第6章同位素地球化学课件.ppt
2022/12/5,第五章 同位素地球化学,1,第6章 同位素地球化学Part,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,2,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,3,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,4,它是研究地球和宇宙中核素的形成、丰度以及在自然作用中分馏和衰变规律的科学。,同位素地球化学,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,5,1. 同位素地球化学研究对象,自然界，尤其是地质作用和地质体中的同位素丰度及其演化规律,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,6,宇宙同位素地球化学地幔同位素地球化学环境同位素地球化学考古同位素地球化学食品同位素地球化学水文同位素地球化学，等。,分 支 学 科,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,7,2 同位素地球化学的研究任务,同位素的起源、演化和衰亡历史；同位素在宇宙体、地球和各地圈中的分布和分配；不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰亡与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因，据此来探索地质作用的演化历史及物质来源；利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,8,3 同位素地球化学的研究领域, 同位素地质年代学Isotope Geochronology强调时间概念，根据放射性成因同位素随时间变化的定律，测定地质体的年龄与活动历史，研究地质事件的计时，或地质运动、地球演化的时间序列；另外，放射性成因同位素示踪，可研究成岩成矿的物质来源，探讨地壳、地幔及其它星体的演化。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,9,研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种地质条件下的运动规律，并运用这些规律来解释岩石和矿石的物质来源、成岩成矿的物理化学条件、成因机制及岩矿石形成后的地质作用影响等地质问题。, 稳定同位素地球化学,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,10,4 同位素地球化学在解决地学领域 问题的独到之处,计时作用每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。 示踪作用同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,11,由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来测定成岩成矿温度。 另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等, 测温作用,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,12,5. 同位素地球化学发展现状,同位素地球化学发展迅速，已渗透到地球科学的各个研究领域，如：大地构造学、岩石学、矿床学、海洋学、环境科学、空间科学等。 主要表现在以下方面： 实验测试技术不断完善和提高；多元同位素体系的综合研究；研究领域不断扩大；各种新方法的出现 。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,13,我国同位素地球化学的研究工作从1958年开始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。学术团体： 中国矿物岩石地球化学学会同位素地球化学专业委员会；中国地质学会同位素地球化学专业委员会。另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等 。科研机构：,我国同位素地球化学的学术团体,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,14,常见同位素计时方法,1. 40K-40Ar 2. Rb-Sr3. 39Ar-40Ar 4. U-Th-Pb5. 普通铅法 6. 147Sm-143Nd7. 187Re-187Os 8. 175Lu-175Hf9. 裂变径迹法 10. 14C法,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,15,地质学中经常采用的稳定同位素,1 H(D/H) 2 O(18O/16O)3 S(34S/32S) 4 C(13C/12C)5 Sr(87Sr/86Sr) 5 Nd(143Nd)7 Pb(206Pb,207Pb,208Pb) 8 N(15N/14N)9 Si(32Si/30Si) 10 B(11B/10B)11 Cl 12 He(3He/4He)13 Mg 14 Ne/Kr/Xe15 Cu/Fe 铜和铁同位素,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,16,主 要 参 考 书,同位素地质学原理. G Faure, 科学出版社, 1985铅同位素地质. B R Doe, 科学出版社,1975锶同位素地质学. G Faure & J L Powell, 科学出版社,1975稳定同位素地球化学. J Hoefs, 科学出版社,1987氢氧同位素地球化学. 丁悌平, 地质出版社, 1988稳定同位素地质. 沈渭洲, 原子能出版社, 1987同位素地质年代学. 袁海华, 重庆大学出版社, 1987同位素地球化学. 魏菊英,王关玉. 地质出版社, 1988稳定同位素地球化学. 郑永飞,陈江峰, 科学出版社, 2000稳定同位素地球化学. J Hoefs, 海洋出版社, 2002同位素地质年代学与地球化学.陈岳龙等，地质出版社，2005,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,17,6. 同位素地球化学,6.1 自然界同位素成分变化的机理6.2 放射性同位素地球化学6.3 稳定同位素地球化学,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,18,6.1 自然界同位素成分变化的机理,6.1.1 同位素的基本内容6.1.2 自然界同位素成分的变化,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,19,6.1.1 同位素的基本内容,1. 核素和同位素 什么叫核素？由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。