地球化学
授课教师：李净红 武汉工程科技学院
第六章 稳定性同位素地球化学 1 稳定性同位素的基本理论 2 H-O稳定同位素 3 C稳定同位素 4 S稳定同位素
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 稳定同位素概念
不 具 有 放 射 性 的 同 位 素 称 为 稳 定 同 位 素 （ Stable Isotope）。
z 同位素效应
由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差，从 而引起该分子在物理和化学性质上的差异，称为同位 素效应（isotope effect）。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏
同位素分馏（isotope fractionation）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 物相中的现象。
这两个标准的氢、氧同位素组成分别为： δDVSMOW=0‰，δ18OVSMOW=0‰ δDslap=-428‰，δ18OSLAP=-55.50‰
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素
氧同位素标准SMOW居于全球氧同位素变异范围的 中间，
SMOW作为氢同位素标准时则位于“重”的一端，大 部分岩石、矿物和天然水的δD< 0 ‰。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 分馏值Δ与分馏系数的转换
根据分馏系数的定义，则有：
α A−B = RA / RB
α A−B
=
1+δA 1+δB
/1000 /1000
=
1000 + δ A 1000 + δ B
Δ A−B =（RA / RB −1）×1000 =（α A−B −1）×1000
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
C-O同位素
PDB（Pee Dee Belemnite）:美国南卡罗来纳州白垩 系PeeDee组拟箭石
绝对同位素比值13C/12C=11237.2 × 10-6、 18O/16O=2067.1× 10-6
根据定义，其δ13C=0，相对SMOW，其 δ18O=30.86‰。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
C-O同位素
在研究碳酸盐样品的氧同位素组成时，还习惯采用 同时作为碳同位素标准的PDB标准（Pee Dee Belemnite）。
δ18OSMOW= 1.03091 δ18OPDB + 30.91 δ18OPDB= 0 .97002 δ18OSMOW - 29.98
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 分馏值Δ与分馏系数的转换
由于1000ln（1.00n）≌n 因此，近似的δ值，α值和Δ值关系可用下式表示：
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素 国际原子能委员会（IAEA）研制和分发了两个用 作同位素标准的水样：
V-SMOW（Vienna-SMOW），它是用海水经蒸馏 后加入其他水配制的，
SLAP（Standard Light Antarctic Precipitation）， 它是由南极融冰水配制的。
稳定同位素中部分是由放射性同位素通过衰变后形成 的稳定产物，称为放射成因同位素。
另一部分是天然的稳定同位素，是核合成以来就保持 稳 定 。 如 氢 同 位 素 （ 1H 和 2H ） 、 氧 同 位 素 （ 16O 和 18O）、碳同位素（12C和13C）等。
自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有 260余种。
分馏是由于同位素在物理及化学性质上的轻微差异产 生的，因此分馏的大小与同位素质量差成正比。
例如，氢的两个同位素（1H和2H）的相对质量差是 所有元素的同位素中最大的，因此自然界中氢同位素 分馏也最大。
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏系数α
两种物质间同位素分馏的程度用同位素分馏系数α表 示。常以两种物质中的同位素比值之商来表示：
α值通常十分接近1，一般用1.00n（n为自然数）表 示。α值愈偏离1，则说明两种物质之间同位素分馏 的程度愈大
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏系数α
CaCO3和H2O之间O同位素交换反应可写成：
则CaCO3和H2O之间的分馏系数α可表示为：
在25oC时，α（ CaCO3- H2O） = 1.031
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
S同位素 CDT （Canyon Diablo Troilite）美国亚利桑那州 Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁 δ34S = 0 绝对同位素比值34S/32S=0.0450045
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
δ = R样品 - R标准 ×1000
R标准
因此，δ值是样品与标准之间同位素比值间的相对偏 差，单位用千分值（‰）表示。
一、稳定同位素的基本理论
z 同位素组成表示
例如δ18O：
基本概念与分类
δ 18O
（18O =
/16 O）样品 （- 18O /16 （18O /16 O）标准
O）标准
×1000
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素分馏值Δ
某一同位素在A，B两种不同的化合物中同位素的组 成δ值之差，可用同位素分馏值Δ来表示：
Δ A−B = δ A − δ B
对含有同一元素的多种不同化合物，分馏值Δ具有加 和性，例如A，B，C三种化合物
Δ A−C = δ A−B − δ B−C
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素标准
H-O同位素 SMOW （Standard mean ocean water）: 标准平均海水: δD=0, δ18O=0
绝对同位素比值： 18O/16O=2005.20 × 10-6 17O/16O=373 × 10-6
一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素丰度
同位素丰度（isotope abundance）是指某一元素中各 同位素所占的原子百分比。
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一、稳定同位素的基本理论
基本概念与分类
z 同位素组成表示
待测物质中某元素的两种稳定同位素的比值与一标准 物质中同一元素的两种同位素的比值之间的差异用δ 值来表示：