关系。

降水稳定同位素的几种效应了解大气降水中稳定同位素与温度、降水量、纬度、高程、距离海洋的距离之间的关系。

Harman Craig提出了全球大气降水线（ＧＭＷＬ），表示为δD ＝8δ18Ｏ+10斜率反映出蒸汽和凝聚是大气降水同位素的主要影响因素，截距表示全球大气降水的平均值，截距大于10表示该降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡程度偏大，小于10则意味着在降水过程中存在蒸发作用的影响。

1雨量效应：一般来说雨量越大，降水的δD和δ18O值越低，这种效应称为雨量效应，其解释为，较低温度将形成较大的降雨，同时在较低温度下的凝结过程中的分馏作用也使降雨中重同位素贫化。

稳定同位素的降水量效应主要发生在中低纬度沿海地区，在我国内陆区通常表现不显著，并且它的产生与大气强烈对流现象相关。

内陆地区降水量和降水同位素的关系，虽然年际拟合关系不好，但是可能在夏季拟合的比较好。

2温度效应：大气降水的δD和δ18O值与地面年平均气温往往呈线性相关关系。

温度升高δ值增大，温度降低δ减小。

温度效应主要是由于蒸发过程中分馏作用随温度的升高而减弱造成的。

在水的蒸发过程中，水分子获得外部能量后，优先破坏相对轻的同位素水分子之间的氢键，温度较高时蒸发获得的能量多，重同位素分子之间的氢键被破坏的数量增多，所以分馏作用减弱，海水蒸发所形成的水蒸气中的2H和18O的含量就高。

且温度每升高1℃，大气降水的δ18O增加量小于于δD。

在高纬度地区温度是影响大气降水中稳定同位素变化的主要因素，在南北两极表现得尤其明显，且越深入大陆内部，其正相关性越强，这种现象在我国主要表现在季节温度变化比较大的地区，如我国西北地区的西安、乌鲁木齐、兰州等。

3纬度效应：大气降水的δD和δ18O值随着纬度的升高而减小的现象。

不同地区降水的δ18O值随纬度变化率不同，但是变化趋势是一致的，随着维度的升高，大气降水的δ18O不断降低。

纬度效应形成的原因有：1.随着纬度的升高，当地的年平均气温降低；2.大气圈中的水蒸气大部分形成于低纬度地区，当云团向高纬度地区移动时，由于不断发生瑞利分馏凝结作用，使云团与之平衡的雨水δD和δ18O值不断降低。

第七章稳定同位素地球化学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。

同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用，即轻同位素和重同位素在物质中的分配发生变化，造成一部分物质富集轻同位素，另一部分富集重同位素。

同位素及其化合物在物理或化学性质上的差异叫做同位素效应。

同位素效应的产生从根本上讲是由于同位素在质量上的差异引起的，同位素质量差越大，所引起的物理化学性质上的差异也就越大。

因此，对质量较轻的元素，其同位素的相对质量差异较大。

如H与D 质量差100％，O16和18O质量差12.5％，而204Pb和206Pb质量差仅1％，在目前技术条件下，能测量到的由于同位素效应所造成的自然界同位素丰度变异仅限于质量数小于40的元素内。

这就是稳定同位素地球化学目前所涉及的同位素仅限于元素氢（H/D）、碳（14C/13C）、氧（18O/16O）、和硫（34S/32S）以及硼（11B/10B）、氮（15N/14N）的原因所在。

7.1 同位素分馏和组成的表示7.1.1同位素分馏由于同位素效应所造成的同位素以不同比例在不同物质或不同相之间的分配称为同位素分馏。

这里需引入二个概念。

同位素比值：定义为单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比，如在陨石中硫同位素比值为：R=34S/32S＝1/22.22当我们谈论同位素比值时，总是指重同位素和轻同位素之比。