表示：A=N（neutron）+P（proton）,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,20, 核素性质,1）核素具有电荷2）核素具有质量3）核素具有丰度4）核素具有能量5) 核素具有放射性,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,21,同量异位素(isobar)：质子数不同，中子数不同，质量数相同的原子，也称同质异位素。等中子素(isotone)：中子数相同，质子数不同的原子；同位素(isotope) ：质子数相同，中子数不同的原子；,A=N+P 几个名词,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,22,部分核素图,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,23,具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组核素称为同位素。同位素是同一化学元素的原子，在元素周期表中占据相同的位置。因为核外电子数由原子核中的质子数决定，所以同位素具有相似的化学性质., 同 位 素,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,24,以元素的左上角标以总核子数或原子量。例如：S和O32S 、 33S 、 34S 、 35S （ 3516S ）16O、 17O、18O（ 168O ）,同位素表示法,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,25,一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中同位素最多的是Sn元素，有10个同位素：112，114，115，116，117，118，119，120，122，124自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素：Be、F、Na、Al、P等27种。其余大多数由25种同位素组成。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,26,2. 同位素的分类, 分类原则基于原子核的稳定性原子核相对稳定性判断,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,27,当原子序数Z83时，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。,Z/P与原子核的稳定性,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,28,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,29, 类 型,1）放射性同位素(unstable or radioactive isotope) 其原子核是不稳定的，它们能自发地放出粒子并衰变成另一种同位素。 2）稳定同位素(stable isotope) 原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素 。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,30,自然界已发现近340个同位素，其中放射性同位素有57种（人工合成的放射性同位素超过1200个），稳定同位素273种。Z83且A209的同位素大部分是稳定同位素，少数是放射性的，如14C、40K、87Rb、147Sm放射性外；Z83且A209的同位素都是放射性同位素, 稳定同位素和放射性同位素在 周期表中的分布,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,31,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,32,1）轻稳定同位素2）重稳定同位素, 稳定同位素类型及特点,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,33,1）轻稳定同位素,A. 原子量小，同一元素的各同位素间的相对质量差异较大（A/A5%）；B. 轻同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用造成的，其反应是可逆的。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,34,A. 原子量大，同一元素的各同位素间的相对质量差异小（A/A0.71.2%），环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成的改变；B. 同位素组成的变化主要是由放射性同位素衰变造成的，这种变化在地球历史的演变中是单方向进行的、不可逆的。,2）重稳定同位素,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,35,3. 同位素丰度, 同位素丰度 元素的原子量,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,36,描述自然界核素丰度 的两种方法1）绝对丰度指自然界各种核素存在的总量。它与组成核素的核子数量和结构有关，反映核素的稳定性。, 同位素丰度,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,37,定义：指元素同位素所占总质量的百分数例如：氧的同位素的相对丰度16O：99.763% 17O：0.0375%18O：0.1995%,2）相对丰度,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,38, 元素的原子量,以原子质量单位表示的，每个天然元素的原子量为该元素各同位素重量的加权平均值。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,39,同位素： 16O 17O 18O丰 度： 99.763% 0.0375% 0.1995%质 量： 15.99491 15.99913 17.99915O的原子量= 99.763%15.99491 0.0375%15.99913 0.1995%17.99915 =15.99929,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,40,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,41,4. 同位素成分的测定及表示方法,一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释等环节。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,42,将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上 测定的化合物，轻稳定同位素一般制成气体样品。