同位素地球化学及其在地学研究中的应用_汤倩
中山大学研究生学刊(自然科学、医学版)
第27卷第3期J OURNAL OF THE GRADUAT ES VOL127l3
2006S UN YAT-SEN UN I VER SITY(NATU RA L SC I ENCES、M ED I C I N E)2006
同位素地球化学及其在地学研究中的应用*
汤倩邸文
(中山大学地球科学系)
摘要:同位素地球化学研究进展显著,在地学研究中被广泛应用,目前主
要应用于以下三个方面:1.地质过程物理化学条件和环境指示;2.同位素地
质定年; 3.地球化学示踪.本文从综述的角度对同位素应用的理论基础、研究
方法和应用及现状进行了较详细的阐述,并指出新的同位素S i、Li、B、C l及
过渡族Cu、Zn、Fe同位素的重要意义及其应用前景。
关键词:同位素地球化学;地质学;地球化学示踪;应用和意义
1概述
与生俱来的好奇心,是人类观察和认识世界的动力,我们赖以生存的地球已大约有46亿岁了,然而我们通过科学的手段来获取大地的信息只有几百年的历史,还有好多的密码在等着我们来破译。同位素地质应用是同位素地球化学的重要组成部分和研究的目的。随着放射性现象的发现,同位素的分析逐渐被建立为独立的研究领域。作为独特的示踪剂和形成环境和条件的指标,同位素组成已广泛的应用到陨石、月岩、地球火成岩、沉积岩、变质岩、大气、生物、海洋、河流、湖泊、地下水、地热水及各种矿床的研究。通过研究同位素在地质体的分布及在各种地质条件下的运动规律来研究矿物,岩石,矿床等各个领域,成为解决许多重大地质地球化学问题的强大武器。
地球的历史是一个由大量地质事件构成的漫长的时间序列,它具有灾变和渐变相间,分阶段循环叠加,总体呈单向发展的特征,我们在认识这一复杂的过程时,主要依据能保留事件踪迹的证据。同位素的迁移活动寓于地质作用之中,地质事件对核的影响有可能跨越后期作用而被保留下来,因此同位素组成上的变异常常能提供最接近事实的证据并且取得了显著的成绩。
111同位素地球化学的发展现状
同位素的丰度和分布的研究正处在一种飞跃的状态中。在以往短短的不到一百年的时间里,自从应用这种新的方法得出初步的解释以来,已经取得了非凡的成果,解决了
*收稿日期:2006-03-10
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
争论了上百年的南非南德斯金矿的成因等一系列重要的问题,也有大量的数据和文章面世,理论基础逐渐完善,实验技术的不断发展使得至今为止急剧的发展仍然在继续进行着,并不断与其它学科相互渗透形成新的学科分支,如宇宙同位素地球化学、环境同位素地球化学等。因此,同位素地球化学已远非局限于研究地球及其地质现象,而是扩大到太阳系的其它星体和其它学科领域。并发展到各个领域中。显然地质学已进入到一个新的时期,即同位素时期。
112同位素的概念
Isotope译为同位素,1913年F.Soddy提出同位素概念,即原子核内质子数同而中子数不同的一类原子叫同位素[1]。一个元素可以有一种或多种同位素组成。有的元素仅由稳定同位素(如氧,硫等),稳定同位素的原子核是稳定的,目前还未发现它们能自发衰变形成其他的同位素。或有的仅由放射性同位素(如铀,钍等)组成。放射性同位素的原子核是不稳定的,它们能自发的衰变成其他的同位素,最终转变为稳定的放射成因同位素。有的同位素既含有稳定同位素又含有放射性同位素如铷的2种天然同位素中,85Rb是稳定同位素,87Rb是放射性同位素。
113同位素地球化学的研究对象和任务
同位素地球化学也有人称为核素地球化学、核地球化学或同位素地质学。它是地球化学向更深一个层次发展而产生的一门新分支学科,其研究对象是自然界尤其是地质作用和地质体中同位素的丰度及其演化规律。K.R anka m a(1950,1954)曾指出,/同位素地球化学是利用元素的稳定和不稳定同位素及共在丰度上的变化进行地质现象研究0的一门科学[2]。
114自然界同位素成分变化
自然界同位素组成常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类:一类是放射性同位素衰变,使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少,同时子体同位素的数量不断增加;另一类是由各种化学核物理过程引起的同位素的分馏,氢、氧、硫等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。自然界同位素分馏现象可分为两类:1)同位素热力学分馏,主要研究内容为化学平衡和相平衡过程中的同位素效应,包括同位素交换和蒸气压不同引起的分馏;2)同位素动力学分馏,主要研究内容为扩散速度和化学反应速度方面的同位素效应,其他如溶解与结晶,吸附与解吸等物理作用过程中引起的同位素分馏一般较小。
115同位素地球化学在地学研究上的应用
(1)地质过程物理化学条件和环境指示:通过对同位素组成的变化可以指示地质过程中围岩的氧化还原环境等物理化学条件,能够用来测定地球化学过程中的某些强度因子,最重要的是测温,即所谓的地质温度计。
(2)同位素地质定年:放射性同位素衰变为稳定子体,由母体衰减和子体积累,可以测定地质体系的形成时代,所以放射性同位素可以看成为地质时钟。
(3)地球化学示踪:同位素组成变化不仅能够用来指示地质体的物质来源和地质体系经历的地球化学过程,而且能指示成矿流体的来源。
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5研究生学刊6(自然科学、医学版)二o o六年第三期2同位素组成的分析方法
为了使质谱仪能方便,准确的测定样品的同位素组成,作氢,氧,碳,硫的同位素分析时,多数情况下要在质谱测定前,将样品转变为相应的气体,如氢同位素采用氢气,碳,氧同位素采用二氧化碳气体,硫同位素分析用二氧化硫或六氟化硫气体。作铷锶铅等放射性同位素体系分析时,要在质谱测定前,将样品经化学处理变为氯化物或硝酸盐形式。同位素分析基本上由两个步骤构成:(1)样品的制备,将样品用化学(或物理)手段转化为适合质谱测定的形式,一般是制成气样;(2)质谱测定,将该物质输入质谱仪中进行同位素比值测定[3]。
211同位素样品的制备
样品的制备基本要求是转化后的形式具有与初始的待测物一致的同位素组成,因此要求制备的过程中不能发生同位素分馏,并且没有外来的物质加入。
具体要求是:(1)转化率趋于100%,这样才能保证同位素组成不变。这要求除了样品向待测气体转化的化学反应外,没有消耗待测元素的次级反应;(2)所有试剂,器皿均不含有可能与样品进行同位素交换的物质,或证明不发生同位素交换;(3)待测气体必须吸附性低,化学性质不活泼,质量数易于检出;(4)实验系统中没有引入与待测气体样品质量数相近的其他气体,例如N2O会对CO2质谱测定带来严重干扰, CO会严重干扰N2的测定,因此一般是在真空条件下制样[3]。
212质谱仪测定
测定同位素成分的主要设备是质谱仪。质谱仪的工作原理是把待测元素的原子或分子正离子化,并导入电场和磁场中运动;带正电的质点因质量不同而被分离,测定。质谱仪由三部分组成:1)离子源:用电子轰击分子使之电离,得到带正电的离子;2)磁分离器:带正电离子用可调电压加速,进入磁场,磁场使离子装入圆形轨道,按离子的质量大小分离;3)接受器:分离的离子束聚集于金属环,用电子学或照像的方法记录[4]。
213同位素测试方法发展趋势
1)微区化:微区化主要是当代测试仪器发展的重要趋势,对同位素也不例外。同位素测试微区化主要表现为离子探针质谱的应用和激光探针取样的应用。2)自动化:在电脑控制水平和自动化程度较老一代仪器有明显改进,许多与仪器配套的同位素制样装置,使水,碳酸盐等的同位素分析样品制备可以自动化进行,提高了效率,减少了人为误差,减轻了劳动强度3)标准化:为了便于测试数据的对比,国际上正推行标准化,在同位素测试方面也是如此。标准化主要包含二个方面,一是测试方法的标准化,二是标准样品的建立和使用[5]。
3同位素地球化学的应用
311同位素地质测温
根据地质体系中共存物相之间的同位素的分馏大小,应用已知的同位素分馏系数, 98
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
即可计算物相之间的同位素/平衡0温度。基本的步骤是测定岩石或矿石中两个共生矿物M1和M2的同位素组成D1和D2,计算出两者之间的同位素分馏:
v=D1-D2(1)
假定这两个矿物对处于同位素平衡状态则:
v=D1-D2U103ln A1-2(2)
带入已知的同位素分馏系数方程:
v U A1-2x106/T+C(3)(式中A和C可以查表知)
t=A1-2x106
