1、第第6章章 同位素地球化学同位素地球化学2023-8-15第5章 同位素地球化学Part2v6.3.1 稳定同位素基础及分馏机理稳定同位素基础及分馏机理v6.3.2 氢、氧同位素地球化学氢、氧同位素地球化学v6.3.3 硫同位素地球化学硫同位素地球化学v6.3.4 碳同位素地球化学碳同位素地球化学2023-8-15第5章 同位素地球化学Part3u6.3.3.1 自然界中硫同位素的分馏作用自然界中硫同位素的分馏作用u6.3.3.2 自然体系中硫同位素组成自然体系中硫同位素组成u6.3.3.3 硫同位素地质温度计硫同位素地质温度计u6.3.3.4 硫同位素在成矿作用中的示踪意义硫同位素在成矿作用
2、中的示踪意义2023-8-15第5章 同位素地球化学Part432S95.02%33S 0.75%34S 4.21%36S 0.02%硫同位素组成表示硫同位素组成表示：34S（）=(34S/32S)样品样品/(34S/32S)PDB11000 2023-8-15第5章 同位素地球化学Part56.3.3.1 自然界中硫同位素的自然界中硫同位素的分馏作用分馏作用自然界硫分馏显著自然界硫分馏显著2023-8-15第5章 同位素地球化学Part62023-8-15第5章 同位素地球化学Part7 化学动力学分馏化学动力学分馏氧化和还原氧化和还原反应中产生的同位素分馏反应中产生的同位素分馏。H234S
3、+32SO42 H232S+34SO42 （=1.075）分馏系数与温度呈分馏系数与温度呈反反相关相关硫同位素分馏机制硫同位素分馏机制2023-8-15第5章 同位素地球化学Part82023-8-15第5章 同位素地球化学Part9生物成因硫化物的生物成因硫化物的 34S（）一般小于一般小于0，负值负值越高生物成因可能性越大。越高生物成因可能性越大。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part10 还原成因硫化氢或硫化物中富还原成因硫化氢或硫化物中富32S，富集程度超过原始的硫酸盐，因而富集程度超过原始的硫酸盐，因而 34S 小于小于0；硫化氢或硫化物的硫化氢或硫化物的32S富集程度与富
4、集程度与还原程度有关。还原程度有关。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part11平衡共生条件下，不同价态硫同位素分馏特平衡共生条件下，不同价态硫同位素分馏特征为征为：34S值值S2HSS0SO2SO422023-8-15第5章 同位素地球化学Part12 在平衡状态下在平衡状态下，34S硫酸盐硫酸盐 34S硫化物硫化物1）硫酸盐硫酸盐34S值：值：铅矾重晶石天青石石膏铅矾重晶石天青石石膏；v2）硫化物硫化物 34S 值：值：v辉铋矿辉锑矿辉铜矿方铅矿斑铜矿辉铋矿辉锑矿辉铜矿方铅矿斑铜矿黄铜矿闪锌矿黄铁矿辉钼矿黄铜矿闪锌矿黄铁矿辉钼矿2023-8-15第5章 同位素地球化学Part131
5、.大气圈、水圈和生物圈硫同位素组成大气圈、水圈和生物圈硫同位素组成2.各类地球岩石硫同位素组成各类地球岩石硫同位素组成2023-8-15第5章 同位素地球化学Part14大气硫存在形式大气硫存在形式：气溶胶中气溶胶中硫酸盐硫酸盐和和气态气态H2S、SO2。大气硫来源大气硫来源 A 天然来源天然来源 火山喷发火山喷发H2S、SO2(34S=1010)；海水蒸发盐海水蒸发盐 34S=20)；生物成因的生物成因的H2S和有机硫和有机硫 34S=3010)；B 人工污染人工污染 金属硫化物矿石冶炼；石膏粉尘。金属硫化物矿石冶炼；石膏粉尘。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part15水圈发生复杂
