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1、第8讲（第四章-稳定同位素部分）1第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理利用同位素组成的不均匀性和变化来研究利用同位素组成的不均匀性和变化来研究一、基本概念一、基本概念1.同位素丰度相对相对：百分数。：百分数。绝对绝对：与：与1H（=1012）或）或28Si（=106）的比值。）的比值。核合成、衰变、分馏造成其变化。核合成、衰变、分馏造成其变化。2第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理一、基本概念一、基本概念2.同位素分馏系数同位素效应：同位素效应：同位素差异造成的性质差异。同位素差异造成的性质差异。同位素分馏：同位素分馏：同位素在两相中分配比不同。同位素在两相中分配比
2、不同。“不同不同”表示：表示：A-B=RA/RB，：分馏系数：分馏系数。越偏离越偏离1，分馏程度越大。，分馏程度越大。温度的函数温度的函数地质温度计地质温度计 R：同位素（重：同位素（重/轻）比轻）比 A、B：两相：两相3第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理一、基本概念一、基本概念3.同位素组成表示值()=(R样样/R标标)-11000：千分偏差值，可用质谱仪直接测得。：千分偏差值，可用质谱仪直接测得。如：方解石中的如：方解石中的18O（见书见书）标标准：准：见见表表4-5。选择选择原原则则：某元素同位素：某元素同位素组组成接近自然界平均成接近自然界平均值值。成分均匀，易成分均匀
3、，易测测、可得、可得。第三章已讲13C4同位素组成表示 同位素丰度 同位素比值R 千分偏差值5第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理一、基本概念一、基本概念4.千分分馏和同位素分馏值1000ln(1.00n)n 千分分馏例如：A-B=1.031，1000lnA-B311000lnA-BT-2A-B=A-B加和性：A-C=A-B+B-C关推导系：A-B=（1000+A）/（1000+B）6第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理二、稳定同位素分馏机理二、稳定同位素分馏机理1.热力学平衡分馏由性质不同引起同位素交换方式：不同分子或不同相间的交换（不反应）不同分子或不同相间的交
4、换（不反应）1H2O+1H2H 1H2HO+1H2同种分子间交换（歧化反应）同种分子间交换（歧化反应）1H2O+2H2O 21H2HO同位素分子参与反应同位素分子参与反应1H2HO、2H2O分别于N1H3反应7第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理二、稳定同位素分馏机理二、稳定同位素分馏机理1.热力学平衡分馏同位素交换机理：缔合机理：缔合机理：缔合中间体后重新分配电离机理电离机理：解离后组合中伴随着再分配8第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理二、稳定同位素分馏机理二、稳定同位素分馏机理1.热力学平衡分馏同位素平衡分馏的因素：温温 度：度：压压 力：当体积变化大时力：当
5、体积变化大时化学成分：重的富集在键强中化学成分：重的富集在键强中物质结构：物质结构：9第四节第四节 稳定同位素分馏原理稳定同位素分馏原理二、稳定同位素分馏机理二、稳定同位素分馏机理2.同位素动力学分馏由扩散或反应速率不同引起 产物中优先富集反应快的同位素轻同位素；扩散过程的分馏系数：vA/vB=(mB/mA)1/23.与质量无关的同位素分馏 一般质量差越大分馏效应越强，但有些其它因素造成不符合质量相关10第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用一、同位素地质温度计1.基本原理 由分馏系数CaCO3-H2O=(18O/16O)CaCO3/(18O/16O)H2O确定CaCO3形成的温度。一
6、般：1000lnA-B=106/T2+b103/T+c步骤：标准曲线：T测 样 品：查 曲 线：T1000ln106T-2温度（）古今值不变古今值不变古温度下形成古温度下形成样品样品古代温度古代温度实验模拟实验模拟11第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用一、同位素地质温度计1.基本原理 条件：A-B共生、平衡、常见、稳定、大、可靠12第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用一、同位素地质温度计2.同位素测温方法及常用的测温方程（1）外部测温法）外部测温法测固相值，假定另一相值，由分馏系数计算温度。如：氧同位素温度计矿物-海水溶液（表4-6）矿物-不含氧共生矿物包裹的水（表4-7
7、）13第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用一、同位素地质温度计2.同位素测温方法及常用的测温方程（2）内部测温法）内部测温法测两共生含氧矿物质温度如：表4-8（3）单矿物测温法）单矿物测温法测同一矿物中不同结构上的同位素组成14第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用二、氢、氧同位素2H/1H、18O/16O1.不同水体（1）大气降水）大气降水D、18O的范围：，影响因素：大陆（或海岸线）效应：纬度（温度）效应：高度效应：季节效应：越轻越远越高温度低重的少15第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用二、氢、氧同位素2H/1H、18O/16O1.不同水体（1）大气降水）大气
