《同位素地球化学》教学大纲.doc

同位素地球化学教学大纲(36学时，选修) 一、同位素地球化学课简介： 同位素地球化学是地质学与化学、物理学、质谱学以及高精密分析测试和实验技术相结合的新型学科。随着人类对地球起源、演化历史及其物质组成等方面的研究和对其它星球的探索，同位素地球化学日益占有重要地位。因此，我国的许多高等地质院系都先后开设同位素地球化学课或专题讲座。我系是从l 985年起就开始开设同位素地球化学课(36学时)，并编写了教材，这在当时是全国较早的。 1同位素地球化学是利用元素的稳定和不稳定同位索及其丰度上的变化进行地质研究的一门学科。同位素地球化学研究的领域包括两方面；即同位素地质年代学和稳定同位家地球化学。它研究的基本任务是： 1)研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史。 2)研究同位素在宇宙体、地球和各圈层中的分布分配、不同地质体中的丰度以及同位素在地质作用中活化、迁移、富集、亏损、衰变与增长的规律和变异原因，据此来探讨地质作用的演化历史和物质来源。 3)利用放射性同位素的衰变建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同的天体事件和地质事件的年龄，并做出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时间标准。 2同位素地球化学的特点： 1)同位素地球化学的兴起、发展和研究手段都依赖于质谱计和高精密分析测试技术因为大部分同位素含量甚微，只有精密准确的分析测试才能测出其丰度和丰度的变化，进而用来研究解释地质问题。 2)同位素地球化学与许多学科密切相关，如与地球物理学、大地构造学、地史古生物学、岩石、矿床、海洋、水文、环境学科和空间科学等。如前寒武纪地史和地质研究，主要是根据同位素年龄将前寒武纪划分为太古代(25亿年前)和元古代(256亿年)。另外，板块学说的产生，其重要依据之一就是同位素年龄数据。在六十年代上地蛆计划、七十年代深海钻探计划、八十年代岩石圈计划这些国际性合作研究中，都把同位家地球化学列为重点研究项目和内容之 3同位素地球化学是新型的发展学科：自1895年德国WKR。n8en(伦琴)发现x射线，19l 3年F，Soddy(索迪)提出同位素的概念，同年JJThomson汤姆逊)发现第一个氖元素的同位素到现在，百年来同位素地球化学迅速发展，尤其是七十年代以来，由于计算机、高精度的质谱计，微量和超微量化学分析技术和中子活化测量技术的发展和应用，使放射性同位素年龄测定的准确度不断提高，应用范围日益扩大，如研究地壳、地幔演化历史，上地幔和下地壳的过渡关系，太古代杂岩体的形成及太阳系物质的年代测定等。在稳定同位家方面，除O、C、S、H等同位素广泛应用于矿床成因和物质来源、岩浆成因、火山岩、蚀变作用、陨石月岩外，Rb、Sr、Pb、Nd等同位家在研究地完演化、地腹特征、岩石成因的示踪方面也取得显著进展。此外，惰性稀有气体3He、4He、36Ar、38Ar、40Ar等在火山、岩浆、地震、海洋研究中也起了重要示踪作用。 二、同位素地球化学课的教材： 本课选用的教材，是地矿部地球化学课指会1987年11月召开的全体成员审稿会上，确定作为我国高校统编教材出版的，北京大学魏菊英、王关玉编的同位素地球化学。在实际教学中，我们还补充了部分学科发展的新内容(见后)。三、同位素地球化学课中增加的新内容： 同位素地球化学是地球化学中应用最广泛，发展最快的分文学科之一，我们所选教材是1988年出版的，十余年问同位素地球化学又有了新发展，因而我们在实际教学中补充了部分学科的新内容，又因我们授课的对象是地质专业的学生，所以补充内容主要是稳定同位素示踪应用方面的材料。补充的内容如下： 1稳定同位素示踪应用方面： 钕同位素和锶-钕同位素的地质应用地烃和地壳中Nd同位素的演化；利用SrNd同位素判断花岗岩和不同类型玄武岩的源区；利用Nd同位素综合分析火山作用的演化。 