geochem-3[1]1

1、第三章 同位素地球化學(xué),2/44,本章主要內(nèi)容,3/44,Geochemistry,第三章 同位素地球化學(xué) Ch3 Isotope Geochemistry,第一節(jié) 同位素地球化學(xué)基本概念,,地 球 化 學(xué),4/44,,同位素地球化學(xué)是研究地殼和地球中核素的形成、豐度及其在地質(zhì)作用中分餾和衰變規(guī)律，并利用這些規(guī)律解決有關(guān)地質(zhì)地球化學(xué)問(wèn)題的科學(xué)。,一、什么是同位素地球化學(xué)？,5/44,,,核素 Nuclide同位素 I

2、sotope穩(wěn)定同位素 Stable isotope放射性同位素 Radioactive isotope同位素分餾 Isotope Fractionation同位素衰變 Isotope radioactive decay,二、同位素地球化學(xué)的一些基本概念,6/44,1. 核素核素是指具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子。例如，原子核里有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子的碳原子，質(zhì)量數(shù)是12，稱為碳-12核素，或?qū)懗?2C核素。原

3、子核里有6個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子的碳原子，質(zhì)量數(shù)為13，稱13C核素。氧元素有16O，17O，18O三種核素。具有多種核素的元素稱多核素元素。自然界僅有一種核素存在的元素稱為單核素元素，如氦、氟、鋁、鈉等20種元素。,二、同位素地球化學(xué)的一些基本概念,7/44,2. 同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一組核素稱為同位素我們可以把一個(gè)族看作一個(gè)大家庭，族內(nèi)的元素看作是兄弟姐妹。在人類的家庭中，有孿生兄弟的不太常見(jiàn)，而每個(gè)元素幾乎都存在著“孿生”

4、現(xiàn)象。如氧就是一個(gè)3孿生兄弟的集合體，鋅有6孿生兄弟姐妹。我們把元素的孿生兄弟姐妹們稱為同位素，有的元素有一個(gè)同位素，而有的元素的同位素卻多種同位素。同位素的多到十幾或二十幾個(gè)，如錫有26種同位素。同位素的特點(diǎn)是質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同，原子量也不相同。由于決定元素化學(xué)性質(zhì)的主要是質(zhì)子數(shù)和核外電子數(shù)及其排列特征；對(duì)同一個(gè)元素而言，只要質(zhì)子數(shù)相同，它的同位素之間的化學(xué)性質(zhì)就是相似的。,二、同位素地球化學(xué)的一些基本概念,8/44,3. 穩(wěn)定

5、同位素(Stable isotope)：目前技術(shù)條件下無(wú)可測(cè)放射性的同位素,4. 放射性同位素(radioactive Isotope)：凡能自發(fā)地放出粒子并衰變?yōu)榱硪环N同位素者為放射性同位素,二、同位素地球化學(xué)的一些基本概念,9/44,5. 同量異位數(shù)：質(zhì)子數(shù)不同，而質(zhì)量數(shù)相同的一組核素,如:,86Rb-86Sr144Sm-144Nd40K-40Ar-40Ca206Pb-206Tl, 204Pb-204Hg教材中表1-9,二、

6、同位素地球化學(xué)的一些基本概念,10/44,6. 同位素分餾：在地質(zhì)過(guò)程中，由于質(zhì)量差異所導(dǎo)致的輕穩(wěn)定同位素(Z<20)的相對(duì)豐度發(fā)生改變的過(guò)程。7. 同位素衰變：放射性同位素經(jīng)過(guò)自然衰變, 轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌氐耐凰氐倪^(guò)程,,二、同位素地球化學(xué)的一些基本概念,11/44,1. 同位素豐度 (isotope abundance)絕對(duì)豐度指某種同位素在所有穩(wěn)定同位素總量中的相對(duì)份額，常以該同位素與1H(取1H=1012)或28Si(

