第五章(3)同位素基础PPT课件

23 04 2020 1 第五章 3 稳定同位素地球化学 23 04 2020 2 同位素丰度 isotopeabundance 绝对丰度 指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额 常以该同位素与1H 取1H 1012 或28Si 28Si 106 的比值表示 相对丰度 指同一元素各同位素的相对含量 例如12C 98 90 13C 1 10 大多数元素由两种或两种以上同位素组成 少数元素为单同位素元素 如19F 100 23 04 2020 3 当原子序数Z28时 元素的各同位素丰度值比较均匀 同位素丰度变化 事实上 稳定同位素的丰度在不同地质体中是不同的 有一定的变化范围 例如16O 99 7771 99 7539 17O 0 0407 0 0350 18O 0 2084 0 1897 23 04 2020 4 同位素分馏 isotopefractionation 同位素分馏是指在一系统中 某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或两相中的现象 这是由于同位素存在核质量的差异 其物理和化学性质存在微小差别 导致体系的不同部分的同位素组成将发生微小的 但可测量的改变 称为同位素分馏 其程度正比于同位素质量差 分配系数 23 04 2020 5 轻稳定同位素 Z 20 包括H C N O S等元素的同位素 常有明显的变异 因为这些同位素的质量数小于40 它们的质量差相对较大 A A 10 例如16O 18O及1H 2H D 的相对质量差达 23 04 2020 6 2H 氘 d o deuterium 重氢 3H 氚 chu n tritium 超重氢 有放射性由于这种质量的差异所引起的相对丰度的变异 称为同位素分馏现象 根据分馏作用的性质和条件可分为 物理分馏 动力分馏 平衡分馏 生物化学分馏 23 04 2020 7 物理分馏 质量分馏 同位素之间因质量差异而发生轻重同位素的分异 如水蒸发凝聚作用不断循环 H2O富集在蒸汽相中 D2O更多地残留在水体中 高纬度地区 大气降水形成最轻的水 如 高空大气14N富集 而低层则15N集中 例如 蒸发作用强烈的死海 约旦 巴勒斯坦国之间 咸水中H218O含量最高 单向多次反复的物理过程 同位素分馏效应最明显 重力作用 23 04 2020 8 动力分馏其实质是质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学健强度 因轻同位素形成的键比重同位素更易破裂 这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子 例如 C 16O2 C16O2平衡常数K1C 16O18O C16O18O平衡常数K2经实验测定K1 K2 1 17 化学活泼性 23 04 2020 9 同位素动力分馏效应的特点 1 为单相不可逆反应 2 反应物和反应产物之间不发生同位素交换 3 伴随有化学反应或物相的转变 4 同位素动力分馏的反应产物往往优先富集轻同位素 23 04 2020 10 平衡分馏热力学平衡分馏 是指体系经过同位素热力学平衡交换反应而达到平衡状态时 同位素在两种分子或化合物间的分馏 也称同位素交换反应 例如 大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应 23 04 2020 11 同位素交换反应有如下特点 1 可逆反应 2 元素的各种同位素化学性质相同 物质间的同位素交换 只在化合物之间或相之间发生同位素重新分配 而不发生化学成分或物相的转变 即属等体积的置换 交换反应前后 系统中的同位素分子数和同位素原子数保持不变 3 在交换过程中 伴随有分子键的断开和重新键合 23 04 2020 12 生物化学分馏生物活动和有机反应的同位素分馏效应更强 如 植物通过光合作用使12C更多的富集于生物合成的化合物中 如 煤 油 气等具有最高的12C 13C比值 23 04 2020 13 达到同位素交换平衡时 共存相同位素相对丰度比值为一常数 称为分馏系数 用 表示 H2O O2 RH2O RO2RH2O和RO2分别为H2O和O2中的18O 16O重稳定同位素 如Pb Sr Sm Nd 由于相对质量差 A A很小 由平衡分馏引起的相对丰度的变异很小 23 04 2020 14 同位素组成 样品中某一种元素的各种同位素的相对含量 一种元素的同位素组成表示方法可用同位素绝对比值表示 但在地球化学的文献中更常采用的方法是与标准样品相应的同位素比值相比较 并用偏差千分率表示出来 23 04 2020 15 23 04 2020 16 氢 碳 氧 硫同位素标准样品 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 世界各国所采用的标准样品已基本统一 国际标准样品的名称及其同位素绝对比值见下 T T 23 04 2020 17 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 23 04 2020 18 每个测定样品的 值可正可负 正值表示与标准相比所测样品中重同位素有一定的富集 而负值则表示重同位素有一定的贫化 亦即轻同位素有所富集 不同相 不同矿物 液体 气体 中同位素组成不同 即产生了同位素分馏 两相间同位素比值之商称为同位素分馏系数 RA RB分别为A相及B相中重同位素与轻同位素的比值 