8、降水D、18O的关系：平衡分馏：D/H=818O/16O16第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用二、氢、氧同位素1.不同水体（2）海水）海水表层海水：D=m18O（m=7.5、6.5、6.0）瑞利分馏：蒸发-凝聚中动力学分馏，雨滴移离云层。蒸发前后重的含量：N=N0(V0/V)(-1)/由某T的及V0、N0，求V时=1000(f-1-1)（f为剩余蒸汽的分数）17第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用二、氢、氧同位素2.海相沉积岩18O：海相沉积的燧石：现代11.441.4太古宙代11.420.8海相灰岩：现代30太古宙代10地质年代划分地质年代划分18陆地海水海水第五节第五
9、节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用二、氢、氧同位素3.氧同位素的应用 海水及沉积18O增大 海水蒸发CaCO3沉积陆地冰盛期冰盛期间冰期间冰期海水海水 海水及沉积18O减小 淡水注入CaCO3溶解19第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用二、氢、氧同位素3.氧同位素的应用岩芯深度（cm）18O（）岩芯CaCO3含量互相佐证20第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用三、碳同位素13C值分布：光合光合-呼吸分呼吸分馏馏12C在有机物中、13C于大气中富集上层浮游植物优先摄取12CO2，因为食取，动物体内和呼出的CO2与浮游植物的13C相同；有机碎屑分解，将12C带入深层，所以深层
10、13C低。21第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用三、碳同位素13C值分布：光合光合-呼吸分呼吸分馏馏12C在有机物中、13C于大气中富集大气大气-海水界面分海水界面分馏馏13C在HCO3-、CO32-因而在沉积碳酸盐中富集，12C进入大气 与温度有关：高纬度表层水溶解的13C比大气的CO2高10.6%低纬度表层水溶解的13C比大气的CO2高7.6%22第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用三、碳同位素13C值分布：光合光合-呼吸分呼吸分馏馏12C在有机物中、13C于大气中富集大气大气-海水界面分海水界面分馏馏13C在HCO3-、CO32-因而在沉积碳酸盐中富集，12C进入大
11、气与与营营养元素分布相关养元素分布相关 表层摄取12C，13C高时PO43-低，深层释放12C，23第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用三、碳同位素13C值应用：判断有机质形成环境，如：海洋沉积中有机质13C和浮游生物一致生物介壳中的13C可作为当时海水变化的指示剂，进而营养元素浓度变化指示剂 24第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用四、硫同位素34S/32S、34S氧化数影响化学键强度因而分子振动；一般重的富集在强键化合物中。34S富集SO42-中，32S富集S2-、煤、石油中。1.分馏（1）细菌作用：可达40120难溶S2-易溶SO42-：机械分离上层SO42-深层 S
12、O42-沉积 S2-（34S=+20）（34S=-20-40）若补充不及时，开始S2-的34S低。25第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用四、硫同位素34S/32S、34S1.分馏（2）（50）热分解：S2-产物H2S的34S低（3）（80）还原作用：SO42-产物H2S的34S低热力学和动力学分馏共存。26第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用四、硫同位素34S/32S、34S2.组成分布：生物体：34S比海水中硫酸盐低沉积物：贫34S，可达50，尤其黄铁矿应用：硫同位素地质温度计：如，大陆岩比海底熔岩的34S低，说明前者经历SO2快速去气作用。硫同位素地层学：34S突变
13、27第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用五、锶同位素87Sr/86Sr87Sr来自87Rb的衰变，所以在增多1.研究物质来源R海水=R玄v+R硅s+R碳mR：87Sr/86Sr；玄、硅、碳：年青玄武岩、古老硅铝岩、显生宙以来海洋碳酸盐；R为：0.704、0.720、0.708。v、s、m：上述来源的分数。最小最大28第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用五、锶同位素87Sr/86Sr87Sr来自87Rb的衰变，所以在增多1.研究物质来源无交代影响时化石介壳与当时海水87Sr/86Sr相同。29五、锶同位素87Sr/86Sr大陆冰川增强，向海洋输入古老硅铝岩石火山作用增强，年青玄武岩进入海洋第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用30第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用五、锶同位素87Sr/86Sr2.研究地层划分和沉积历史锶同位素地层学深海沉积来自深海沉积来自自生：锶同位素成分与海水相同外生：差异的原因古老硅铝岩石：高87Sr/86Sr年青玄武岩：低87Sr/86Sr31第五节第五节 稳定同位素的应用稳定同位素的应用五、锶同位素87Sr/86Sr2.研究地层划分和沉积历史锶同位素地层学研究分析研究分析盐酸溶解自生碳酸盐后，进行锶同位素分析，得到方程：(87Sr/86Sr)M=a/SrM+ba、bxA、xB混合系数f32