6、的氧化水圈发生复杂的氧化-还原作用。水中溶还原作用。水中溶解的解的SO42被细菌还原成被细菌还原成H2S，34S值可值可降低降低050；生物体中的硫主要赋存在蛋白质中，生生物体中的硫主要赋存在蛋白质中，生物体通过还原硫酸盐形成有机硫物体通过还原硫酸盐形成有机硫。无论是淡水植物还是海洋生物，无论是淡水植物还是海洋生物，34S值值都低于溶解的硫酸盐都低于溶解的硫酸盐。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part16岩浆岩：岩浆岩：v1)基性基性-超基性岩超基性岩v 34S值与陨石硫相似，变化范围小，为值与陨石硫相似，变化范围小，为12。v2)酸性岩浆岩酸性岩浆岩v 34S值值=10 10，变化
7、大，但总均值接近变化大，但总均值接近0。v3)中酸性火山喷出岩中酸性火山喷出岩v 34S值变化范围比对应的深成岩大，且一般为正值值变化范围比对应的深成岩大，且一般为正值。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part172023-8-15第5章 同位素地球化学Part182 沉积岩：沉积岩：v开放系统中：硫酸盐和硫化氢的开放系统中：硫酸盐和硫化氢的34S值值稳定稳定。v封闭系统中：硫酸盐封闭系统中：硫酸盐 34S值渐大值渐大，还，还原形成的原形成的硫化氢硫化氢34S值渐大。值渐大。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part192023-8-15第5章 同位素地球化学Part20 34S
8、=20 20v组成与变质岩原岩、变质作用过程中组成与变质岩原岩、变质作用过程中的的W/RW/R反应和同位素交换，以及变反应和同位素交换，以及变质脱气等有关。质脱气等有关。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part211.原理、前提原理、前提及公式及公式：1000ln=ab=A106/T22.共生矿物对硫同位素平衡标志共生矿物对硫同位素平衡标志硫化物硫化物 34S值值：辉铋矿辉锑矿辉铜矿：辉铋矿辉锑矿辉铜矿方铅矿斑铜矿黄铜矿闪锌矿黄铁方铅矿斑铜矿黄铜矿闪锌矿黄铁矿辉钼矿矿辉钼矿3.常用的硫同位素地温计常用的硫同位素地温计2023-8-15第5章 同位素地球化学Part222023-8-15
9、第5章 同位素地球化学Part236.3.3.4 硫同位素应用硫同位素应用1.判断成岩成矿物质来源判断成岩成矿物质来源2.硫同位素地层学硫同位素地层学2023-8-15第5章 同位素地球化学Part242023-8-15第5章 同位素地球化学Part252023-8-15第5章 同位素地球化学Part262023-8-15第5章 同位素地球化学Part276.3.4 碳同位素地球化学碳同位素地球化学2023-8-15第5章 同位素地球化学Part28 稳定同位素稳定同位素 12C（98.892%）v 13C（1.108%）v 14C是放射性同位素是放射性同位素碳同位素组成表示碳同位素组成表示：
10、v13C()=(13C/12C)样品样品/(13C/12C)PDB110002023-8-15第5章 同位素地球化学Part29u主要为含碳矿物，如方解石、白云石、主要为含碳矿物，如方解石、白云石、大理石、菱铁矿、菱镁矿等全岩样品；大理石、菱铁矿、菱镁矿等全岩样品；u现在发展到包裹体中的甲烷、二氧化碳，现在发展到包裹体中的甲烷、二氧化碳，以及石油、天然气和有机物中的含碳组以及石油、天然气和有机物中的含碳组分分。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part302023-8-15第5章 同位素地球化学Part31使使12C富集在植物中富集在植物中植物乃至整个生物界及有机成因的煤、植物乃至整个生
