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1、STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE第2页/共78页 稳定同位素地球化学研究稳定同位素在天然物质中的组成和稳定同位素地球化学研究稳定同位素在天然物质中的组成和变化规律，并用于解决地质和地球化学问题。由于同一元素的稳变化规律，并用于解决地质和地球化学问题。由于同一元素的稳定同位素质量不同，它们在物理化学和热力学性质上就存在一定同位素质量不同，它们在物理化学和热力学性质上就存在一定的差异，定的差异，特别是特别是H H、O O、C C、SiSi等质量较小的元素，同位素间的相对质量差等质量较小的元素，同位素间的相对质量差较大，在自然界各种物理、化学左右（如蒸发、扩散、渗透、吸较大，在自
2、然界各种物理、化学左右（如蒸发、扩散、渗透、吸附、结晶、交代、沉积及生附、结晶、交代、沉积及生物左右）过程中有可能发生明显的物左右）过程中有可能发生明显的同位素分馏。因此，自然物质中同位素组成的变异是物理化学条同位素分馏。因此，自然物质中同位素组成的变异是物理化学条件的反映。件的反映。近年来，稳定同位素地球化学以同位素分馏理论为基础，将近年来，稳定同位素地球化学以同位素分馏理论为基础，将重点从同位素平衡体系转向非平衡体系（如同位素交换动力学）。重点从同位素平衡体系转向非平衡体系（如同位素交换动力学）。激光探针同位素分析技术的日趋成熟，又大大促进了应用研究。激光探针同位素分析技术的日趋成熟，又大
3、大促进了应用研究。目前，稳定同位素应用正向着地球科学的各个领域渗透，研究已目前，稳定同位素应用正向着地球科学的各个领域渗透，研究已涉及水圈、古海洋、气候学、冰川学、古环境、考古学、天体化涉及水圈、古海洋、气候学、冰川学、古环境、考古学、天体化学等领域。学等领域。STABLEISOTOPE一稳定同位素的组成的表示方法同位素绝对比值:单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比R.如大气中18O/16O比值R(18O/16O)=2.010-3样品中两种同位素比值相对于某一标准的对应比值的相对千分差STABLEISOTOPE相对比值差：nA（%o）=(R样品-R标准)/R标准1000STABLE
4、ISOTOPESTABLEISOTOPE习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以从样品的值，直接看出它含微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化了。0表示34S比标准样品是富集了；0表示34S比标准样品是贫化了。STABLEISOTOPE二.同位素分馏定义:由于同位素质量不同,在各种地球化学过程中会引起同位素在不同化合物和物相中的丰度变异,称为同位素分馏.STABLEISOTOPE同位素分馏作用的大小，一般用分馏系数来 表示：=某元素同位素在A物质中的比值/某元素同位素在B物质中的比值 （其中A、B可以是相同的化合物，亦可是不同化合物）例如：H12CN+13CN-H13CN+1
5、2CN-气态氰氢酸 液态氰氢酸根 经过一段时间后，两部分的13C/12C比值都发生了变化，其分馏系数为：=（13C/12C）HCN/（13C/12C）CN-（偏离1愈大，分馏作用愈强；接近1，表示分馏作用愈 弱）在同位素交换反应时，分馏效应是随温度而变化的，一 般来说温度越高，越小，分馏效应愈不显著。STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE(三)同位素成分的测定及表示方法 一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释等环节。下面简单介绍一下化学制样及质谱仪测定方法。1.制样 将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上测定的化合物，轻稳定同
6、位素一般制成气体样品。例如：氧同位素有两种制样方法：（1）还原法:高温条件下与C还原成CO；（2）氧化法:用F或卤化物氧化，生成O2（精度高）。STABLEISOTOPE 4）同位素标准样品元 素标 准 样缩 写H、O大洋水平均SMOWC美国南卡罗莱纳州，皮迪组的美洲箭石（已耗尽）PDBC索洛霍芬石灰岩NBS20S美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁CD 同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世界性的标准样品。世界标准样品的条件：在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为零点；标准样品的同位素成分要均一；标准样品要有足够的数量；标准样品易于进行化学处理和同位素测定
7、。STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE热力学性质电能-电子层分布平动能转动能振动能-产生同位素分馏的主要原因振动频率与原子的质量成反比含有较轻同位素的分子比重同位素的分子具有较高的振动频率，也就是较高的零点能，较轻同位素形成的化学键较弱，容易被打开STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE 同位素交换反应：就是参与反应的各相物质在保持化学平衡的状态下，各物相间发生同位素再分配的现象。使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生分异，称同位素交换反应。例如：方铅矿和闪锌矿之间达到反应平衡时，大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应 (0:=1.074,25:=1.006)大量实测
