第一部分 同位素地球化学原理

同位素地球化学基本原理及应用

尹 观

第一部分：同位素地球化学原理一 . 同位素分馏理论基础同位素、稳定同位素(stable isotope) 稳定同位素又分为轻(light mass)质量数元素的 稳定同位素和重(heavy)质量数元素的稳定同位素。

1. 基本概念1.1 同位素基本概念同位素的表示方法： “mA”, A为某元素的符号， m为其质量数， m (质量数)=Z(质子数)+N(中子数)。例如：氢同位素：1H、D、 3H*(T);碳同位素：12C、13C、14 C*; 氧同位素：16O、17O、18O; 硫同位素：32S、33S、34S、36S;锶同位素：88Sr、87Sr、86Sr、84Sr。同位素丰度(isotope abundance):指某种元素的各种同位素原子 数相对于其原子总数的百分比。 同位素比值(isotope ratio):指某种元素的两种同位素丰度之比。 与同位素丰度一样，它也是用来表示天然物质中同位素含量的一种 方式。习惯上把重质量数的同位素原子记作比值的分子，轻质量数 的同位素原子记作比值的分母。例如：氢同位素比值为D/H;氧同位 素比值为18O/16O;碳同位素比值为13C/12C;锶同位素比值为87Sr/86Sr 等。

δ值(δvalue) :指某一元素样品中的两种稳定同位素的比值相对于某 种标准样品对应比值的千分差值，即 δ=R样品 R标准 R标准

×1000 (‰)

式中的R 代表样品、标准样品的同位素比值。 同位素组成(isotope composition):泛指各种物质同位素含量 (同位素丰度、同位素比值或δ值)的一种的称谓。

同位素分馏(isotope fractionation):是指一系统中，某元素的各 种同位素原子或分子以不同的比值分配到各种物质或物相中的作用。同位素分馏系数(α)(isotope fractionation coefficient):某一组分 中两种同位素丰度之比与另一组分的相应比值之商。

A B同位素分馏系数定义为：

RA RB

式中：RA为A物质的某种元素的同位素丰度之比；RB为B物质中同种元素的 同位素丰度之比。

同位素富集系数(△值)(isotope concentration coefficient) :用来表示两种物质间同一元素同位素组成差别 的程度。定义为：ΔA-B = δA-δB式中：δA和δB分别代表两种不 同物质同一元素的同位素组成。

同位素分馏系数(α)与δ值的关系

1.2

常用标准样品

(1)SMOW:标准平均海洋水，H、O 同位素国际标准。δD SMOW = 0‰,δ18O SMOW = 0‰;D/H=(157.6±0.3)×10-6, 18O/16O=(1993.4±2.5) ×10-6。 (2)V-SMOW(Vienna SMOW),经过蒸 馏后的海水。δD SMOW ≈0‰,δ18O SMOW≈0‰;D/H=(155.76±0.05)×10-6, 18O/16O=(2005.2±0.45) ×10-6。

(3)Slap(Standard light Antarctic Precipitation)南极原始的粒雪样品。 δD SMOW = -55.50‰,δ18O SMOW = -428.5±1‰; D/H=(89.02±0.05)×10-6, 18O/16O=1882.766×10-6。 (4) PDB(Pee Dee Belemnite)美国卡

罗莱纳州白垩系Pee Dee组中拟箭 石制成的CO2,作为碳氧同位素标准。 PDB的 δ13CPDB=0‰,δ18OPDB=0‰;13C/12C=1123.72 ×10-6, 18O/16O=415.80 ×10-5。 (5) CDT(Canyon Diablo Troilite)美国亚利桑那州Comyon Diablo铁陨 石中陨硫铁相的硫同位素组成，34S/32S=0.0450045,δ34SCDT=0‰。 在不同类型的样品测定中，由于采用不同的标准样品得到不同的 δ值，如：水的δ18O值是相对于标准样品SMOW,而碳酸盐的δ18O值 是相对于PDB标准，在应用中要换算为相同标准。

2. 同位素分馏效应由质子数目相同，中子数目不同的同位素原子或化合物之间物 理化学性质上的差异(热力学性质，运动及反应速度上的差异等), 使得它们在自然界的各种地球化学作用过程中产生了同位素分馏。 根据分馏的性质和原因分为两大类型：热力学同位素分馏和动力学 同位素分馏。产生同位素分馏的各种作用统称为同位素分馏效应 (isotope fractionation efect)。

2.1 热力学同位素分馏因热力学原因，导致系统中轻、重同位素原子或分子在化合物或 物相之间发生重新分配，造成各化合物或物相中同位素组成的差异， 称之为热力学同位素分馏(isotope thermodynamic fractionation)。 热力学原因有两层含意：一是轻、重同位素原子或分子的热力学 性质不同，如它们的熵、焓、内能、热容等热力学参数存在着差异； 二是当环境因素(主要是温度)发生变化时，一个体系内的自由能 也会随之变化。当环境温度确定后，在不存在化学反应时，系统总 是通过同位素交换的方式，自动调整各化合物或物相的轻、重同位 素原子或分子的分配比，来降低系统的自由能(△E),实现系统的 稳定状态。当系统的△E为0,即同位素交换达到平衡时，系统的各 化合物或物相的同位素组成也随之确定，这时的同位素分馏，称为 热力学同位素平衡分馏。

自然界物质的同位素交换，可以通过扩散、溶解-重新沉淀和微区化 学置换等方式来实现。交换可以在均质体系中进行，也可以在非均质体系 中进行。在均质体系中同位素交换速度快且容易接近或达到同位素平衡。

同位素交换及热力学同位素分馏特点(1)同位素交换反应(isotope exchange reaction) : 同位素交换是热力学同位素分馏中的一种反应过程，它可用下列方程式 表示： AX0+BX* AX*+BX0 例如： S18O42-+4H216O S16O42-+4H218O (2)热力学同位素分馏的特点 ① 热力学同位素分馏过程中，不发生任何化学反应，只在不同化合物 或物相之间产生轻重同位素原子或分子的重新分配，交换前后系统中的同 位素原子或分子的总数保持不变； ② 交换只限于同一体系中不同物相或化学组分间同种元素的不同 …… 此处隐藏：3028字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……