自然界同位素及其丰度变化

原子由原子核和核外电子构成。不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子核，称为核素。核素的质子数和中子数之和等于核素的质量数。自然界存在的核素约 354 种，目前人工合成的核素可达 1400 余种。具有相同质子数的核素构成元素。一种元素的核数可以有不同数量的中子，称为同位素。它们在元素周期表上占据同一位置。核素具有质量、电荷、能量、放射性及丰度等属性。

自然界中某些化学元素和同位素可以自发地通过各种核过程（放射性衰变、裂变、中子反应等）而变成新的元素和同位素，称它们为放射性元素或同位素。另一种则称为稳定元素或同位素。它们的概念是相对的，有很长半衰期的放射性同位素由于测量技术或实际应用等问题可能未被发现。一种元素中各种同位素所占有的原子百分数称为同位素的相对丰度或同位素组成。附录中给出了天然元素的同位素丰度。

自然界同位素组成的测定表明，它们的丰度在某些元素中并非保持恒定。各种核过程可以引起同位素组成的较大变化，它们主要发生在重的放射性同位素衰变所产生的放射成因同位素中，即所谓的子体同位素中，自然界的各种物理化学过程也可引起同位素组成的微小变化，称为同位素分馏，主要发生在轻稳定同位素中。因此，以放射性衰变为主的核过程和同位素分馏是造成自然界同位素丰度变化的主要原因，这种变化和同位素在自然界中存在历史、地质环境、地球化学过程等密切相关，同位素地球化学正是利用这一点来反演、推断地质地球化学作用过程和历史。放射性衰变是地质年代学和同位素示踪的主要依据；同位素分馏则是稳定同位素地球化学的依据。

自然界同位素组成的变化具有以下一些重要特征：

绝对时标特征：由于放射性衰变、核裂变的速度不受外界温度、压力、电磁场等物理化学条件的影响，因此对于一个自然体系形成之后，并一直保持母子体元素比值不变或母子体比值变化遵循一定规律的体系，只要测定体系现在的子体同位素组成和母子体比值，就可计量体系所经历的时间，这一

特征是同位素地质年代学的理论基础。

示踪特征：当一个自然体系发生变化形成新的体系时，其元素组成和母子体比值将随之发生变化，但是，只要发生变化的时间不是相当漫长，体系的同位素组成仍保持原来的特征，这种特征与原体系母子体的比值密切相关，只要通过一定的方法确定体系发生变化时的子体同位素组成，就可追索原体系的地球化学特征和演化历史。这种示踪特征对于近代岩浆作用具有特别意义，如通过新生代玄武岩的研究可以了解地幔源的地球化学特征和演化史。由于地球已经经历了复杂的化学过程，形成了上、下地壳及上、下地幔等层圈构造，长期的母子体分异、核过程和同位素分馏作用已造成了不同层圈放射成因子体同位素和轻质量稳定同位素组成上的明显差异，因此，根据成岩成矿物质的同位素组成可以推断物质的来源及不同源区之间的混合情况。上述二个方面构成了同位素示踪研究的正演和反演两条不同的途径。

能量特征：自然界的核裂变、衰变过程同时也产生可观的能量，这些能量构成了地球演化的主要能源。可以通过放射性母子体同位素组成与分布的研究，探讨地球各区域或各层圈的能量分布情况。同时，核过程所产生的射线、粒子与碎片的动能将在物质中留下径迹和辐射损伤，这些构成了裂变径迹年代学、热发光年代学和电子自旋共振年代学等的研究领域。

物理化学特征：自然界的同位素分馏效应是物理、化学、生物化学等过程所引起的，而一切过程的速度、化学过程的平衡常数等均与环境的物理化学条件（温度、压力、氧逸度、pH 值等）密切相关，因此根据体系中不同矿物相在轻元素同位素组成上的差异。可以反推、计算体系曾经存在过的物理化学条件。

上述同位素丰度变化的四个特征便构成了同位素地质年代学和稳定同位素地球化学最基本的基础理论和研究范畴。