第五章(3)同位素基础VIP

03.06.2020，1，第5章(3)稳定同位素地球化学，03.06.2020，2，同位素存在度(isotopeabundance )，绝对存在度：指某一同位素在所有稳定同位素总量中的相对份额，总是指该同位素与1h(1h=1012 )或28si (28si ) 相对丰度：指同元素各同位素的相对含量。 例如，12C=98.90%，13C=1.10%。 大部分的元素由两种或更多种同位素组成，其中少数的元素是单同位素，例如19F=100%。 在03.06.2020、3和原子序号Z28的情况下，元素的各同位素的存在度值相对均匀。 同位素的存在度发生变化，实际上稳定同位素的存在度因地质体而异，有一定的变化范围。 例如为16O=99.7771%99.7539%、17O=0.0407%0.0350%、18O=0.2084%0.1897% . 03.06.2020、4、同位素分馏(isotopefractionation )同位素分馏是指某一元素的同位素以不同比率分布在两种物质或两种物质中的现象。 这是因为同位素有核质量的差异，其物理性质和化学性质有微小的差异，系统不同部分的同位素组成变得微小，但可测定的变化称为同位素分馏，其程度与同位素质量的差异成正比。 分配系数03.06.2020、5，轻稳定同位素(Z20 )具有明显的变异，包括h、c、n、o、s等元素的同位素。 这些同位素的质量差小于40，它们的质量差相对大(A/A10% )，例如16O、18O和1H、2H(D )的相对质量差为、03.06.2020、6 2H :重氢(d内o)deuterium、(重氢)3H :氚(Chu内n ) th 根据分馏作用的性质和条件，物理分馏、动力分馏、平衡分馏、生物化学分馏、03.06.2020.7、物理分馏(质量分馏)同位素之间会发生质量差异。 水一样的蒸发凝聚作用不断循环，H2O浓缩在蒸汽相中，D2O大量残留在水体中。 在高纬度地区，大气降水是最轻的水。 例如，上空的大气14N丰富，低层15N集中。 例如，蒸发作用强的死海(约旦、巴勒斯坦国之间)盐水中的H218O含量最高。 另一方面，重复多次的物理过程，同位素分馏效应最明显。 重力作用，03.06.2020，8，动力分馏实质上不同质量的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学强度，由于轻同位素形成的结合比重同位素容易破裂，化学反应中轻同位素分子的反应速度高于重同位素分子。 例如，实验测定C 16O2C16O2平衡常数K1C 16O18OC16O18O平衡常数K2的K1/K2=1.17、化学活性、03.06.2020、9、同位素动力分馏效果的特征： (1)单相不可逆反应； (2)反应物和反应生成物之间不发生同位素交换；(3)伴随化学反应和物相变化的(4)同位素动力分馏的反应生成物常常优先富集轻同位素。 03.06.2020，10，平衡分馏热力学平衡分馏：指体系经同位素热力学平衡交换反应达到平衡状态时，同位素分馏在两个分子或化合物之间。 也称为同位素交换反应。 例如，在大气层和水层之间发生了氧同位素交换反应，03.06.2020.11，同位素交换反应具有以下特征： (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间或相间发生同位素的再分配，不发生化学成分或物质相的转换(即金属等体积的置换)。 交换反应前后，系统中的同位素分子数和同位素原子数不变。 (3)在交换过程中，伴有分子键的切断和重合。03.06.2020、12、生化学分馏生物活动和有机反应的同位素分馏效果更强。 例如，植物通过光合作用浓缩至多于12C的生物合成化合物中，其中煤、油、气等具有最高的12C/13C比例。、03.06.2020、13、达到同位素交换平衡时，共存同位素的相对存在度比一定，称为分馏系数，用表示。 在H2O-O2=RH2O/RO2RH2O和RO2中，由于H2O和O2中18O/16O重稳定同位素(Pb、Sr、Sm、Nd等)相对质量差A/A较小，因此平衡分馏引起的相对丰度的变化较小.03.06.2020、14、同位素组成：样品中某些元素的各种同位素的相对含量。 元素的同位素组成的表示方法可以用同位素绝对比来表示，地球化学文献中更常采用的方法是与对应于标准样品的同位素比较，以偏差千分比计，() :03.06.2020，15，03.06.2020，16，氢，碳，氧，硫同位素标准样品，同位素分析资料是全球性的世界各国采用的标准样品基本统一。 国际标准样品的名称与同位素的绝对比例如下： t，t，03.06.2020，17，世界标准样品的条件：在世界范围内位于该同位素成分变化的中间位置，可以为零点标准样品的同位素成分必须均匀标准样品需要足够的数量标准样品、03.06.2020、18、各测定样本的(； )的值可以是正的，正的值表示与标准相比测定的样本中的同位素有一定的财富，负的值表示重同位素有一定的贫困，即轻同位素有财富。 不同相(不同矿物、液体、气体)的同位素组成不同，即发生同位素分馏，二相同位素比的商称为同位素分馏系数，RA、RB分别与a相和b相的重同位素为轻同位素比。 