同位素地球化学

同位素地球化学是研究自然体系中同位素的形成、丰度及在自然作用中分馏和衰变规律的科学。它研究的基本思路是: 在地球系统作用过程形成巨观地香体的同时，还发生了同位素成分的变异，这种变异记录著地球物质作用发生的时间和条件。

中文名：同位素地球化学

外文名：Isotope Geochemistry

研究：天然物质中同位素的丰度

学科：大地构造学、地史古生物学

同位素地球化学意义

同位素地球化学与地球物理学、大地构造学、地史古生物学、地层学、岩石学、矿床学、海洋学、水文学、环境科学和空间科学等密切相关。在前寒武纪地史的研究中，主要根据同位素地质年龄将前寒武纪由老到新划分为太古宙和元古宙。这对了解地球历史的演化有非常重要的意义。因为古生物地层学只能判断地球最近6亿年时期内所发生地质事件的相对先后顺序，而不能确定其延续的时间；对不含化石的约占地球历史85%以上的前寒武纪，更是无法确定其时间顺序。此外，板块构造假说的产生，其重要依据之一就是同位素年龄数据。

研究领域

研究领域主要有两个方面：稳定同位素地球化学和同位素年代学。稳定同位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律，并用以解释岩石和矿石的物质来源及其成因等地质问题。同位素年代学又分为同位素地质年代学和宇宙年代学，前者主要研究地球及其地质体的年龄和演化历史，后者则主要研究天体的年龄和演化历史。

稳定同位素地球化学

同位素地球化学的一个研究领域。主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律，并用来解决地质问题。稳定同位素包括放射衰变成因的和非放射成因的，如²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb、²⁰⁸Pb、⁸⁷Sr和¹⁴³Nd就是分别由²³⁸U、²³⁵U、²³²Th、⁸⁷Rb和¹⁴⁷Sm放射衰变而形成的稳定同位素；而H、C、O、S的同位素如¹H、²H、¹²C、¹³C、¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O、³²S、³³S、³⁴S、³⁶S则是天然稳定同位素。

非传统稳定同位素

（图片来自：http://www.minsocam.org/msa/RIM/Rim82.html）

由于H、C、O、S的原子序数小于20，所以其同位素又可称为轻元素稳定同位素（或气体同位素）。稳定同位素丰度发生变化的主要原因是同位素的分馏作用。

气体同位素及分析

气体同位素组成分析用到气体同位素质谱，即：气体（源）同位素比质谱（Gas Source Isotope Ratio Mass Spectrometry，Gas-IRMS），是一种主要于分析轻元素稳定同位素（传统稳定同位素）组成的仪器。样品在进入质谱分析之前，需要将不同类型的样品（包括固体和液体）对应的目标元素通过不同方法转化为可用于同位素分析的高纯气体，所以又称为气体同位素质谱。该技术通过电子轰击离子源（EI)将气体分子离子化，然后根据带电粒子的荷质比在质量分析器中进行分离，最终由离子检测器记录离子束强度，以获得气体同位素比值的信息。IRMS原理上能够实现多种同位素比值的测定，如氢同位素（D/H）、碳同位素（¹³C/¹²C）、氧同位素（¹⁸O/¹⁶O和¹⁷O/¹⁶O）、氮同位素（¹⁵N/¹⁴N）和硫同位素（³⁴S/³²S、³³S/³²S、³⁶S/³²S）等。在实际应用中，需要使用不同的前处理系统和进样系统，将不同介质的样品（固体、液体和气体）转化为高纯气体（如H₂、CO₂、N₂、N₂O和SO₂等），然后导入IRMS进行同位素测量分析，以实现不同的研究目的。

   气相色谱-气体同位素质谱联用仪

 （图片来自中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心网站）

同位素分馏

指由物理、化学以及生物作用所造成的某一元素的同位素在两种物质或两种物相间分配上的差异现象。引起同位素分馏的主要机制有：①同位素交换反应。是不同化合物之间、不同相之间或单个分子之间发生同位素的分馏。

同位素年代学

同位素年代学从诞生至今已经一个多世纪，但至今发展速度很快，新方法、新理论不断提出，新技术得到了不断地套用，尤其是高精尖仪器的引入，发展异常迅速，几乎每天都有新发现。以下仅简要介绍常规方法及部分进展，以起到以管窥豹之效。

1. Rb-Sr法

2. Sm-Nd法

3. U-Pb法

研究内容

同位素地球化学是根据自然界的核衰变、裂变及其他核反应过程所引起的同位素变异，以及物理、化学和生物过程引起的同位素分馏，研究天体、地球以及各种地质体的形成时间、物质来源与演化历史。

同位素

同位素地质年代学已建立了一整套同位素年龄测定方法，为地球与天体的演化提供了重要的时间坐标。比如已经测得太阳系各行星形成的年龄为45～46亿年，太阳系元素的年龄为50～58亿年等等。

