同位素地球化學(xué)是地質(zhì)學(xué)的一個方面阶庆，其基礎(chǔ)是研究各種元素的同位素相對豐度的自然變化郎博。同位素豐度的變化可以用同位素比值質(zhì)譜法來測量，它可以揭示巖石铺享、空氣或水體的年齡和起源抱壶，或它們之間的混合過程。

穩(wěn)定同位素地球化學(xué)主要研究質(zhì)量同位素分餾引起的同位素變化潘乖，而放射成因同位素地球化學(xué)主要研究天然放射性的產(chǎn)物院颜。

一、穩(wěn)定同位素地球化學(xué)

對于大多數(shù)穩(wěn)定同位素來說毛龟，動力學(xué)分餾和平衡分餾的分餾量都很胁的埂；由于這個原因胡撩，富集通常以“千分之一”(‰)來報告韭张。這些相對富集系數(shù)(δ)代表重同位素比輕同位素樣品在一個標(biāo)準(zhǔn)的比率。也就是：

1.氫（H）

氫同位素生物地球化學(xué)

2.碳（C）

研究主題：δ13C

碳有兩個穩(wěn)定的同位素镰对，12C和13C卓奄，還有一個放射性同位素，14C止毕。

δ13C穩(wěn)定碳同位素比率的衡量參考Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB)標(biāo)準(zhǔn)模蜡。穩(wěn)定碳同位素主要通過光合作用進行分離。13C/12C比值也是古氣候的一個指標(biāo)：植物殘體比值的變化表明光合作用量的變化扁凛，從而表明環(huán)境對植物的有利程度忍疾。在光合作用過程中，C3途徑的生物比C4途徑的生物表現(xiàn)出不同的富集谨朝，使科學(xué)家不僅能夠區(qū)分有機物和非生物碳卤妒，還能區(qū)分有機物所使用的光合作用途徑的類型。全球13C/12C比值中偶爾出現(xiàn)的峰值也可作為化學(xué)地層學(xué)的地層標(biāo)志字币，特別是古生代则披。

14C比率已被用于跟蹤海洋環(huán)流等。

3.氮（N）

氮有兩個穩(wěn)定的同位素洗出，14N和15N士复。它們之間的比率是相對于周圍空氣中的氮來測量的。氮比率經(jīng)常與農(nóng)業(yè)活動有關(guān)翩活。利用溫室氣體N2O.的數(shù)據(jù)阱洪，氮同位素數(shù)據(jù)也被用來測量平流層和對流層之間的空氣交換量

4.氧（O）

氧有三個穩(wěn)定的同位素:16O、17O和18O倒恭。氧比是相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW)或Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB)來測量的弱豹。氧同位素比率的變化被用來跟蹤水的運動遂辐、古氣候和大氣氣體，如臭氧和二氧化碳履婆。通常骤扰，VPDB氧基準(zhǔn)用于古氣候，而VSMOW用于大多數(shù)其他應(yīng)用酝遇。氧同位素出現(xiàn)在大氣臭氧的異常比例图汪，由非質(zhì)量分餾造成〔弟剑化石中有孔蟲的同位素比值被用來推斷古代海洋的溫度讳汇。

5.硫（S）

硫有4種穩(wěn)定同位素，豐度分別為：32S(0.9502)掰闯、33S(0.0075)枪第、34S(0.0421)和36S(0.0002)。這些豐度與Cayon Diablo隕硫鐵的豐度相比較的钞。利用硫同位素比值的變化來研究礦體中硫的來源和含硫礦物的形成溫度兜蠕。

二、放射性同位素地球化學(xué)

研究主題：放射性年代測定

放射性同位素為研究地球系統(tǒng)的年齡和起源提供了強有力的示蹤劑抛寝。它們對于理解不同成分之間的混合過程特別有用熊杨，因為(重的)放射性同位素比率通常不被化學(xué)過程分離。

放射性同位素示蹤劑與其他示蹤劑一起使用時最有效：使用的示蹤劑越多盗舰，對混合過程的控制就越強晶府。這種應(yīng)用的一個例子是地殼和地幔在地質(zhì)年代中的演變。

2.1 鉛同位素同位素地球化學(xué)

研究主題：鉛-鉛測年

鉛有四種穩(wěn)定的同位素:204Pb钻趋、206Pb川陆、207Pb和208Pb。

鉛是通過錒系元素衰變在地球上產(chǎn)生的蛮位，主要是鈾和釷较沪。

鉛同位素地球化學(xué)對提供各種材料的同位素數(shù)據(jù)是有用的。因為鉛同位素由不同的超鈾元素由衰變產(chǎn)生失仁，四個鉛同位素的比率可以非常有用的跟蹤火成巖熔體的來源尸曼、沉積物的來源,甚至可以通過牙齒、皮膚和骨頭的同位素指紋來探索人類的起源萄焦。

它已被用于確定北極大陸架冰芯的年代协包，并提供有關(guān)大氣鉛污染來源的信息。

鉛鉛同位素已經(jīng)成功地應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)中的指紋符號忠牛，因為每批符號都有自己獨特的204Pb/206Pb與207Pb/208Pb的比值。

2.2 釤-釹

研究主題：釤-釹年代測定法

釤-釹是一種同位素系統(tǒng)司报，可用于提供地質(zhì)資料和各種其他材料克鼠，包括考古發(fā)現(xiàn)(罐全乙、陶瓷)的日期和同位素指紋。

147Sm衰變產(chǎn)生143Nd滚尼，半衰期為1.06×1011年侄伟。

地質(zhì)年代測定通常是通過在巖石樣品中測定幾種礦物的等時線來實現(xiàn)的。確定了初始143Nd/144Nd比鉴吕。

這一初始比例是根據(jù)CHUR(球粒均一儲庫)建立的模型撇委，CHUR是形成太陽系的球粒物質(zhì)的近似模型。CHUR是通過分析球粒隕石和無球粒隕石確定的捌唾。

