16第6章同位素地球化學(xué)5

1、第6章 同位素地球化學(xué),Part Ⅴ,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,2,6.3 穩(wěn)定同位素地球化學(xué),6.3.1 穩(wěn)定同位素基礎(chǔ)及分餾機(jī)理6.3.2 氫、氧同位素地球化學(xué)6.3.3 硫同位素地球化學(xué)6.3.4 碳同位素地球化學(xué),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,3,6.3.3 硫同位素地球化學(xué),6.3.3.1 自然界中硫同位素的分餾作用6.3.

2、3.2 自然體系中硫同位素組成6.3.3.3 硫同位素地質(zhì)溫度計(jì)6.3.3.4 硫同位素在成礦作用中的示蹤意義,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,4,32S——95.02%33S ——0.75%34S—— 4.21%36S ——0.02%硫同位素組成表示：δ 34S （‰）= [(34S / 32S)樣品/ (34S / 32S)PDB－1]×1000,硫穩(wěn)定同位素種類,2

3、024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,5,6.3.3.1 自然界中硫同位素的分餾作用,自然界硫分餾顯著,,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,6,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,7,① 化學(xué)動(dòng)力學(xué)分餾—氧化和還原反應(yīng)中產(chǎn)生的同位素分餾。H234S+32SO42－→ H232S+34SO42－ （α=1.075）分餾系數(shù)與溫度呈反相關(guān),硫同位素分

4、餾機(jī)制,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,8,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,9,生物成因硫化物的δ 34S （‰）一般小于0，負(fù)值越高生物成因可能性越大。,② 生物動(dòng)力分餾,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,10,生物成因硫化物硫同位素組成特點(diǎn),① 還原成因硫化氫或硫化物中富32S，富集程度超過(guò)原始的硫酸鹽，因而δ 34S 小于0；② 硫化氫或硫化物的32S富集程

5、度與還原程度有關(guān)。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,11,③ 熱力學(xué)平衡分餾,平衡共生條件下，不同價(jià)態(tài)硫同位素分餾特征為：δ34S值S2－＜HS－＜S0＜SO2＜SO42－,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,12,在平衡狀態(tài)下， δ34S硫酸鹽＞＞ δ34S硫化物1）硫酸鹽34S值：鉛礬＜重晶石＜天青石＜石膏；2）硫化物δ 34S 值：輝鉍礦＜輝銻礦＜輝銅礦＜方鉛礦＜斑銅礦＜黃銅

6、礦＜閃鋅礦＜黃鐵礦＜輝鉬礦,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,13,6.3.3.2 自然體系中硫同位素組成,1. 大氣圈、水圈和生物圈硫同位素組成2. 各類地球巖石硫同位素組成,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,14,1.大氣圈、水圈和生物圈硫同位素組成,①大氣硫存在形式： 氣溶膠中硫酸鹽和氣態(tài)H2S、SO2。②大氣硫來(lái)源 A 天然來(lái)源

7、 火山噴發(fā)H2S、SO2 (δ 34S =－10‰~10‰)； 海水蒸發(fā)鹽δ 34S =20‰)； 生物成因的H2S和有機(jī)硫δ 34S =－30‰~10‰)； B 人工污染 金屬硫化物礦石冶煉；石膏粉塵。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,15,③水圈發(fā)生復(fù)雜的氧化-還原作用。水中溶解的SO42－被細(xì)菌還原成H2S， δ 34S值

8、可降低0~50‰；④生物體中的硫主要賦存在蛋白質(zhì)中，生物體通過(guò)還原硫酸鹽形成有機(jī)硫。 無(wú)論是淡水植物還是海洋生物，δ 34S值都低于溶解的硫酸鹽。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,16,2. 各類地球巖石硫同位素組成,①巖漿巖：1)基性-超基性巖δ 34S值與隕石硫相似，變化范圍小，為－1~2‰。2)酸性巖漿巖δ 34S值= －10 ‰ ~10‰，變化大，但總均值接近0。3)中酸性火山噴出巖

9、δ 34S值變化范圍比對(duì)應(yīng)的深成巖大，且一般為正值。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,17,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,18,2. 各類地球巖石硫同位素組成,② 沉積巖：開放系統(tǒng)中：硫酸鹽和硫化氫的δ34S值穩(wěn)定。封閉系統(tǒng)中：硫酸鹽δ 34S值漸大，還原形成的硫化氫δ34S值漸大。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,19,2024/3/19,第5章 同位素地

10、球化學(xué)PartⅤ,20,δ 34S= －20 ‰ ~20‰組成與變質(zhì)巖原巖、變質(zhì)作用過(guò)程中的W/R反應(yīng)和同位素交換，以及變質(zhì)脫氣等有關(guān)。,③ 變 質(zhì) 巖,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,21,6.3.3.3 硫同位素地質(zhì)溫度計(jì)*,1.原理、前提及公式：1000lnα=δa－δb=A×106/T22.共生礦物對(duì)硫同位素平衡標(biāo)志硫化物δ 34S值：輝鉍礦＜輝銻礦＜輝銅礦＜方鉛礦＜斑銅礦＜黃銅