$-C-273115(e)
解这个一元二次方程,即可得到共生矿物之间的同位素温度[6]。
同位素地质温度计的应用前提条件式共存物相之间达到并保持同位素平衡。当根据共存物相的同位素组成确定某一地质体的形成温度时,首先要判断所计算的同位素平衡温度温度是否可靠,因此需要进行同位素平衡检查。
同位素平衡温度T越低,两相之间的同位素分馏越大,因此对温度的变化越灵敏;同位素分馏系数方程中的参数A越大,指示两物之间同位素分馏越大,因此对温度变化越灵敏。
同位素地质测定结果值的大小和意义取决于该同位素元素在矿物中的扩散性质。由于矿物的扩散系数时温度的函数,当一个体系处于高温下时,稳定同位素可以在各矿物之间扩散并很快达到平衡。随温度降低,扩散系数减小,矿物之间的扩散逐渐减慢,到一定温度时,扩散完全停止。这种随地质体系冷却同位素交换终止时温度,称为/封闭温度0,同位素交换封闭温度是下列因素的函数:(1)元素在矿物中的扩散系数,扩散系数越小,封闭温度越高;(2)矿物的几何形状和粒度,粒度越大,封闭温度越高;
(3)岩石冷却速率越大,封闭温度越高。Dodson(1973)提出了计算同位素封闭温度
的公式:T=(Q/R)/l n(-ART2c D0/a2
Q(dT/d t)
)。式中T为封闭温度(绝对温标),Q为扩散
活化能(单位为kJ/m ol),D。为扩散方程的指前因子(单位为c m2/s),A为固体几何形状参数(柱状27,片状817,球状55),a为有效扩散半径(单位为c m),dT/dt为冷却速率(单位为K/s),R为气体常数=813144J/(m o l#K)>封闭温度的概念对岩石和矿床的同位素测定结果和冷却速率有重要的意义。例如对同意矿物而言,氧同位素交换的封闭的温度比氢同位素的高,因此会出现矿物氧同位素组成保存了高温记录,而氢同位素组成则反映低温条件这种现象。在应用封闭温度概念解释同位素地质测温的结果时,要满足Dodson(1973)公式的前提条件,由此得出的推论才有科学意义。例如,常见的造岩矿物中长石的氧扩散速率最快,因此含大量长石的岩石就基本满足于无限的储库进行氧同位素交换的条件[3]。
312同位素地质测年
在解决复杂地质作用问题的应用中,同位素的测年不单局限于地质体的年龄,充分应用同位素信息有可能追溯复杂地质过程的多期历史,以致推测成岩成矿以前阶段的演化。这对研究前寒武纪地质构造史,地球形成初期的物质演化,以及研究陨石,月岩,
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5研究生学刊6(自然科学、医学版)二o o 六年第三期星体演化等具有独到的意义。
31211 地质测年的理论基础
人们很早就在探索测定绝对年代的方法,然而直到发现了元素的放射性后,科学的测年方法才诞生,其原理是放射性同位素不管其衰变的方式如何,它们的数量随时间的减少服从于放射性衰变定律,放射性衰变定律是同位素地质年代学的理论基础。根据原子核放射出的射线的种类,可以将放射性衰变分为以下几种类型:
1)A 衰变 A -衰变时,放射性母体同位素(X )放出粒子(实际为氦原子核)而转变为另一个新的子体同位素(Y )
A Z
X A -4Z -2Y +42H e+E (E 为裂变时放出的能量)2)B -衰变 放射性母体同位素在衰变时放出B -粒子(负电子)同时还放出中微
子M 。
A Z
X A Z +1Y +B -+v +E 3)B +衰变 放射性母体同位素在衰变时放出B +粒子(正电子)核中微子
A Z X A Z +1
Y +B ++v +E 4)电子俘获衰变 这种衰变方式的实质是,放射性母体同位素从它的核外电子壳层俘获一个电子而转变为新的子体的同位素。
A Z X +e - A Z -1
Y +E 5)核自发裂变指质量数较大的原子核,由于其内部不稳定,在无外力的作用下自发分裂成两个中等质量数的原子核,同时放射出中子和其他射线的过程。自然界目前只有238U 和235U 具有自发裂变现象。
1902年Ru t h erfor d 通过实验发现原子核衰变反应具有不同于一般化学反应的特殊性质,归结如下:1)衰变作用是发生在核内部的反应,反应结果由一种核素变为另一种核素;2)衰变反应是自发的持续地进行的。母体核素按恒定比例衰减;3)反应不受任何温度,压力,原子存在形式等物理化学条件的影响;衰变母,子体原子数是时间的函数。归结为公式是:
-dN /dt=K N
式中:N 为t 时刻存在的母体原子数;dN /dt 为t 时的衰变速率,负号表示N 随时间减少;K 为衰变速率常数。由上式知:
K =-d N dt #1N
K 为单位时间内发生衰变的原子的比例数,K 对于一个原子讲,的物理意义为单位时间内发生衰变的概率。对于给定的衰变的反应为一个常数,用实验的方法测定,单位为a -1,s -1等。
将上式由t=0到t 求积分,整理得:
ln N N O =-K t 100
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
N。为t=0式的衰变母体原子数。由此得:
N=N。.e-K t
设衰变产物子体原子数为D,当t=0时,D0=0,经过t时间衰变反应:D=N。-N= D0+N(e K t-1);
所以整理得t=1
K l n(
D-D0
N
+1)
所以只要采用先进的化学分离技术和质谱同位素分析手段测定D-D0
N
,就可根据上
式计算地质体的同位素年龄。所计算的年龄,对火成岩来说,代表岩浆冷凝结晶的时间,对沉积岩来说,代表沉积或成岩的时间。
31212地质测年的方法
因为在漫长的地质历史事件是复杂的且岩石的物质来源是多变的,所以根据实际情况,地质测年通常有以下几种方法:
1)模式年龄法:因为在岩石形成时,大多数都会有初始D0,可以根据地质产状,扣除初始的D0是一种简单的方法。但该法已经假定了一个初始的D0值,在同一产状的岩石的初始D0实际上是有差别的,该法忽略了这种不同,因而是有误差的。所以引入了等时线法。
2)等时线法:应用等时线法实测研究对象的初始D0比值,计算年龄可以大大提高测定精度,同时求得地质体的初始D0是一个重要的地球化学参数,可以用于推测成岩以前演化阶段的地质环境。D和N可以有样品实测,D0和t是未知的,可以设想,如果在某一地质体空间不同部位采集多个样品,则各个样品所包含的t和D0是相同的,而D 和N值可能存在差别,由此,对采用同一地质体的一组样品,可将D=D0+N(e K t-1)式构成一组Y=A+BX的直线方程。A为D
是直线截距,B为N是直线斜率。在地质体中测五个以上的一组样品,作图得一直线,线性越好,结果越佳。利用EXCEL等工具软件可以拟和得出A和D0的值。
最常用的是以上两种,其实在实际中,还有U-Pb谐和曲线法是利用238U与235U,以及206Pb与207Pb有相同的丢失性质的设想,实测的样品的曲线和谐和曲线有两个交点,上交点就代表结晶年龄,下交点代表岩石变质年龄;Pb-Pb等时线法等。
313确定矿床成因
矿床学者了解矿床以及矿床形成的学问是通过非常谨慎的观察获得的,从而使所提出的假设得以建筑在进行综合观察的能力和地质学以及其它基础科学基本知识的基础上,在这种科学的研究的方式下,新的事实一定会不断地被揭露出来。近年来,不少学者已经提出:作为深入了解矿物成因一种辅助手段,同位素在这方面的意义已日益明显[7]。
热液成矿作用涉及各种地质地球化学过程,例如C O2去气作用,流体混合作用,热液/围岩相互作用和次生热液蚀变作用,而热液矿物的稳定同位素组成决定于其沉淀时刻的温度和溶液成分。因此,应用已知的溶液中不同含碳物种与方解石之间在热液条件下的碳氧同位素分馏系数,能够将上述过程对热液方解石碳氧同位素组成变化的影响进
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5研究生学刊6(自然科学、医学版)二o o六年第三期
行定量模式化[8]。
不同地质条件和成矿环境下某些同位素组成会有明显的差异,所以确定成矿流体的来源,可以测定样品的氢氧组成与前人已总结出的流体来源的氢氧数据作一个比较,得出大致的结论,要进一步探讨成矿流体的来源,就可以考虑成矿热液与围岩的水-岩反应模式。
314灾变事件的地球化学示踪