, 制 样,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,43,例如：氧同位素有两种制样方法：还原法: 高温条件下与C还原成CO；氧化法: 用F或卤化物氧化，生成O2（精度高）。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,44, 质谱仪测定成分,质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段（MAT261，MAT251）。其工作原理：把待测元素的原子或分子正离子化，并引入电场和磁场中运动，带正电的质点因质量不同而被分离测定。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,45,1)绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示例如32S/34S，12C/13C2)对标准样品R的绝对比率差（R）：R = R样品R标准；3)样品相对于标准样品R的偏离程度的千分率=（R样R标）/R标1000 =(R样/R标1) 1000, 同位素成分表示方法,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,46,例如34S/32S相对于标准样品的富集程度，以 34S 来表示： 34S =(34S / 32S)样/(34S / 32S)标)1 1000,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,47,习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以从样品的值，直接看出它含微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化了。0表示34S比标准样品是富集了；0表示34S比标准样品是贫化了。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,48, 同位素标准样品,同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世界性的标准样品 。1) 在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为零点；2) 标准样品的同位素成分要均一；3) 标准样品要有足够的数量；4) 标准样品易于进行化学处理和同位素测定,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,49,6.1.2 自然界同位素成分的变化,1. 同位素丰度变化2. 同位素丰度变化的地质应用,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,50,1 同位素丰度变化, 与放射性衰变有关 同位素分馏 与核合成过程有关,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,51, 同位素丰度变化的地质应用, 同位素地质定年地质时钟放射性同位素地球化学或同位素地质年代学； 地球化学示踪：物质来源、地球化学过程、物理化学条件指示剂（地质温度计）。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,52,6.2 放射性同位素地球化学,同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基础建立的同位素计时方法，用以测定不同地质体和地质事件的年龄。同位素地质年代学感兴趣的是自然界存在的为数不多的一些放射性同位素核素，包括衰变速率非常慢的（如238U、235U、232Th、147Sm等）、由长寿命放射性母体衰变产生的（234U、230Th等）、由天然核反应产生的以及人工核试验产生的放射性同位素。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,53,6.2 放射性同位素地球化学,6.2.1 放射性同位素衰变定律及同位素地质年代学原理6.2.2 K-Ar法及40Ar-39Ar法年龄测定6.2.3 Rb-Sr法年龄测定6.2.4 Sm-Nd法年龄测定6.2.5 U-Pb法年龄测定,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,54,6.2.1 衰变定律及同位素地质 年代学原理,1. 放射性同位素衰变方式2. 放射性同位素衰变定律3. 同位素地质年代学的基本原理、前提及分类,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,55,1. 放射性同位素衰变方式, 与放射性衰变有关的几个术语1）放射性原子释放出粒子和能量的现象即所谓的放射性。 2）放射性衰变元素的原子核自发地发出粒子和释放能量而变成另一种原子核的过程。放射性同位素的衰变不因外界因素变化而变化，只与本身原子核性质有关。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,56,3）放射性同位素自发地发出粒子或射线，并衰变为另一种同位素者。4）衰变过程类型单衰变或单程衰变系列衰变,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,57,正在衰变的核素称为母核（体） (P)衰变的产物称为子核(D) 。 87Rb87Sr 238U206Pb,5）放射性母体(P)和衰变子体(D),2022/12/5,第五章 同位素地球化学,58, 放射性衰变方式,1）衰变2）衰变3）电子捕获衰变4）重核裂变,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,59,粒子是42He相对母体来说，子体的质子数和中子数个减少2个，质量数减少4。 23892U 23490Th+42He()+Q,1）衰变,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,60,自然界多数为衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即粒子），同时放出反中微子。衰变子体与母体比，原子序数增加1，质量数不变；4019K4020Ca+（中微子）+Q,2）衰变,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,61,母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电子（e），与质子结合变成中子，质子数减少1个。衰变结果：核质量数不变，质子数（核电荷数）减1，变成周期表上左邻的新元素 。 4019K + e4018Ar+ Q,3）电子捕获衰变,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,62,重放射性同位素自发地分裂为23片原子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散，如238U，235U，232Th都可以发生这种裂变。