7、取28Si=106)的比值表示。絕對(duì)豐度一般由太陽(yáng)光譜和對(duì)隕石的結(jié)果得出元素組成，結(jié)合各元素的同位素組成計(jì)算的。相對(duì)豐度指同一元素各種同位素的相對(duì)含量。例如：碳有兩種穩(wěn)定同位素12C=98.10%，13C=1.10%,三、同位素豐度變化及其地質(zhì)應(yīng)用,12/44,2. 自然界引起同位素豐度變化的主要因素1) 同位素衰變(同位素年代學(xué)的基礎(chǔ))2) 同位素效應(yīng)與同位素分餾 (穩(wěn)定同位素的主要研究?jī)?nèi)容)3) 核合成: 聚合反應(yīng)

8、4) 其它：人工核反應(yīng)堆(核裂變)、核爆炸(核武器),三、同位素豐度變化及其地質(zhì)應(yīng)用,13/44,3. 同位素豐度變化的地質(zhì)應(yīng)用,1) 同位素地質(zhì)定年 (isotope dating)地質(zhì)時(shí)鐘 (geochronometer)每一對(duì)放射性同位素都是一只時(shí)鐘，自地球形成以來(lái)它們時(shí)時(shí)刻刻、不受干擾地走動(dòng)著，我們可以利用放射性同位素的這一特性測(cè)定各種地質(zhì)體的年齡，特別適合巖漿巖、顯生宙的前寒武紀(jì)地變質(zhì)地層及其它復(fù)雜地質(zhì)體的年齡。,2)

9、地球化學(xué)示蹤 (Trace)同位素成分的變化受到 環(huán)境和作用本身的影響，為此，可以用同位素成分的變異來(lái)指示地質(zhì)體形成的環(huán)境條件、機(jī)制，并能示蹤物質(zhì)來(lái)源。,3) 地質(zhì)溫度計(jì)(geothermometer) 由于某些礦物同位素成分變化與形成的溫度有關(guān)，因些可用來(lái)設(shè)計(jì)各種礦物對(duì)的同位素溫度計(jì)來(lái)測(cè)定成巖-成礦溫度。,4) 其它 同位素技術(shù)還可以用于礦產(chǎn)勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào),三、同位素豐度變化及其地質(zhì)應(yīng)用,14/44,四、同位素

10、分析技術(shù),TIMSMc-ICP-MSSHRIMPLA-Mc-ICPMS,15/44,special high resolution ionic mass probe,質(zhì)譜儀,16/44,Geochemistry,第三章 同位素地球化學(xué) Ch3 Isotope Geochemistry,第二節(jié) 同位素年代學(xué)基本原理,,地 球 化 學(xué),17/44,地球的年齡是多少？是怎么獲得的？如何測(cè)定一個(gè)地質(zhì)體的年齡？同位素年齡在地質(zhì)

11、學(xué)研究中有何意義？,,18/44,,19/44,要求掌握的內(nèi)容,同位素衰變的概念與同位素衰變形式放射性衰變定律同位素地質(zhì)年代學(xué)原理同位素方法測(cè)定地質(zhì)年齡的前提條件同位素測(cè)年方法分類,20/44,放射性衰變 isotope radioactive decay ：放射性同位素經(jīng)過(guò)自然衰變, 轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌氐耐凰? 結(jié)果母核素不斷減少, 而子核素不斷增加, 從而改變著母核素和子核素的成分,它是放射性原子核的一種特性, 不受外界物

12、理化學(xué)條件的影響。,一、放射性衰變與同位素衰變形式,21/44,,1. α-衰變(ALPHA DECAY) ：放射性母核放出α粒子。,由上式可見(jiàn)，新核的同位素原子序數(shù)比母核少2，質(zhì)量數(shù)少4。自然界的重同位素如235U、238U、232Th等都以α-衰變?yōu)橹鳌?例如：,一、放射性衰變與同位素衰變形式,22/44,,2. β-衰變(Beta Decay)，也稱負(fù)電子衰變：即放射性母核中的1個(gè)中了分裂為一個(gè)中子分裂為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子(