同位素的组成在不同类型、不同来源和不同时期的岩石中是有所区别的,所以在漫长的地质历史中,同位素组成的突然变化可在某种程度上反映地球灾变事件的发生。例如,分布在世界各地的K/T界面剖面,尽管形成的环境各异,但彼此之间的岩石矿物特征还示有许多共同之处,如87Sr/86Sr,D Nd,D D,D18O,D13C值有明显的突变[9]。深海钻探表明,该边界附近的D18O突然飘移,相当于温度突然上升了8~13e;同时D13C 下降了达3j。这样大D13C的突变,从质量平衡角度看,要求把整个地球的生物圈的碳都纳入海洋,而碳质球粒陨石总碳的可取-6~-7j,设一个1018g级的彗星的1/4为碳,其陨落可使大洋D13C下降115j[3],而同时在K/T剖面Iri d i u m(ppb)的值在粘土层明显增大,而Iri d i u m是宇宙物质,所以科学家们预测在65百万年时,有陨石撞击地球,很有可能落入海水中,引起大量的水喷到大气中,导致地表温度上升8~13e,生物不能适应温度的突变,大量死亡灭绝,其中包括恐龙;大量的水和二氧化碳,甲烷等温室效应的气体的存在,导致硅酸盐风化速率也加大,降水也随着加大,从而把大量的陆地物质带入海洋中去,而海水中的Sr,N d等元素的来源有:1)海底黑烟囱,1@ 1018g/m a;2)河流带来的陆源物质3@1018g/m a;3)深海沉积物只有015@1018g/m a。因而海水中的上述元素的来源主要是河流带来的陆源物质。而海水中的沉积物,珊瑚骨的C a CO3直接来自海水,在此过程中,由于珊瑚的S r、U同位素组成代表其形成时期周围海水的同位素组成即近似代表沉积的海水的值,所以Sr、U等固体同位素的分馏可以忽略,所以在粘土层可见Sr,Ir的元素的丰度明显加大,由于N d的强耐风化,抗干扰的能力,导致是在残留的难溶的物质中,其丰度明显增大;大量的降水使得当时海水D D,D18O的降低,所以在残留的难溶物质中,D D,D18O的丰度也是增大的[10]。用同位素的丰度和组成突变推测发生在65百万年的陨石撞击地球灾变事件,得到广大学者的认可。同样,在40百万年时,87Sr/86Sr同位素的突然增大,也论证在当时有特殊的事件发生。由于海水中的87Sr/86Sr同位素主要是来自陆源的物质,所以可以把同位素组成的突增同世界上主要的河流)))长江和黄河的源头青藏高原的不断隆起联系起来,由于源头的隆起,大面积的陆地抬升,造成河流的落差加大,流速加大,河水的流通量也大大的增加,带入大量的陆源物质进入海洋中,在河流奔海的过程中,有效的增加了化学风化,硅酸盐风化吸收大量的CO2,控制了大气中C O2含量,地球内部构造运动对大气CO2的输出和地表硅酸盐风化消耗CO2不平衡,造成了大气中的浓度明显下降和全球温度的下降,形成了新时代的/冰室效应0即著名的/构造隆升驱动气候变化0假说。315古气候变异的示踪
在第四纪古气候研究方面,同位素发挥着重要的作用,从1947年U rey将同位素概念纳入植物系统之后,由于同位素技术的先进性(已成为研究古气候不可或缺的重要手102
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
段)和植物材料的优越性(同时具有多种可测同位素及强连续性,高分辨率和准确的定年),由此关于植物(主要为树轮)同位素分析越来越为科学家所重视,并被广泛的应用于古气候,古大气成分,人类活动情况,河流水位的变化等多个领域[11]。树木生长层与周围的大气保持同位素平衡,然而每一层停止生长后即停止与外界的同位素的交换而保持原有的同位素记录。大气降水量和大气中的CO2对树木生长来说是物料条件,高的降水量和CO2可以为树木提供更多H2O和CO2来进行光合作用,这时如果有适宜的温度和充足的光照,树木生长将加快加剧,产生宽的年轮,而同样的条件也有利于光合作用过程中碳同位素的分馏,大量的CO2进入到树木体内,12C优先进入有机碳架,余下富13C的C O2将通过树木在这条件下加剧了的呼吸作用而被排出树木体外,与大气中CO2快速混合,这使得树木碳同位素组成贫13C,造成空气中CO2的浓度和D13C呈负相关的关系[12]。由此可知在干旱少雨和大气CO2含量低年平均气温低的地区树木年轮中测定D13C的相对较低。因此可以用树轮的D13C可以大概预测当时的气候在当代,也可以用此法监测大气中的CO2浓度。
深海中的有孔虫、浅海珊瑚、淡水介形虫、溶洞钟乳石、地表黄土、高山和极地冰盖,盐湖沉积物的碳-氧和氢-氧同位素研究,为近十多万年来冰期-间冰期的交替历史建立了许多标准剖面[13]。
316石油和天然气的地质勘探研究
过去在石油天然气方面的同位素研究主要是了解不同环境下油气在稳定同位素组成上的差别,不同组分之间的稳定同位素的分馏,起源稳定同位素组成与成熟度的关系等基本问题。近年来更多地出现将同位素直接用于汽油普查的研究成果。如在A I G-1会上,英国的Co le m an介绍了用氢氧同位素组成变化研究油层中两种来源水混合造成的水同位素组成不均一性,为探究油田中油和水运动方式和途径提供了资料。加拿大的K rouse等用碳同位素方法监测油砂原地处理过程,为油砂合理开发提供了一种简便监测手段。英国的C layton对石油裂解气化时的碳同位素分馏进行研究,发现氢是决定裂变速度的关键因素。Johansen和R ahe i m则用87Sr/86Sr比值的变化研究油田中成岩反应机制和物质迁移形式,甚至进行储油(气)区水动力系统的填图。Faure也用锶同位素组成研究油层中卤水的混合稀释过程[14]。
4非传统稳定同位素研究的最新进展
自从放射性现象的发现,人们开始了大量的研究,越来越多的同位素被人们所认识。尤其是进入到80年代,质谱仪的测试技术的进步,特别是新一代多接收电感耦合等离子体质谱仪(M C-I CP MS)应用在同位素地球化学中,测定精确度越来越高,甚至达到十二万分之二,很多微小的同位素差异都可以被测试出来,大大的开拓了同位素的研究领域。而在早已为人熟知的稳定同位素地球化学中,除了C,N,O,H外,科学家们又发现了S,i L,i C,l B,Ga,M g和过渡元素Fe,Cu,M g等非传统性同位素,这几种元素已经在宇宙化学、矿床学,海洋学等研究领域显示出优越性,随着研究工作的近一步深入和测试技术的进步,非传统稳定同位素等有望在地球和行星科学中取得更广
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5研究生学刊6(自然科学、医学版)二o o六年第三期
泛的应用,成为具有巨大前景的一种新的地球化学研究手段。
411硅同位素研究及应用
尽管硅同位素的质量相差较大,但由于Si同位素之间的相互分馏较小和缓慢,小于7j所以长期以来一直是把它做为稳定同位素,现在可以将硅质岩等样品粉碎到200目,进行煅烧,去除有机质,后用H C l浸泡,除去其中的菱铁矿等硫化物,在550-600e条件下,将样品与B r F5反应15小时,收集形成的S i F4气体,送MAT25/E M型质谱仪分析D30S i同位素组成[3]。测试精度可达到011j。硅在溶液中主要呈单分子硅酸形式存在,硅在溶液中的沉淀实际是硅酸的聚合过程,是一个化学过程,为不可逆反应。S i同位素可以有效示踪成矿物质来源,特别是用来研究热水沉积矿床的成因。从动力学角度看,化学反应中轻同位素D28S i优先进入S i-O四面体沉淀,所以30S i在热泉中沉积有很低的负值,所以可以近一步说明B I F和硅华是典型的热水沉积。同样万德芳等人研究表明结核核心S i同位素组成的负值也能说明其成因是热水成因。
表1结核核心物质S i同位素组成
S样号取样地区D30Si NB S-28j
5234西北丘陵-0.3
5389东南丘陵-0.3
5392西南海山-0.3
5459南部平原-0.2
5302中部海山链-1.0分析精度?011j(分析者:矿床所万德芳等)
412锂同位素研究及应用
锂同位素示踪是近几年发展起新兴的稳定的同位素地球化学方法。由于锂同位素质量分馏大,在自然界的地质体里含量又少,所以精确测定地质样品中的锂同位素组成很困难。直到上世纪90年代建立了锂同位素高精度的分析方法,才使得锂同位素进入实际的应用阶段。目前,锂同位素地质应用才刚刚起步,主要集中在太阳系核聚合过程、热液活动和洋壳蚀变、壳幔物质循环过程以及示踪卤水起源和演化等方面。锂同位素大的质量分馏和在不同的地质体存在着截然不同的D6L i值,所以锂同位素有着很广泛的应用前景[15]。目前,锂同位素在研究星云形成过程和宇宙事件,洋壳蚀变和海底热液活动,壳-幔物质循环和板块俯冲作用过程,判断卤水起源和演化等方面的研究中成效显著。
41211锂同位素测试方法
目前建立的锂同位素高精度的测试方法主要有以下三种。
第一种:热电离质谱法(TI M S)
将样品中的L i通过一定的化学分离方法提纯出来,转化成L i2B4O7或L i3PO4后,用TI M S法测量其锂同位素组成。分析精度可达013j,所需样品量约为250ngL i[16]。
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同位素地球化学及其在地学研究中的应用
第二种:多接收等离子体质谱法(MC-I CP-M S)[17]