樣品相對于CHUR的比率的差異可以給出從地幔中提取的時代的模式年齡(假定已經(jīng)計算出相對于CHUR演化歷史)汪仰，以及花崗質(zhì)來源(放射產(chǎn)生的Nd虧損)、地徇菏樱或豐富來源典挑。

2.3 錸-鋨

研究主題：錸-鋨年代測定法

錸和鋨是親鐵元素，在地殼中含量很低啦吧。錸經(jīng)過放射性衰變產(chǎn)生鋨您觉。非放射成因鋨與放射成因鋨的比例隨時間而變化。

錸比鋨更容易進入硫化物授滓。因此琳水，在地幔熔融的過程中，錸被剝離出來般堆，從而阻止了鋨—鋨比的明顯變化在孝。這鎖定了樣品在熔融時的初始鋨比例。利用鋨-鋨初始比值確定地幔熔融事件的源特征和年齡郁妈。

三浑玛、惰性氣體同位素

稀有氣體中的自然同位素變異是由放射性和核生成過程造成的。由于其獨特的性質(zhì)噩咪，將它們與上述傳統(tǒng)的放射性同位素系統(tǒng)區(qū)分開來是很有必要的顾彰。

3.1氦- 3

氦-3在行星形成時就被困在了里面。一些3He是由隕星塵增加的胃碾，主要聚集在海底(盡管由于俯沖作用蜻罕，所有海洋構(gòu)造板塊都比大陸板塊年輕)。然而样京，在俯沖過程中涯贝，海洋沉積物將脫氣，所以宇宙成因并不影響地幔的濃度或惰性氣體比率品痕。

氦-3是由宇宙射線轟擊和通常發(fā)生在地殼中的鋰分裂反應(yīng)產(chǎn)生的跃呛。鋰分裂是高能中子轟擊一個鋰原子，產(chǎn)生一個3He和一個4He離子的過程。這需要大量的鋰來對3He/4He比率產(chǎn)生逆影響秦砌。

由于氦的平均速度超過了地球的逃逸速度埃账，所有被脫氣的氦最終都會被釋放到太空中。因此经聊，假定氦的含量和地球大氣的比例基本上保持穩(wěn)定唱棍。

據(jù)觀察，3He存在于火山排氣和洋中脊樣品中守譬。人們正在研究氦是如何儲存在行星上的估喷，但它與地幔有關(guān)，并被用作深源物質(zhì)的標(biāo)志澈灼。

由于氦和碳在巖漿化學(xué)中的相似之處竞川，氦的逸出需要從地幔中損失揮發(fā)性成分(水、二氧化碳)蕉汪，這發(fā)生在60公里以下的深處流译。然而，3He被輸送到表面者疤，主要困在流體包裹體內(nèi)礦物的晶格中福澡。

氦-4是通過放射性物質(zhì)(通過鈾/釷系列元素的衰變)產(chǎn)生的。與地幔有關(guān)的那些元素使大陸地殼變得豐富驹马，因此地殼中產(chǎn)生的He4比地幔中多革砸。

3He與4He的比值(R)常被用來表征3He的含量。R通常以當(dāng)前多個大氣的比率(Ra)的形式給出糯累。

常見的R / Ra值:

古陸殼：小于1

大洋中脊玄武巖(MORB): 7 – 9

擴張脊巖石：9.1±3.6

熱點巖石：5 – 42

海洋和陸地水：1

沉積地層水：小于1

熱泉水：3 – 11

3He/4He同位素化學(xué)用于地下水定年算利、地下水流速估計、跟蹤水污染泳姐、提供熱液過程的信息以及火成巖地質(zhì)和礦床的成因效拭。

(U-Th)/He磷灰石定年是一種熱年代學(xué)工具

美國地質(zhì)勘探局：猛犸山噴氣孔的氦排放(MMF)

四、錒系元素衰變鏈中的同位素

錒系衰變鏈中的同位素在放射性同位素中是獨特的门烧，因為它們既是放射產(chǎn)生的又是具有放射性的甜湾。由于它們的豐度通常被引用為活度比而不是原子比，因此最好將它們與其他放射性同位素系統(tǒng)分開考慮鹅棺。

4.1鏷/釷- 231Pa / 230Th

鈾在海洋中混合得很好兜充，在恒定的活度比(0.093)下，其衰變產(chǎn)生231Pa和230Th脂性。通過吸附沉降粒子雄睦，衰變產(chǎn)物被迅速去除，但速率不同汹振。231Pa的停留時間相當(dāng)于大西洋盆地的深水停留時間(大約1000年)娇裁，但230 Th的遷移速度較快(幾百年)。溫鹽環(huán)流有效地將231Pa從大西洋輸送到南大洋，而其余的230Pa大部分留在大西洋沉積物中荞篙。因此钢战，大西洋沉積物中231Pa/230Th比值與傾覆率之間存在一定的關(guān)系：傾覆越快，沉積物231Pa/230Th的比值越低除踱，傾覆越慢，沉積物231Pa/230度的比值越高吩抓。δ13C和231Pa/230Th可以提供一個更完整的了解過去的循環(huán)變化涉茧。

五、人為的同位素

5.1氚/氦- 3

氚是在核彈大氣試驗中釋放到大氣中的疹娶。氚的放射性衰變產(chǎn)生惰性氣體He-3伴栓。比較氚和氦-3 (3H/3He)的比例，可以估算出最近地下水的年齡雨饺。

美國地質(zhì)調(diào)查局的氚/氦- 3定年

水文同位素示蹤劑-氦