同位素地球化学是地球化学的分支学科，研究自然界中稳定同位素与放射成因同位素的丰度以及它们的分馏和变化机理，并据此示踪地球各层圈与行星物质的形成、循环和演化[1]。它由地质学与核物理学的概念和方法结合形成，早期曾被称为核地质学[2]。同位素方法使岩石、陨石和考古对象的年龄测定成为可能，也为古气候重建与地质过程示踪提供了定量手段[3]。
定义
国家自然科学基金委员会的学科分类中，同位素地球化学的编号为 D0301，其研究内容是自然界中稳定同位素与放射成因同位素的丰度以及它们的分馏和变化机理，目标是以同位素组成制约地球各层圈和行星物质的形成、循环与演化，服务于地球内部过程与表层环境研究[1]。按所依据的原理和研究对象，这一学科通常划分为稳定同位素地球化学与放射成因同位素地球化学两大部分，前者侧重质量相关分馏造成的组成差异，后者关注天然放射性衰变的产物[4]。
稳定同位素组成的差别一般以 δ 值报出，即样品中重、轻同位素比值相对于标准物质对应比值的千分偏差，可写作 $\delta = \left(\dfrac{R_{样品}}{R_{标准}} - 1\right) \times 1000$‰，式中 R 指重同位素与轻同位素的比值[5]。常用的参照物质有维也纳标准平均海水（VSMOW）与维也纳皮迪箭石（VPDB），前者适用于多数体系，后者多用于古气候研究中的碳酸盐样品[4]。
背景
该学科是地质学与核物理学两方面概念和方法结合的产物，最初名为核地质学，之后改称同位素地球化学，后来同位素地质学这一名称因其建立在对自然体系中化学元素同位素组成的测定与解释之上而被更普遍地采用[2]。
学科早期的突破性成果是岩石和矿物年龄的测定，这一步使地质学转变为定量科学；随后古温度的测定得以实现，古气候学随之兴起，同位素示踪概念的提出又把研究范围扩展到地球内部结构与动力学、侵蚀和物质搬运，直至宇宙化学问题[2]。1907 年，耶鲁大学的化学家伯特伦·博尔特伍德（Bertram Boltwood）通过测量铀矿石中放射成因铅的含量，得到了第一个同位素年龄数据[6]。
稳定同位素地球化学的源头可以上溯到 20 世纪 40 年代后期哈罗德·尤里（Harold Urey）及其同事的工作，他们认识到稳定同位素组成的差异能够指示自然过程发生的条件，古温度测定是其中最早的应用之一[7]。1947 年，尤里发表关于同位素物质热力学性质的论文，此后根据晶体学家 Paul Niggli 的建议，提出依据碳酸盐质生物介壳的氧同位素组成推测古海水温度的设想[8]。
内容
相关教材通常先从原子核物理、放射性衰变与核合成讲起，接着介绍地质年代学和稳定同位素分馏理论，可见该学科的根基横跨核物理、化学热力学与分析技术[9]。教材后续章节讨论陨石同位素组成对太阳系与地球形成的约束，地幔、地壳的放射成因与稳定同位素演化，水圈、生物圈与气候等地表过程，并专章介绍同位素在古生物学与考古学中的应用以及稀有气体的同位素地球化学[9]。
在稳定同位素方面，同一元素各同位素在化学性质上基本相同，但因原子质量存在差别，自然体系中的物理化学过程会使它们发生程度不一的分离，即同位素分馏[10]。这种分离在某些情况下与气候条件特别是温度有关，因此同位素组成可用来反演古温度与古环境[11]。
同位素比值以相对标准物质的千分偏差报出，测量依靠质谱仪完成；由于只有一部分进样气体被电离和检测，仪器状态与进样条件会带来波动，实验中通常交替测定样品与已知组成的标准气体，使这些因素相互抵消，从而获得较高精密度[5]。1936 年，Alfred Nier 建成一台质谱仪并首次给出精确的同位素比值数据，其设计思路成为现代同类仪器的基础[5]。
在放射成因同位素方面，以氩为例，自然界的氩由氩-36、氩-38 和氩-40 三种稳定同位素组成，其中氩-40 属放射成因，由钾-40 经放射性衰变生成并随时间累积，另外两种则不是[12]。这类衰变速率恒定的体系相当于天然时钟，可用于测定地球各部分的岩石、矿物以及陨石、月岩等宇宙物体的同位素地质年龄，并研究地质运动发生的时间与特点[13]。