该方法分析精度为111j,比T I M S法稍差。但它也有许多优点:所需样品量少(约40ngL i),测试速度快(每个样仪器分析只需8分钟)。与T I M S法相同,样品也需通过一定的化学分离方法,将L i分离纯化后才能通过质谱仪测量。
第三种:离子探针法(I on pr obe)[18]
该方法使用的较少,主要用于陨石的同位素组成测量,分析精度较差(约110j~ 314j)。该方法的优点是样品无需通过复杂的化学分离纯化过程。
413硼,氯同位素研究及应用
硼、氯都是海洋和盐卤水及相关体系中的相对富集元素,硼、氯各有两种稳定同位素分别为10B和11B以及35C l和37C l。在很多含盐度较高的环境下是硼,氯相对富集的场所,硼,氯和盐度成正相关的关系,所以较多的应用与高盐度的环境有关的示踪。
自然界硼同位素组成变化很大,不同地球化学库中不但硼同位素组成不同,而且硼的浓度相差很大,而且它虽然是一种微量元素,但它在自然界分布很广,如海洋等含盐度较高的场所,还有在火成岩和变质岩中电气石石一种十分常见的矿物。硼在天然样品中被氧所束缚,以B(OH)4-或B(OH)3形式存在,硼不参加氧化还原化学反应,在自然界,硼同位素的分馏由样品中硼所处的结构比例所决定。在蒸发作用、离子交换、气相或液相扩散、吸附作用的过程中都会由于硼同位素在不同结构相中的相对富集程度而产生分馏[19]。10B在B(OH)4-中相对富集,11B在B(OH)3结构中相对富集[20]。海水中B主要是三次配位B(OH)3和四次B(OH)4-存在,前者为后者的4倍。11B优先进入B(OH)3,而10B优先进入B(OH)-4,矿物中B主要以四次配位B(OH)-4,流体中以三次配位B(OH)3为主;B(OH)-4较B(OH)3优先进入珊瑚等生物体,同时pH 值也控制碳酸盐的B含量和D11B组成[21]。所以可以用珊瑚中的D11B组成来检验海水的p H值。同时无污染的D11B较高,如果下降很快,可能是受到农药等的污染。所以也可应用于环境的监控。自然界氯同位素的分馏主要是由于37C l和35C l的质量差所引起的。硼、氯在地球化学中表现为不相溶元素,硼、氯均不参与在地质体的演化过程中,更多的是随着水体的迁移而在海洋、湖泊等沉积环境条件下相对富集,或与其流经的围岩发生交换和沉积作用,伴随着上述过程的进行,硼、氯同位素组成发生变化并记录了地质体演化条件的变化,因而对硼、氯同位素地球化学研究在探讨地下水、热液蚀变或交换、表生湖、海相沉积环境等方面显示出特殊的作用。
414过渡族金属同位素研究及应用
由于同位素分析方法的改进和多接收电感耦合等离子体质谱仪(M C-I CP-MS)的应用。近年来过渡族金属元素(Cu,Zn和Fe)同位素地球化学有了长足进步,成为国际地学领域的一个前沿研究方向。但对自然界中各类地质体和生物的过渡族元素同位素组成了解还不是很多,目前仍处在数据积累阶段。Cu同位素在自然界中的变化最大,D65 Cu值为-3170j~+2105j;Zn和Fe同位素变化比Cu同位素变化小,D66Zn值为-0164j~+1116j,而D56Fe值为-1162j~+0191j。自然界中各种无机过程(从高温到低温)和生物有机过程均能使Cu,Zn和Fe同位素发生分馏。Cu、Zn和Fe在自然界中广泛分布于各类矿物、岩石、流体和生物体中,并广泛参与成岩成矿作用、热
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液活动和生命活动过程。因此,这些过渡族金属元素同位素已在陨石和宇宙化学、矿床学,海洋学和生物学等领域的研究中取得了显著成效,并将成为地球科学中具有巨大应用前景的一种新的地球化学手段例如Fe在具重要价值的海底Fe-M n结壳和B I F带中就是一个重要的研究方法之一。但Cu同位素的分馏原理和规律还没有形成具体和明确的体系,所以尽快开展Cu同位素的分馏原理和规律,已是Cu同位素地球化学发展和应用的当务之急[22]。
同时由于过渡族金属元素在生物体中均十分活泼,因此它们的同位素组成变化有可能用于示踪生物圈和地圈之间的相互作用和用于示踪这些元素进入生物体的途径和在生物生长过程中的作用[23]。
5同位素地球化学研究的前景
自然界同位素变化既有规律性也有其复杂性,常常是/不识庐山真面目0,矿床地球化学研究犹如/瞎子摸象0,能否能采集到具有充分代表性的样品进行地球化学分析至关重要;对控制自然界同位素变化原理的理解仍然是有限的,矿床同位素地球化学研究的方向之一就是不断发展和完善这些原理。理论模式则有助于我们高屋建瓴的分析问题,因此已成为国际上同位素地球化学研究的前沿方向之一。
近年来,同位素地质应用表现出五个明显的趋向:即对陨石和星际物质的研究,对壳幔关系的研究,对地表圈层的研究,对资源和环境方面的实际应用的研究,新测试方法的应用开拓研究。其中尤其是后三个方面的研究更为活跃。除了大家熟知的/稳定同位素地球化学0已形成一门独立的学科外,稳定同位素还广泛的应用于其他的学科,科学家通过C,N的同位素分析可以知道农作物施肥的最佳配比和时间;科学家通过N, C同位素分析,从而推断古人食物习性的化学信息,通过C,O同位素分析,可以知道古代陶瓷制品,珠宝玉器的源产地及文物鉴定;通过O同位素分析,可以知道古代海水的温度及当时的环境状态;而研究大洋中H,O同位素还可以知道大洋海流的流向,从而获得对军事,渔业具有价值的资料,近年来,科学家还把稳定同位素应用于医学领域,只要喝上一口专配的糖水,测试人体呼出的CO2中的C同位素比值,就可准确的判断被测试者是否患了胃溃疡。将同位素直接应用到人体,作为一种示踪试验而在诊断上利用的情况,也是不少的。如利用32P测量血浆和血球的量,利用贫血者对Fe的高吸收率来测定人体是否贫血。但一般是用极微量[24]。还可以通过C,N同位素分析来确定红酒的生产地。在商检工作中,目前C同位素分析已成为进出口蜂蜜必检的一项防假的技术指标。
同位素地球化学是地质学与化学、物理学、以及高精密分析测试和实验技术相结合的新型学科。随着人类对地球的起源、演化历史及其物质组成等方面的深入研究,以及对其它星球的探索,同位素地球化学日益占有重要地位。如果说,自上个世纪60年代以来,地球化学已成为固体地球化学重要的支柱之一的话,则同位素地球化学也已发展为地球化学的重要支柱。回顾近一百年若干涉及多学科的固体地球化学的重大成就常不同程度与同位素地球化学有关。同位素地球化学使地球和它的众多地质体及若干天体的106
同位素地球化学及其在地学研究中的应用
时间演化逐渐定量化,并开拓了构造发育与成岩成矿机制研究的思路。可以毫不夸张地说,如果缺少了同位素地球化学这一分支的重要贡献,整个地球化学事业就会显得缺少生机[25]。
致谢:衷心感谢中山大学的孙晓明教授和的悉心指导和提出的宝贵修改意见及张恩副教授所给予的帮助
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Isotope geoche m istry and Its Application i n G eological St udies
Tang Q ian D iW en
(Depart m ent of Eart h Sciences,Sun Yat-sen University)
Abstrac t:T he progress of isotope geochem istry research is re m arkable no w adays and i t has been w ide l y app lied in the geo l og ical researches and at present m ainly adopted in t he fo llow i ng three aspects:1.i ndicate the phys-i ca-l chem ical cond i tion and env iron m ent duri ng the g eo log ica l process;2.T he use of isotope i n geochrono logy;
3.G eo che m i stry trac i ng.T h i s paper su mm ar i zes pr i nc i ple o f dati ng,resea rch m et hods,app lica ti on and present sit uation o f the i so tope,po i nt out t he sign ificance、f u t ure research fi e l d and app licati on o f the new isotope S,i L,i B,C l and t he transiti on m eta l i sotope Cu,Zn,F e.
