海洋地球化學(xué)8

1、1 第8講 （第四章-穩(wěn)定同位素部分） 2 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 利用同位素組成的不均勻性和變化來研究利用同位素組成的不均勻性和變化來研究 一、基本概念一、基本概念 同位素豐度 相對相對：百分?jǐn)?shù)。：百分?jǐn)?shù)。 絕對絕對：與：與1H（=1012）或）或28Si（=106）的比值。）的比值。 核合成、衰變、分餾造成其變化。核合成、衰變、分餾造成其變化。 3 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 一、基本概念一、基本概念 同位素分餾系數(shù) 同位素效應(yīng)：同位素效應(yīng)：同位素差異造成的性質(zhì)差異。同位素差異造成的性質(zhì)差異。 同位素分餾：同位素分餾：同位素在兩相中分配比

2、不同。同位素在兩相中分配比不同。 “不同不同”表示：表示：A-B=RA/RB， ：分餾系數(shù)：分餾系數(shù)。越偏離越偏離1，分餾程度越大。，分餾程度越大。 溫度的函數(shù)溫度的函數(shù)地質(zhì)溫度計地質(zhì)溫度計 R：同位素（重：同位素（重/輕）比輕）比 A、B：兩相：兩相 4 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 一、基本概念一、基本概念 同位素組成表示值 ( )=(R樣 樣/R標(biāo)標(biāo))-1 1000 ：千分偏差值，可用質(zhì)譜儀直接測得。：千分偏差值，可用質(zhì)譜儀直接測得。 如：方解石中的如：方解石中的18O（見書）（見書） 標(biāo)準(zhǔn)：見表標(biāo)準(zhǔn)：見表4-5。 選擇原則：某元素同位素組成接近自然界平均值。選擇原

3、則：某元素同位素組成接近自然界平均值。 成分均勻，易測、可得成分均勻，易測、可得 。 第三章已講13C 5 同位素組成表示 同位素豐度 同位素比值R 千分偏差值 6 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 一、基本概念一、基本概念 千分分餾和同位素分餾值 1000ln(1.00n) n 千分分餾 例如：A-B=1.031，1000lnA-B31 1000lnA-BT-2 A-B=A-B 加和性：A-C=A-B+B-C 關(guān)推導(dǎo)系：A-B=（1000+A）/ （1000+B） 7 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理 熱力學(xué)平

4、衡分餾由性質(zhì)不同引起 同位素交換方式： 不同分子或不同相間的交換（不反應(yīng)）不同分子或不同相間的交換（不反應(yīng)） 1H2O + 1H2H 1H2HO +1H2 同種分子間交換（歧化反應(yīng)）同種分子間交換（歧化反應(yīng)） 1H2O + 2H2O 21H2HO 同位素分子參與反應(yīng)同位素分子參與反應(yīng) 1H2HO、2H2O分別于N1H3反應(yīng) 8 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理 熱力學(xué)平衡分餾 同位素交換機(jī)理： 締合機(jī)理：締合機(jī)理： 締合中間體后重新分配 電離機(jī)理電離機(jī)理： 解離后組合中伴隨著再分配 9 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分

5、餾原理 二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理 熱力學(xué)平衡分餾 同位素平衡分餾的因素： 溫溫 度：度： 壓壓 力：當(dāng)體積變化大時力：當(dāng)體積變化大時 化學(xué)成分：重的富集在鍵強(qiáng)中化學(xué)成分：重的富集在鍵強(qiáng)中 物質(zhì)結(jié)構(gòu)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)： 10 第四節(jié)第四節(jié) 穩(wěn)定同位素分餾原理穩(wěn)定同位素分餾原理 二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理二、穩(wěn)定同位素分餾機(jī)理 同位素動力學(xué)分餾 由擴(kuò)散或反應(yīng)速率不同引起 產(chǎn)物中優(yōu)先富集反應(yīng)快的同位素輕同位素； 擴(kuò)散過程的分餾系數(shù)：vA/vB=(mB/mA)1/2 與質(zhì)量無關(guān)的同位素分餾 2. 一般質(zhì)量差越大分餾效應(yīng)越強(qiáng)，但有些其它因 素造成不符合質(zhì)量相關(guān) 11 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)

6、用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 一、同位素地質(zhì)溫度計 基本原理 由分餾系數(shù)CaCO3-H2O=(18O/16O)CaCO3/(18O/16O)H2O確定 CaCO3形成的溫度。 一般：1000lnA-B=106/T2+b103/T+c 步驟： 標(biāo)準(zhǔn)曲線：T 測 樣 品： 1. 查 曲 線：T 1000ln 106T-2 溫度（） 古今值不變古今值不變 古溫度下形成古溫度下形成 樣品樣品 古代溫度古代溫度 實驗?zāi)M實驗?zāi)M 12 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 一、同位素地質(zhì)溫度計 基本原理 條件：A-B共生、平衡、常見、穩(wěn)定、大、可靠 13 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用

7、一、同位素地質(zhì)溫度計 同位素測溫方法及常用的測溫方程 （1）外部測溫法）外部測溫法 測固相值，假定另一相值，由分餾系數(shù)計算溫度。 如：氧同位素溫度計 礦物-海水溶液（表4-6） 礦物-不含氧共生礦物包裹的水（表4-7） 14 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 一、同位素地質(zhì)溫度計 同位素測溫方法及常用的測溫方程 （2）內(nèi)部測溫法）內(nèi)部測溫法 測兩共生含氧礦物質(zhì)溫度 如：表4-8 （3）單礦物測溫法）單礦物測溫法 測同一礦物中不同結(jié)構(gòu)上的同位素組成 15 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 二、氫、氧同位素 2H/1H、18O/16O 不同水體 （1）大氣降水）大氣降水

