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配變化的反應，是可逆反應。反應前後的分子數、化學組分不變，只是同位素濃度在分子組分間重新分配。②同位素動力學效應。是指物理或化學反應過程中同位素質量不同所引起的反應速率的差異。在不可逆反應中，結果總是導致輕同位素在反應產物中富集。

同位素分餾係數分餾係數α 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

αA-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。α 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；α =1時，物質間沒有同位素分餾。

δ值　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。

在地質學中的應用　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,103lnα 值與T 2成反比,T為絕對溫度。103lnα 值可以近似地用兩種物質的δ差值表示，即δ-δB=ΔA-B≈103lnαA-B。因此，只要測得樣品的δ值，就可直接計算出103lnα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。

例如不同成因自然水具有不同的H、O同位素組成。海水δD與δ18O平均值接近0‰；大氣降水的H、O同位素組成變化非常有規律，其關係總體符合大氣降水線直線方程：δD＝8δ18O +10，並具有明顯的緯度和高度效應；岩漿水的 δD=-40～-80‰；δ18O愒5.5～9.5‰；變質水δD愒0~-70‰,δ18O愒3~20‰;有機水的δD愒-90～-250‰，而δ18O受儲油岩層δ18O值和交換溫度的控制。因而研究水的H、O同位素組成及其變異，可以為水的分類與來源提供重要信息。

參考書目

魏菊英、王關玉編：《同位素地球化學》，科學出版社，北京，1988。

G.福爾著，潘曙蘭、喬廣生譯:《同位素地質學原理》，科學出版社，北京1983。(G. Faure, Principles　of Isotope Geo-logy,John Wiley & Sons,Inc.,New York, 1977.)

J.Hoefs, Stable　Isotope Geochemistry,3rd ed., Springer-Verlag, Berlin, 1987.