K ey word s:Isotope g eoche m i stry;G eo logy;G eoche m i stry trac i ng;Appli cation and significance
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《地球化学》练习题2剖析
恩《地球化学》练习题 第一章太阳系和地球系统的元素丰度（答案） 1.概说太阳成份的研究思路和研究方法。 2.简述太阳系元素丰度的基本特征。 3.说说陨石的分类及相成分的研究意义. 4.月球的结构和化学成分与地球相比有何异同？ 5.讨论陨石的研究意义。 6.地球的结构对于研究和了解地球的总体成分有什么作用？ 7.阐述地球化学组成的研究方法论。 8.地球的化学组成的基本特征有哪些？ 9.讨论地壳元素丰度的研究方法。 10.简介地壳元素丰度特征。 11.地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？ 12.地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？ 13.概述区域地壳元素丰度的研究意义。 14.简要说明区域地壳元素丰度的研究方法。 15.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律如何？ 16.简述沉积岩中不同岩类中元素含量变化规律。 第二章元素结合规律与赋存形式（答案） 1.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？ 2.简述类质同像的基本规律。 3.阐述类质同像的地球化学意义。 4.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法。 5.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义。 6.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异，为什么？ 第三章自然界体系中元素的地球化学迁移（答案） 1.举例说明元素地球化学迁移的定义。 2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。 3.列举自然界元素迁移的标志。 4.元素地球化学迁移的研究方法。 5.水溶液中元素的迁移形式有那些？其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？ 6.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义。 7.简述元素迁移形式的研究方法。 8.什么是共同离子效应？什么是盐效应？ 9.天然水的pH值范围是多少？对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意义？ 10.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响。 11.非标准电极电位E及环境的氧化还原电位Eh，在研究元素地球化学行为方面有什么作用？ 12.试述影响元素溶解与迁移的内部因素。 13.自然界中地球化学热力学体系基本特点是什么？ 14.自然体系中哪些特征可作为体系达到平衡态的证据与标志？ 15.讨论相律及其应用。
地球化学的学科特点
地球化学的学科特点
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地球化学的学科特点 ●是地球科学的一部分：以地球、地壳及地质作用体系为研究对象。 ●研究的重点/方向:地球系统物质运动(含地质运动）中物质的运动规律。通过研究和 分析元素和同位素在地质体系中的行为和演变,应用地球化学的基本原理来示踪地 质体系运动的规律,例如:岩浆形成的深度、来源、矿床形成环境等等。 ●理论基础:化学类学科——无机化学、有机化学、物理化学、热力学、解析化学等, 此外还有物理性和数学等。 ●学科分支众多：海洋地球化学、生物地球化学、环境地球化学、区域地球化学、 个别元素地球化学、成岩成矿地球化学、同位素地球化学和地球化学热力学。 ●应用性强:比如环境地球化学是环境科学的核心(酸雨、臭氧空洞的形成、全球变暖 和温室效应),应用地球化学的方法和手段找矿。 ●年轻的发展中的科学(约100年的发展历史) 地球化学的基本问题 （1）地球系统中元素和同位素的组成（aｂuｎdａｎcｅand ｄistｒｉbution）问题（2）元素的共生组合和赋存状态问题 元素的共生组合：具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合。 （3）元素的迁移和循环 地球化学的迁移:元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转化,该迁移涉及体系的物理化学条件和迁移介质特性等制约关系变化的动态过程。 （4）地球的历史和演化 通过元素或同位素的变异来揭示地质作用过程的特征，称为微量元素或同位素“示踪”。 ?X-射线荧光光谱（ＸRF) ?电感耦合等离子体发射光谱（ＩCＰ-AEＳ） 丰度：指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳)中的平均分布量。 分布:元素的分布指的是元素在一个化学体系中(太阳、陨石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量。 分配:元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或区段中的含量 分布是整体,分配是局部,两者是一个相对的概念,既有联系又有区别。 太阳系元素丰度具有以下规律: (1)．H和He是丰度最高的两种元素,这两种元素几乎占了太阳中全部原子数目的98％ (2）.原子序数较低的元素区间，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的区间(Ｚ＞4５)各元素丰度值很相近 (3).原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数(Ｐ)或偶数中子数(Ｎ）的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo －Ｈarkins(奥多--哈根斯)法则,亦即奇偶规律。 （４）.质量数为４的倍数（即α粒子质量的倍数)的核素或同位素具有较高丰度。此外还有人指出，原子序数(Ｚ）或中子数(N)为“幻数”（2、８、2０、50、82和1２6等)的核素或同位素丰度最大。例如，４He（Ｚ=2,N=2）、16Ｏ(Ｚ=8，N=8）、40Ｃa(Z=2０，N=20）和140Cｅ（Z=58,N=82）等都具有较高的丰度
地球化学的学科特点
地球化学的学科特点 ●是地球科学的一部分：以地球、地壳及地质作用体系为研究对象。 ●研究的重点/方向：地球系统物质运动（含地质运动）中物质的运动规律。通过研 究和分析元素和同位素在地质体系中的行为和演变，应用地球化学的基本原理来 示踪地质体系运动的规律，例如：岩浆形成的深度、来源、矿床形成环境等等。 ●理论基础：化学类学科——无机化学、有机化学、物理化学、热力学、解析化学 等，此外还有物理性和数学等。 ●学科分支众多：海洋地球化学、生物地球化学、环境地球化学、区域地球化学、 个别元素地球化学、成岩成矿地球化学、同位素地球化学和地球化学热力学。 ●应用性强：比如环境地球化学是环境科学的核心（酸雨、臭氧空洞的形成、全球 变暖和温室效应），应用地球化学的方法和手段找矿。 ●年轻的发展中的科学（约100年的发展历史） 地球化学的基本问题 （1）地球系统中元素和同位素的组成（abundance and distribution）问题 （2）元素的共生组合和赋存状态问题 元素的共生组合：具有相同或相似迁移历史和分配规律的各种元素在地质体中有规律的组合。 （3）元素的迁移和循环 地球化学的迁移：元素的重新组合常伴随元素的空间位移及元素在系统不同部分状态的转化，该迁移涉及体系的物理化学条件和迁移介质特性等制约关系变化的动态过程。 （4）地球的历史和演化 通过元素或同位素的变异来揭示地质作用过程的特征，称为微量元素或同位素“示踪”。 ?X-射线荧光光谱（XRF） ?电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES） 丰度：指化学元素在地球化学系统（太阳、行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均分布量。 分布：元素的分布指的是元素在一个化学体系中（太阳、陨石、地球、地壳、某地区等）的整体总含量。 分配：元素的分配指的是元素在各地球化学体系内各个区域或区段中的含量 分布是整体，分配是局部，两者是一个相对的概念，既有联系又有区别。 太阳系元素丰度具有以下规律： （1）.H和He是丰度最高的两种元素，这两种元素几乎占了太阳中全部原子数目的98％（2）.原子序数较低的元素区间，元素丰度随原子序数增大呈指数递减，而在原子序数较大的区间（Z＞45）各元素丰度值很相近 （3）.原子序数为偶数的元素其丰度大大高于相邻原子序数为奇数的元素。具有偶数质子数（P）或偶数中子数（N）的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo －Harkins（奥多--哈根斯）法则，亦即奇偶规律。 （4）.质量数为4的倍数（即α粒子质量的倍数）的核素或同位素具有较高丰度。此外还有人指出，原子序数（Z）或中子数（N）为“幻数”（2、8、20、50、82和126等）的核素或同位素丰度最大。例如，4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）和140Ce（Z=58，N=82）等都具有较高的丰度 （5）.Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素。 （6）.而O和Fe呈现明显的峰，为过剩元素。 太阳系元素丰度与元素原子结构及元素形成的整个过程之间存在着某种关系
铅同位素地球化学
铅同位素地球化学 铅同位素地球化学 lead isotope geochemistry 研究自然物质中铅同位素的丰度、变异规律及其地质意义。自然界铅由204Pb、206Pb、207Pb和208Pb4个稳定同位素组成,它们的丰度分别为1.4％、24.1％、22.1％和52.4%。204Pb是非放射成因的,206Pb、207Pb、208Pb是由238U和235U 和232Th 3个天然放射性同位素经过一系列α、β衰变后最终形成的稳定同位素。这3个衰变系列可分别用下列简化式来表示： 238U→8α+6β-+206Pb 235U→7α+4β-+207Pb 232Th→6α+4β-+208Pb 铅同位素地球化学主要用于研究含放射性元素极低的矿物或岩石中的铅同位素组成。这些铅同位素组成自矿物或岩石形成之后不再发生变化，即不再有放射成因铅的加入，如方铅矿、白铅矿、长石、云母等及其所形成的矿石和岩石中的铅均属此类，把此类铅叫做普通铅。根据普通铅的演化历史和源区性质可分为单阶段铅和多阶段铅。 单阶段铅是指封闭体系中铅同位素组成保持恒定。如果一组样品是同源的，那么，它们的铅同位素比值如206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb等应该也是相同的。多阶段铅是指开放体系中普通铅同位素组成的变化。这种铅曾与具有不同U/Pb、Th/Pb比值的体系伴生过,而且铅在这些体系中存在的时间也各异，因此，铅同位素比值就会发生相应的变化。为追索这种铅的复杂历史，已建立了多种数学模式。 通过铅同位素地球化学研究，不仅可以确定成矿时代（见区域成矿学）或模式年龄（按照某种理论模式确立的公式计算年龄），而且还可判断成矿物质来源、矿床成因等。例如根据铅同位素组成及其特点，认为成矿物质的最初来源可分为幔源、壳源和混合来源。207Pb／204Pb比值或μ值(238U/204Pb)高的铅来自上地壳，低μ值的铅来自下地壳或上地幔。造山带（岛弧）铅被认为是地壳铅与地幔铅混合的结果。再如，矿床是单成因还是多成因、成矿物质是单一来源还是多种来源等问题均可利用铅同位素比值来判断。
