1. Khái niệm cơ bản

Trước khi đi vào mô tả các hệ đồng vị bền cụ thể, cần thiết phải xem xét một số khái niệm cơ bản

Tỉ lệ các đồng vị bền đo được trên mẫu đối sánh với mẫu chuẩn và được thể hiện bằng phần nghìn (‰), ký hiệu bằng đại lượng d. Ví dụ đối với đồng vị oxy, giá trị d được tính toán như sau:

d¹⁸O⁰/₀₀ =	¹⁸O/¹⁶O_(mẫu) - ¹⁸O/¹⁶O_(chuẩn)	´ 1000
	¹⁸O/¹⁶O_(chuẩn)

Nếu giá trị d¹⁸O = +10 có nghĩa là mẫu giàu ¹⁸O hơn 10 ‰ so với mẫu chuẩn, nếu giá trị d¹⁸O = -10,0 có nghĩa là mẫu nghèo ¹⁸O hơn mẫu chuẩn 10 ‰.

Sự phân đoạn đồng vị

Mục đích chủ yếu của việc nghiên cứu đồng vị bền chính là nghiên cứu các quá trình trong tự nhiên ở đó các đồng vị chia tách ra trên cơ sở khối lượng của chúng, mà không phải trên cơ sở hoá học. Điều này được biết như là sự phân đoạn đồng vị (isotopic fractionation) xảy ra trong tự nhiên theo 3 cách khác nhau:

a) Phản ứng trao đổi đồng vị. Phân đoạn đồng vị có thể xảy ra trong phản ứng trao đổi thông thường, ví dụ oxy được trao đổi giữa hai khoáng vật thạch anh và magnetit:

2Si¹⁶O₂+ Fe₃¹⁸O₄ = 2Si¹⁸O₂ + Fe₃¹⁸O₄

Phân đoạn đồng vị chịu sự chi phối của mối liên kết hoá học bền vững và theo nguyên tắc chung là đồng vị nhẹ hơn sẽ tạo nên mối liên kết yếu hơn so với đồng vị nặng.

b) Các quá trình động lực. Phân đoạn đồng vị bền chịu sự kiểm soát của chế độ động lực và phản ánh xu hướng của đồng vị riêng lẻ tham gia phản ứng. Hiệu quả động lực chỉ quan sát được khi phản ứng xảy ra không quá phức tạp.

c) Các quá trình hoá-lý như quá trình bốc hơi, quá trình cô đặc, nóng chảy, kết tinh và khuyếch tán.

Sự phân đoạn đồng vị giữa hai chất A và B có thể xác định bằng chỉ số phân đoạn a như sau:

a_A-B =	Tỉ lệ đồng vị trong A
	Ti lệ đồng vị trong B

Ví dụ, trong phản ứng mà ở đó đồng vị ¹⁸O và ¹⁶O được trao đổi giữa 2 khoáng vật thạch anh và magnetit, sự phân đoạn ¹⁸O/¹⁶O giữa thạch anh và magnetit được biểu diễn là:

a_thạch_{anh - magnetit} =	(¹⁸O/¹⁶O)_{trong thạch anh}
	(¹⁸O/¹⁶O)_{trong magnetit}

ở đây ¹⁸O/¹⁶O là các tỉ lệ đồng vị đo được trong khoáng vật thạch anh và magnetit cộng sinh.

Các giá trị a thường xấp xỉ một đơn vị. Ví dụ, hệ số phân đoạn của ¹⁸O giữa thạch anh và magnetit ở 500^oC = 1,009.

Hệ số phân đoạn giữa các khoáng vật cũng có thể được xác định theo công thức:

1000ln a_{kh.vật1 - kh.vật2} = A(10⁶/T²) + B

ở đây T là nhiệt độ tính bằng Kelvin, A và B là những hằng số thực nghiệm.

Nhiệt độ có vai trò rất quan trọng kiểm soát sự phân đoạn đồng vị bền, và được áp dụng rất hữu hiệu trong nghiên cứu các cặp nhiệt kế đồng vị.

Sự biến đổi tương đối của thể tích trong phản ứng trao đổi đồng vị không đáng kể, vì vậy ảnh hưởng của sự biến đổi áp suất tới phản ứng rất nhỏ.

Trong một số trường hợp, phân đoạn đồng vị chịu sự kiểm soát của yếu tố động lực. Ví dụ quá trình khử sulphat của nước biển thành sulphid (do vi khuẩn gây ra) đối với đồng vị nhẹ ³²S xảy ra nhanh hơn 2,2% so với đồng vị nặng ³⁴S.

Trong phân đoạn đồng vị, nhờ khuyếch tán đã khiến đồng vị nhẹ giàu lên so với đồng vị nặng theo hướng di chuyển. Khi chưng cất đồng vị nhẹ được làm giàu. Tính chất này được dùng để nghiên cứu các quá trình bay hơi hoặc cô đặc nước khí tượng.

Thành phần hoá học của đá ảnh hưởng rất không đáng kể tới quá trình phân đoạn đồng vị, trong một số trường hợp, các đồng vị nặng đi cùng với các nguyên tố có thế ion cao. Điều này thấy rõ trong phân đoạn ¹⁸O giữa thạch anh và magnetit: thạch anh gồm các ion Si⁺⁴bán kính nhỏ điện tích cao nên giàu ¹⁸O, còn magnetit với ion Fe⁺² lớn và điện tích thấp nên nghèo ¹⁸O.

Các đồng vị nặng thường tập trung trong các cấu trúc tinh thể có mối liên kết chặt chẽ hơn. Sự khác biệt của đồng vị carbon giữa kim cương và graphit đã được biết rõ, cũng như có sự khác biệt về đồng vị giữa calcit và aragonit. Tương tự như vậy, có sự trao đổi về ¹⁸O giữa thạch anh a và thạch anh b.

Ngoài ra, Dickson (1991) cho rằng, trong cùng một tinh thể, những bề mặt tinh thể khác nhau cũng có thành phần đồng vị khác nhau do chúng có đặc điểm liên kết hoá học khác nhau.