11、物界及有机成因的煤、石油和天然气等都富集石油和天然气等都富集12C，平均，平均13C=25，而与其平衡的大气的，而与其平衡的大气的13C=7。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part32u13CO2+H12CO3=12CO2+H13CO3 v =1.014q13CO2+12CO32 =12CO2+13CO32 v =1.0122 碳同位素交换反应碳同位素交换反应2023-8-15第5章 同位素地球化学Part33碳是变价元素，不同价态化合物中，碳是变价元素，不同价态化合物中，13C倾向于富集在倾向于富集在高价高价化合物中化合物中13C：vCH4CCOCO2 CO323.氧化还原反应氧化
12、还原反应2023-8-15第5章 同位素地球化学Part34碳是变价元素碳是变价元素13C值变化范围很大。值变化范围很大。最重的碳出现在最重的碳出现在碳酸盐碳酸盐中，最轻的碳出中，最轻的碳出现在生物成因的现在生物成因的甲烷甲烷中。中。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part352023-8-15第5章 同位素地球化学Part36v 陨石陨石v碳存在形式：碳、碳化物、金属相中碳存在形式：碳、碳化物、金属相中的固体溶液、碳酸岩和有机化合物；的固体溶液、碳酸岩和有机化合物；v碳组成范围很宽碳组成范围很宽，13C=2770，v陨石中总碳陨石中总碳13C=5172023-8-15第5章 同位素地
13、球化学Part37存在形式：存在形式：CO/CO2/金属碳化物金属碳化物v月岩碳同位素特点月岩碳同位素特点2023-8-15第5章 同位素地球化学Part38碳形式：碳形式：u氧化态氧化态-碳酸根离子、碳酸盐和碳酸根离子、碳酸盐和CO2包裹体，包裹体，13C=105；u还原态还原态-石墨、金刚石、碳质薄墨和烃类有机物石墨、金刚石、碳质薄墨和烃类有机物等，等，13C=50 10。u金刚石集中在金刚石集中在13C=5 7。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part39寒武纪到第三纪的海相碳酸盐寒武纪到第三纪的海相碳酸盐13C接近于接近于0。随着地质时代的不同在剖面上可能存随着地质时代的不同在
14、剖面上可能存在突变点。在突变点。淡水碳酸盐淡水碳酸盐13C值较小，平均为值较小，平均为4.93+2.57。沉积岩中的有机碳沉积岩中的有机碳13C值同样很低，为值同样很低，为15 403.沉积岩沉积岩2023-8-15第5章 同位素地球化学Part402023-8-15第5章 同位素地球化学Part41u煤的煤的13C值值：v（22 28）/25，接近陆生植物，接近陆生植物。u石油石油 13C值值：v（35 18）/28，4.化石燃料化石燃料/有机体系有机体系2023-8-15第5章 同位素地球化学Part42 有机成因有机成因CH4 的的13C值较低（值较低（110 50），有机同源的甲烷系列
15、物的），有机同源的甲烷系列物的13C值随值随C数增多而增大数增多而增大。v13C1 13C2 13C3 13C4u无机甲烷无机甲烷13C值为值为40 3.2。甲烷同。甲烷同源烃类的源烃类的13C值与值与C数增加趋势与有机相反数增加趋势与有机相反。天然气分为无机和有机成因天然气分为无机和有机成因2023-8-15第5章 同位素地球化学Part43v湖水湖水：13C=8 16 v河水河水：13C=10 v海水海水：13C=0 v植物植物：13C水生植物水生植物 13C陆生植物（陆生植物（-34-24 ）13C海水植物海水植物 13C淡水植物淡水植物13C沙漠植物沙漠植物 13C海洋植物（海洋植物（