水文地球化学
水文地球化学研究现状、基本模型与进展 摘要：1938 年, “水文地球化学”术语提出, 至今水文地球化学作为一门 独立的学科得到长足的发展, 其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究, 以及人类开发资源和保护生态的需要, 水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域, 并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开, 在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果( 沈照理, 1985) 。水文地球化学在利用地下水化学成分资料, 特别是在查明地下水 的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20 世纪60 年代后, 水文地球化学向更深更广的领域延伸, 更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用( 任福弘, 1993) 。 1981 年, Stumm W 等出版了5水化学) ) ) 天然水化学平衡导论6 专著, 较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992 年, C P 克拉依诺夫等著5水文地球化学6分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分, 全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题, 以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等, 概括了20 世纪80 年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解答( 谭凯旋, 1998) , 逐渐构架起更为严密的科学体系。 1 应用水文地球化学学科的研究现状 1. 1 油田水研究 水文地球化学的研究在对油气资源的勘查和预测以及提高勘探成效和采收率等方面作出了重要的贡献。早期油田水地球化学的研究只是对单个盆地或单个坳陷, 甚至单个凹陷进行研究, 并且对于找油标志存在不同见解。此时油田水化学成分分类主要沿用B A 苏林于1946 年形成的分类。1965 年, E C加费里连科在其所著5根据地下水化学组分和同位素成分确定含油气性的水文地球化学指标6中系统论述了油气田水文地球化学特征及寻找油气田的水文地球化学方法。1975 年, A G Collins 在其5油田水地球化学6中论述了油田水中有机及无机组分形成的地球化学作用( 汪蕴璞, 1987) 。1994 年, 汪蕴璞等对中国典型盆地油田水进行了系统和完整的研究, 总结了中国油田水化学成分的形成分布和成藏规律性, 特别是总结了陆相油田水地球化学理论, 对油田水中宏量组分、微量组分、同位素等开展了研究, 并对油田水成分进行种类计算, 从水化学的整体上研究其聚散、共生规律和综合评价找油标志和形成机理。同时还开展了模拟实验、化学动力学和热力学计算, 从定量上探索油田水化学组分的地球化学行为和形成机理。 1. 2 洋底矿藏研究
第十讲稳定同位素地球化学
第十讲 地质常用主要稳定同位素简介 18O Full atmospheric General Circulation Model (GCM) with water isotope fractionation included.
内容提要 ●基本特征●氢同位素●碳同位素●氧同位素●硫同位素
10.1. 传统稳定同位素基本特征 ?只有在自然过程中其同位素分馏变化为可测量范围的元素，才能应用于地质研究用途，这些元素的质量范围多<40； ?多为能形成固、气、液多相态物质的元素，其稳定同位素组成可发生较大程度变化。总体上，重同位素趋于在结合紧密的固相物质中富集；重同位素趋于在氧化价态最高的物相中富集； ?生物系统中的同位素变化常用动力效应来解释。在生物作用过程中(如光合作用、细菌反应及其它微生物过程)，相对于反应初始组成，轻同位素趋于在反应生成物中富集。
10.2. 氢(hydrogen) ?直到1930年代，人们才发现H不是由1 个同位素，而是由两个同位素组成： 1H：99.9844% 2H(D)：0.0156% ?在SMOW中D/H=155.8 10-6 ?氢还有一个同位素氚(3H)，但为放射性核素，半衰期仅为~12.5y。
10.2.1 氢同位素基本特征 ?与多数重元素的同位素组成不同，太阳系物质具有高度不均一的氢(氧)同位素组成，尤其是内地行星与彗星之间； ?1H与D同位素间质量相对差最大，在地球样品中表现出最大的稳定同位素变化(分馏)范围； ?从大气圈、水圈直至地球深部，氢总是以H O、OH-， 2 H2、CH4等形式存在，即在各种地质过程中起着重要作用； ?氢同位素以 D表示，其同位素测量精度通常为0.5‰至2‰(相对其它稳定同位素偏低)。
同位素地球化学复习题
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？元素含量分析 2.6 氢气的制取方法？(有哪些还原剂) U－还原法Zn －还原法Mg －还原法Cr －还原法 2.7 氧同位素的制样方法有哪些？ 1. 大量水样氧同位素制样方法？ 2. 硅酸盐氧同位素的BrF5法制样原理？ 3. 碳酸盐样品的磷酸盐制样法(McCrea法) 2.8 水中溶解碳的提取与制样McCrea法 2.9 硫化物硫同位素直接制样法 2.10硫酸盐的硫同位素制样法(直接还原法) 把硫酸盐、氧化铜、石英粉按一定比例混合（置于石英管中）在真空条件下加热到1120 ℃左右时，硫酸盐被还原而转变成二氧化硫。 2.11 了解下列质谱仪
《水文地球化学》教学大纲
《水文地球化学》教学大纲 Hydrogeochemistry－Course Outline 第一部分大纲说明 一、课程的性质、目的与任务 《水文地球化学》是水文与水资源工程专业本科生必修的一门主要专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握水文地球化学的基本原理和学会初步运用化学原理解决天然水的地球化学问题和人类对天然水的影响问题的方法与手段，为学习后续课程和专业技术工作打下基础。 二、与其它课程的联系 学习本课程应具备普通地质学、综合地质学、工程化学和水文地质学的基础。后续课程为水质分析实验、铀水文地球化学、环境水文地质学和水文地质勘察。 三、课程的特点 1．对基本概念、基本规律与常见的应用方法的理解并重。 2．对基本理论与常见水文地球化学问题的定量计算方法的掌握并重。 3. 采用英文教材，中、英语混合授课。 四、教学总体要求 1．掌握水文地球化学的基本概念、基本规律与研究方法。 2．掌握控制地下水与地表水化学成分的主要作用：酸碱反应与碳酸盐系统；矿物风化与矿物表面过程；氧化－还原反应；有机水文地球化学作用等。 3．通过理论讲述、研究实例分析与习题课，使学生理解天然水中常见的化学组份与同位素组成，掌握最基本的地球化学模拟方法与整理水化学数据的能力。 五、本课程的学时分配表 编 号教学内容课堂讲 课学时 习题课 学时 实验课 学时 自学 学时 1 引言及化学背景 （Introduction and Chemical Background） 6 2 酸碱反应与碳酸盐系统 (Acid-Base Reactions and the Carbonate System) 4 2 3 矿物风化与矿物表面过程 Mineral weathering and mineral surface processes 6
水文地球化学习题讲解学习
水文地球化学习题 第一章 第二章水溶液的物理化学基础 1．常规水质分析给出的某个水样的分析结果如下（浓度单位：mg/L）： Ca2+=93.9；Mg2+=22.9；Na+=19.1；HCO3-=334；SO42-=85.0；Cl-=9.0；pH=7.2。求： （1）各离子的体积摩尔浓度（M）、质量摩尔浓度（m）和毫克当量浓度（meq/L）。 （2）该水样的离子强度是多少？ （3）利用扩展的Debye-Huckel方程计算Ca2+和HCO3-的活度系数。 2．假定CO32-的活度为a CO32- =0.34?10-5，碳酸钙离解的平衡常数为4.27?10-9，第1题中的水样25℃时CaCO3饱和指数是多少？CaCO3在该水样中的饱和状态如何？ 3．假定某个水样的离子活度等于浓度，其NO3-，HS-，SO42-和NH4＋都等于10-4M。反应式如下： H+ + NO3- + HS- = SO42- + NH4＋ 问：25℃和pH为8时，该水样中硝酸盐能否氧化硫化物？ 4．A、B两个水样实测值如下（mg/L）： 组分Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-NO3- A水样706 51 881 310 204 4 5．请判断下列分析结果（mg/L）的可靠性，并说明原因。 组分Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-CO32-pH A水样50 6 60 18 71 96 183 6 6.5 B水样10 20 70 13 36 48 214 4 8.8 6．某水样分析结果如下： 离子Na+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-含量(mg/l) 8748 156 228 928 6720 336 1.320 试计算Ca2+的活度(25℃)。 4344 含量（mg/l）117 7 109 24 171 238 183 48 试问： （1）离子强度是多少？ （2）根据扩展的Debye-Huckel方程计算，Ca2+和SO42－的活度系数？ （3）石膏的饱和指数与饱和率是多少？ （4）使该水样淡化或浓集多少倍才能使之与石膏处于平衡状态？ 8．已知温度为298.15K（25℃），压力为105Pa（1atm）时，∑S=10-1mol/l。试作硫体系的Eh-pH图（或pE-pH图）。 9．简述水分子的结构。 10．试用水分子结构理论解释水的物理化学性质。 11．温、压条件对水的物理、化学性质的影响及其地球化学意义。 12．分别简述气、固、液体的溶解特点。
同位素水文地球化学
