Question

稳定同位素的示踪原理

Answer 1

稳定同位素分为轻质量数的稳定同位素和放射性成因的稳定同位素。前者利用同位素的分馏作用达到地球化学示踪目的，后者利用地质体形成过程中的分异作用和混合作用导致的不均一性分布或积累效应达到地球化学示踪目的。

9.1.3.1 轻质量数稳定同位素的分馏作用原理

轻质量数的稳定同位素如硫、碳、氧、氢等元素，由于化学活动性强，一些元素的同位素又存在变价的特征，故在不同物理化学条件下形成的化合物，同一元素之间的同位素丰度存在较大的差异。轻质量数的稳定同位素是构成地球物质的基本成分，差不多所有的地球化学过程都与这些元素相关联，因而，利用这些元素的稳定同位素在不同物理化学环境条件下的分馏特征去研究各种岩石、矿物的物质来源，成岩成矿过程的物理化学条件及演化规律，岩浆、变质过程中的各种物质的交换及混合作用，沉积成岩过程中的生化反应以及岩石圈、水圈、生物圈和大气圈之间的物质循环运动，具有十分重要的意义。

同一元素不同同位素的原子质量不同，其热力学性质有微小的差异。正是这种差异导致同位素组成在物理、化学作用过程中发生变化，引起同位素分馏。一般来说，同位素分馏主要包括热力学平衡分馏和动力学非平衡分馏两种类型。

热力学平衡分馏是指体系达到同位素分布的平衡状态，同位素在体系两种物相中的交换反应达到平衡的同位素分馏，具有固定的同位素分馏系数。

动力学非平衡分馏是指体系偏离同位素分布的平衡状态，同位素在体系两种物相中的分配随时间变化而变化，没有固定的同位素分馏系数。一般来说，蒸发、扩散、生物过程等可以导致同位素的动力学非平衡分馏。

9.1.3.2 放射性成因稳定同位素的分异作用和混合作用

放射性成因的稳定同位素，一般质量数较大，如锶、钕、铅等，在自然界的各种化合物中，以阳离子的方式存在，化合物单一，目前尚未发现这些元素的同位素在不同物理化学条件的地球化学过程中存在同位素分馏现象。这些元素在各种地球物质中存在同位素丰度的差异，主要是由于这些物质在形成过程中的分异作用和混合作用导致其不均一性分布和放射性成因稳定同位素的积累，或者由后期混合作用造成的。