铅同位素在岩石学的应用：地壳类型的划分；判别板块构造环境；地援的不均一性和交代地幅的助同位素示踪。 铅同位素在矿床中的应用：利用Pb同位素研究矿床成因、物质来源、划分成矿带、确定成矿期和成矿规模、应用Pb同位素评价金属矿床。 利用氧同位素区别正副变质岩，确定岩浆岩形成次序，沉积岩层对比等。 稀有气体He、Ne、Ar、Rb在研究地震、海洋、地热和在研究地球探部来源天然气中的应用。 碳同位素在金属矿床方面的应用。 碳同位素地层学2放射性同位素方面： ReOs法年龄测定 “Be的成因和在板块活动中、测定海洋沉积速率方面的应用。 四、本课程的结构： 本课分为同位素地质年代学(第一章-第五章)和稳定同位素地球化学(第六章-第十章)两大部分： 第一章 同位素地质年代学的基本原理。 第二章- 第五章；同位素地质年龄测定方法。RbSr法；KAr法EuThPb法；SmNd法；“C法以及ReOs法的基本原理、年龄计算和应用范围。 第六章 稳定同位京地球化学基础。 第七章- 第十章：H、O、C、S同位素的分馏、地球化学特点和地质应用。稀有气体He、Ar、Rn和Sr、Nd同位素的地质示踪。五、同位素地球化学课的要求； 1同位素地球化学是地球化学的分支学科，要求学生具备无机化学，物理化学、高等数学和地质学、矿物学、岩石学等基础知识。 2由于各种放射同位素测年原理和稳定同位宗分馏机理相似，要求同学在学习时注意学习方法，联系对比，举一反三，加深知识的理解。 3学习了本课后，要求同学掌握同位素地球化学的基本概念和理论，掌握同位素计时的原理和方法，掌握稳定同位素的地化性质、分馏和在地质作用中的示踪作用，了解地化样品采集的要求。六、同位素地球化学授课的内容和学时分配、进度表(36学时)同位素地球化学教学内容 计划学时教学进度绪论 1第一章同位索地质年代学的基本原理 4第二章Rb- Sr衰变体系4第三章K-Ar衰变体系2第四章U-Th-Pb衰变体系5第五章其它年龄测定法(SmNd、ReOs、14C)2第六章稳定同位素基础 4第七章H、O同位素地球化学 6第八章碳同住家地球化学 3第九章硫同位素地球化学 3第十章其它稳定同位素地球化学 1课堂讨论：多个同位素的联合示踪应用 1课外参观；授课期间组织学生参观中科院西安黄土所的国家开放实验室的质谱计和稳定同位素氢、氧、碳等同位素制样仪器 七、同位素地球化学教学大纲(大纲中有*号者为补充内容)绪论：同位素地化研究的对象、定义、任务。同位素地化研究的概况及发展史。第一章有关放射性衰变的基本理论第一节 有关放射性衰变的基本概念；一、核素、核子、超于、介子、轻子、同位素、同量异位素、同中异位素、等中子过量素、同位素自然丰度 二、放射性衰变，母体、子体、衰变、g衰变、丫衰变，轨道电子俘获，重核裂变，分支衰变，单衰变，系列衰变。 三、放射性衰变定律公式，半衰期，衰变常数入，活度，连续衰变规律。 第二节 天然放射性同位素及其计时原理。 一、天然核衰变，聚变，短寿命放射性同位素，长寿命放射性同位素，三个衰变系列。 二、同位素计时的原理、前提、同位素计时方法分类，。质谱计简介。 第一章讲课重点；1有关放射性衰变的概念；2衰变定律公式。 第一章复习题： 一、名词解释：放射性衰变。衰变g衰变Y衰变单衰变衰变系列分支衰变衰变常数人半衰期核裂变轨道电子俘获长寿命放射性元素。 二、什么叫同位素计时7同位素计时的原理和前提是什么7写出天然放射性元素的衰变定律公式。第二章Rb-Sr衰变体系 第一节 自然界中的Rb和Sr 一、Rb的概述，Rb在岩石中分布分配，Rb的天然同位素组成。 二、Sr的概述，Sr在岩石中的分布分配，Sr的天然同位素组成。 三、RbSr比值，地球锶的演化 第二节RbSr法原理和年龄计算，表面年龄计算举例。 第三节 RbSr等时线法年龄、等时线法的意义和原理，一套同源岩石中Rb/Sr演化的等时线实例，等时线年龄对样品的要求。 