11、礦＜閃鋅礦＜黃鐵礦＜輝鉬礦3. 常用的硫同位素地溫計(jì),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,22,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,23,6.3.3.4 硫同位素應(yīng)用,1. 判斷成巖成礦物質(zhì)來(lái)源2. 硫同位素地層學(xué),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,24,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,25,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)P

12、artⅤ,26,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,27,6.3.4 碳同位素地球化學(xué),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,28,穩(wěn)定同位素 12C（98.892%） 13C（1.108% ） 14C是放射性同位素碳同位素組成表示：δ13C(‰)= [(13C/12C)樣品/(13C/12C)PDB－1]

13、5;1000,碳同位素種類,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,29,主要為含碳礦物，如方解石、白云石、大理石、菱鐵礦、菱鎂礦等全巖樣品；現(xiàn)在發(fā)展到包裹體中的甲烷、二氧化碳，以及石油、天然氣和有機(jī)物中的含碳組分。,適合碳同位素測(cè)定樣品,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,30,6.3.4.1 碳同位素分餾,,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,31,使12C富集在植物中

14、植物乃至整個(gè)生物界及有機(jī)成因的煤、石油和天然氣等都富集12C，平均δ13C=－25‰，而與其平衡的大氣的δ13C=－7‰。,1 光合作用,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,32,13CO2+H12CO3－= 12CO2+H13CO3－ α=1.01413CO2+12CO32－ = 12CO2+13CO32－ α=

15、1.012,2 碳同位素交換反應(yīng),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,33,碳是變價(jià)元素，不同價(jià)態(tài)化合物中，13C傾向于富集在高價(jià)化合物中δ13C：CH4＜C＜CO＜CO2＜ CO32－3. 氧化還原反應(yīng),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,34,6.3.4.2 自然體系中的碳同位素組成,碳是變價(jià)元素δ13C值變化范圍很大。最重的碳出現(xiàn)在碳酸鹽中，最輕的碳出現(xiàn)在生物成因的甲烷中。,202

16、4/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,35,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,36,① 隕石碳存在形式：碳、碳化物、金屬相中的固體溶液、碳酸巖和有機(jī)化合物；碳組成范圍很寬，δ13C=－27‰~70‰，隕石中總碳δ13C=－5‰~17‰,1.隕石和月巖,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,37,存在形式：CO/CO2/金屬碳化物月巖碳同位素特點(diǎn),② 月 巖,2024/3/19,

17、第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,38,碳形式：①氧化態(tài)-碳酸根離子、碳酸鹽和CO2包裹體，δ13C= －10‰~5‰ ；②還原態(tài)-石墨、金剛石、碳質(zhì)薄墨和烴類有機(jī)物等， δ13C= －50‰~ － 10‰ 。金剛石集中在δ13C= －5‰~ － 7‰ 。,2. 火成巖,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,39,寒武紀(jì)到第三紀(jì)的海相碳酸鹽δ13C接近于0。隨著地質(zhì)時(shí)代的不同在剖面上可能存在突變點(diǎn)。淡水碳酸

18、鹽δ13C值較小，平均為－4.93+2.57 ‰。沉積巖中的有機(jī)碳δ13C值同樣很低，為－15‰~ － 40‰,3.沉積巖,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,40,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,41,①煤的δ13C值：（ －22‰~ － 28‰ ）/－ 25‰，接近陸生植物。②石油 δ13C值：（ －35‰~ － 18‰ ）/ － 28‰ ，,4. 化石燃料/有機(jī)體系,2024/3

19、/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,42,有機(jī)成因CH4 的δ13C值較低（ －110‰~ － 50‰ ），有機(jī)同源的甲烷系列物的δ13C值隨C數(shù)增多而增大。δ13C1＜ δ13C2 ＜ δ13C3 ＜ δ13C4無(wú)機(jī)甲烷δ13C值為－40‰~ － 3.2‰ 。甲烷同源烴類的δ13C值與C數(shù)增加趨勢(shì)與有機(jī)相反。,③ 天然氣分為無(wú)機(jī)和有機(jī)成因,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,43,湖水：δ13C= －8

20、‰~ －16‰ 河水：δ13C= －10‰ 海水：δ13C= 0‰ 植物：δ13C水生植物 ＞δ13C陸生植物（-34~-24 ‰ ）δ13C海水植物 ＞δ13C淡水植物δ13C沙漠植物 ≈δ13C海洋植物（ -23~-6 ‰ ）海洋動(dòng)物的碳酸鹽介殼的δ13C≈0 ‰,5. 水圈、生物圈,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,44,6.3.5.3 碳同位素地球化學(xué)示蹤,1. 地幔去氣δ13CCO2＞δ1

21、3C碳酸鹽＞δ13C金剛石＞δ13CCH42. 成礦流體來(lái)源3. 確定原油形成環(huán)境4. 地層學(xué)5. 地-氣交換過(guò)程中的碳同位素示蹤,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,45,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,46,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,47,自 學(xué) 思 考 題,1. 硫和碳同位素組成及表示2. 硫和碳同位素分餾機(jī)理3. 不同地質(zhì)體的硫和碳同位素組成

