穩定同位素地球化學

　　研究自然界元素的穩定同位素組成及其變化規律，並用來解釋無機物和有機物的組成物質來源和成因，進而探討地球物質和地外物質形成的地質和地球化學過程的一門學科。同位素地球化學的一個研究領域。

　　基本概念　元素的穩定同位素豐度變化的機制是同位素分餾。同位素分餾主要由同一元素的不同同位素之間品質差異而引起。自然界輕元素（原子序數≤20）的同位素分餾明顯，其中氫、碳、氮、氧和硫等元素的穩定同同位素地球化學應用最廣。

　　穩定同位素地球化學研究中，同位素組成的變化用δ值表示。δ值指樣品中某元素的兩種穩定同位素比值相對於標準的相應比值之千分偏差，其公式為：

式中 R代表重同位素與輕同位素的原子比，對於氫、碳、氮、氧和硫的 R，是D/H、 ¹³C/ ¹²C、 ¹⁵N/ ¹⁴N、 ¹⁸O/ ¹⁶O和 ³⁴S/ ³²S，相應的 δ標記分別是 δD、 δ ¹³C、 δ ¹⁵N、 δ ¹⁸O和 δ ³⁴S。有時也采用 δ ¹⁷O、 δ ³³S和 δ ³⁶S值，各自對應的 R為 ¹⁷O/ ¹⁶O、 ³³S/ ³²S、 ³⁶S/ ³²S。 δ值能清楚地反映出同位素組成的變化，樣品的 δ值愈大，表明重同位素愈富集；反之，輕同位素愈富集。樣品的 δ值總是相對於某個標準而言的，目前世界公認的標準為：① SMOW標準，即標準平均大洋水，作為氫和氧同位素的國際統一標準。② PDB標準，是美國南卡羅來納州白堊系皮狄組地層內美洲擬箭石的鞘，為一種碳酸鈣物質，用作碳同位素的國際統一標準，有時也作為沉積碳酸鹽氧同位素的標準。③ CDT標準，是美國亞利桑那州迪亞佈洛峽谷鐵隕石中的隕硫鐵，一種硫化鐵礦物，用作硫同位素的國際統一標準。

　　氫同位素地球化學　研究天然物質中氫同位素組成、變化規律及其地質地球化學意義。氫有2個穩定同位素：H(¹H)和D(²H)，是自然界同位素分餾最大的元素。天然含氫物質的δD值見圖1。地球物質的δD值變化范圍為－600‰～＋180‰,月球物質為－900‰～＋300‰，太陽系行星星際塵粒為－500‰～＋15 000‰。氫同位素地球化學的研究對象包括含水礦物、地表水、地下水流體、含氫流體和有機物。礦物–水系統的氫同位素分餾通常達到同位素平衡，含水礦物的δD值主要受溫度、礦物化學成分、氫鍵長度和水流體的氫同位素組成的影響。有機物形成和變化時，如光合作用過程中、細胞新陳代謝過程中、細菌分解釋放氫氣和甲烷等生物化學過程中，引起氫同位素分餾的主要因素是動力學同位素效應。在實際應用中，氫同位素往往與氧同位素或碳同位素資料結合起來，解決地質地球化學問題。

圖1　天然物質的氫同位素組成

　　氧同位素地球化學　研究天然物質中氧同位素組成、變化規律及其地質地球化學意義。氧有3個穩定同位素：¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，天然物質中δ¹⁸O值變化范圍為 ＋45‰～－55‰（圖2）。氧是地球上最豐富的元素，構成巖石和水流體的基本成分。巖石和礦物的氧同位素組成取決於成巖溫度、水流體δ¹⁸O值、源區或原巖性質等因素。火成巖的δ¹⁸O值為+5‰～+13‰，沉積巖為+10‰～+36‰，變質巖為+6‰～+25‰。利用氧和氫同位素組成可以很好地區分海水、大氣降水、巖漿水和變質水等各種不同成因的水。氧同位素溫度計能成功地提供隕石、火成巖和變質巖成巖溫度的信息。特別是通過測定化石碳酸鈣殼體的δ¹⁸O值而建立起來的古溫度計，提供瞭極精確的更新世和過去7千萬年以來的氧同位素記錄，是古海洋、古溫度和全球古氣候變化研究的有效工具。在礦床研究中，氧和氫同位素的測定能夠提供成礦溫度和成礦流體（熱液）來源方面的信息。

圖2　天然物質的氧同位素組成

　　碳同位素地球化學　研究天然物質中碳同位素組成、變化規律及其地質地球化學意義。碳有2個穩定同位素，¹²C和¹³C。天然物質中δ¹³C值變化范圍為－90‰～＋70‰，最低值見於天然氣甲烷，最高值出現於碳質球粒隕石的碳酸鹽，地幔碳為－7‰～－5‰（圖3）。地球表層有兩大重要的碳儲積庫：沉積成因海洋碳酸鹽和生物成因有機物，δ¹³C 平均值分別約為＋1‰和－25‰，兩者明顯不同的碳同位素組成，是由於完全不同的分餾機制所致：①發生於無機碳系統“大氣CO₂–溶解HCO₃^－–固體CaCO₃”中的同位素交換平衡反應，導致碳酸鹽富集¹³C。②發生於光合作用過程中的動力學同位素效應致使合成的有機物富集¹²C。碳同位素資料在生物組織和生理過程、生態環境和生態系統過程、環境變遷和全球變化等方面的研究中發揮愈來愈重要的作用。在考古學研究中，通過測定化石骨骼中膠原的碳同位素組成，可以示蹤人類的飲食情況和食物來源，重建現代和史前食物鏈及攝食生態學。在石油和天然氣研究中，碳同位素已成為油氣勘探中一個強有力的工具。見碳循環。

圖3　天然物質的碳同位素組成

　　硫同位素地球化學研究天然物質中硫同位素組成、變化規律及其地質地球化學意義。硫有4個穩定同位素：³²S、³³S、³⁴S、³⁶S。天然物質中δ³⁴S的分佈見圖4，其變化幅度達到180‰，最富含³²S的硫化物為－65‰，最富含³⁴S的硫酸鹽為＋120‰，地幔硫為－5‰～＋5‰。硫同位素組成變化主要是由兩種類型同位素分餾機制引起：①發生於硫酸鹽與硫化物之間、不同硫化物之間的同位素交換反應中的平衡分餾。②發生於硫酸鹽細菌還原作用過程中的動力學同位素效應導致硫循環中最大的同位素分餾。硫同位素在生態學和環境科學研究中是一種有效的手段，可以識別和評估生態系統中人為起因硫的影響程度，追蹤硫循環過程和確定污染源。在礦床研究中，硫同位素測定能提供成礦溫度、硫源以及硫化物礦物沉淀的物理化學條件等方面信息。

圖4　天然物質的硫同位素組成