氧同位素与古气候

氧同位素古气候学

古海洋学 12.740 2004年 春季 讲义1

同位素古气候学

一．氧同位素古气候

学

1． 尤里（Urey）同位素热力学性质：动力学统计平衡和红外光谱分析

由于同位素原子所处的能量水平不同，一般在不同温度下可以对同位素进行平衡分馏。 被一根弹簧连接的两物体发生振动，振动频率决定于两物体的质量（以及弹簧的劲度系数）。同样的，物体旋转运动和平移运动的运动学特征也与物体质量相关。这一原理也是对同位素进行分馏的理论依据。 基态能量图解：

氧同位素古气候学

同位素原子之间基态能量的差异导致了动力学分异，质量小的原子的活化能也较小；能量水平的差异导致同位素原子在平衡分馏时的行为不同。一个简单（但可能是粗糙的）的道理：较重的原子会“选择”更为稳定的状态。举例来说，平静状态下水蒸气约比水轻0.9%。

转动-振动-平动：物体的三种运动方式。

方解石地温计公式：

公式（1）中，K（T）表示在温度为T时的平衡常数，ΔGO表示吉布斯自由能变化值（初态减末态），R是热力学常数，T是反应温度。

从理论上来说，平衡常数K可以由原子能级的热力学统计得到：

热力学统计：

首先假定所有这些具有系统全部的能量的各种不同状态，是等可能性的。

举例来说，如下图示，我们有5个粒子，以

目 录

1 适用范围 .............................................................................................. 2 2 取样方案的设计 .................................................................................. 2

2.1 对拟研究问题的分析及理论准备 ................................................................... 2 2.2 环境同位素方法选择 ....................................................................................... 3 2.3 采样点线的布置与时间安排 ........................................................................... 4

3 常用环境同位素分析水样采集 .....................

同位素的应用

自二十世纪初，英国科学家索迪提出同位素的概念到现在已有一百年历史了。这些年来，随着科学技术水平的不断提高，科学工作者对同位素的研究和应用取得了令人瞩目的成就。到目前为止，在已发现的一百多种元素中，稳定同位素约有三百多种，而放射性同位素达到一千五百多种，同位素技术已广泛应用在农业、工业、医学、地质及考古等领域。有由于很少量的放射性物质很容易被检测出，所以，放射性同位素应用地更广泛一些。同位素的应用主要有以下几个方面：

医学上，利用放射性同位素原子示踪，对甲状腺、肝、肾、脑、心脏、胰脏等脏器进行扫描，来诊断肿瘤等疾病。例如：人体内的甲状腺将人体吸收的碘绝大部分集中起来制成甲状腺素，以调节人体中的脂肪、蛋白质和碳水化合物的新陈代谢，正常的甲状腺吸收的碘量是一定的，如果甲状腺功能强，吸收碘的能力就强，如果甲状腺功能弱，吸收碘的能力就弱。所以，口服 Na131I ，一定时间后，观察131I 聚集情况，根据131I 吸收的快慢和多少，与正常值比较便可判断它的功能状态。此外用131I — 马尿酸可测定肾功能，用51Cr 可以测定脾功能，用60Co 可以改善癌症的治疗（即放射疗法）等。

在工业上，利用放射性同位素可以测井探矿、无损探伤、检查管道

第四章 同位素水文地球化学

环境同位素水文地球化学是一门具有良好的前景、发展迅速的新兴学科，也是水文地球化学的一个重要分支。目前，地下水资源可持续利用中的重要问题是地下水补给的更新能力及地下水污染程度的评价。用环境同位素技术研究地下水补给和可更新性，追踪地下水的污染是当前国内外较为新颖的方法之一。目前世界上许多国家已将同位素方法列为地下水资源调查中的常规方法。近年来，国内外环境同位素的研究从理论到实践都有较快的发展。除了应用氢氧稳定同位素确定地下水的起源与形成条件，应用氚、14C测定地下水年龄，追踪地下水运动，确定含水层参数等常规方法外；在应用3H-3He、CFCs示踪干旱、半干旱地区浅层地下水的补给，应用14C、