13、即β-粒子)，同時(shí)放出反中微子γ其通式為：,衰變的結(jié)果是，核內(nèi)減少一個(gè)中子，增加1個(gè)質(zhì)子，新核素的質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)加1，變成周期表右側(cè)相鄰的新元素,一、放射性衰變與同位素衰變形式,23/44,很多放射性核素通過(guò)發(fā)射帶正電荷的電子(正電子)而衰變。正電子發(fā)射被認(rèn)為是核中的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，正電子和中微子。顯然，其衰變的產(chǎn)物與電子捕獲相同。正電子衰變產(chǎn)生的于核是同量異位素，并且比母核少一個(gè)質(zhì)子。,3. 正電子衰變(β+),一、放射性衰變

14、與同位素衰變形式,24/44,,4. 電子捕獲：是母核自發(fā)地從核外電子殼層捕獲一個(gè)電子(e)，與質(zhì)子結(jié)合變成中子，質(zhì)子數(shù)減少1個(gè)，通式為：,這是β-的逆向變化。由于電子捕獲過(guò)程通常是在K層上吸取一個(gè)電子，因此也稱為K層電子捕獲。衰變的產(chǎn)物為質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)(核電荷數(shù))減1，變成周期表上左鄰的新元素。如：,一、放射性衰變與同位素衰變形式,25/44,,放射性同位素經(jīng)過(guò)一次衰變，形成穩(wěn)定子體同位素的過(guò)程，稱作單衰變。如87Rb經(jīng)過(guò)一次β—

15、衰變，變成穩(wěn)定同位素87Sr。,5. 單衰變與系列衰變的概念,一、放射性衰變與同位素衰變形式,26/44,,位于化學(xué)元素周期表后面的一些重同位素，需要經(jīng)過(guò)一系列衰變，才能最終形成穩(wěn)定同位素。這樣的衰變過(guò)程稱作系列衰變。如238U經(jīng)過(guò)8次α衰變和6次β—衰變，最終才能形成穩(wěn)定同位素206Pb。至今存在于地球上而又能用于地質(zhì)年齡測(cè)定的天然系列衰變有鈾系(238U)、錒系(235U)和釷系(232Th),一、放射性衰變與同位素衰變形式,5.

16、 單衰變與系列衰變的概念,27/44,238U→206Pb,235U→207Pb,一、放射性衰變與同位素衰變形式,28/44,232Th↓208Pb,一、放射性衰變與同位素衰變形式,29/44,,,我們把正在衰變的核素稱為母核(體)，衰變的產(chǎn)物稱為子核(體)。自然界的放射性同位素雖然衰變的方式和產(chǎn)物不同，但都服從一個(gè)放射性衰變定律，即：在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)放射性母核衰變?yōu)樽雍说脑訑?shù)與母核原子數(shù)成正比。,二、放射性衰變

17、定律,30/44,,,,△N∝N?△t,其中N：在 t 時(shí)刻未衰變完母核的原子數(shù)-dN/dt ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所衰變的原子數(shù)λ：衰變速率常數(shù)，簡(jiǎn)稱衰變常數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)衰變幾率，用1/年、1/秒表示,二、放射性衰變定律,31/44,,,,,lnN - lnN0=-λ(T- T0)=-λt,ln(N /N0)=-λt N/N0=e-λt N=N0e-λt

18、 (2)此式說(shuō)明，放射性同位素原子核的總核數(shù)隨著時(shí)間的減少服從于指數(shù)定律。這是放射性衰變基本定律，也是同位素地質(zhì)年代學(xué)的基本公式。,假設(shè)：T0時(shí)刻母核的原子數(shù)為N0，經(jīng)過(guò)t時(shí)到達(dá)T時(shí)刻，母核的原子數(shù)為N，N的數(shù)值可以對(duì)上式積分求得：,二、放射性衰變定律,32/44,放射性同位素（N）隨時(shí)間衰減，子核（D）隨時(shí)間增長(zhǎng)的理論曲線,二、放射性衰變定律,33/44,放射性計(jì)時(shí)器的原理,二、放射性衰變定律,,34/44,,,,半衰期(Half

