第五章(3)同位素基础ppt课件

30.04.2020,1,.,第五章(3)稳定同位素地球化学,30.04.2020,.,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12C98.90，13C1.10。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19F100。,30.04.2020,.,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16O99.7771%99.7539%，17O0.0407%0.0350%，18O0.2084%0.1897%。,30.04.2020,.,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,30.04.2020,.,5,轻稳定同位素（Z20），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/A10%），例如16O、18O及1H、2H（D）的相对质量差达：,30.04.2020,.,6,2H：氘（do)deuterium，(重氢)3H：氚(chun)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,30.04.2020,.,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,30.04.2020,.,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+16O2C16O2平衡常数K1C+16O18OC16O18O平衡常数K2经实验测定K1/K2=1.17,化学活泼性,30.04.2020,.,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。,30.04.2020,.,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,30.04.2020,.,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。,30.04.2020,.,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。,30.04.2020,.,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。H2OO2RH2O/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。,30.04.2020,.,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（）：,30.04.2020,.,15,30.04.2020,.,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,30.04.2020,.,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。,30.04.2020,.,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。,30.04.2020,.,19,例如闪锌矿和方铅矿的硫同位素分馏系数为：,30.04.2020,.,20,分馏系数与两相值的关系推导如下：,当接近1时，In1,30.04.2020,.,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。,30.04.2020,.,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/S3422.22S34/S320.0450045S34CD=0S340称为轻硫，即(S34/S32)样品(S34/S32)CDS340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,30.04.2020,.,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+7.6I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（MbPyPoSpCpGnBnCc），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+PbS32Sp-Gn=34SSp-34SGn=8.9105T-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18O10.3来源于地壳S型花岗岩高18O=8.410.2来源于地壳I型花岗岩中18O=7.07.7来源于地幔低18O=5.56.9来源于地幔最低18O5.5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7.99.49.910.5石英9.1210.511.1112.58黑云母3.043.995.616.09,30.04.2020,.,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+9.5,30.04.2020,.,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Z120海相若Z120淡水相,30.04.2020,.,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,30.04.2020,.,38,二、氢同位素的地质应用判断矿床物质来源,30.04.2020,.,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573040，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,30.04.2020,.,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+23、测定成矿溶