地球的年龄如何测定？

阳澄湖大闸蟹如何鉴定真伪？

这虽然是两个毫不相关的问题，但他们却可以使用共同的工具：同位素。

那么，什么是同位素？同位素又如何测定地球的年龄，如何鉴定大闸蟹产地呢？就让小编来告诉你吧~

我们知道，物质是由原子组成，而原子又是由核外电子和原子核组成，原子核由质子和中子组成。

具有一定质子数和一定中子数的原子即被称为一种核素，而具有一定质子数的原子被称为一种元素。

即同一种元素的原子均具有相同的质子数，而同一种核素则具有相同的质子数和相同的中子数。

而所谓同位素，就是具有相同质子数与不同中子数的核素。它们具有相同的质子数，所以在元素周期表中，它们占据相同的位置，故称为同位素。

我们通常在元素符号左上角加上相对原子量来表示不同的同位素，如：氧-18。不同的元素可以有一个或多个同位素，如钙，在自然界中有六个稳定的同位素：钙-40、钙-42、钙-43、钙-44、钙-46、钙-48。

由于中性原子的化学性质主要是由核外电子决定，而核外电子数等于原子核内的质子数，所以同一元素的不同同位素具有十分相似的化学性质。

然而，由于原子核质量的差异，在一些物理化学过程中，又常常表现出细微的差异。由于这种差异而导致的物理、化学过程前后的同位素组成产生差异的现象称为同位素分馏。

这种既相似又具有微小差异的特性正是同位素的魅力所在。

根据同位素放射性质的不同，我们将同位素体系分为放射性同位素和稳定同位素。

放射性同位素体系由放射性同位素和放射性衰变产生的放射性成因同位素组成。

而稳定同位素则是指既不具有放射性又不是由其他具有放射性的同位素衰变生成的同位素。

当然，这一划分并不绝对，对于所研究的时间尺度来说，放射性半衰期很长或衰变母体的半衰期很短的同位素也被认为是稳定同位素。

【知识链接：放射性衰变与半衰期】

有些核素的原子核并不稳定，会自发地转变为其他核素，并发出射线，这一过程被称为放射性衰变，可以发生衰变的核素称其具有放射性。衰变前的核素称为母体，衰变生成的核素称为子体。对于特定的衰变反应，任意数量的母体衰变至其含量仅剩一半时所需的时间是恒定的，这一时间称为半衰期。

对于放射性同位素体系，在地球化学中的应用主要是定年。而对于稳定同位素，应用则主要为测温、示源、示踪。

（一）放射性同位素的应用：定年

所谓定年，就是利用放射性同位素衰变的性质，测定体系不与外界发生同位素交换后的年龄。

就像可以通过判断发量估算博士生的年级一样。如果假定读博之前的发量为固定值，随着读博时间的增加，发量以一个固定的速率减小，就可以通过目前的发量与初始发量的比值来推测读博的时间。（X）

对于同位素定年也是相似的，体系不与外界发生同位素交换时可以看作“入学“，而同位素母体随着时间逐渐衰变减少，就像头发一样。那么我们只要测定样品中剩余母体的含量（当前发量），并通过一些方式估计出初始母体的含量（初始发量），由于同位素衰变的半衰期（发量减少速率）是已知的，那么我们就可以得到所测样品不与外界发生交换多少年了，从而得到了样品的”年龄”。

比如我们熟悉的碳-14定年，就是测定体系不与外界发生碳同位素的交换后的年龄。

由于宇宙射线的作用，在大气中会发生核反应生成碳-14，通常认为这一速率大致不变；同时碳-14发生衰变，那么大气中的碳-14就会在生成和衰变中达到一定的稳态，最终大气中碳-14含量基本不变。木材砍伐并制成棺木后，其中的碳将不再与大气发生交换，此后碳-14发生衰变，以一定的速率减少。我们通过测量棺木中的碳-14含量，将其与大气中的碳-14含量对比，又已知衰变速率，就可以知道棺木是什么年代的产物了。

对于其他的放射性同位素定年方式，原理也比较相似，只不过要根据不同的时间尺度选择不同的同位素体系。

如果选用的半衰期过短，那么样品中的母体含量就会很少，于是甚至测量不出来；如果选用的半衰期过长，那么母体含量几乎没有变化，也不能定出年龄。

例如地球的年龄就要通过U-Pb体系来确定。

对于同位素定年，其中比较关键的一点是对于初始含量估计。因为大多数情况下我们并不知道放射性母体的初始含量，所以我们需要通过很多其他的方式来假定母体的含量或通过公式的转换，将初始母体的含量变成其他可以确定的量。其中比较常用的有模式年龄法、等时线法等。

等时线法

（二）稳定同位素的应用：测温、示源、示踪

对于稳定同位素的应用，则主要是利用了同一元素的同位素的性质既具有相似性又具有差异性的特点。就像W.M.White在其所编教材Geochemistry中所言，Thus is it that one group of isotope geochemists make their living by measuring isotope fractionations while the other group makes their living by ignoring them!（一群同位素地球化学家靠着测量同位素的分馏而生存，而另一群则靠的是忽略同位素的分馏）