19、-life) ：母核衰變?yōu)槠湓藬?shù)的一半所經(jīng)歷的時(shí)間，用T1/2表示。,由 N/N0=e-λt,→,1/2=e-λT1/2,兩邊取對(duì)數(shù)：,-ln2 =-λT1/2,T1/2 ≈ 0.693/λ (3),二、放射性衰變定律,35/44,,Dr = N eλt –N=N(eλt-1) (4),假設(shè)：以Dr表示由經(jīng)過(guò)t(T0→T)母核主成的子核數(shù)，則： Dr=N

20、0-N 把N0=N eλt 代入上式,經(jīng)整理得：,Dr/N是現(xiàn)存子核和母核的原子數(shù)比值。 上述兩式是同位素年齡測(cè)定的基本公式，不同的同位素年齡測(cè)定方法都是以此為計(jì)算公式的。,三、 同位素年代學(xué)的基本原理,36/44,,,實(shí)際上現(xiàn)在測(cè)定的子體不一定都是放射性成因，在地質(zhì)體（如巖石、礦物）形成時(shí)就已經(jīng)存在。設(shè)現(xiàn)在測(cè)定的子體總數(shù)為D，地質(zhì)體形成時(shí)的子體數(shù)為D0，則：,D=D0+Dr,

21、 Dr=D-D0,D= D0+N(eλt-1) （6）,即：,三、 同位素年代學(xué)的基本原理,37/44,相應(yīng) 的（5）式改寫為,三、 同位素年代學(xué)的基本原理,38/44,三、 同位素年代學(xué)的基本原理,dN/dt = -λN N = N0 e-λt N0 = N eλtDr = Neλt –N = N(eλt -1)D = D0+N(eλt -1),放射性衰變規(guī)律主要表達(dá)式,(1)(2)(3)

22、(4)(5)(6),39/44,要利用公式t=(1/λ)ln[1+(Dr/N)]來(lái)測(cè)定巖石礦物年齡，應(yīng)滿足以下條件：,就有適當(dāng)?shù)陌胨テ?，這樣才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時(shí)母核也未衰變完。如果半衰期太長(zhǎng)，就是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史也積累不起顯著數(shù)量的子核；如果半衰期太短，沒(méi)有多久，母核幾乎衰變完了，也就是我們已經(jīng)測(cè)不到母核了。,四、放射性同位素年齡測(cè)定的前提條件,40/44,所測(cè)定同位素的衰變常數(shù)的精度能滿足要求,放射性同位素就具有較高的

23、地殼豐度，在當(dāng)前的技術(shù)條件下能以足夠的精度測(cè)定它及它所衰變的子體含量。,四、放射性同位素年齡測(cè)定的前提條件,要利用公式t=(1/λ)ln[1+(Dr/N)]來(lái)測(cè)定巖石礦物年齡，應(yīng)滿足以下條件：,41/44,,保存放射性同位素的礦物或巖石自形成以后一直保持封閉系統(tǒng)，即沒(méi)有增加或丟失放射同位素同位素及其衰變產(chǎn)物。,礦物、巖石結(jié)晶時(shí)，只含某種放射性同位素，而不含與之有蛻變關(guān)系的子體或雖含部分 子體，其數(shù)量變是可以估計(jì)的。,四、放射性同位素年齡

24、測(cè)定的前提條件,要利用公式t=(1/λ)ln[1+(Dr/N)]來(lái)測(cè)定巖石礦物年齡，應(yīng)滿足以下條件：,42/44,目前地質(zhì)上使用的同位素測(cè)年方法,43/44,同位素測(cè)年方法,目前，對(duì)前新生代，較為成熟和最常用的同位素測(cè)年 有：,U-Th-Pb法,K-Ar 法 和 39Ar-40Ar法,Rb-Sr 法,Sm-Nd 法 (La-Ce法，Lu-Hf法),Re-Os 法 (Os-Os法),測(cè)定第四紀(jì)同位素年代的方法主要有14C法,44/44