从03.06.2020、19例如闪锌矿和方铅矿的硫同位素分馏系数：03.06.2020、分馏系数和二相值的关系可知，接近1时，in=- 1，03.06.2020、21，硫同位素，一，硫同位素的组成和比1， 硫的4种稳定同位素自然界的硫由S32、S33、S34和S36四种稳定同位素构成，其一般同位素成分为s3，即S33:0.75%； S34:4.215%； 因为S36:0.017%和S36含量极少，一般的研究只考虑S32和S34的含量。以03.06.2020、22、2、S32和S34比例研究自然界硫的同位素成分一般是将canyonDiablo铁陨石中的硫铁矿(Fes )同位素成分设为标准s 32/s 34=22.22 s 34/s 32=0. 0450045s 34cd=0s 34 0) (S34/S32 )样品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、地幔源的基性、超基性岩及其诱导矿床中的硫化物S34的值均匀，变化范围狭窄平均值接近零入侵体存在时同位素分馏程度小，从早期到晚期其异化产物S34重硫略丰富，s3值稍大，03.06.2020，24，一些天然含硫物质中34S/32S的分布，2， 由于花岗岩硫化物花岗岩的成因复杂多样，其硫化物的s3的值也不同一般由地幔源衍生的花岗岩，其硫化物中的s3的值在-3 8之间，另外，在单一岩体中S34的值的变化范围窄， 表示成岩物质比较均匀的S花岗岩S34的值为-9.4 7.6I花岗岩S34的值为-3.6 5.0，堆积物和堆积岩中的硫化物(1)近代堆积物近代堆积物(生物堆积) :S34=-7.7-34.6近代盐类堆积(化学堆积) :S34=3.1 9.8(2) 古沉积物S34值的变化范围极大(多为-5-352222222222222222226 4，伴随火山产物的沉积岩中的硫化物S34=1.0 20.0矿床内部的S34均匀，在层处理方向变化的范围大，在垂直层处理方向变化大矿床底部S34在有增大趋势的共生矿物中S34黄铁矿S34闪锌矿S34方铅矿三、硫同位素的地质应用1、成岩物质源的判别地质作用过程中，由于各种硫化物的形成条件不同，硫同位素组成也可以用于成岩物质源的判别。例如地幔源基性、超基性岩及其诱导矿床中的硫化物S34的值均匀，变化范围窄，平均值接近零，2、判断矿床源和矿床的原因矿床整体S34的平均值接近零，但S34在矿床内部不怎么变化或者即使有变化， 其变化与矿物中的浓缩规律一致(MbPyPoSpCpGnBnCc )表明热水的原因矿床整体的S34为负值，且S34在矿床内部变化较大，变化与地层层序一致时，表明是堆积的原因3， 硫同位素温度计ZnS 32 PBS 34=ZnS 34 PBS 32sp-gn=34 ssp -34 SGN=8. 9105 t-2-0.57硫同位素温度计使用条件：两种矿物相为共生组合(平衡生成的矿物对)形成共生矿物对后， 未发生同位素交换可分离纯单一矿物用于同位素分析的氧同位素，一、氧同位素的组成和比例氧共有3种稳定同位素，其组成为： 16O:99.763%； 17O:0.0375%； 18O:0.1995%，二、氧同位素在地质中的应用1、判断岩石成因和物源的泰勒(1968 )， 认为地幔提供高18O物质是不可能的花岗质岩石：最高18O10.3地壳s型花岗岩的高度18O=8.410.2地壳I型花岗岩中的18O=7.07.7地幔的低度18O=5.56.9地幔的最低18O=8.410.2地壳I型花岗岩m型花岗岩为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3.043.995.616.09，03.06.2020，34， 岩浆岩氧同位素成分2，判断成矿溶液的来源(1)自然界的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 9.5，03.06.2020、 在判别海相石灰岩和淡水相石灰岩的Z=2.048(13C 50) 0.498(18O 50 )式中，z是判别值为Z120海相若Z120淡水相，03.06.2020、37，氢同位素，另一方面，在由氢同位素构成的氢中为H1氢，H2(D )氘和H3(T )氚这3种同位素H1和d为稳定同位素，H3为放射性同位素，半衰期为12.5年自然界氢同位素存在度：h199.984406%的氢同位素，用D/H比或D值表示，03.06.2020、38、二、氢同位素的地质应用判断矿床物质来源，03.06.200 .39、一些重要地质体的D/H比、碳同位素、一、碳同位素组成的碳稳定同位素有C12和C13，其存在度分别为98.89%和1.11%。 另外，放射性C14，含量极少，半衰期为573040，广泛应用于第四纪地质和考古学等，可以测定五六千年以来发生事件的年代，03.06.2020，41，一些重要碳化合物的碳同位素成分相对于PDB的13C值，二是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、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、测定成矿溶液中的碳同位素组成，采集石英