16、-23-6 ）海洋动物的碳酸盐介壳的海洋动物的碳酸盐介壳的13C0 2023-8-15第5章 同位素地球化学Part441.地幔去气地幔去气v13CCO213C碳酸盐碳酸盐13C金刚石金刚石13CCH42.成矿流体来源成矿流体来源3.确定原油形成环境确定原油形成环境4.地层学地层学5.地地-气交换过程中的碳同位素示踪气交换过程中的碳同位素示踪2023-8-15第5章 同位素地球化学Part452023-8-15第5章 同位素地球化学Part462023-8-15第5章 同位素地球化学Part47v1.硫和碳同位素组成及表示硫和碳同位素组成及表示v2.硫和碳同位素分馏机理硫和碳同位素分馏机理v3
17、.不同地质体的硫和碳同位素组成不同地质体的硫和碳同位素组成v4.硫和碳同位素应用：硫和碳同位素应用：地质温度计地质温度计、成岩、成岩成矿物质来源示踪、地层学等成矿物质来源示踪、地层学等 2023-8-15第5章 同位素地球化学Part48u同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基础建同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基础建立的同位素计时方法，用于测定各种地质体和地质事件立的同位素计时方法，用于测定各种地质体和地质事件的年龄。的年龄。u前提：体系的同位素封闭性，没有后期的地质作用的影前提：体系的同位素封闭性，没有后期的地质作用的影响而发生同位素母响而发生同位素母/子体带入或带出；用来
18、测年的放射子体带入或带出；用来测年的放射性母体的半衰期与所测地质体年龄大体相当，并且衰变性母体的半衰期与所测地质体年龄大体相当，并且衰变常数和母子体同位素的相对丰度已知；研究体系中母子常数和母子体同位素的相对丰度已知；研究体系中母子体同位素比值能精确测定。体同位素比值能精确测定。u自然界放射性母体自然界放射性母体-子体元素的地球化学分异和放射性子体元素的地球化学分异和放射性母体衰变造成的同位素成分变化，可以用来示踪地质体母体衰变造成的同位素成分变化，可以用来示踪地质体的物质来源、演化及其过程，这是放射性同位素地球化的物质来源、演化及其过程，这是放射性同位素地球化学研究的主要内容。学研究的主要内
19、容。小小 结结2023-8-15第5章 同位素地球化学Part49u本章介绍了地质学最常用的本章介绍了地质学最常用的K-ArK-Ar、Ar-ArAr-Ar、Rb-SrRb-Sr、Sm-Sm-NdNd、U-Th-PbU-Th-Pb法同位素定年体系与示踪方法。法同位素定年体系与示踪方法。u由于由于4040K K的半衰期较短，往往适合较年轻的火成岩定年；的半衰期较短，往往适合较年轻的火成岩定年；uRb-SrRb-Sr法比较适合中酸性火成岩定年；基性法比较适合中酸性火成岩定年；基性-超基性火成超基性火成岩中岩中RbRb含量低，一般难于用该法定年，常常使用含量低，一般难于用该法定年，常常使用Sm-NdS
20、m-Nd法定年；单颗粒锆石。法定年；单颗粒锆石。uU-PbU-Pb法，往往是确定锆石火成岩的十分有效的方法。法，往往是确定锆石火成岩的十分有效的方法。u对于变质岩而言，由于对于变质岩而言，由于K-ArK-Ar体系易于受变质作用重置，体系易于受变质作用重置，因此所得年龄往往代表最后一次热事件的年龄；绿片岩因此所得年龄往往代表最后一次热事件的年龄；绿片岩相以上的变质岩相以上的变质岩Rb-SrRb-Sr年龄也可以反映变质年龄；年龄也可以反映变质年龄；Sm-Sm-NdNd体系不易破坏，麻粒岩相以下的变质岩的体系不易破坏，麻粒岩相以下的变质岩的Sm-NdSm-Nd年龄年龄往往反映原岩年龄，加之往往反映原