第四节 陨石、月岩的RbSr年龄，陨石的(87Sr86Sr)初始比值。 第五节 岩浆岩(探成岩、火山岩)、变质岩、沉积岩RbSr等时线年龄和(87Sr86Sr)。初始值的意义。 第二章讲课重点：地球Sr同位素的演化；RbSr等时线法年龄计算的原理、方法。 第二章复习题： 一、试述RbSr等时线法年龄测定的基本原理，写出(“Sr86Sr)的增长方程，作图说明一套同源岩石中RbSr演化的等时线图。 二、如何根据(“Sr86Sr)。初始比值的数值，来判断花岗岩和火山岩的物质来源和产出的地质环境。第三章 KAr衰变体系 第一节 自然界中K、Ar的同位素，大气氩、过剩氩 第二节 KAr法年龄计算原理、公式和实例。 第三节 KAr等时线法 第四节 (40Ar39Ar)计时原理和方法，年龄谱、坪年龄、(40Ar39Ar)等时线。 第五节 影响KAr法年龄数据的因素及KAr法优缺点。(自学) 第三章讲课重点；(40Ar39Ar)计时法 第三章复习题： 一、名词解释：大气氩；过剩氩；年龄谱；坪年龄；一致年龄谱和不一致年龄谱 二、(“Ar39Ar)法的计时原理是什么? 三、影响xAr法年龄数据的因素是什么?第四章 UThPb衰变体系 第一节 自然界中的U、Th、Pb，原生铅、原始铅、放射性成因铅。 第二节 UTh一Pb年龄计算原理和方法。 第三节 UThPb不一致年龄的处理；谐和图法、两阶段模式法，等时线法，不一致年龄的解释。 第四节 铅同位素演化和普通铅计时：普通铅，正常铅、异常铅、。卡农三角形、正常铅HH法年龄测定、异常铅年龄测定。 第五节 铅同位素在岩石学中的应用；地壳类型的划分，判断板块构造环境，地幔的不均一性和交代地幔的Pb同位素示踪。铅同位素矿床学中的应有：利用Pb同位素研究矿床成因、物质来源，划分成矿带，确定成矿朗和成矿规模，应用Pb同位素评价金属矿床。 第六节 U ThPb法对样品的要求及优缺点(自学)。 第四章 讲课重点：”谐和图法；正常铅年龄测定 第四章复习题： 一、名词解释；原始铅放射性成因铅普通铅正常沿异常铅模式年龄HH法年龄公式；卡农三角形值、v值、w值的意义。 二、用谐合图法处理UThPb法不一致年龄的原理是什么?并在图上标出一致曲线和不一致直线，说明上、下交点的意义。 三、说明Pb-Pb等时线法的原理和优点。 四、简述Pb同位素在岩石学和矿床学上的应用第五章 其它年龄测定方法 第一节 SmNd法：SmNd法原理，等时线年龄。 第二节 “C法：自然界中的碳和“C，交换碳、死碳、放射性比度、现代碳标准、“C法测年原理和年龄计算。大气圈中“C含量变化对测年的影响。 第三节U系不平衡法年龄测定和裂变径迹法简介(自学) 第四节 Re-Os法 第五节 Be的成因和应用 第五章讲课重点SmNd等时线年龄；“c法的有关概念。 第五章复习题： 名词解释：CHUR(球粒陨石均一库)；交换碳；死碳；现代碳及现代碳标准；休斯效应；放射性比度 二、简述Sm-Nd法测年的原理和模式年龄计算公式。第六章 稳定同位素基础 第一节 同位素组成和同位素分馏的表示方法；8值、分馏系数。、同位素标准、Smow、PDB、CDT。 第二节 同位素效应；物理效应、热力学效应、动力学效应 第三节 同位素平衡分馏，同位宗交换反应及特点，影响同位素平衡分馏的因素，瑞利分馏。 第四节 同位素动力学分馏 第六章讲课重点：同位素组成和分馏的表示方法(公式)及基本概念、标准样品。 第六章复习题 名词解释；同位素分馏作用8值分馏系数。同位家效应同位素交换反应Sm。wPDBCDT端利分馏。第七章 H、O同位素地球化学 第一节 H、O同位素分馏机理；自然界中H、O同位素；H的平衡分馏及平衡时含水矿物中D含量由高到低州顺序；O同位素分馏及含O矿物 水之间的氧同位素平衡分馏曲线及次序。 第二节 陨石、月岩中的H、0同位素组成及意义。 