8、资料表明:价态和相态差别大的化学反应，同位素交换反应更明显。生物化学反应：动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。例如：植物通过光合作用，使12C更多地富集在有机体中，因此生物成因地质体如煤、油、气等具有高的12C。STABLEISOTOPE生物化学分馏生物活动和有机反应将引起同位素分馏，如植物通过光合作用使12C更多地富集在生物合成的化合物中，所以生物成因的煤、石油、油气具有最高的12C/13C比值。STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE同位素地球化学基础三硫同位素地球化学1.硫的同位素32S33S34S36S95.020.754.210
9、.02A/A=6.25%STABLEISOTOPE同位素地球化学基础34S%o=(34S/32S)样品-(34S/32S)标准/(34S/32S)标准STABLEISOTOPE2.硫同位素分馏作用（1）平衡分馏-交换反应H234S+32SO42-H232S+34SO42-25oC时，=(34S/32S)SO4/(34S/32S)H2S=1.075STABLEISOTOPE硫同位素分馏的一般规律：高价硫富34S，即SO42-SO32-SO2SxH2SS2-34S%o=降低辰砂-辉银矿-辉铜矿-方铅矿-磁黄铁矿-闪锌矿-黄铁矿-辉钼矿STABLEISOTOPESTABLEISOTOPESTABLE
10、ISOTOPESTABLEISOTOPE自然环境硫同位素特征岩浆岩具有很窄的34S变化范围，其34S（%o）约为零；蒸发硫酸盐和海水具有正的34S值；沉积岩具有宽广的34S值，与其复杂的来源有关。STABLEISOTOPE4.研究意义（1）矿床物质来源（沉积岩，岩浆岩？）（2）硫同位素地质温度计STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE2.自然界中氢和氧的分馏作用（1）蒸发-凝聚分馏H216Ol+H218OVH218Ol+H216OV25oC下a(18O)=(18O/16O)l/(18O/16O)V=1.0029STABLEISOTOPEH216Ol+D216OVD216Ol+H21
11、6OVa(D)=(D/H)l/(D/H)V=1.071D与18O之间有如下关系：D=818O+10STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE（3）矿物晶格的化学键对氧同位素的选择离子与氧之间的键强度顺序为：Si-O-SiSi-O-AlSi-O-MgSi-O-Fe18O的富集程度顺序为：Si-O-SiSi-O-AlSi-O-MgSi-O-FeSTABLEISOTOPESTABLEISOTOPE同位素地球化学基础（4）生物分馏作用植物通过光合作用，使18O富集在植物体中，释放出16O2H216O+C18O22(HC18OH)n+16O2STABLEISOTOPE同位素地球化学基础2.各种
12、环境中水的氢氧同位素组成（1）大气降水（2）岩浆岩（3）沉积岩：最高的18O和变化范围（4）变质岩：STABLEISOTOPESTABLEISOTOPESTABLEISOTOPESTABLEISOTOPE同位素地球化学基础4.研究意义（1）矿物和矿床的成因根据矿物及其中的流体包裹体研究STABLEISOTOPE同位素地球化学基础（2）花岗岩成因S型花岗岩：18O%o10(Sedimenttype)I型花岗岩：18O%o10(Igneoustype)幔源花岗岩18O%olowest（3）古环境（纬度）的确定STABLEISOTOPE同位素地球化学基础（4）氧同位素温度计分馏系数与温度的关系100
13、0ln=18O相1-18O相1=A(106T-2)+B式中是分馏系数；T为绝对温度（K）;A和B对于给定的同位素交换反应为常数。STABLEISOTOPE同位素地球化学基础STABLEISOTOPE同位素地球化学基础（三）碳同位素地球化学自然界中的碳同位素12C=98.89%13C=1.11%1.碳同位素的分馏反应：STABLEISOTOPE同位素地球化学基础2.地壳中的碳同位素变异STABLEISOTOPESTABLEISOTOPE本章总结1.衰变反应与定年衰变反应的基本公式：ln(N/No)=-tD*=N(et-1)2.同位素年龄应用的条件STABLEISOTOPE2.同位素分馏与稳定同位
14、素的应用（1）稳定同位素变异的原因（2）同位素示踪剂STABLEISOTOPE思考题和习题：1.试说出Rb-Sr,Sm-Nd,K-Ar,14C等定年方法的原理和应用特点。2.有下列数据：矿物87Rb/86Sr87Sr/86Sr黑云母4.50.92白云母3.40.86斜长石2.10.79试问岩石年龄和（87Sr/86Sr）o是多少？(Rb=1.3910-11）可用Excel拟合STABLEISOTOPE3.稳定同位素变异的原因？4.如果某硫化物的32S/34S比值是23.18,其34S值是多少，其硫应来自哪种岩石？5.用Rb-Sr法或Sm-Nd法对岩石进行定年是地,Rb87-Sr86,Sm143
15、-Nd144比值差别越大越好,还是越小越好,为什么6.准确获得同位素年龄的条件STABLEISOTOPE7用氧同位素地质温度计测温，测得石英-金红石=5.6，计算温度T=?()。已知：10001n石英-水=2.5106T2-1.96；10001n金红石-水=-4.1106T2+0.96。8某地伟晶岩脉中的黑云母用K-Ar同位素法定年，测得放射成因40Ar*与40K的比值(40Ar*/40K)=0.00581，已知ec=0.58110-10/a,=4.98610-10/a,计算伟晶岩脉的侵入年龄。推测它的地质年代，何代？何纪？（提示：ln(1+X)X，不需要用计算工具）STABLEISOTOPE