另外在矿产资源研究中，同位素地球化学可以提供成岩、成矿作用的多方面信息，为探索某些地质体和矿床的形成机制和物质来源提供依据。

①自然界同位素的起源、演化和衰亡历史。

②同位素在宇宙体、地球及其各圈层中的分布分配、不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；同位素组成变异的原因；并据此探讨地质作用的演化历史和物质来源。

③利用放射性同位素的衰变定律建立一套有效的同位素计时方法，测定不同天体事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间坐标。

    根据同位素的性质，同位素地球化学研究领域主要分稳定同位素地球化学和同位素年代学两个方面。稳定同位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化。同位素年代学随研究领域的深入，又分为同位素地质年代学和宇宙年代学。同位素地质年代学主要研究地球及其地质体的年龄和演化历史。宇宙年代学则主要研究天体的年龄和演化历史。

同位素分馏系数：

分馏係数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。在自然界，分馏係数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。其表达式为：RA-B=RA/RB式中A和B表示两种物质（物相），R代表重同位素对轻同位素的比值，如¹⁸O/¹⁶O，¹³C/¹²C等。α值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；α=1时，物质间没有同位素分馏。

δ值

稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。其公式为δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。所以必须採用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际套用价值。比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,10³ln值与T ²成反比,T为绝对温度。10³lnα 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈10³lnαA-B。因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103lnα值。它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟契约位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特徵具有重要意义。

氧同位素地球化学

研究天然物质中氧同位素的丰度、变异规律及其地质意义。自然界氧有3个稳定同位素¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，它们的丰度分别为99.762%、0.038%和0.200%。氧同位素组成以δ¹⁸O表示，标准採用SMOW（见稳定同位素地球化学）。天然含氧物质中δ¹⁸O的分布如图天然含氧物质的δ¹⁸O值所示。大气水的δ¹⁸O变化范围最大,为+10～-55‰,极地粒雪的δ¹⁸O最低；大气二氧化碳的δ¹⁸O 最高,可达+41‰。所以天然物质中δ¹⁸O的变化幅度约100‰。

氧同位素地球化学

含氧矿物在自然界分布相当广泛。主要造岩矿物的δ18O变化具有明显的顺序性，与岩浆结晶分异顺序一致，即由孤立岛状四面体的橄榄石到链状辉石、层状云母和架状的长石、石英，δ¹⁸O依次增高，这主要与矿物的晶体化学性质有关。根据同位素分馏理论，硅酸盐矿物中阳离子与氧的结合键愈短，键力愈强,振动频率愈高,则¹⁸O愈富。石英中Si—O键在硅酸盐结构中是最强的;此外，与温度有关，因为超基性、基性原始岩浆处于很高温度状态，同位素分馏作用减弱，随岩浆温度的降低，同位素分馏作用增强，岩浆中¹⁸O含量相对增高。因此，从超基性岩到酸性岩δ¹⁸O明显增高，其变化范围为 5～13‰。对于非正常火成岩，则须考虑岩浆或固结岩石与周围物质间的相互作用。

氧同位素的地质套用最广泛，包括：①氧同位素地质温度计。套用实验的方法，首先测定矿物与水的分馏数据，再计算矿物与矿物之间的分馏数据，得出分馏係数与温度的关係式。氧同位素地质温度计中石英－磁铁矿矿物对是最灵敏的,因为石英的 ¹⁸O/¹⁶O比值大,磁铁矿的比值较小，所以石英－磁铁矿之间具有最大的分馏係数和温度係数(指温度每变化 1℃时分馏係数的改变数)。②古海洋温度计。通过测定生物化石碳酸钙壳层与水之间的氧同位素组成来确定古海洋的温度。③判断成矿热液的来源和矿床成因及岩石成因等。

碳同位素地球化学

研究天然物质中碳同位素的丰度、变异规律及其地质意义。自然界碳有 2个稳定同位素¹²C和¹³C，它们的丰度分别为98.89%和1.11%。碳同位素组成以 δ¹³C表示，标准採用 PDB（见稳定同位素地球化学）。天然物质中δ¹³C的分布如图天然物质中的碳同位素组成所示。由图天然物质中的碳同位素组成看出，δ¹³C的最低值见于天然气甲烷,为-90‰；最高值出现于碳质球粒陨石中，为+70‰。所以天然物质中δ13C的变化幅度达160‰。

地球上两个最重要的碳贮存库是碳酸盐和生物成因还原碳。它们的同位素丰度值截然不同,因为在大气CO₂-溶解 HCO--CaCO₃体系中，同位素交换反应使碳酸盐富集¹³C；而光合作用的动力分馏效应导致生物成因碳（有机物）中富集¹²C。

 （该图片来自网络）

参考资料：

1.中文百科-同位素地球化学：https://www.newton.com.tw/

2.天然物质碳同位素组成图引自搜狗百科

3.气体同位素质谱图片来自：中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心网站

4.气体同位素质谱引自《科学网》：【实验室科普】气体同位素质谱—解读地球科学的利器！(Gas-IRMS)，链接：https://blog.sciencenet.cn/blog-3549522-1382312.html