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、36Cl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 X N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和，即： A=Z+N( 4-1-1 ) 为简便起见，也常用A X表示某一原子。 元素是原子核中质子数相同的一类原子的总称。同一元素由于其原子核中中子数不同可存在几种原子质量不同的原子，其中每一种原子称为一种核素，如C原子有12C、13C、14C等核素，氧原子有16O、17O、18O等核素。某元素的不同几种核素称为该元素的同位素(蔡炳新等，2002)，或者说同位素指的是在门捷列耶夫周期表中占有同一位置，其原子核中的质子数相同而中子数不同的某一元素的不同原子。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类，稳定同位素是指迄今为止尚未发现有放射性衰变（即自发地放出粒子或射线）的同位素；反之，则称为放射性同位素。 地下水中的同位素一方面包括水自身的氢、氧同位素，另一方面还包括水中溶质的同位素。
水文地球化学研究现状与进展
本文由国土资源部地质调查项目“全国水资源评价”和“鄂尔多斯自留盆地地下水赋存运移规律的研究”项目资助。改回日期:2001212217;责任编辑:宫月萱。 第一作者:叶思源,女,1963年生,在读博士生,副研究员,从事矿水、地热水及水文地球化学研究。 水文地球化学研究现状与进展 叶思源1) 孙继朝2) 姜春永3) (1)中国矿业大学,北京,100083;2)中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北正定,050803; 3)山东地质工程勘查院,山东济南,250014) 摘 要 1938年,“水文地球化学”术语提出,至今水文地球化学作为一门独立的学科得到长足的发展,其服务领域不断扩大。当今水文地球化学研究的理论已经广泛地应用在油田水、海洋水、地热水、地下水质与地方病以及地下水微生物等诸多领域的研究。其研究方法也日臻完善。随着化学热力学和化学动力学方法及同位素方法的深入研究,以及人类开发资源和保护生态的需要,水文地球化学必将在多学科的交叉和渗透中拓展研究领域,并在基础理论及定量化研究方面取得新的进展。关键词 水文地球化学 研究现状 进展 Current Situ ation and Advances in H ydrogeochemical R esearches YE Siyuan 1) SUN Jichao 2) J IAN G Chunyong 3 ) (1)Chi na U niversity of Mi ni ng and Technology ,Beiji ng ,100083;2)Instit ute of Hydrogeology and Envi ronmental Geology ,CA GS , Zhengdi ng ,Hebei ,050803;3)S handong Instit ute of Geological Engi neeri ng S urvey ,Ji nan ,S handong ,240014) Abstract Hydrogeochemistry ,as an independent discipline ,has made substantial development since the term “hydrogeochemistry ”was created in 1938.At present hydrogeochemical theories have been applied to various fields such as oil field water ,ocean water ,geothermal water ,groundwater quality ,endemic diseases and groundwater microorganism ,and related research methods have also become mature.With the further development of chemical thermodynamics ,kinetics method and isotope method ,hydrogeochemistry will surely extend its research fields in the course of multi 2discipline interaction and make new progress in basic theory and quantifica 2tion research ,so as to meet the demand of human exploration and exploitation as well as ecological protection.K ey w ords hydrogeochemistry current state of research advance 早期的水文地球化学工作主要围绕查明区域水文地质条件而展开,在地下水的勘探开发利用方面取得了可喜的成果(沈照理,1985)。水文地球化学在利用地下水化学成分资料,特别是在查明地下水的补给、迳流与排泄条件及阐明地下水成因与资源的性质上卓有成效。20世纪60年代后,水文地球化学向更深更广的领域延伸,更多地是注重地下水在地壳层中所起的地球化学作用(任福弘,1993)。1981年,Stumm W 等出版了《水化学———天然水化 学平衡导论》专著,较系统地提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法。1992年,C P 克拉 依诺夫等著《水文地球化学》分为理论水文地球化学及应用水文地球化学两部分,全面论述了地下水地球化学成分的形成、迁移及化学热力学引入水文地球化学研究的理论问题,以及水文地球化学在饮用水、矿水、地下热水、工业原料水、找矿、地震预报、防止地下水污染、水文地球化学预测及模拟中的应用等,概括了20世纪80年代末期水文地球化学的研究水平。特别是近二十年来计算机科学的飞速发展使得水文地球化学研究中的一些非线性问题得到解 答(谭凯旋,1998),逐渐构架起更为严密的科学体系。 第23卷 第5期2002210/4772482 地 球 学 报ACTA GEOSCIEN TIA SIN ICA Vol.23 No.5 Oct.2002/4772482
中国地质大学地球化学习题及答案
中国地质大学《地球化学》练习题及答案 中国地质大学《地球化学》练习题绪论 1. 概述地球化学学科的特点。2. 简要说明地球化学研究的基本问题。3. 简述地球化学学科的研究思路和研究方法。4. 地球化学与化学、地球科学其它学科在研究目标和研究方法方面的异同。第一章太阳系和地球系统的元素丰度 1.概说太阳成份的研究思路和研究方法 2.简述太阳系元素丰度的基本特征.3.说说陨石的分类及相成分的研究意义.4.月球的结构和化学成分与地球相比有何异同？5.讨论陨石的研究意义.6. 地球的结构对于研究和了解地球的总体成分有什么作用？7. 阐述地球化学组成的研究方法论.8. 地球的化学组成的基本特征有哪些？9. 讨论地壳元素丰度的研究方法.10.简介地壳元素丰度特征.11. 地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？ 12.地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？13.概述区域地壳元素丰度的研究意义.14.简要说明区域地壳元素丰度的研究方法.15.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律如何？16.简述沉积岩中不同岩类中元素含量变化规律. 第二章元素结合规律与赋存形式1.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？ 2.简述类质同像的基本规律. 3.阐述类质同像的地球化学意义. 4.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法. 5.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义. 6.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成住宅土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异。为什么？ 第三章水-岩化学作用和水介质中元素的迁移 1.举例说明元素地球化学迁移的定义. 2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。 3.列举自然界元素迁移的标志. 4.元素地球化学迁移的研究方法. 5.水溶液中元素的迁移形式有那些？其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？ 6.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义. 7.简述元素迁移形式的研究方法. 8.什么是共同离子效应？什么是盐效应？9.天然水的pH值范围是多少？对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意义？10.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响. 11.非标准电极电位E及环境的氧化还原电位Eh，在研究元素地球化学行为方面有什么作用？12.试述影响元素溶解与迁移的内部因素。 第四章地球化学热力学和地球化学动力学 1.自然界中地球化学热力学体系基本特点是什么？ 2.自然体系中哪些特征可作为体系达到平衡态的证据与标志？ 3.讨论相律及其应用。 4.编制相图的原理和方法。 6.简述化学反应制动原理的宏观解释7.简述热力学在地球化学中的应用。8.简述地球化学热力学与地球化学动力学的异同。9. 简述水溶液中元素的迁移方式。第五章微量元素地球化学 1.什么是微量元素地球化学？其研究意义是什么？ 2.了解微量元素地球化学的研究思路及研究方法。 3.什么叫微量元素、什么是主量（常量）元素？微量元素的主要存在形式有哪些？ 4.阐述能斯特分配定律、能斯特分配系数的概念及其研究意义。 5.稀土元素的主要特点是什么？其在地球化学体系中行为差异主要表现有哪些方面？。 6.讨论稀土元素的研究意义。7.你认为岩浆作用过程中决定元素浓集成矿的主要机制和决定因素是什么？8 根据微量元素的特点,说明那些元素适合于研究沉积岩物源区特征,为什么? 第六章同位素地球化学 1. 同位素地球化学在解决地学领域问题中有何独到之处？ 2. 何谓稳定同位素、何谓轻稳定同位素和重稳定同位素。 3. 选择同位素标准样品的条件。 5. 造成稳定同位素组成变化的原因是什么？ 6. 放射性同位素年龄测定公式，各符号的含义。
《地球化学》练习题
《地球化学》练习题 绪论 1.概述地球化学学科的特点。 2.简要说明地球化学研究的基本问题。 3.简述地球化学学科的研究思路和研究方法。 4. 地球化学与化学、地球科学其它学科在研究目标和研究方法方面的异同。 第一章太阳系和地球系统的元素丰度 1.概说太阳成份的研究思路和研究方法 2.简述太阳系元素丰度的基本特征. 3.说说陨石的分类及相成分的研究意义. 4.月球的结构和化学成分与地球相比有何异同？ 5.讨论陨石的研究意义. 6. 地球的结构对于研究和了解地球的总体成分有什么作用？ 7. 阐述地球化学组成的研究方法论. 8. 地球的化学组成的基本特征有哪些？ 9. 讨论地壳元素丰度的研究方法. 10.简介地壳元素丰度特征. 11.地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？ 12.地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？ 13.概述区域地壳元素丰度的研究意义. 14.简要说明区域地壳元素丰度的研究方法.
