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1、地球化学曹双林 地球科学与资源信息系2009年秋季第六章 同位素地球化学 Isotope Geochemistry一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature1.同位素的基本性质Properties of Isotopes(1)核素与同位素Nuclides and Isotopes核素是由一定数量的质子(proton)和中子 (neutron)构成的原子核(nucleus)。具有质量、电荷、能量、放射性、丰度五种特性。16O原子核8个质子+8个中子。 具有相同质子数的核素称为元素。具有相同质子数和不同中子数的一组核素称为
2、同位素。(2)同位素的分类Classification of Isotopes按原子核的稳定性分类:一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature同位素 放射性同位素 Radioactive Isotope稳定同位素 Stable Isotope放射性同位素的原子核是不稳定的，它们 以一定方式自发的衰变(decay)成其它核素 的同位素，比如238U206Pb（经过8次 衰变和6次衰变）；235U 207Pb（经过 7次衰变和4次衰变）。凡原子核能稳 定存在的时间大于1017a的就可称为稳定 同位素。一、自然界同位素成分变化
3、的机理 Isotopic Compostions of Elements In Naturev 目前已发现的天然同位素：340种稳定同位素：273种放射性同位素：67种v 人工合成的放射性同位素：1200多种v凡是原子序数（atomic number）大于83的、 质量数（mass/nuclear number）大于209的同 位素都是放射性同位素。一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Naturev在原子序数小于83、质量数小于209的同位 素中，只有14C、40K、87Rb具放射性，其余均为 稳定同位素。稳定同位素还可以进一
4、步分为：轻稳定同 位素和重稳定同位素。轻稳定同位素特点：原子量小、同一元素的同位素间相对质量差大一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature同位素组成变化的主要原因是同位素分馏 造成（不可逆）。重稳定同位素特点 原子量大、同一元素的同位素间相对质量 差小； 同位素组成变化的主要原因是由放射性衰 变引起（不可逆）一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature2.自然界同位素成分变化Variation of Isotopic Compositions in
5、Nature(1)稳定同位素分馏 Isotopic Fractionation：轻稳定同位素的相对质量差较大，在自然作 用过程中由于这种质量差异引起的同位素相对 丰度的变异，称为同位素分馏（作用）。根据分馏作用的性质和条件， 同位素分馏可 分为：一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature物理分馏Physical Fractionation: 也称为质量 分馏，由质量引起的一系列物理性质的微小差 异，如密度(density)、熔点(meltingg point)、 沸点(boiling point)等.动力分馏Dynami
6、c Fractionation: 含有两种同 位素的两类分子时，它们参加化学反应的活性 (activity)有差异。质量不同的同位素分子具有 不同的分子振动频率(vibration frequency)和化一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature学键强度。轻同位素形成的键比重同位素的键 更易破裂，因此轻同位素的反应速率高。e.g. C + 16OC16O2 K1C + 16O18O C16O18O K2K1/K2 = 1.18平衡分馏Equilibrium Fractionation：在化学 反应中反应物和生成物之间由
7、于物态、相态、 价态以及化学键性质的变化，使轻重同位素分 别富集在不同分子中而发生的分异叫平衡分馏一、自然界同位素成分变化的机理1/3CaC16O3 + H218O 1/3Ca18O3 + H216O 生物化学分馏Biochemical Fractionation：生物活动和有机反应引起的同位素分馏， 包括C、S、N等元素的同位素等。 (2)同位素丰度的表示方法 Expressions of Isotopic Abundance: 同位素比值(Isotopic Ratio)或同位素丰度比 (R)：单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的 原子数之比称为同位素比值。一、自然界同位素成分变化的机理陨
8、石中硫同位素：R = 34S/32S = 1/22.22； 大气中氧同位素：R =18O/16O = 0.1995/99.763 = 0.002 同位素分馏系数Fractionation Parameter(): 在同位素分馏达到平衡的条件下，二种物 质中某元素的相对同位素比值之商称为同位素 分馏系数。一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature同位素交换反应式： aA1+bB2aA2+bB1 （A、B为含有相同元素的两种分子，1和2分别代表轻 和重同位素，a、b为分子系数） =RA/RB=(A2/A1)/( B2/B1)