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Cl确定深层地下水的年龄，追溯地下水的入渗史，应用34S研究地下水中硫酸盐的来源，分析

地下水的迁移过程，应用11B/10B研究卤水成因等方面都有重要进展。

4.1 同位素基本理论

4.1.1 地下水中的同位素及分类

我们知道，原子是由原子核与其周围的电子组成的，通常用 A Z XN来表示某一原子。这里，X为原子符号，Z为原子核中的质子数目，N为原子核中的中子数目，A为原子核的质量数，它等于原子核中的质子数与中子数之

1. 同位素地球化学：研究地壳和地球中核素的形成丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律，并利用这些规律解决有关地质地球化学问题的学科。

2. 核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。

3. 同量异位数：质子数不同而质量数相同的一组核素。 4. 稳定同位素：目前技术条件下无可测放射性的元素。 5. 放射性同位素：能自发的放出粒子并衰变为另一种核素的同位素。

6. 重稳定同位素：质子数大于20的稳定同位素。 7. 亲稳定同位素：质子数小于20的稳定同位素。 8. 同位素效应：由同位素质量引起的物理和化学性质的差异。

9. 同位素分馏：在同一系统中某些元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或相态中的现象。

10. 同位素热力学分馏：系统稳定时，导致轻重同位素在各化合物或物相中的分配差异。 11. 同位素动力学分馏：不同的元素组成的分子具有不同的质量，由此而引起扩散速度、化学反应速度上的差异，由这种差异所产生的分馏效应称为同位素动力学分馏。 12. 纬度效应：温度效应，随纬度升高，大气降水中的

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δD，δO降低。

13. 大陆效应：海岸线效应，从海岸线到大陆内部，大

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气降水的δD，δO降低。

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14. 高度效应：岁地形增高，大气降水δD，δO

锆石的矿物成因特征分析

姓名：闫旺 学号：2701100222 班级：27011002

摘要：锆石(ZrSiO4)是自然界一种普通的副矿物，广泛地分布于各类沉积岩、变质岩和火成岩中。由于它常常含有为数众多的各种微量和痕量元素，并具有最佳的保存原始的化学和同位素比值等信息的能力，使它在许多地质学科的研究中得到极为广泛的重视，特别在同位素地质年代的研究中(鲍学昭1995 , 1996, 199 7, 1998 ,Gibson and Irland1995，Solar等1998，Bowrin and Schrnit1999)，在地球壳慢演化的研究中(Hanchatr等1993 Bowring，1995 , 1996 Hoskin等2000，V aller等1999),锆石是一个首选的研究对象。如在澳大利亚发现的最古老的锆石可追溯到44亿年以前的地球历史，这仅比形成地一月系统的大碰撞年轻了1亿年。锆石的U-Pb同位素和Hf同位素的研究表明，地壳一地慢的前期历史的区别在它们从这些岩桨池中的不同结晶作用反映出来。此外，锆石矿物的化学同位素组成更可以显示它们所来源的母岩特性从这么小的锆石矿物中得到这么多的信息，我们应该感到庆幸，如果没有锆石，我们这个行星的

授课教师:

何明友，博士后、博士生导师，教授，中国科学院研究员。曾任：成都理工大学应用技术学院院长、继续教育学院院长，兼任成都理工大学广播影视学院副院长；成都市政协委员；成都市人大代表；四川省高级职称评审委员会委员兼化学学科组组长。现任：成都市人民政府参事；中国矿物岩石地球化学学会矿床地球化学专业委员会委员；《矿物岩石地球化学通报》编委。地球化学专业、矿床地球化学专业。研究领域：资源与勘查工程，资源勘查工程，环境工程。研究方向：矿床形成的源→运→聚地质过程及其地球化学机理，环境质量评价，环境污染及其治理。迄今为止，主持和参加的科研项目35项，其中有国家“攀登计划”、国家“973” 项目，部、省级自然科学项目及横向科研项目。已撰写的科研成果论著28部，专著2部，已发表的学术论文120余篇。

代表著：

1.Constraints on the Differential Enrichment of Au and As During Hydrothermal Miner-alization, Southwest Guizhuo, China. Chinese Jouranl of Geochemistry.1996,16(1): 75-79.

