1第六章 同位素地球化学

第一节 基本概念

一、同位素的定义

核素：是由一定数量的质子（P）和中子（N）构成的原子核。核素具有质量、电荷、能量、

放射性和丰度5中主要性质。

.同位素：原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做同位素(isotope)，他们处在周期

表上的同一位置

二、同位素的分类

– 放射性同位素(radioactive isotope)：原子核是不稳定的，它们能够白发地衰变成其他的同

位素。最终衰变为稳定的放射性成因同位素。

目前已知的放射性同位素达1200种左右，由于大部分放射性同位素的半衰期较短，

目前已知自然界中存在的天然放射性同位素只有60种左右。

放射性同位素例子：238

U→234

Th＋4

He(α)＋Q→ 206

Pb；235

U→ 207

Pb；232

Th→ 208

Pb

– 稳定同位素(stable isotope)：原子核是稳定的，迄今还未发现它们能够自发衰变形成其他

的同位素。自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有260余种。

z 轻稳定同位素，又称天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定。其特点是①

原子量小，同—元素的各同位素间的相对质量差异较大；②轻稳定同位素变化主

要原因是同位素分馏作用所造成的，其反应是可逆的。如氢同位素（1

H和2

H）、

氧同位素（16

O和18

O）、碳同位素（12

C和13

C）等。

z 重稳定同位素，又称放射成因同位素(radiogenic isotope)：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。其特点是①原子量大，同—元素的

各同位素间的相对质量差异小（0.7%~1.2%）环境的物理和化学条件的变化通常

不导致重稳定同位素组成改变；②重稳定同位素变化主要原因是放射性同位素衰

败引起，这种变化是单向的不可逆的。如87

Sr是由放射性同位素87

Rb衰变而来的；

三、同位素丰度

同位素丰度(isotope abundance) ：可分为绝对丰度和相对丰度

绝对丰度是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1

H（取

1

H=1012

）或28

Si（取28

Si=106

）的比值表示。

相对丰度是指某一元素中各同位素所占的原子百分比。

同位素丰度的表示方法：通常以R值表示，R代表某一元素两种同位素丰度的比值，如18

O/16

O、

2

H/1

H、13

C/12

C（课本p215）

第二节 稳定同位素的基本概念和分馏机理

一、基本概念

1．同位素效应(isotope effect)：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。

2．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。

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（1

H和2

H）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。

2

3．同位素分馏系数

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：

BA

BA

RR

=

−α， 式中，R

A和R

B分别表示某一元素的两种同位素在A、B两种物

质中的比值，如18

O/16

O、2

H/1

H、13

C/12

C等。

例：CaCO

3和H

2O之间O同位素交换反应可写成：

则CaCO

3和H2O之间的分馏系数α可表示为：

在25oC时，α CaCO3- H2O = 1.031

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。

4. 同位素组成表示δ值

(1) 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：

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。

例如：氧同位素组成δ18

O

(2) 同位素标准：

（A）H-O同位素：

SMOW (Standard mean ocean water)

标准平均海水

D/H＝0.0001558：18

O/16

O=2005.20 × 10-6

；17

O/16

O=373 × 10-6

•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

‰。

（B）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

13

C/12

C=11237.2 × 10-6

、18

O/16

O=2067.1×10-6

相对SMOW，其δ18

O=30.86‰。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（PeeDeeBelemnite）。这两种标准之间具有如下的转换关系

（Coplen等，1983）：

3δ18

O

SMOW= 1.03091 δ 18

O

PDB + 30.91

δ 18

O

PDB= 0 .97002 δ 18

O

SMOW - 29.98

（C）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,

绝对同位素比值：34

S/32

S=0.0450045，

6．千分分馏（1000lnα）和同位素分馏值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：

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

cBBAcA−−−Δ+Δ=Δ

Δ与α换算：

千分分馏1000lnα：

利用数学计算可知1000ln(1.00n)=n，α

CaCO3- H2O=1.031，则1000lnα=31，因此1000lnα称

为千分分馏作用

二 稳定同位素分馏机理

自然界中，稳定同位素的分馏可分为三种:

（一）同位素热力学平衡分馏

（二）同位素动力学分馏

（三）与质量无关的同位素分馏

(一

)

同位素热力学平衡分馏

(thermodynamic equilibrium fractionation)

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。

• 同位素热力学平衡交换反应过程，不产生新的物质，只是在不同的化合物之间或各个

分子之间，同位素比值发生一定的变化。

• 引起这一系列变化的原因是该元素的各个同位素之间在化学性质上的差异，与该化合

物的热力学参数（如自由能、熵等）有关。

热力学平衡交换反应及热力学平衡分馏理论方程可表示为：

4

影响同位素热力学平衡分馏的因素：

（1）温度，同位素分馏系数α是温度(T)的函数。

（2）压力，同位素替代前后分子的摩尔体积变化充分大时，则能够引起可测量的同位素分

馏。对大多数元素的同位素来说，交换反应引起的摩尔体积变化是很小的，因而很难发现可

测量的压力效应。但压力效应对氢同位素的影响较大，以其端元组分（2

H完全取代1

H）为

例，摩尔体积减小0.3%。

（3）化学成分:一般地，重同位素倾向于富集在分子键性强的化合物中。例如对于H

2O和H

2S

之间的氢同位素交换反应:

因为H-O键比H-S键强，所以2H富集在水分子中。

（4）物质结构，结构的变化能够引起原子间相互作用的变化，从而引起振动频率的变化。

例如，在热力学平衡条件下，SiO

2同质多象变体的18

O富集顺序为：鳞石英>方石英>β-石英

>α-石英>柯石英≥超石英。水的三种不同物态，在平衡条件下，2

H和18

O富集顺序为： 冰>

水>水蒸气。

(5) 盐效应，这是由于围绕阳离子的水分子和纯水分子的振动频率不同，从而导致了同位

素性质的不同。

（二）同位素动力学分馏

动力学分馏(kinetic fractionation)是指由于轻重同位素分子的扩散速度、反应速度（包

括物理的、化学的和生物化学的）不同引起的分馏。

轻同位素形成的键比重同位素易于破裂，反应速度快，反应产物中（特别是活动相中）

更富集轻同位素。

瑞利分馏(Raleigh fractionation)

蒸发过程中由于不同同位素化合物的蒸气压不同，因此在蒸发与凝聚过程中也会引起同

位素动力学分馏。这一过程可用“瑞利分馏”来表述。

蒸发过程的瑞利分馏(Raleigh fractionation)是指在开放体系中，反应生成的产物一旦形成

后，马上就从系统中分离开，从而实现同位素分馏效应的过程。