25、,思考題：,一、掌握基本概念(同位素、放射性同位素、穩(wěn)定同位素）二、同位素衰變： 放射性衰變、主要放射性衰變形式、單衰變(舉例說(shuō)明)、系列衰變(舉例說(shuō)明)、半衰期三、同位素衰變定律(基本公式),45/44,在十九世紀(jì)末，地球年齡的問(wèn)題引起了很多熱烈的爭(zhēng)論。赫姆霍茲計(jì)算出一個(gè)2千2百萬(wàn)年的可能年齡?？藸栁募俣ǖ厍蜃畛踉?jīng)熔融，估計(jì)需要2-4億年才會(huì)冷卻到現(xiàn)存這樣低的地表熱流。達(dá)爾文在他的月球可能從地球分離出去的研究中，得出一個(gè)5

26、千7百萬(wàn)年的數(shù)值。地質(zhì)學(xué)家喬利用海洋里鈉的聚積速率，計(jì)算出海洋的年齡為8—9千萬(wàn)年。在1893年里德根據(jù)沉積速率的研究，計(jì)算出從寒武紀(jì)開(kāi)始以來(lái)經(jīng)歷了6億年。古德蔡爾德根據(jù)同樣的方法計(jì)算得出7億年。,關(guān)于地球的年齡,46/44,在1898年貝克雷爾發(fā)現(xiàn)了天然放射性；在1903年皮埃爾·居里和拉博德觀察到鐳特有的比它的環(huán)境更高的溫度；三年以后，R，J．斯特拉特(后來(lái)的雷利)發(fā)現(xiàn)所有巖石都有放射性特征，并向皇家學(xué)會(huì)作了“關(guān)于在地

27、殼中鐳的分布和關(guān)于地球內(nèi)部熱量”的演講。放射性同位素的發(fā)現(xiàn)宣告了所有老的地球年齡估計(jì)的終結(jié)。,關(guān)于地球的年齡,47/44,1904年盧瑟福建議根據(jù)放射性礦物里的氦的積聚速率來(lái)計(jì)算巖石的年齡。博爾特伍德和雷利采納了這個(gè)建議，并且博爾特伍德在指出鉛是鈾的衰變的最終產(chǎn)物之后，建立了U-Pb法。 1931年，霍姆斯根據(jù)相關(guān)研究，已能得出以下結(jié)論：地球的年齡超過(guò)1460Ma，或許不少于1600Ma，而大概比30億年要少得多。,關(guān)于地球的年齡

28、,48/44,關(guān)于地球的年齡,49/44,華北克拉通上已發(fā)現(xiàn)了大量的>3.0Ga的巖石，目前報(bào)道的最老的巖體是白家墳奧長(zhǎng)花崗巖巖體(3.8Ga),關(guān)于地球的年齡,50/44,關(guān)于地球的年齡,51/44,T0-地球的年齡；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0,根據(jù)地球上巖石鉛估計(jì)的地球年齡,關(guān)于地球的年齡,52/44,(據(jù)安德斯，1963),石隕石的K-Ar年齡頻率分布圖,關(guān)于地球的年齡,53/44

29、,關(guān)于地球的年齡,當(dāng)前采用的值：(206Pb/204Pb)0=9.307； (207Pb/204Pb)0=10.294；(208Pb/204Pb)0=29.476,T0-地球的年齡；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0,54/44,關(guān)于地球的年齡,55/44,隕石Pb-Pb等時(shí)線年齡,關(guān)于地球的年齡,56/44,隕石的Rb-Sr年齡,關(guān)于地球的年齡,57/44,隕石Rb-Sr等時(shí)線年齡,關(guān)于地球的年齡