15.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律如何？ 16.简述沉积岩中不同岩类中元素含量变化规律. 第二章元素结合规律与赋存形式 1.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？ 2.简述类质同像的基本规律. 3.阐述类质同像的地球化学意义. 4.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法. 5.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义. 6.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成住宅土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标， 但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异。为什么？ 第三章水-岩化学作用和水介质中元素的迁移 1.举例说明元素地球化学迁移的定义. 2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。 3.列举自然界元素迁移的标志. 4.元素地球化学迁移的研究方法. 5.水溶液中元素的迁移形式有那些？其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？ 6.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义. 7.简述元素迁移形式的研究方法. 8.什么是共同离子效应？什么是盐效应？ 9.天然水的pH值范围是多少？对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意义？ 10.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响. 11.非标准电极电位E及环境的氧化还原电位Eh，在研究元素地球化学行为方面有什么作用？ 12.试述影响元素溶解与迁移的内部因素。
同位素地球化学 34
S TABLE I SOTOPES IN P ALEONTOLOGY AND A RCHEOLOGY I NTRODUCTION The isotopic composition of a given element in living tissue depends on: (1) the source of that ele-ment (e.g., atmospheric CO2 versus dissolved CO2; seawater O2 vs. meteoric water O2), (2) the proc-esses involved in initially fixing the element in organic matter (e.g., C3vs. C4photosynthesis), (3) subsequent fractionations as the organic matter passes up the food web. Besides these factors, the iso-topic composition of fossil material will depend on any isotopic changes associated with diagenesis, including microbial decomposition. In this lecture, we will see how this may be inverted to provide insights into the food sources of fossil organisms, including man. This, in turn, provides evidence about the environment in which these organisms lived. I SOTOPES AND D IET: Y OU ARE WHAT YOU EAT In Lecture 28 we saw that isotope ratios of carbon and nitrogen are fractionated during primary pro-duction of organic matter. Terrestrial C3 plants have d13C values between -23 and -34‰, with an av-erage of about -27‰. The C4 pathway involves a much smaller fractionation, so that C4 plants have d13C between -9 and -17‰, with an average of about -13‰. Marine plants, which are all C3, can util-ize dissolved bicarbonate as well as dissolved CO2. Seawater bicarbonate is about 8.5‰ heavier than atmospheric CO2; as a result, marine plants average about 7.5‰ heavier than terrestrial C3 plants. In contrast to the relatively (but not perfectly) uniform isotopic composition of atmospheric CO2, the carbon isotopic composition of seawater carbonate varies due to biological processes. Because the source of the carbon they fix is more variable, the isotopic composition of marine plants is also more variable. Finally, marine cyanobacteria (blue-green algae) tend to fractionate carbon isotopes less during photosynthesis than do true marine plants, so they tend to average 2 to 3 ‰ higher in d13C. Nitrogen isotopes are, as we saw, also fractionated during primary uptake. Based on their source of nitrogen, plants may also be divided into two types: those that can utilized N2directly, and those utilize only “fixed” nitrogen as ammonia and nitrate. The former include the legumes (e.g., beans, peas, etc.) and marine cyanobac-teria. The legumes, which are exclusively C3 plants, utilize both N2 and fixed nitrogen (though symbiotic bacteria), and have an average d15N of +1‰, whereas modern non-leguminous plants average about +3‰. However, it seems likely that prehistoric nonleguminous plants were more positive, averaging perhaps +9‰, because the iso-topic composition of present soil nitrogen has been affected by the use of chemical fer-tilizers. For both groups, there was proba-bly a range in d15N of ±4 or 5‰, because the isotopic composition of soil nitrogen varies and there is some fractionation involved in uptake. Marine plants have d15N of +7±5‰, whereas marine cyanobacteria have d15N of –1±3‰. Figure 34.1 summarizes the 15 10 5 --5 d13C PDB ‰ d15N ATM ‰ Figure 34.1. Relationship between d13C and d15N among the principal classes of autotrophs.
同位素地球化学研究进展
同位素地球化学研究进展
1 概述 同位素研究是地质学的重要研究手段之一，可以视之为科学研究史上的革命，它的发展极大地加速了许多科学研究进程。同位素地质应用是同位素地球化学的重要组成部分。随着放射性现象的发现，同位素的分析逐渐被建立为独立的研究领域。作为独特的示踪剂和形成环境与条件的指标，同位素组成已广泛的应用到陨石、月岩、火成岩、沉积岩、变质岩、大气、生物以及各种矿床等领域的研究。通过研究同位素在地质体的分布及在各种地质条件下的运动规律来研究矿物、岩石和矿床等各个领域，成为解决众多地质地球化学问题的强有力手段。 地球的历史是一个由大量地质事件构成的漫长的时间序列，它具有灾变和渐变相间的特点。我们在认识这一复杂的过程时，主要依据能保留事件踪迹的证据。同位素的迁移活动寓于地质作用之中，地质事件对地球的影响有可能跨越后期作用而被保存下来，因此同位素组成上的变异常常能提供最接近事实的证据，并且相关研究也用一系列显著成绩证实了这点。 1.1 同位素地球化学的发展现状 同位素的丰度和分布的研究正经历着飞跃性的发展。在不到一百年的时间里，已经取得了非凡的成果，解决了一系列重要的问题，如南非南德斯金矿的成因问题。此外，随着大量的数据和文章的面世，理论基础的不断完善，实验技术的不断发展，同位素地球化学迄今为止仍在快速的发展着，并不断与其他学科相互渗透形成新的学科分支，如宇宙同位素地球化学、环境同位素地球化学等。因此，同位素地球化学已非局限于研究地球及其地质现象，而是扩展到了太阳系的其他星体和其他科学领域。显然，地质学已到了一个新的时期，即同位素地质学时期。 1.2 同位素概念 1913年，Soddy提出了同位素概念，即原子内质子数相同而中子数不同的一类原子即为同位素。一个原子可以有一种或多种同位素。有的元素仅有稳定同位素（如O、S），稳定同位素的原子核是稳定的，目前还未发现他们能自发衰变形成其他的同位素。有的仅有放射性同位素（如U、Th）。放射性同位素原子核是不稳定的，他们能自发的衰变形成其他的同位素，最终转变为稳定的放射成因同