2.

宇宙成因同位素10Be的生成——新的3D数字模型

简介

一个通过地球大气层的宇宙射线生成宇宙成因同位素10Be新的定量模型。CRAC：10Be（宇宙射线引起10Be的大气级联）模型是一个基于完整的蒙特卡罗全数字的，可模拟由大气中的宇宙射线引起的核子—电磁—μ介子 级联，可以计算出任何给定的三维位置（地理位置和海拔高度）和时间的同位素生成速率，并适用于所有可能类型的宇宙射线的参数包括太阳高能粒子事件。对模型在一个专门生产10Be的试验中进行了测试，直接测量的结果确定其定量准确性。一组屈服函数值的列表提供了一个详细的数据方案，形成一个―自己动手‖的工具，，对于任何给定的条件，它允许任何感兴趣的人应用此模型。在宇宙成因同位素的理论上，这与其他模型直接集成应用提供了一个有用的工具，如动态的大气传输。

宇宙成因核素10Be生成——新的3D数字模型

Gennady A. Kovaltsov a, Ilya G. Usoskin b,*

a Ioffe Physical–Technical Institute, St. Petersburg, Russia

b Sodankyl? Geophysical Observatory (Oulu unit

地　球　学　报2004年4月

25卷2期:1572160ACTAGEOSCIENTICASINICA

　　　　　　　　()

252:1572160

Apr.2004

冰雪溶融的同位素效应及氘过量参数演化

———以四川稻城水体同位素为例

尹　观1　倪师军1　范　晓2　吴　昊2

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(1)成都理工大学,四川成都,610059;2)四川省地质矿产局区域地质调查队,四川成都,610213)

摘　要　水体同位素组成的变化实际上是依存于环境变化的一种综合性反应。不同季节高原高山冰雪的溶融,可以明显地影响地表径流和浅层地下水的同位素组成及氘过量参数的变化。了解这一特有的自然背景所引起的同位素分馏现象,探索其形成过程及演化机理,对于评价一个地区环境、气候及水资源的关系,和温泉水的同位素组成为例,数变化规律,结合当地的自然背景及气候条件,因。

关键词　同位素分馏效应　IsotopicEffectDeuteriumExcessParameterEvolutioninIceandSnowMeltingProcess:ACaseStudyofIsotopesintheWaterBodyofDaocheng,SichuanProvince

YINGuan1　NIShij

同位素地球化学复习题

1.1同位素地球化学的基本任务

1)研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史；

2)研究同位素在宇宙体、地球和各地质体中的分布分配、不同地质体中的丰度及典型地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因。据此来探讨地质作用的演化历史及物质来源；

3)利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。

4 )研究同位素分馏与温度的关系，建立同位素温度计，为地质体的形成与演化研究提供温标。 1.2 同位素地球化学的一些基本概念

核素 同位素 同量异位素 稳定同位素 放射性同位素 重稳定同位素 轻稳定同位素 2.1 质谱仪的基本结构

四个部分：进样系统 离子源 质量分析器 离子接收器 2.2 衡量质谱仪的技术标准有哪些

质量数范围 分辨率 灵敏度 精密度与准确度 2.3 固体质谱分析为什么要进行化学分离

具相同质量的原子和分子离子的干扰; 主要元素基体中微量元素的稀释; 低的离子化效率; 不稳定发射。

2.5 同位素稀释法是用于元素含量分析还是用于同位素比值分析