22、4. 硫和碳同位素應(yīng)用：地質(zhì)溫度計(jì)、成巖成礦物質(zhì)來(lái)源示蹤、地層學(xué)等,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,48,同位素地質(zhì)年代學(xué)是以放射性同位素衰變定律為基礎(chǔ)建立的同位素計(jì)時(shí)方法，用于測(cè)定各種地質(zhì)體和地質(zhì)事件的年齡。前提：體系的同位素封閉性，沒有后期的地質(zhì)作用的影響而發(fā)生同位素母/子體帶入或帶出；用來(lái)測(cè)年的放射性母體的半衰期與所測(cè)地質(zhì)體年齡大體相當(dāng)，并且衰變常數(shù)和母子體同位素的相對(duì)豐度已知；研究體系中母子體同位素比值

23、能精確測(cè)定。自然界放射性母體-子體元素的地球化學(xué)分異和放射性母體衰變?cè)斐傻耐凰爻煞肿兓梢杂脕?lái)示蹤地質(zhì)體的物質(zhì)來(lái)源、演化及其過(guò)程，這是放射性同位素地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容。,小 結(jié),2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,49,本章介紹了地質(zhì)學(xué)最常用的K-Ar、Ar-Ar、Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb法同位素定年體系與示蹤方法。由于40K的半衰期較短，往往適合較年輕的火成巖定年；Rb-Sr法比較適合中

24、酸性火成巖定年；基性-超基性火成巖中Rb含量低，一般難于用該法定年，常常使用Sm-Nd法定年；單顆粒鋯石。U-Pb法，往往是確定鋯石火成巖的十分有效的方法。對(duì)于變質(zhì)巖而言，由于K-Ar體系易于受變質(zhì)作用重置，因此所得年齡往往代表最后一次熱事件的年齡；綠片巖相以上的變質(zhì)巖Rb-Sr年齡也可以反映變質(zhì)年齡；Sm-Nd體系不易破壞，麻粒巖相以下的變質(zhì)巖的Sm-Nd年齡往往反映原巖年齡，加之Sm半衰期很長(zhǎng)，因此該方法特別適合于古老變質(zhì)巖原巖

25、年齡研究。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,50,穩(wěn)定同位素主要介紹了穩(wěn)定同位素概念、分餾機(jī)理及常用的天然穩(wěn)定同位素體系，包括氫氧同位素、硫同位素和碳同位素，它們?cè)谧匀唤绲姆逐s、分布及地球化學(xué)示蹤。同位素組成的表示δ（‰）=（R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)－1）×1000。同位素分餾是自然界輕穩(wěn)定同位素組成變化的主導(dǎo)因素，同位素相對(duì)質(zhì)量差越大分餾越大。分餾大小用分餾系數(shù)α表示。熱力學(xué)平衡分餾與溫度呈非線性的反相關(guān)關(guān)

26、系,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,51,δA－δB=1000lnα=△A－△B=×106/T2+B×103+C該關(guān)系式是同位素地溫計(jì)基礎(chǔ)。通過(guò)測(cè)定平衡共生的礦物對(duì)的同位素組成，可以獲得礦物形成溫度。地球大氣圈、水圈和巖石圈具有各自穩(wěn)定同位素組成，每個(gè)層圈內(nèi)部不同物質(zhì)和同種物質(zhì)不同形態(tài)之間同位素組成可以有很大差別。層圈相互作用導(dǎo)致它們之間同位素的交換與變化。因此自然體系穩(wěn)定同位素的變化是復(fù)

27、雜的，但又有規(guī)律性，這就可以利用穩(wěn)定同位素地球化學(xué)來(lái)示蹤各層圈物質(zhì)來(lái)源和相互作用。,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,52,本章重點(diǎn)和要點(diǎn),1. 同位素概念、分類及各自特點(diǎn)。2. 同位素衰變定律及同位素定年原理。3. 穩(wěn)定同位素基本概念及涉及的參數(shù)。4. 氫氧同位素分餾機(jī)制及大氣降水氫氧同位素的特點(diǎn)。5. 常見同位素定年方法、方程式、實(shí)用對(duì)象及注意點(diǎn)。6. 同位素地質(zhì)溫度計(jì)的設(shè)計(jì)、原理和前提,2024/3

28、/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,53,第6章 復(fù)習(xí)思考題4,1 基本概念：同位素比值及表示同位素分餾系數(shù)及表示富集系數(shù)2 論述題自然界氫、氧同位素分餾機(jī)理大氣降水組成、特點(diǎn)及演化規(guī)律氫氧同位素在成巖成礦方面的示蹤應(yīng)用,2024/3/19,第5章 同位素地球化學(xué)PartⅤ,54,3.計(jì)算題,①.平衡共生的礦物中硫同位素的分配順序。②.幾種主要有機(jī)體系的碳同位素組成。③ 已知在135℃時(shí)，△34S閃鋅礦-