同位素地球化学作业

同位素地球化学论文

近年来，随着同位素样片制备技术的改进和高精度质谱的问世，大大地提高了同位素测试结果的精度和准确性，使同位素地球化学的理论和方法进一步成熟和完善，研究领域不断拓宽。

同位素地球化学研究内容

同位素地球化学是根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。

同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法，为地球与天体的演化提供了重要的时间座标。比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为45～46亿年，太阳系元素的年龄为50～58亿年等等。

另外在矿产资源研究中，同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息，为探索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据。

①自然界同位素的起源、演化和衰亡历史。

②同位素在宇宙体、地球及其各圈层中的分布分配、不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；同位素组成变异的原因；并据此探讨地质作用的演化历史和物质来源。

③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。

根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。稳定同位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化。同位素年代学随研究领域的深入，又分为同位素地质年代学和宇宙年代学。同位素地质年代学主要研究地球及其地质体的年龄和演化历史。宇宙年代学则主要研究天体的年龄和演化历史。

自然界同位素成分变化

自然界同位素组成经常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类：一类是放射性同位素衰变，使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少，同时子体同位素的数量不断增加；另一类是由各种化学和物理过程引起的同位素分馏，氢、碳、硫、硅、氮等同位素组成变化是由同位素分馏引起的。对这两类作用的研究是同位素地球化学的主要任务。

在自然过程作用中由于这种质量差所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可区分为：物理分馏，活力分馏，平衡分馏，生物化学分馏等。

分馏系数

分馏系数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。其表达式为：□ A-B＝RA/RB式中A和B表示两种物质(物相)，R代表重同位素对轻同位素的比值，如18O/16O，13C/12C等。□ 值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；□ =1时，物质间没有同位素分馏。

稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。其公式为□δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。所以必须采用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103ln□值与T 2成反比,T 为绝对温度。103ln□值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=

ΔA-B≈103ln□A-B。因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103ln□值。它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义。

稳定同位素地球化学

氧同位素地球化学

自然界氧有3个稳定同位素16O、17O和18O，它们的丰度分别为99.762％、0.038％和0.200％。氧同位素组成以δ18O表示，标准采用SMOW。大气水的δ18O变化范围最大,为+10～-55‰,极地粒雪的δ18O最低；大气二氧化碳的δ18O 最高,可达+41‰。所以天然物质中δ18O的变化幅度约100‰。

含氧矿物在自然界分布相当广泛。主要造岩矿物的δ18O变化具有明显的顺序性，与岩浆结晶分异顺序一致，即由孤立岛状四面体的橄榄石到链状辉石、层状云母和架状的长石、石英，δ18O依次增高，这主要与矿物的晶体化学性质有关。根据同位素分馏理论，硅酸盐矿物中阳离子与氧的结合键愈短，键力愈强,振动频率愈高,则18O愈富。石英中Si—O键在硅酸盐结构中是最强的;此外，与温度有关，因为超基性、基性原始岩浆处于很高温度状态，同位素分馏作用减弱，随岩浆温度的降低，同位素分馏作用增强，岩浆中18O含量相对增高。因此，从超基性岩到酸性岩δ18O明显增高，其变化范围为 5～13‰。对于非正常火成岩，则须考虑岩浆或固结岩石与周围物质间的相互作用。

氧同位素的地质应用最广泛，包括：①氧同位素地质温度计。应用实验的方法，首先测定矿物与水的分馏数据，再计算矿物与矿物之间的分馏数据，得出分馏系数与温度的关系式。氧同位素地质温度计中石英－磁铁矿矿物对是最灵敏的,因为石英的 18O/16O比值大,磁铁矿的比值较小，所

以石英－磁铁矿之间具有最大的分馏系数和温度系数(指温度每变化 1℃时分馏系数的改变量)。②古海洋温度计。通过测定生物化石碳酸钙壳层与水之间的氧同位素组成来确定古海洋的温度。③判断成矿热液的来源和矿床成因及岩石成因等。

硫同位素地球化学

在自然界。硫的分布非常广，硫有4个稳定同位素32S，33S,34S，36S.硫同位素的变化包含着大量的地质作用信息。

δ34S（‰）=［（34S /32S）样-（34S /32S）标］/(34S /32S)标X1000 δ34S正值越大，34S的富集程度越明显; δ34S为负值，则表明样品贫34S而富32S。

硫同位素之间相对质量差较大，在自然过程中它们的分馏效应较明显。目前已知硫同位素比值的变差范围可达160%。陨石中δ34S =0±2‰，变差范围较小，代表地球形成初期的硫同位素组成，这是考查自然硫同位素成分变化的一个基点。沉积岩中δ34S变差范围最大，代表硫同位素的最大分馏效应。

硫同位素分馏分为化学动力分馏，生物动力分馏，和平衡分馏。

根据矿床中硫同位素分馏组成，分析矿床中硫的来源，进而可探讨矿床的成因。在热液矿床中硫的来源是多种多样的，大致可分为三类；1，地幔硫，地幔是许多重要成矿物的源区，虽然目前还无法直接测定地幔硫同位素组成，但根据陨石以及各种来源于地幔的镁铁质-超镁铁质岩石的研究认为，其δ34S值接近0，并且变化范围较小；2，地壳硫，在沉积作用，变质作用和岩浆作用及表生作用过程中，地壳物质的硫同位素发生了很大的变化，各类地壳岩石的硫同位素组成变化很大；3，混合硫，地幔来源的岩浆在上升侵位过程中混染了地壳物质，各种硫源的同位素相互混合。如果混染了海水或海相硫酸盐的硫，混合硫便以富34S为特征：如果混染了生物成因的硫，混合硫便以富32S为特征；如果混染了接近于陨石硫的硫，则混合硫的δ34S值接近0.因此，由热液矿床中硫化物的δ34S值所获得的成矿溶液总硫的同位素组成对分析硫的来源有重要意义。

碳同位素地球化学

研究天然物质中碳同位素的丰度、变异规律及其地质意义。自然界碳有 2个稳定同位素12C和13C，它们的丰度分别为98.89％和1.11％。碳同位素组成以δ13C表示，标准采用 PDB（见稳定同位素地球化学）。天然物质中δ13C的分布如图天然物质中的碳同位素组成所示。由图天然物质中的碳同位素组成看出，δ13C的最低值见于天然气甲烷,为-90‰；最高值出现于碳质球粒陨石中，为+70‰。所以天然物质中δ13C的变化幅度达160‰。

地球上两个最重要的碳贮存库是碳酸盐和生物成因还原碳。它们的同位素丰度值截然不同,因为在大气CO2-溶解 HCO--CaCO3体系中，同位素交换反应使碳酸盐富集13C；而光合作用的动力分馏效应导致生物成因碳（有机物）中富集12C。