同位素分馏系数：定义为在平衡条件下，经过同位素分馏之后二种物质（或馏份）中某元素的相应同位素比值之商。

设某二种物质为A，B，某元素的同位素比值为R A，R B，则同位素分馏系数为：所以当我们讨论同位素分馏系数时，必须指明是那种物质对那种物质。

一般α值为接近1的一个数字，离1愈远，同位素分馏就愈大，α=1表示物质间无同位素分馏。

R值可通过具体对象的测定而获得，某种物理化学环境下的α值则可通过实验过程确定。

把R和α两者联系起来，可用来探讨地质过程的物理化学状况。

地球化学解析地球岩石中的同位素组成地球岩石是地球上最庞大的自然资源之一，通过对其同位素组成的分析，可以深入了解地球历史、地质构造、岩石形成过程等方面的信息。

同位素是具有相同质子数，但中子数不同的同一元素的不同形式，其稳定性和放射性在地球化学中发挥重要作用。

本文将介绍地球化学中解析地球岩石中的同位素组成的方法和应用。

一、同位素的基本概念同位素是指同一元素中，质子数相同而中子数不同的核。

同位素的质量数等于其质子数与中子数之和。

同位素在化学性质上具有相似性，但在物理性质上存在差异，其中最常见的性质就是其放射性。

同位素按照其放射性可分为稳定同位素和放射性同位素两类。

二、同位素分析方法在地球化学研究中，常用的同位素分析方法包括质谱法和同位素地球化学方法。

1. 质谱法质谱法是一种利用质谱仪对元素、化合物或物质所含的同位素进行分析的方法。

常见的质谱法包括质谱质谱法(MS-MS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。

2. 同位素地球化学方法同位素地球化学方法主要利用同位素的物理性质，通过对岩石、矿物或水样品中同位素组成的测定，解析地球系统中的物质循环、地质历史和地球环境等。

常见的同位素地球化学方法包括稳定同位素地球化学和放射性同位素地球化学。

三、同位素地球化学的应用1. 稳定同位素地球化学的应用稳定同位素地球化学广泛应用于水文地球化学、岩石地球化学、大气环境等领域。

例如，利用氢氧同位素可以探究地球水循环过程、水源区的划分和水资源的管理。

利用碳同位素可以追踪地球上的碳循环和生物地球化学循环过程。

利用氧同位素可以研究古气候变化和古环境演化等。

2. 放射性同位素地球化学的应用放射性同位素地球化学主要应用于地质年代学和地下水资源勘探等领域。

例如，利用铀-铅同位素测年方法可以确定岩石和矿石的年龄。

利用钾-氩同位素方法可以测定火山岩的年龄。

利用同位素示踪技术可以研究地下水流动路径和补给来源等。

综上所述，地球岩石中的同位素组成是地球化学研究的重要内容之一，通过同位素的分析可以获取丰富的地质、地质历史和地球环境信息。

同位素分馏特征同位素分馏是指在自然界或实验条件下，同一元素的不同同位素在化学或物理过程中的分离和富集现象。

同位素分馏特征是指不同同位素在化学或物理过程中分离和富集的规律和特点。

同位素分馏特征在多个领域具有重要应用，包括地质学、天文学、环境科学等。

一、同位素分馏特征的原理同位素分馏特征的原理可以通过几个方面来解释。

同位素的质量差异使得在化学或物理过程中发生分馏。

同位素的质量差异是由于同位素的质量数不同所导致的。

例如，氢的两个同位素氘和氢的质量数分别为2和1，因此它们在化学或物理过程中会有不同的分馏特征。

同位素的化学性质差异导致了分馏。

同位素的化学性质差异是由于同位素的电子结构和原子核结构的不同所导致的。

例如，碳的两个同位素碳12和碳13的化学性质有所不同，因此它们在化学反应中会发生不同的分馏。

同位素的地球化学过程导致了分馏。

地球化学过程是指地球上各种化学元素的循环和相互转化的过程。

地球化学过程中，同位素的分馏是由于地球上不同环境条件下同位素的分布和转化不同所导致的。

二、同位素分馏特征的应用同位素分馏特征在多个领域具有重要应用。

在地质学中，同位素分馏特征可以用来研究地球内部的物质循环和地球历史的演化。

例如，通过研究同位素分馏特征，可以推断地球内部的岩石熔融和地壳构造的过程，了解地球的地热活动和地质灾害的机制。

在天文学中，同位素分馏特征可以用来研究宇宙的起源和演化。

例如，通过研究宇宙中不同星体的同位素分馏特征，可以推断星体的形成和演化过程，了解宇宙的起源和演化的机制。

在环境科学中，同位素分馏特征可以用来研究环境污染和生态系统的健康状态。

例如，通过研究水体中同位素的分馏特征，可以判断水体的污染来源和程度，了解生态系统的物质循环和能量流动的过程。

三、同位素分馏特征的实验方法同位素分馏特征的研究需要进行实验。

常用的实验方法包括质谱法、同位素示踪法和同位素比值法。

质谱法是通过质谱仪对样品中同位素的质量进行分析和测量。