同位素地球化學

同位素地球化學意義

同位素地球化學與地球物理學、大地構造學、地史古生物學、地層學、岩石學、礦床學、海洋學、水文學、環境科學和空間科學等密切相關。在前寒武紀地史的研究中，主要根據同位素地質年齡將前寒武紀由老到新劃分為太古宙和元古宙。這對了解地球歷史的演化有非常重要的意義。因為古生物地層學只能判斷地球最近6億年時期內所發生地質事件的相對先後順序，而不能確定其延續的時間；對不含化石的約佔地球歷史85%以上的前寒武紀，更是無法確定其時間順序。此外，板塊構造假說的產生，其重要依據之一就是同位素年齡數據。

研究領域主要有兩個方面：穩定同位素地球化學和同位素年代學。穩定同位素地球化學主要研究自然界中穩定同位素的丰度及其變化規律，並用以解釋岩石和礦石的物質來源及其成因等地質問題。同位素年代學又分為同位素地質年代學和宇宙年代學，前者主要研究地球及其地質體的年齡和演化歷史，後者則主要研究天體的年齡和演化歷史。

穩定同位素地球化學：

同位素地球化學的一個研究領域。主要研究自然界中穩定同位素的丰度及其變化規律，並用來解決地質問題。穩定同位素包括放射衰變成因的和非放射成因的，如206Pb、207Pb、208Pb、87Sr和143Nd就是分別由238U、235U、232Th、87Rb和147Sm放射衰變而形成的穩定同位素；而H、C、O、S的同位素如1H、2H、12C、13C、16O、17O、18O、32S、33S、34S、36S則是天然穩定同位素。由於H、C、O、S的原子序數小於20，所以其同位素又可稱為輕穩定同位素。穩定同位素丰度發生變化的主要原因是同位素的分餾作用。

同位素分餾

指由物理、化學以及生物作用所造成的某一元素的同位素在兩種物質或兩種物相間分配上的差異現象。引起同位素分餾的主要機制有：①同位素交換反應。是不同化合物之間、不同相之間或單個分子之間發生同位素分……

同位素年代學從誕生至今已經一個多世紀，但至今發展速度很快，新方法、新理論不斷提出，新技術得到了不斷地應用，尤其是高精尖儀器的引入，發展異常迅速，幾乎每天都有新發現。以下僅簡要介紹常規方法及部分進展，以起到以管窺豹之效。

1. Rb-Sr法

2. Sm-Nd法

3. U-Pb法

同位素地球化學是根據自然界的核衰變、裂變及其他核反應過程所引起的同位素變異，以及物理、化學和生物過程引起的同位素分餾，研究天體、地球以及各種地質體的形成時間、物質來源與演化歷史。

同位素地質年代學已建立了一整套同位素年齡測定方法，為地球與天體的演化提供了重要的時間坐標。比如已經測得太陽系各行星形成的年齡為45～46億年，太陽系元素的年齡為50～58億年等等。

另外在礦產資源研究中，同位素地球化學可以提供成岩、成礦作用的多方面信息，為探索某些地質體和礦床的形成機制和物質來源提供依據。

①自然界同位素的起源、演化和衰亡歷史。

②同位素在宇宙體、地球及其各圈層中的分佈分配、不同地質體中的丰度及其在地質過程中活化與遷移、富集與虧損、衰變與增長的規律；同位素組成變異的原因；並據此探討地質作用的演化歷史和物質來源。

③利用放射性同位素的衰變定律建立一套有效的同位素計時方法，測定不同天體事件的年齡，並作出合理的解釋，為地球和太陽系的演化確定時間坐標。

根據同位素的性質，同位素地球化學研究領域主要分穩定同位素地球化學和同位素年代學兩個方面。穩定同位素地球化學主要研究自然界中穩定同位素的丰度及其變化。同位素年代學隨研究領域的深入，又分為同位素地質年代學和宇宙年代學。同位素地質年代學主要研究地球及其地質體的年齡和演化歷史。宇宙年代學則主要研究天體的年齡和演化歷史。

分餾係數表示同位素的分餾程度，反映了兩種物質或兩種物相之間同位素相對富集或虧損程度。在自然界，分餾係數是指兩種礦物或兩種物相之間的同位素比值之商。其表達式為：□ A-B=RA/RB式中A和B表示兩種物質（物相），R代表重同位素對輕同位素的比值，如18O/16O，13C/12C等。□ 值偏離1愈大，說明兩種物質之間的同位素分餾程度也就愈大；□ =1時，物質間沒有同位素分餾。

