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(lái)研究利用同位素組成的不均勻性和變化來(lái)研究一、基本概念一、基本概念1. 同位素豐度相對(duì)相對(duì)：百分?jǐn)?shù)。：百分?jǐn)?shù)。 絕對(duì)絕對(duì)：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2. 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不同。同位素在兩相

2、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(jì)地質(zhì)溫度計(jì) 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3. 同位素組成表示值( )=(R樣樣/R標(biāo)標(biāo))-11000：千分偏差值，可用質(zhì)譜儀直接測(cè)得。：千分偏差值，可用質(zhì)譜儀直接測(cè)得。 如：方解石中的如：方解石中的18O（見(jiàn)書）（見(jiàn)書）標(biāo)準(zhǔn)：見(jiàn)表標(biāo)準(zhǔn)：見(jiàn)表4-5。 選擇原則：某元素同位素組成接近自然界平均值。選擇原則：某元素同位素組成接近自然界

3、平均值。成分均勻，易測(cè)、可得成分均勻，易測(cè)、可得 。第三章已講13C5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4. 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-2A-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1. 熱力學(xué)平衡分餾由性質(zhì)不同引起同位素交換方式：不同分子或不

4、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1. 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1. 熱力學(xué)平衡分餾同位

5、素平衡分餾的因素： 溫溫 度：度： 壓壓 力：當(dāng)體積變化大時(shí)力：當(dāng)體積變化大時(shí) 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2. 同位素動(dòng)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(guò)程的分餾系數(shù)：vA/vB=(mB/mA)1/23. 與質(zhì)量無(wú)關(guān)的同位素分餾 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)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用一、同位素地質(zhì)溫度計(jì)1. 基本原理 由分餾系數(shù)CaCO3-H2O=(1

6、8O/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(cè) 樣 品： 查 曲 線：T1000ln106T-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(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)?zāi)M12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(jì)1. 基本原理 條件：A-B共生、平衡、常見(jiàn)、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)用一、同位素地質(zhì)溫度計(jì)2. 同位素測(cè)溫方法及常用的測(cè)溫方程（1）外部測(cè)溫法）外部測(cè)溫法測(cè)固相值，假定另一相值，由分餾系數(shù)計(jì)

7、算溫度。如：氧同位素溫度計(jì)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(jì)2. 同位素測(cè)溫方法及常用的測(cè)溫方程（2）內(nèi)部測(cè)溫法）內(nèi)部測(cè)溫法測(cè)兩共生含氧礦物質(zhì)溫度如：表4-8（3）單礦物測(cè)溫法）單礦物測(cè)溫法測(cè)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/16O1. 不同水體（1）大氣降水）大氣降水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)：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

8、應(yīng)用穩(wěn)定同位素的應(yīng)用二、氫、氧同位素2H/1H、18O/16O1. 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/16O17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1. 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(dòng)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、N0，求V時(shí)=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2. 海相沉積巖18O：海相沉積的燧石： 現(xiàn)代11.441.

9、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3. 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3. 氧同位素的應(yīng)用巖芯深度（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

10、攝取12CO2，因?yàn)槭橙?，?dòng)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，12C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、

11、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(yíng)養(yǎng)元素分布相關(guān)與營(yíng)養(yǎng)元素分布相關(guān) 表層攝取12C，13C高時(shí)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(shí)海水變化的指示劑，進(jìn)而營(yíng)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(dòng)；一般重的富集在強(qiáng)鍵化合物中。34S富集SO42-

12、中， 32S富集S2- 、煤、石油中。1. 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(shí)，開(kāi)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34S/32S、34S1. 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(dòng)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、34S2. 組成分布：生物體： 34S比海水中硫酸鹽低沉積物：貧

13、34S，可達(dá)50，尤其黃鐵礦應(yīng)用：硫同位素地質(zhì)溫度計(jì)：如，大陸巖比海底熔巖的34S低，說(shuō)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/86Sr87Sr來(lái)自87Rb的衰變，所以在增多1.研究物質(zhì)來(lái)源R海水=R玄v+R硅s+R碳mR：87Sr/86Sr；玄、硅、碳：年青玄武巖、古老硅鋁巖、顯生宙以來(lái)海洋碳酸鹽；R為：0.704、0.720、0.708。v、s、m：上述來(lái)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/86Sr87Sr來(lái)自87Rb的衰變，所以在增多1.研究物質(zhì)來(lái)源無(wú)交代影響時(shí)化石介殼與當(dāng)時(shí)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/86Sr2. 研