我们先从测温说起。在某一地质过程中，如果两相之间同位素交换达到平衡（例如海水中缓慢沉淀碳酸钙），而平衡分馏系数是温度的函数，所以只需要测定两相之间的同位素比值差异就可以求得平衡时的温度。

【知识链接：平衡分馏系数】

两相间的同位素比值之商称为同位素分馏系数，而两相之间的达到同位素交换平衡时，对于同一温度，这一分馏系数是一个常数，称为平衡分馏系数。

例如，在古气候研究中，通常会出现海洋沉积物的氧-18同位素对时间的图，这种图其实就是海水温度对时间的图。因为一般而言，我们常常假设认为海水的氧同位素比值氧-18/氧-16为定值，且沉积物与沉积时的海水达到了氧同位素平衡。所以沉积物中的氧同位素比值的变化就可以表示温度的变化。

该图是Paleocene以来海洋沉积物中O同位素随时间变化和C同位素随时间变化的图，意在讨论全球气候变化与当时全球C循环、C同位素变化之间的关系。

要想准确定出温度，会期望该同位素体系容易发生很大的分馏，这样会方便对分馏的测量，定出的温度也会更准。所以，同位素测温就是利用了同位素化学性质有细小差异的特点，而示源，则更多地利用了化学性质相似的特点。

所谓示源，就是通过某一特征指标来指示样品的来源。我们期望这一指标在不同的源区具有很大差异的同时，在迁移过程中最好还能保持不变。例如，我们可以通过一位同学的口音来判断他的家乡在哪里。如果他的发音儿化音较重，则可能来自北方，如果平、翘舌不分，则多数来自南方，这就是示源。我们选取的指标是口音，因为一方面不同地域口音不同，另一方面“乡音未改鬓毛衰”。

而同位素示源的原理也与之相似。例如，不同地方的水土中Sr同位素组成都略有差异，同时Sr同位素在风化、生物过程中一般不发生显著的分馏，这样Sr同位素就可以用来示踪源区。

一项正在进行的研究表明，不同水体中的Sr同位素组成具有一定差异，而水体中生长的螃蟹的壳中的Sr同位素组成与水体中的比较接近，且同一螃蟹不同部位的Sr同位素组成也比较一致。所以Sr同位素具有指示大闸蟹产地的潜力。而中国科大金属稳定同位素地球化学实验室（www.metalisotopes.cn）也正尝试开发一种利用Sr同位素鉴定大闸蟹产地的方法。

而所谓示踪，就是利用不同过程中同位素分馏的特征不同的性质，来推测样品所经历的过程。因为不同过程所导致的同位素分馏特征具有差异，通过测量这些差异，就可以反过来制约形成、迁移过程中所经历的地质过程。例如，可以通过研究水稻土中的Fe同位素，来推测水稻土中Fe元素的迁移规律，为农业活动提供一些指导。

水稻土剖面

当然，上述仅是一个十分粗浅且不完整的概括和分类，同位素手段在地球化学领域中的应用十分广泛，更为系统和全面的介绍还要阅读相关书籍。

（三）同位素地球化学的研究方向

既然同位素具有这么多神奇的应用，那么要怎样进行同位素地球化学的研究呢？

对于这个问题，每个人都有自己的理解。这里仅根据金属稳定同位素领域（既Cu、V、Zn、Ba、Si、Cd等金属元素的稳定同位素体系）为例，对这个问题进行一些简单的说明。

要想研究金属稳定同位素，首先需要建立高精度的分析方法，能将自然界中的各种样品的同位素组成给测准。

一方面，金属稳定同位素体系的相对质量差异较小，自然界中的分馏相对也较小，甚至小于化学提纯过程中造成的分馏。

另一方面，很多金属元素在自然界含量很少，甚至是ppm级，化学流程中容易被污染。所以金属稳定同位素的分析并不容易，在全世界仅有少数几家实验室能完成样品的测量。

因此，分析方法的开发也一直是同位素地球化学领域的一个重要研究方向。

其次，要厘清自然界各种过程中的分馏机理，如吸附、扩散、结晶、沉淀、熔融等。这需要弄清楚不同的同位素体系是否发生分馏、发生多少分馏、为什么会分馏。

同等重要还有同位素应用方向的发掘。要根据不同同位素体系的各自特点，结合实际的地球科学问题，将同位素的工具应用到地球化学中的各个领域。

Ca同位素图源于作者

海洋沉积物中O同位素和C同位素随时间变化图源于W.M.White同位素地球化学课本Isotope Geochemistry

水稻土剖面源于金属稳定同位素地球化学实验室

金属稳定同位树图源于宫迎增 中国科大博士研究生

其他源于网络

撰稿：肖子聪

美编：李莹

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