21、岩年龄，加之SmSm半衰期很长，因此该方法特半衰期很长，因此该方法特别适合于古老变质岩原岩年龄研究。别适合于古老变质岩原岩年龄研究。2023-8-15第5章 同位素地球化学Part50u稳定同位素主要介绍了稳定同位素概念、分馏机理及稳定同位素主要介绍了稳定同位素概念、分馏机理及常用的天然稳定同位素体系，包括氢氧同位素、硫同常用的天然稳定同位素体系，包括氢氧同位素、硫同位素和碳同位素，它们在自然界的分馏、分布及地球位素和碳同位素，它们在自然界的分馏、分布及地球化学示踪。化学示踪。u同位素组成的表示同位素组成的表示（）=（R R样 品样 品/R/R标 准标 准1 1）10001000。u同位素分馏
22、是自然界轻稳定同位素组成变化的主导因同位素分馏是自然界轻稳定同位素组成变化的主导因素，同位素相对质量差越大分馏越大。分馏大小用分素，同位素相对质量差越大分馏越大。分馏大小用分馏系数馏系数 表示。热力学平衡分馏与温度呈非线性的反表示。热力学平衡分馏与温度呈非线性的反相关关系相关关系2023-8-15第5章 同位素地球化学Part51u A A B B=1000ln=1000ln=A AB B=10106 6/T/T2 2+B+B10103 3+C+Cu该关系式是同位素地温计基础。通过测定平衡共生的该关系式是同位素地温计基础。通过测定平衡共生的矿物对的同位素组成，可以获得矿物形成温度。矿物对的同位
23、素组成，可以获得矿物形成温度。u地球大气圈、水圈和岩石圈具有各自稳定同位素组成，地球大气圈、水圈和岩石圈具有各自稳定同位素组成，每个层圈内部不同物质和同种物质不同形态之间同位每个层圈内部不同物质和同种物质不同形态之间同位素组成可以有很大差别。层圈相互作用导致它们之间素组成可以有很大差别。层圈相互作用导致它们之间同位素的交换与变化。因此自然体系稳定同位素的变同位素的交换与变化。因此自然体系稳定同位素的变化是复杂的，但又有规律性，这就可以利用稳定同位化是复杂的，但又有规律性，这就可以利用稳定同位素地球化学来示踪各层圈物质来源和相互作用。素地球化学来示踪各层圈物质来源和相互作用。2023-8-15第
24、5章 同位素地球化学Part52v1.同位素概念、分类及各自特点。同位素概念、分类及各自特点。v2.同位素衰变定律及同位素定年原理。同位素衰变定律及同位素定年原理。v3.稳定同位素基本概念及涉及的参数。稳定同位素基本概念及涉及的参数。v4.氢氧同位素分馏机制及大气降水氢氧同氢氧同位素分馏机制及大气降水氢氧同位素的特点。位素的特点。v5.常见同位素定年方法、方程式、实用对常见同位素定年方法、方程式、实用对象及注意点。象及注意点。v6.同位素地质温度计的设计、原理和前提同位素地质温度计的设计、原理和前提2023-8-15第5章 同位素地球化学Part53v1 基本概念基本概念：v同位素比值及表示同
25、位素比值及表示v同位素分馏系数及表示同位素分馏系数及表示v富集系数富集系数v2 论述题论述题v自然界氢、氧同位素分馏机理自然界氢、氧同位素分馏机理v大气降水组成、特点及演化规律大气降水组成、特点及演化规律v氢氧同位素在成岩成矿方面的示踪应用氢氧同位素在成岩成矿方面的示踪应用2023-8-15第5章 同位素地球化学Part543.计算题计算题.平衡共生的矿物中硫同位素的分配顺序。平衡共生的矿物中硫同位素的分配顺序。.几种主要有机体系的碳同位素组成。几种主要有机体系的碳同位素组成。已知在已知在135135时时，v3434S S闪锌矿闪锌矿-方铅矿方铅矿=5.8=5.8v3434S S黄铁矿黄铁矿-闪锌矿闪锌矿=2.7=2.7 v计算该温度时黄铁矿计算该温度时黄铁矿-方铅矿的方铅矿的 硫同位素分馏硫同位素分馏系数系数 2023-8-15第5章 同位素地球化学Part55u1.Ce异常的表示、含义及计算。异常的表示、含义及计算。u2.总分配系数总分配系数KD1 和和KD 1的元素在的元素在部分熔融过程中演化趋势是什么？部分熔融过程中演化趋势是什么？u3.铅同位素有几种类型铅同位素有几种类型？