穩定同位素組成常用δ值表示，δ值指樣品中某元素的穩定同位素比值相對標準（標樣）相應比值的千分偏差。其公式為□δ值能清楚地反映同位素組成的變化，樣品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。樣品的δ值總是相對於某個標準而言的，同一個樣品，對比的標準不同得出的δ值各異。所以必須採用同一標準；或者將各實驗室的數據換算成國際公認的統一標準，這樣獲得的δ值才有實際應用價值。比較普遍的國際公認標準為：①SMOW，即標準平均海洋水，作為氫和氧的同位素的國際統一標準；② PDB，是美國南卡羅來納州白堊系皮狄組地層內的似箭石，一種碳酸鈣樣品，用作碳同位素的國際統一標準，有時也作為沉積碳酸鹽氧同位素的標準；③CDT,是美國亞利桑納州迪亞布洛峽谷鐵隕石中的隕硫鐵，用作硫同位素的國際統一標準。穩定同位素實驗研究表明，大多數礦物對體系（礦物-礦物）或礦物-水體系，在有地質意義的溫度範圍內,103ln□ 值與T 2成反比,T為絕對溫度。103ln□ 值可以近似地用兩種物質的δ差值表示，即δ-δB=ΔA-B≈103ln□A-B。因此，只要測得樣品的δ值，就可直接計算出103ln□值。它同樣表示物質間同位素分餾程度的大小，利用它可繪製同位素分餾曲線，擬合同位素分餾方程式和計算同位素平衡溫度(見地質溫度計)。在穩定同位素地球化學研究中，H、C、O、S等研究較深入。它們在天然物質中分佈廣泛，可形成多種化合物，由於它們的同位素質量數都比較小，相對質量差別大，因而同位素分餾更明顯，這對確定地質體的成因及其物質來源和判明地質作用特徵具有重要意義。

研究天然物質中氧同位素的丰度、變異規律及其地質意義。自然界氧有3個穩定同位素16O、17O和18O，它們的丰度分別為99.762%、0.038%和0.200%。氧同位素組成以δ18O表示，標準採用SMOW（見穩定同位素地球化學）。天然含氧物質中δ18O的分佈如圖天然含氧物質的δ□O值所示。大氣水的δ18O變化範圍最大，為+10～-55‰,極地粒雪的δ18O最低；大氣二氧化碳的δ18O 最高，可達+41‰。所以天然物質中δ18O的變化幅度約100‰。

含氧礦物在自然界分佈相當廣泛。主要造岩礦物的δ18O變化具有明顯的順序性，與岩漿結晶分異順序一致，即由孤立島狀四面體的橄欖石到鏈狀輝石、層狀雲母和架狀的長石、石英，δ18O依次增高，這主要與礦物的晶體化學性質有關。根據同位素分餾理論，硅酸鹽礦物中陽離子與氧的結合鍵愈短，鍵力愈強，振動頻率愈高，則18O愈富。石英中Si—O鍵在硅酸鹽結構中是最強的；此外，與溫度有關，因為超基性、基性原始岩漿處於很高溫度狀態，同位素分餾作用減弱，隨岩漿溫度的降低，同位素分餾作用增強，岩漿中18O含量相對增高。因此，從超基性岩到酸性岩δ18O明顯增高，其變化範圍為 5～13‰。對於非正常火成岩，則須考慮岩漿或固結岩石與周圍物質間的相互作用。

氧同位素的地質應用最廣泛，包括：①氧同位素地質溫度計。應用實驗的方法，首先測定礦物與水的分餾數據，再計算礦物與礦物之間的分餾數據，得出分餾係數與溫度的關係式。氧同位素地質溫度計中石英－磁鐵礦礦物對是最靈敏的，因為石英的 18O/16O比值大，磁鐵礦的比值較小，所以石英－磁鐵礦之間具有最大的分餾係數和溫度係數(指溫度每變化 1℃時分餾係數的改變數)。②古海洋溫度計。通過測定生物化石碳酸鈣殼層與水之間的氧同位素組成來確定古海洋的溫度。③判斷成礦熱液的來源和礦床成因及岩石成因等。

研究天然物質中碳同位素的丰度、變異規律及其地質意義。自然界碳有 2個穩定同位素12C和13C，它們的丰度分別為98.89%和1.11%。碳同位素組成以 δ13C表示，標準採用 PDB（見穩定同位素地球化學）。天然物質中δ13C的分佈如圖天然物質中的碳同位素組成所示。由圖天然物質中的碳同位素組成看出，δ13C的最低值見於天然氣甲烷，為-90‰；最高值出現於碳質球粒隕石中，為+70‰。所以天然物質中δ13C的變化幅度達160‰。

地球上兩個最重要的碳貯存庫是碳酸鹽和生物成因還原碳。它們的同位素丰度值截然不同，因為在大氣CO2-溶解 HCO--CaCO3體系中，同位素交換反應使碳酸鹽富集13C；而光合作用的動力分餾效應導致生物成因碳（有機物）中富集12C。