,4）重核裂变,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,63,放射性同位素母体与子体的关系,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,64,2 放射性同位素衰变定律, 衰变反应特性1）反应在原子核内部，结果由一种核素变为另一种核素；2）衰变反应是自发而连续进行，母体核素按恒定比例衰减；3）反应不受任何温度、压力和原子存在形式等物理化学条件的影响，衰变母、子体只是时间的函数；4）衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数 卢瑟福（1902）,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,65,1）内容在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与现存母核的原子数成正比。, 衰变定律,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,66,dN/dt=N （1）式中： N为t时刻存在的母体原子数；dN /dt是衰变速率，也就是单位时间内衰变掉的放射性母体原子数；负号表示N随时间减少；为衰变常数。,2）数学表达式,变换上式得：dN/ N = dt （2）设t=0时放射性母体的初始原子数为N0，衰变进行到时间t时剩下的未衰变母体的原子数为N，,lnNln N0 = -(T-T0)= -t (据积分公式)lnN/ N0 =t (对数运算法则)N/ N0 =et (取掉自然对数)N= N0 et或N0 =N et此式表明：任何放射性同位素随时间按指数方式衰减。这是一切放射性反应的基本公式。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,69,参数的含义,N = N0 et 或N0 =N et N现存母体数 N0原始母体数 t为时间 衰变常数，不同元素有别,随着衰变进行，母体减少，放射性成因子体增加，而现存子体原子数（D）等于衰变掉的母体数目，可表示为： D=N0-N =N0-N0e-t=N0(1-e-t ) D=N0-N=Net-N=N(et-1),2022/12/5,第五章 同位素地球化学,71,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,72,假 定,D*表示由经过t(T0T)母核衰变成的子核数，表示为： D*= N0-N=N0(1-e-t ) D*=N (et1）t=1/ln(D*/N+1)D*/N是现存子核和母核的原子数比值该方程是同位素地质年代学基础,经过t(T0T)，体系中子核数为：D=D0+D*D=D0+N0N =D0+N（ et1 ）DD0=N（ et1 ）et1=( DD0)/N变换为：t=1/ln(DD0)/N+1已知D0，测定体系中目前的放射性母体和子体的原子数，可得体系封闭以来所经历的时间。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,74,D=D0+ N0ND =D0+N(et-1)D/Ds=D0/Ds+N/Ds (et-1),2022/12/5,第五章 同位素地球化学,75,指放射性同位素衰变到它原来母体原子数一半时所经历的时间。半衰期和衰变常数之间具有一定的关系： N=N0et 取N=N0/2，代入衰变公式得 =ln2/ =0.593/ 式中为衰变常数,3）半衰期,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,76,自然界中的放射性同位素及其衰变系列,自然界中的放射性同位素按其成因可以分成3类： 1)单程衰变的同位素：40K，87Rb，147Sm，139La，等2)系列衰变的同位素：铀系、锕系、钍系、镎系3)由自然界中的核反应生成的同位素：14C，3H，等。其中1）2）类同位素的特点是衰变能量大（测定精确）、半衰期（）适中，因此在地质年代学中有重要意义。第3）类同位素的半衰期短，适用于考古学和第四纪地质学。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,77,3 放射性同位素地质年龄测定的 原理、前提及方法, 放射性同位素地质年龄测定的原理 放射性同位素地质年龄测定的前提 放射性同位素地质年龄测定的方法,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,78,同位素地质年龄的含义：同位素地质年龄是就特定的地质体而言的，测定矿石就是矿石的地质年龄，测定矿物就是矿物的地质年龄，测定岩石就是岩石的地质年龄。因此，同位素地质年龄是指利用同位素衰变定律，测定它们在某一地质事件从水溶液或岩浆熔体中沉淀、凝固、结晶或重结晶起到现在所经历的时间。, 同位素地质年龄测定的原理,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,79,同位素地质年龄测定是基于上述的放射性衰变定律。通过准确测定岩石和矿物中所含放射性母体，以及衰变子体同位素的含量，根据衰变方程式计算出岩石或矿物的年龄，方程式为：,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,80, 同位素地质年龄测定的前提,放射性同位素地质年龄测定的前提/条件：1）岩石或矿物形成以后应该保持封闭的化学体系；2）母体同位素半衰期必须与被测定地质体的年龄相仿，其衰变常数必须已准确测定；3）要准确地知道放射性母体同位素丰度；,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,81,4）放射性母体同位素的最终产物是稳定的，并能准确地测定；5）有精确地测定母子体含量地测试技术，并能有准确地扣除被测定对象中初始混入的子体同位素含量的方法；,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,82, 放射性同位素地质年龄 测定的方法,1）原生法基于放射性同位素自发衰变，利用衰变定律计算年龄，也叫直接法。原生法又可以分为3类：通过测定岩石或矿物中母子体比值计算年龄，如U-Pb法、Rb-Sr法；已知物质母体同位素的初始含量，再测定母体同位素的现今含量来计算年龄，如14C法；利用天然放射性衰变的结果并测定其现代含量来计算年龄，如普通铅法。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,83, 放射性同位素地质年龄测定的方法,2）次生法基于放射性同位素衰变时产生的射线和核裂变对周围物质作用产生的次生现象，借助于射线核裂变作用的程度来测定年龄，也叫间接法。如氧化法、裂变径迹法、热发光法，等。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,84,重点和难点,同位素概念、分类及各自特点;同位素丰度变化原因及应用；放射性同位素衰变定律及表达式；同位素地质年代学测定的原理、前提及通用的数学表达式。,2022/12/5,第五章 同位素地球化学,85,第6 章 复习思考题1,1. 同位素、稳定同位素、放射性同位素的概念2. 同位素丰度3. 同位素丰度的变异方式及其地质应用。4. 衰变定律5 同位素地质年龄测定方法的前提,
