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第五章 同位素地球化学368815698

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第五章 同位素地球化学第一节 稳定同位素基本概念和分馏原理第二节 同位素地质温度计第三节 氢、氧同位素地球化学第四节 碳同位素地球化学第五节 硫同位素地球化学地球化学课程第一节 稳定同位素基本概念和分馏原理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 (它们在周期表上占据同一个位置。• 同位素可分为两种 :– 稳定同位素 ( 放射性同位素 ( 素放射性同位素 : 一些同位素的核质量和能态可自发地以一定速度率蜕变。形成新的原子核,这部分同位素称为 放射性同位素 。稳定同位素 : 不具有放射性的同位素。放射成因同位素 : 由放射性同位素蜕变形成的同位素,统称为放射成因同位素,它可能是稳定的,也可能是放射性的,但习惯上往往是指稳定的。放射性同位素• 放射性同位素的原子核是不稳定的 , 它通过自发的放出粒子而衰变成另一种同位素 。238U 2344)+ Q 206 207 208同位素丰度• 同位素丰度 (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1H( 取 1H=1012) 或 28取 2806) 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 。相对 丰度元 素 同位素 百分比( %)氢 1H 0B 2C 同位素丰度变化• 地球化学家通过测定各种稳定同位素的天然丰度,发现它们在不同地质体中是不同的 , 有一定的变化范围。• 造成这一变化的原因包括:( 1)与核合成有关的过程,( 2)与放射性衰变有关的过程,( 3)同位素分馏。4. 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 。 这种质量差异所引起的该分子在物理和化学性质上的差异 , 称为 同位素效应 (在不同的物理 、 化学和生物作用过程中 , 会出现不同的同位素效应 , 发生某种程度的同位素分馏 。5. 同位素分馏• 同位素分馏 (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 ( 1H) 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 。5. 同位素分馏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 : 同位素热力学平衡分馏 同位素动力学分馏 a• 两种物质间同位素分馏的程度用同位素分馏系数 表示 。 常以两种物质中的同位素比值之商来表示:•式中 , 如 18O/16O、 2H/1H、13C/12a值通常十分接近 1. 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 。• 在 25  2O = 位素组成表示 δ值• 物质中一种元素的几个同位素的绝对量的测量 , 通常是十分困难的 。 实际工作中往往采用相对测量法 , 即只要知道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即可 。 这一差异用 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 。δ7、同位素组成表示 δ值• 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位素标准• • 标准平均海水 : , • 绝对同位素比值:• 18O/16O= 1017O/16O=373 × 10间 ,但 重 "的一端,大部分岩石、矿物和天然水的 ‰ 极少出现 , 仅见于低纬度靠近赤道附近的沙漠地带 , 而极负的 50℃ 时 , 含硫有机质受热分解 , 生成从而产生硫同位素动力分馏 , 2=例如起始物质的 +20‰ ) ,则热分解形成的 5‰ ± 5‰ 。1、硫同位素分馏 :(4) 随着温度升高 , 水溶硫酸盐可与有机物发生还原反应 。 如 T>250℃ ,( 酸盐有机还原反应的速率一般较快 , 硫同位素分馏很小 ( 图 5、硫同位素分馏 :(6) 在玄武岩与海水相互作用中 , 硫酸盐还原形成黄铁矿等硫化物 。 如:( 一反应过程产生的同位素动力分馏2=即 20‰ 的海水与玄武岩反应生成的硫化物 为 +20‰ ~( 图 5。2. 硫同位素的热力学平衡分馏在热力学平衡状态下 , 不同价态的硫的同位素分馏特征为: 硫同位素的热力学平衡分馏 :金属 —硫键越强的矿物越富集重硫同位素 。 因此平衡状态下 , 硫酸盐和硫化物的 1) 对于硫酸盐矿物 , 铅矾 ( 10‰ ) 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 各类地球岩石的硫同位素组成花岗岩和伟晶岩的 ~+。 磁铁矿系列花岗岩 +1‰ ~+9‰ ) , 高于钛铁矿系列花岗岩的 ~1‰ ) 。中酸性火山喷出岩的 且一般 其硫同位素组成变化与火山气中二、不同地质储库的硫同位素组成3 质岩变质岩的硫同位素组成与变质岩原岩 、 变质作用过程中的水 –岩反应和同位素交换 、 和变质脱气作用等因素有关 。 大多数变质岩的 变化为 ~+20‰ 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 积岩海洋沉积物中硫化物的 ~60‰ 。 现代大洋沉积物中黄铁矿 20‰ ~。 个别样品 50‰以下或者高达 +20‰ 以上 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 积岩沉积物中的硫有多种不同存在形式 , 如黄铁矿 、 酸挥发性硫化物 ( , 干酪根 、 沥青 、 硫酸盐和元素硫 。 相对于海水硫酸盐 , 黄铁矿通常是最贫 34 而酸挥发性硫化物和干酪根中硫的 元素硫主要赋存在表层沉积物中 , 很可能是通过沉积物 —水界面扩散上来的硫化氢氧化的结果 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 积岩海洋沉积物中硫化物的 ~60‰ 。 现代大洋沉积物中黄铁矿 20‰ ~。 个别样品 50‰以下或者高达 +20‰ 以上 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 积岩海洋沉积物中黄铁矿主要是通过细菌还原海水硫酸盐形成的 , 反应式如下:( 此 , 沉积物中黄铁矿的量受硫酸根离子浓度 、 有机质含量 、 孔隙水中 子含量等因素控制 。因此 , 沉积物中黄铁矿的量受硫酸根离子浓度 、 有机质含量 、 孔隙水中 子含量等因素控制 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 积岩海洋沉积物中黄铁矿主要是通过细菌还原海水硫酸盐形成的 , 反应式如下:( 此 , 沉积物中黄铁矿的量受硫酸根离子浓度 、 有机质含量 、 孔隙水中 子含量等因素控制 。二、不同地质储库的硫同位素组成3 各类地球岩石的硫同位素组成现代海水硫酸盐的 20‰ 。 地质历史时期 ,海水硫酸盐的 图 5。 前寒武纪海水 16‰ ~+18‰ , 到寒武纪时达到 +30‰ 以上 。 从寒武纪到志留纪 , 16‰ 。在泥盆纪 25‰ 。 之后又逐渐下降至约 +10‰ 。 从三叠纪开始 , 达到现代的 +20‰ 左右 ( 图 5。二、不同地质储库的硫同位素组成图 5史时期海水硫酸盐 δ 34 1977)3. 化石燃料不同地质时期形成的石油 , ~+28‰ ) 。 但同一储油层中相同时代形成的石油 , 例如 , 伊拉克白垩系地层中石油 ~+,而三叠系地层中石油 。4. 硫同位素温度计硫同位素温度计的原理和方法与氧同位素测温完全一样,对二个平衡共存相间硫同位素的分馏系数可表示为:1000·106应用实验室方法测出常数 可根据实测样品的 Δ值求得平衡温度。
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