在应用层面，放射成因与稳定同位素既用于确定岩石、陨石和考古对象的年龄，也作为示踪剂用于理解地质与环境过程[3]。碳同位素分析能够追踪大气中二氧化碳的来源与动态变化，并为碳库利用、碳循环与碳汇研究以及油气勘探提供数据支持[14]。洞穴环境的现代监测常使用 δ18O、δ13C、87Sr/86Sr 以及元素比值 X/Ca 等替代指标[15]。陆地沉积环境中的稳定锶同位素组成，即相对于 NBS987 标准表示的 δ88/86Sr，也存在明显变化[16]。
影响与争议
20 世纪 70 年代初以来，国际月球样品的研究工作推动了高精度同位素分析技术与超净化实验室的发展，加上计算机的广泛应用，同位素方法的应用深度和广度出现明显突破，并渗透到地球科学的诸多分支；到 20 世纪 80 年代，已有 30 多个国家开展同位素地质研究[17]。
稳定同位素地质温度计后来成为古气候、古温度以及矿床形成温度研究的重要手段[17]。学科的研究方向大体集中在两个方面：一是以稳定同位素充当古温计与环境指标，用来判断成岩和成矿条件；二是把它用作示踪剂，追索成岩、成矿物质来自何处[8]。
近年的进展在于研究对象从氢、碳、氧等少数轻元素扩展到周期表中更多元素，并出现了非传统稳定同位素、质量无关分馏以及同位素“团簇”等新方向[18]。在深部地球研究中，氧同位素比值过去主要用来估算再循环地壳与沉积物进入地幔的数量，而针对 HIMU 型源区的新工作表明，就地幔柱熔岩单个样品的测定结果而言，其氧同位素组成并不均一[19]。
参见
参考资料
- 地球化学（D03） . nsfc.gov.cn [引用日期2026-09-27]
- cambridge.org 上的网页 . Cambridge University Press & Assessment [引用日期2026-09-27]
- Isotope Geology . Cambridge University Press & Assessment [引用日期2026-09-27]
- Isotope geochemistry . canada.ca [引用日期2026-09-27]
- GEOPHYSICS AND GEOCHEMISTRY . eolss.net [引用日期2026-09-27]
- Chapter 1 . wiley.com [引用日期2026-09-27]
- Isotope Geochemistry . cornell.edu [引用日期2026-09-27]
- 碳、氧稳定同位素在沉积学中的应用 . jlu.edu.cn [引用日期2026-09-27]
- Isotope+Geochemistry,+2nd+Edition-p-9781119729945 . Wiley [引用日期2026-09-27]
- cambridge.org 上的网页 . cambridge.org [引用日期2026-09-27]
- cambridge.org 上的网页 . cambridge.org [引用日期2026-09-27]
- cambridge.org 上的网页 . Cambridge University Press & Assessment [引用日期2026-09-27]
- 同位素地质学的研究现状 . cgs.gov.cn [引用日期2026-09-27]
- 【期刊论文】 碳同位素分析技术在碳测量中的应用研究进展 NSTL 国家科技图书文献中心 . NSTL国家科技图书文献中心 [引用日期2026-09-27]
- 公 示 . cas.cn [引用日期2026-09-27]
- paper_detail . NSTL国家科技图书文献中心 [引用日期2026-09-27]
- 同位素地质学的现状和进展 . dzykt.com [引用日期2026-09-27]
- Isotope Geochemistry . google.com.sg [引用日期2026-09-27]
- Triple oxygen isotope insights into the HIMU source . ScienceDirect.com [引用日期2026-09-27]
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最近更新：2026-09-27T15:19:37Z
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