稳定同位素地球化学

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  稳定同位素地球化学汉语拼音:Wending Tongweisu Diqiu Huaxue;英语:Stable Isotope Geochemistry),研究自然界元素稳定同位素组成及其变化规律,并用来解释无机物和有机物的组成物质来源和成因,进而探讨地球物质和地外物质形成的地质和地球化学过程的一门学科同位素地球化学的一个研究领域。

  元素的稳定同位素丰度变化的机制是同位素分馏。同位素分馏主要由同一元素的不同同位素之间质量差异而引起。自然界轻元素(原子序数≤20)的同位素分馏明显,其中氢、碳、氮、氧和硫等元素的稳定同位素地球化学应用最广。

  氢同位素地球化学 研究天然物质中氢同位素组成、变化规律及其地质地球化学意义。氢有2个稳定同位素:H(1H)和D(2H),是自然界同位素分馏最大的元素。氢同位素地球化学的研究对象包括含水矿物、地表水、地下水流体、含氢流体和有机物。矿物–水系统的氢同位素分馏通常达到同位素平衡,含水矿物的δD值主要受温度、矿物化学成分、氢键长度和水流体的氢同位素组成的影响。有机物形成和变化时,如光合作用过程中、细胞新陈代谢过程中、细菌分解释放氢气和甲烷等生物化学过程中,引起氢同位素分馏的主要因素是动力学同位素效应。在实际应用中,氢同位素往往与氧同位素或碳同位素资料结合起来,解决地质地球化学问题。

  氧同位素地球化学 研究天然物质中氧同位素组成、变化规律及其地质地球化学意义。氧有3个稳定同位素:16O、17O和18O。氧是地球上最丰富的元素,构成岩石和水流体的基本成分。岩石和矿物的氧同位素组成取决于成岩温度、水流体δ18O值、源区或原岩性质等因素。火成岩的δ18O值为+5‰~+13‰,沉积岩为+10‰~+36‰,变质岩为+6‰~+25‰。利用氧和氢同位素组成可以很好地区分海水、大气降水、岩浆水和变质水等各种不同成因的水。氧同位素温度计能成功地提供陨石、火成岩和变质岩成岩温度的信息。特别是通过测定化石碳酸钙壳体的δ18O值而建立起来的古温度计,提供了极精确的更新世和过去7千万年以来的氧同位素记录,是古海洋、古温度和全球古气候变化研究的有效工具。在矿床研究中,氧和氢同位素的测定能够提供成矿温度和成矿流体(热液)来源方面的信息。

  碳同位素地球化学 研究天然物质中碳同位素组成、变化规律及其地质地球化学意义。碳有2个稳定同位素,12C和13C。天然物质中δ13C值变化范围为-90‰~+70‰,最低值见于天然气甲烷,最高值出现于碳质球粒陨石的碳酸盐,地幔碳为-7‰~-5‰。地球表层有两大重要的碳储积库:沉积成因海洋碳酸盐和生物成因有机物,δ13C 平均值分别约为+1‰和-25‰,两者明显不同的碳同位素组成,是由于完全不同的分馏机制所致。碳同位素资料在生物组织和生理过程、生态环境和生态系统过程、环境变迁和全球变化等方面的研究中发挥愈来愈重要的作用。在考古学研究中,通过测定化石骨骼中胶原的碳同位素组成,可以示踪人类的饮食情况和食物来源,重建现代和史前食物链及摄食生态学。在石油和天然气研究中,碳同位素已成为油气勘探中一个强有力的工具。见碳循环。

  硫同位素地球化学 研究天然物质中硫同位素组成、变化规律及其地质地球化学意义。硫有4个稳定同位素:32S、33S、34S、36S。天然物质中δ34S的分布见图4,其变化幅度达到180‰,最富含32S的硫化物为-65‰,最富含34S的硫酸盐为+120‰,地幔硫为-5‰~+5‰。硫同位素组成变化主要是由两种类型同位素分馏机制引起:①发生于硫酸盐与硫化物之间、不同硫化物之间的同位素交换反应中的平衡分馏。②发生于硫酸盐细菌还原作用过程中的动力学同位素效应导致硫循环中最大的同位素分馏。硫同位素在生态学和环境科学研究中是一种有效的手段,可以识别和评估生态系统中人为起因硫的影响程度,追踪硫循环过程和确定污染源。在矿床研究中,硫同位素测定能提供成矿温度、硫源以及硫化物矿物沉淀的物理化学条件等方面信息。