《穩(wěn)定同位素》PPT課件

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1、第六章穩(wěn)定同位素地球化學天然同位素按其核穩(wěn)定性分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類，穩(wěn)定同位素不能自發(fā)產(chǎn)生核衰變而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌凰?，放射性同位素—放射性元素的衰變、計時原理——同位素地質(zhì)年代學。穩(wěn)定同位素——同位素分餾原理——穩(wěn)定同位素地球化學探討地質(zhì)作用的物理化學環(huán)境和物質(zhì)的來源等問題。是當今環(huán)境科學領(lǐng)域中最重要的方法和手段.溫室效應問題：地球是否會進入溫室氣候狀態(tài)？如果真是這樣，地球環(huán)境會發(fā)生什么變化？如何變化的？什么樣生物種群會適應這種調(diào)整并會繼續(xù)演化或不適應而滅絕？HansenandSato,2004,PNASGutzler,2000，GSAToday北極夏季海冰含量變化比較Jenkinse

2、tal.,2003.HadleyCentreforClimatePrediction/Research.Jenkinsetal.,2003.HadleyCentreforClimatePrediction/Research.顯生宙時期的地球經(jīng)歷了較大的氣候變化，按不同時間尺度可以分為：構(gòu)造的（>500ka）、軌道的（20-400ka）、洋流(~ka)了解過去，預測未來第一節(jié)穩(wěn)定同位素的分餾一穩(wěn)定同位素組成的表示方法研究各種地質(zhì)體中同位素豐度的變化是穩(wěn)定同位素地球化學的基礎(chǔ)。對于有兩種以上穩(wěn)定同位素的元素如32S=95.02%33S=0.75%34S=4.21%36S=0.02%），多

3、研究其中兩種豐度較大的同位素的行為（如32S和34S）。一種元素的同位素組成表示方法可用同位素絕對比值例如迪亞布洛峽谷的鐵隕石中32S/34S=22.22但在地球化學研究中常用的方法是與標準樣品的同位素比值相比較并用偏差千分率表示（δ‰）上述定義可用以下公式表示：國際氫、碳、氧、硫同位素采用的標準樣品的同位素比值：表6-1氫、碳、氧、硫同位素標準樣品組成元素標　　　　準縮寫同位素比值H平均大洋水標準SMOWD/H=0.0001558C南卡羅來納州白堊紀皮迪建造（PeeDeeformation）中的箭石（Belemnitellaamericana）PDB13C/12C=0.011237

4、2O平均大洋水標準SMOW18O/16O=0.0020052S迪亞布洛峽谷（CanyonDiablo）鐵隕石中的隕硫鐵CD34S/32S=0.0450045每個分析樣品的δ‰值可正可負，正值表示所測樣品中重同位素有一定富集（與標準相比），而負值則表示重同位素有一定的貧化，即輕同位素有所富集。二同位素分餾原理由于同位素質(zhì)量不同，在各種地球化學過程中會引起同位素在不同化合物和物相中的豐度變異，這種現(xiàn)象稱同位素分餾。分餾程度用分餾系數(shù)α表示：α＝RA/RBRA、RB分別為A相和B相中重同位素與輕同位素的比值。根據(jù)實驗結(jié)果，分餾系數(shù)α與A相和B相的δ(‰）值存在下列關(guān)系：1000lnα=δA

5、(‰)-δB(‰)≈(αA-B-1)×1000例如在300K(27℃)時，SO2與H2S兩相的硫同位素分餾系數(shù)α=δSO2(‰)-δH2S(‰)=1.082，表明SO2及H2S中δ34S（SO2）與δ34S(H2S)之差值將達82‰。兩相間發(fā)生同位素分餾是由于同位素的熱力學性質(zhì)有差異。分子的能量包括分子中的電能，平動能、轉(zhuǎn)動能及振動能。對于同一元素的不同同位素來說，原子外電子層的結(jié)構(gòu)完全相似，分子中的電能基本上是相同的。理論計算表明:振動能是產(chǎn)生同位素分餾的主要原因原子振動頻率與原子質(zhì)量成反比，輕同位素的原子比同類重同位素的原子具有高的振動頻率，這決定了輕同位素形成的化學鍵較弱，分子

6、的活性較大,化學鍵容易被打開。當兩相間發(fā)生同位素平衡交換反應時，輕同位素將富集在化學鍵較弱的相中。自然界引起同位素分餾的地球化學過程主要有以下幾種：①同位素交換反應同位素交換反應:化學反應達到平衡狀態(tài)時，各物相間發(fā)生的同位素再分配現(xiàn)象。例如在熱液中同時沉淀方鉛礦及閃鋅礦，可以寫出下列同位素交換反應式：Pb34S+Zn32SPb32S+Zn34S當反應達到平衡時，各礦物對中同位素組成的比值將為一常數(shù)，其平衡常數(shù)K為：分餾系K同一般化學反應的平衡常數(shù)相似即：同位素交換反應中同位素分餾系數(shù)也與溫度成反比。這是穩(wěn)定同位素地質(zhì)溫度計的理論基礎(chǔ)。②動力學分餾不同同位素組成的同類型化合物由于其化學

7、健強度的差異，輕同位素組成的化學健較弱，反應速率較快，在反應生成物中常有輕同位素的相對富集。例如：K1＞K2海水中[SO4]2-還原為H2S時，32S在H2S中富集。③物理分餾蒸發(fā)與凝聚、溶化與結(jié)晶、吸附與解吸以及分子或離子的擴散，引起的同位素分餾稱物理分餾。海水蒸發(fā)過程中，水蒸汽相對富集輕同位素1H及16O，而海水中相對富集2H（D）及18O，這是雨水富集1H及16O的主要原因。④生物化學分餾指生物活動和有機反應引起的同位素分餾。如植物光合作用使12C更