9、e.g. C16O2 + 3H218O - C18O2 + 3H216O=(18O/16O)CO2/(18O/16O)H2O=1.0407 (25时) 一般来说值几乎都接近1，当=1时，说明未产生分馏 ，当与1的偏差越大，说明分馏作用越强。=Ka/b一、自然界同位素成分变化的机理 Isotopic Compostions of Elements In Nature同位素分馏的通用表达法(Expression)选定某一个样品的R值做标准，其它样品的 R值与该标准对照，便可知道这些样品的同位素 比标准富集或贫化的程度。通常，这种相对富 集或相对贫化的程度用表示：（）=（R样-R标）/R标 1000
10、=( R样/ R标-1) 10000，样品比标准更富集；0，比标准更 贫化；=0，与标准具相同同位素比值。一、自然界同位素成分变化的机理如： 18O（）= (18O / 16O )样品- (18O / 16O )标准/ (18O / 16O )标准1000 同位素标准(Standard) 及其条件： 同位素组成均一，接近天然同位素组成变化范 围的中间值； 数量大，便供长期使用； 化学制备和同位素测试操作方便、简易。 一些国际通用标准(International Standard)：一、自然界同位素成分变化的机理 SMOWstandard mean ocean waterH/O 同位素标准 PD
11、BPeedee Belemnite(南卡罗林纳州白垩系）C/O同位素 CDTCanyon Diablo troilite（亚利桑纳州迪亚布罗峡谷铁陨石中的陨硫铁)S同位素 NBS-1National standard bureau( Potomac River 蒸馏水)H/O同位素一、自然界同位素成分变化的机理还有国家标准、参考标准等等，但他们与 国际标准间可以相互换算:x-A=x-B +B-A +x-B.B-A.10-3x-A、x-B、B-A分别为样品对标准A、 样品对标准B和标准B对标准A的值。一、自然界同位素成分变化的机理（3）放射性衰变Radioactive Decay 定义：自然界中
12、不稳定核素不断自发地放射出质点和能量，最终改变核的组成并形成稳定 核素，这一过程称为放射性衰变或核衰变。核 衰变的结果是母体同位素不断减少，子体元素 同位素不断增加，从而改变子、母体同位素组 成。该过程不受物理化学条件的影响。 衰变的分类Classification：一、自然界同位素成分变化的机理-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子 和一个电子（即-质点），同时放出中微子v 。AZXAZ+1Y + - + v + Ee.g. 8737Rb8738Sr + - + v + E4019K4020Ca + - + v + E一、自然界同位素成分变化的机理 电子捕获(Electron Capture
13、) ：原子核自发从 K层或L层轨道上吸取一个电子。AZX + e-AZ-1Y + Ee.g. 4019K+ e-4018Ar + E 衰变(decay)： 重核通过释放出具两个质子和两个中子组成的 质点(24He)。 A ZXA-4 Z-2Y24 + 4 2He + Ee.g. 226 88Ra-222 86Rn + 4 2He + E一、自然界同位素成分变化的机理自然界中，有些放射性核素要经过多次、多 类型衰变后才能变成稳定核素，比如： 238U-206 82Pb + +8 4 2He + 6- + E235U-207 82Pb + +74 2He + 4- + E232Th-20882Pb
14、 + +6 42He + 4- + E 重核裂变Fission：重同位素自发地分裂成2个或3个原子量 大致相同的碎片。238U 、235U、 232Th等都可 以发生这种裂变。 一、自然界同位素成分变化的机理1.衰变定律及同位素地质年代学的基本原理(Decay Law N/DS是母体 同位素与参照同位素原子比，一般用同位素稀释法 计算获得。二、同位素地质年代学 Isotopic Geochronology(4)同位素定年的基本条件 半衰期足够长 已准确测定出半衰期 有高精度的制样和质谱测定技术 测定对象处于封闭体系。目前常用的定年方法包括U-Th-Pb法、Rb-Sr法、Sm-Nd法、 K-Ar
15、法、Re-Os法和14C法等等。但这些方法的应用，必须结合 具体的地质背景、岩性特征、矿物特征等等做选择 二、同位素地质年代学 Isotopic Geochronology2. Rb-Sr法年龄测定及Sr同位素地球化学 Rb-Sr Isotopic Dating A和B对于给定的同位素交换反应为常数三、稳定同位素地球化学 Stable Isotope Geochemistry三、稳定同位素地球化学 Stable Isotope Geochemistry2.硫同位素地球化学Sulfur Isotope Geochemistry(1)硫的同位素A/A = 6.25%32S 33S 34S 36S95.02% 0.75% 4.21% 0.02% 34S =(34S/32S)样品- (34S/32S)标准/ (34S/32S)标准 X 1000三、稳定同位素地球化学 Stable Isotope Geochemistry(2)自然界硫同位素分馏Sulfur Isotopic Factionation化学动力分馏H234S + 32SO42- H232S + 34SO42-25oC时，=(34S/32S