8、 D、18O的范圍：， 影響因素： 大陸（或海岸線）效應(yīng)： 緯度（溫度）效應(yīng)： 高度效應(yīng)： 1. 季節(jié)效應(yīng)： 越輕越遠(yuǎn)越高 溫度低重的少 16 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 二、氫、氧同位素 2H/1H、18O/16O 不同水體 （1）大氣降水）大氣降水 D、18O的關(guān)系： 平衡分餾：D/H=818O/16O 17 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 二、氫、氧同位素 不同水體 （2）海水）海水 表層海水：D=m18O（m=7.5、6.5、6.0） 瑞利分餾：蒸發(fā)-凝聚中動力學(xué)分餾，雨滴移離云層。 蒸發(fā)前后重的含量：N=N0(V0/V)(-1)/ 由某T的及V0、

9、N0，求V時=1000(f-1-1) （f為剩余蒸汽的分?jǐn)?shù)） 18 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 二、氫、氧同位素 海相沉積巖 18O： 海相沉積的燧石： 現(xiàn)代11.441.4太古宙代11.420.8 海相灰?guī)r：現(xiàn)代30太古宙代10 地質(zhì)年代劃分地質(zhì)年代劃分 19 陸地海水海水 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 二、氫、氧同位素 氧同位素的應(yīng)用 海水及沉積18O增大 海水蒸發(fā)CaCO3沉積 陸地 冰盛期冰盛期間冰期間冰期 海水海水 海水及沉積18O減小 淡水注入CaCO3溶解 20 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 二、氫、氧同位素 氧同位素的應(yīng)用

10、 巖芯深度（cm） 18O（） 巖芯CaCO3含量 互相佐證 21 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 三、碳同位素13C值 分布： 光合光合-呼吸分餾呼吸分餾12C在有機(jī)物中、13C于大氣 中富集 上層浮游植物優(yōu)先攝取12CO2，因為食取，動物體 內(nèi)和呼出的CO2與浮游植物的13C相同； 有機(jī)碎屑分解，將12C帶入深層，所以深層13C低。 22 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 三、碳同位素13C值 分布： 光合光合-呼吸分餾呼吸分餾12C在有機(jī)物中、13C于大氣 中富集 大氣大氣-海水界面分餾海水界面分餾13C在HCO3-、CO32-因而 在沉積碳酸鹽中富集，12

11、C進(jìn)入大氣 與溫度有關(guān)： 高緯度表層水溶解的13C比大氣的CO2高10.6% 低緯度表層水溶解的13C比大氣的CO2高7.6% 23 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 三、碳同位素13C值 分布： 光合光合-呼吸分餾呼吸分餾12C在有機(jī)物中、13C于大氣 中富集 大氣大氣-海水界面分餾海水界面分餾13C在HCO3-、CO32-因而 在沉積碳酸鹽中富集，12C進(jìn)入大氣 與營養(yǎng)元素分布相關(guān)與營養(yǎng)元素分布相關(guān) 表層攝取12C，13C高時PO43-低， 深層釋放12C， 24 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 三、碳同位素13C值 應(yīng)用： 判斷有機(jī)質(zhì)形成環(huán)境，如：海洋沉積中

12、有機(jī) 質(zhì)13C和浮游生物一致 生物介殼中的13C可作為當(dāng)時海水變化的指示 劑，進(jìn)而營養(yǎng)元素濃度變化指示劑 25 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 四、硫同位素34S/32S、34S 氧化數(shù)影響化學(xué)鍵強(qiáng)度因而分子振動； 一般重的富集在強(qiáng)鍵化合物中。 34S富集SO42- 中， 32S富集S2- 、煤、石油中。 分餾 （1）細(xì)菌作用：可達(dá)40120 難溶S2-易溶SO42-：機(jī)械分離 上層SO42- 深層 SO42- 沉積 S2- （34S=+20）（34S=-20-40） 若補(bǔ)充不及時，開 始S2-的34S低。 26 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 四、硫同位素34

13、S/32S、34S 分餾 （2）（50）熱分解：S2-產(chǎn)物H2S的34S低 （3）（80）還原作用：SO42-產(chǎn)物H2S的34S 低 熱力學(xué)和動力學(xué)分餾共存。 27 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 四、硫同位素34S/32S、34S 組成 分布： 生物體： 34S比海水中硫酸鹽低 沉積物：貧34S，可達(dá)50，尤其黃鐵礦 應(yīng)用： 硫同位素地質(zhì)溫度計：如，大陸巖比海底熔巖的 34S低，說明前者經(jīng)歷SO2快速去氣作用。 硫同位素地層學(xué)：34S突變 28 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 五、鍶同位素87Sr/86Sr 87Sr來自87Rb的衰變，所以在增多 1.研究物質(zhì)

14、來源 R海水=R玄v+R硅s+R碳m R：87Sr/86Sr； 玄、硅、碳：年青玄武巖、古老硅鋁巖、顯生宙 以來海洋碳酸鹽；R為：0.704、0.720、0.708。 v、s、m：上述來源的分?jǐn)?shù)。 最小最大 29 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 五、鍶同位素87Sr/86Sr 87Sr來自87Rb的衰變，所以在增多 1.研究物質(zhì)來源 無交代影響時化石介殼與當(dāng)時海水87Sr/86Sr相同。 30 五、鍶同位素87Sr/86Sr 大陸冰川增強(qiáng)，向海 洋輸入古老硅鋁巖石 火山作用增強(qiáng)，年青 玄武巖進(jìn)入海洋 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 31 第五節(jié)第五節(jié) 穩(wěn)定同位素的應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用 五、鍶同位素87Sr/86Sr 2. 研究地層劃分