23 04 2020 19 例如闪锌矿和方铅矿的硫同位素分馏系数为 23 04 2020 20 分馏系数 与两相 值的关系推导如下 当 接近1时 In 1 23 04 2020 21 硫同位素 一 硫同位素的组成及比值1 硫的四种稳定同位素自然界中硫由S32 S33 S34和S36四种稳定同位素组成 其一般同位素成分是 S32 95 018 S33 0 75 S34 4 215 S36 0 017 由于S33和S36含量极小 在一般研究中只考虑S32与S34的含量 23 04 2020 22 2 S32与S34的比值研究自然界硫的同位素成分一般采用canyonDiablo铁陨石中硫铁矿 Fes 同位素成分作为标准S32 S34 22 22S34 S32 0 0450045 S34CD 0 S34 0 称为轻硫 即 S34 S32 样品 S34 S32 CD S34 0 称为重硫 即 S34 S32 样品 S34 S32 CD 二 地质体中硫同位素的组成1 幔源的基性 超基性岩及其衍生矿床中的硫化物 S34值均匀 变化范围窄 平均值接近于零 即使侵入体具有分异现象 同位素分馏程度也较小 从早期到晚期 其分异产物稍显富集S34重硫 即 S34值稍变大 23 04 2020 24 一些天然含硫物质中的34S 32S的分布 2 花岗岩的硫化物 由于花岗岩成因复杂 多样 故其硫化物的 S34值也不相同 一般由幔源衍生而来的花岗岩 其硫化物中的 S34值在 3 8 之间 且单个岩体中 S34值变化范围窄 说明成岩物质比较均匀 S花岗岩 S34值为 9 4 7 6 I花岗岩 S34值为 3 6 5 0 3 沉积物和沉积岩中的硫化物 1 近代沉积物近代沉积物 生物沉积 S34 7 7 34 6 近代盐类沉积 化学沉积 S34 3 1 9 8 2 古代沉积物 S34值变化范围极大 多为 5 35 明显富集轻硫 S32 4 与火山产物伴生的沉积岩中的硫化物 S34 1 0 20 0 矿床内部 S34比较均一 沿层理方向变化范围不大 垂直层理方向变化较大 从矿床底部到顶部 S34具有增大趋势 在共生矿物中 S34黄铁矿 S34闪锌矿 S34方铅矿 三 硫同位素的地质应用1 判别成岩物质来源 在地质作用过程中 由于各种硫化物的形成条件不同 相应的硫同位素组成也不同 因此硫同位素组成也就可以用来判别成岩物质来源 如 幔源的基性 超基性岩及其衍生矿床中的硫化物 S34值均匀 变化范围窄 平均值接近于零 2 判断成矿物质来源和矿床成因 凡整个矿床 S34平均值接近于零 而 S34在矿床内部变化又不大 或者即使有变化 其变化与矿物中富集规律顺序相一致 Mb Py Po Sp Cp Gn Bn Cc 则表明是热液成因的 凡整个矿床 S34为负值 而且 S34在矿床内部变化范围很大 或者变化与地层层序一致 则表明是沉积成因的 3 硫同位素温度计ZnS32 PbS34 ZnS34 PbS32 Sp Gn 34SSp 34SGn 8 9 105T 2 0 57硫同位素温度计的使用条件 两种矿物相为一共生组合 在平衡中生成的矿物对 共生矿物对形成之后 未再发生同位素交换 可分离出纯的单矿物供同位素分析用 氧同位素 一 氧同位素的组成和比值氧有三种稳定同位素 其组成为 16O 99 763 17O 0 0375 18O 0 1995 二 氧同位素在地质上的应用1 判断岩石的成因及物质来源泰勒 1968 认为 地幔不可能提供高 18O的物质 对于花岗质岩石 最高 18O 10 3 来源于地壳S型花岗岩高 18O 8 4 10 2 来源于地壳I型花岗岩中 18O 7 0 7 7 来源于地幔低 18O 5 5 6 9 来源于地幔最低 18O 5 5 岩石与地下雨水发生同位素交换的结果 M型花岗岩 18O I型花岗岩S型花岗岩全岩7 9 9 49 9 10 5石英9 12 10 511 11 12 58黑云母3 04 3 995 61 6 09 23 04 2020 34 岩浆岩的氧同位素成分 2 判断成矿溶液的来源 1 自然界各种氧同位素的组成水类型 18OH2O海水 0 5 0 3 雨水 10 50 雪和冰 50 20 地下热雨水 16 3 变质水 16 10 岩浆水 6 9 5 23 04 2020 36 2 判别海相石灰岩和淡水相石灰岩Z 2 048 13C 50 0 498 18O 50 式中 Z为判别值若Z 120海相若Z 120淡水相 23 04 2020 37 氢同位素 一 氢同位素组成氢有三种同位素 即H1氢 H2 D 氘和H3 T 氚 其中H1和D为稳定同位素 H3为放射性同位素 半衰期为12 5年自然界氢同位素的丰度 H199 9844 D0 0156 氢同位素组成 以D H比值表示 或 D值表示 23 04 2020 38 二 氢同位素的地质应用判断矿床物质来源 23 04 2020 39 一些重要地质体的D H比值 碳同位素 一 碳同位素组成碳的稳定同位素有C12和C13 其丰度分别为98 89 和1 11 此外 还有一种放射性C14 含量极微 它的半衰期为5730 40 可以用于测定五 六千年以来所发生的事件的年代 在第四纪地质和考古学等方面有着广泛的应用 23 04 2020 41 某些重要碳化合物中碳的同位素成分相对于PDB的 13C值 二 碳同位素在地质上的应用1 判别无机碳和有机碳 确定矿床成因 2 确定淡水和海水的碳酸盐淡水碳酸盐 13C 5 11 海水碳酸盐 13C 1 2 3 测定成矿溶液中的碳同位素组成采集石英 萤石 重晶石 硫化物等不含碳的矿物 测定其包裹体内的CO