稳定同位素地球化学

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稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学

稳定同位素地球化学正文

　　同位素地球化学的一个研究领域。主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律，并用来解决地质问题。稳定同位素包括放射衰变成因的和非放射成因的，如²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb、²⁰⁸Pb、⁸⁷Sr和¹⁴³Nd就是分别由²³⁸U、²³⁵U、²³²Th、⁸⁷Rb和¹⁴⁷Sm放射衰变而形成的稳定同位素；而H、C、O、S的同位素如¹H、²H、¹²C、¹³C、¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O、³²S、³³S、³⁴S、³⁶S则是天然稳定同位素。由于H、C、O、 S的原子序数小于20，所以其同位素又可称为轻稳定同位素。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用。
　　同位素分馏　指由物理、化学以及生物作用所造成的某一元素的同位素在两种物质或两种物相间分配上的差异现象。引起同位素分馏的主要机制有：①同位素交换反应。是不同化合物之间、不同相之间或单个分子之间发生同位素分配变化的反应，是可逆反应。反应前后的分子数、化学组分不变，只是同位素浓度在分子组分间重新分配。②同位素动力学效应。是指物理或化学反应过程中同位素质量不同所引起的反应速率的差异。在不可逆反应中，结果总是导致轻同位素在反应产物中富集。
　　同位素分馏系数　分馏系数α 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
α_A-B＝R_A/R_B
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。α 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；α =1时，物质间没有同位素分馏。
　　δ值　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

稳定同位素地球化学

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。
　　在地质学中的应用　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,10³lnα 值与T²成反比,T为绝对温度。10³lnα 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δ_B=Δ_A-B≈10³lnα_A-B。因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出10³lnα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。
　　例如不同成因自然水具有不同的H、O同位素组成。海水δD与δ¹⁸O平均值接近0‰；大气降水的H、O同位素组成变化非常有规律，其关系总体符合大气降水线直线方程：δD＝8δ¹⁸O +10，并具有明显的纬度和高度效应；岩浆水的 δD=-40～-80‰；δ¹⁸O愒5.5～9.5‰；变质水δD愒0~-70‰,δ¹⁸O愒3~20‰;有机水的δD愒-90～-250‰，而δ¹⁸O受储油岩层δ¹⁸O值和交换温度的控制。因而研究水的H、O同位素组成及其变异，可以为水的分类与来源提供重要信息。
　　参考书目
　魏菊英、王关玉编：《同位素地球化学》，科学出版社，北京，1988。
　G.福尔著,潘曙兰、乔广生译:《同位素地质学原理》，科学出版社，北京1983。(G. Faure, Principles　of Isotope Geo-logy,John Wiley & Sons,Inc.,New York, 1977.)
　J.Hoefs, Stable　Isotope Geochemistry,3rd ed., Springer-Verlag, Berlin, 1987.