第三节 大气圈、水圈中的H、O同位素： 1大气H、O的同位素特点，大气CO2中O同位素特点； 2大气水同位素组成及变化规律：纬度效应、海拔效应、大陆效应、季节效应、降水量效应、雨水线方程、影响大气水同位素组成的基本原因； 3海洋水H、O同位素组成特征，影响海水同位素组成的因素； 4地热水、热卤水中H、O同位素组成特征 5岩浆水、变质水中H、0同位素组成特征。 第四节 岩石(火成岩、沉积岩、变质岩)中H、o同位素组成，高岭石线； 第五节 H、()同位素地质应用：同位素地质温度计、共生矿物达到平衡时6lo次序、成矿热液来源和矿床成因判断、古海洋测温区别正副变质岩、确定岩浆岩形成次序、确定沉积岩地层层序和地层对比等。 第七章 讲课重点：大气水同位素组成和变化规律，海水、地热水、热卤水H、o同位素组成特征。 第七章复习题 一、名词解释：雨水线(雨水线方程)高岭石线同位素地质温度计同位素的年代效应 二、含水矿物(云母、角闪石类)在平衡分馏与动力分馏中8D降底的次序 三、大气水同位家组成的特点及影响大气水同位家组成的基本原因是什么7 四、地热水和热卤水的H、O同位素组成特点。 五、各类火成岩岩石和矿物的氧同位素组成有什么特点，造成这些特点的原因是什么? 六、在乎衡条件下形成的共生火成岩的矿物，其氧同位素6180依次降低的次序是什么?七、同位素测温的基本原理是什么?对用来测温的矿物有何要求?八、简述氧同位素的地质应用。第八章 碳同位素地球化学 第一节 自然界中的碳同位素、碳同位素分馏、平衡分馏时碳化合物的818c变化次序。 第二节 陨石、月岩的碳同位素组成。 第三节 地球系统中碳同位素组成；火成岩、金刚石、石墨大理岩、淡水碳酸盐、海水碳酸盐中的18C； 第四节 碳同位素的地质应用； 1碳同位素地层和地质事件； 2碳同位素地质温度计； 3有机矿产的分类对比与其性质确定：煤及煤系中CH4的18C值和意义；石油的18C值和意义(成熟度、生油母岩的沉积环境，贮油层的年龄、油层对比、确定生油层序)；天然气的18C值及其应用：形成温度、深度、成因、确定油气成熟度；碳同位家在金属矿床中的应用举例； 第八章讲课重点：碳同位素的应用 第八章复习题； 1如何利用碳同位素区分火成碳酸盐、淡水碳酸盐和海相碳酸盐? 2简述碳同位素在有机矿产方面的应用。第九章 硫同位素地球化学 第一节 自然界中的s同位素、硫同位素分馏机理，硫化物一H2S达到平衡时硫化物中34S富集的次序。 第二节 陨石、月岩、地球岩石中的34S组成， 第三节 硫同位素地质应用：1硫同位素测温2硫化物热液矿床成因及其硫源的判断：日本黑矿成因南京栖霞山铅锌矿研究 3有机矿产成因研究煤石油。 第九章讲课重点：硫同位素地质应用 第九章复习题： 1当硫化物 H2S达到平衡时，硫化物中富集34S 的次序是什么? 2各类岩石中硫同位素组成有什么特征7 3简述硫同位素的地质应用。第十章 其它稳定同位素 第一节 钕同位素和锶一钕同位素的地质应用；地幔和地壳中Nd同位素的演化；利用SrNd同位素判断花岗岩和不同类型玄武岩的源区；利用Nd同位素综合分析火山作用的演化。 第二节 稀有气体的地质应用：地球中的稀有气体；He、Ar、Rb等稀有气体在地震、海洋、地热和地球深处来源天然气中的应用。 第十章教学重点：Nd和稀有气体的地质应用“ 第十章复习题： 一、简述Nd同位素的地质示踪作用。 二、简述稀有气体的地质应用。 课堂讨论： 题目；多种同位素联合示踪作用。同位素地球化学的参考文献 1中国同位素地球化学研究P5263，P196207P294618；于津生主编，1997年4月科学出版社； 2稀有气体同位素地球化学和宇宙化学F207 214，P218225，P227 232；王先彬 ，1989年3月，科学出版社， 3微量元素地球化学原理>>P170一177，赵振华1997年7月，科学出版社； 4铅同位素地质研究的基本问题，F g5一156，宜昌地矿所编1979年，地质出版社。5火成岩微量元素岩石学>>P140一143，李昌年，1992中国地质大学出版。6同位素地质学原理美G Faure(中译本)，1983，科学出版社。7你知道吗? 现代科学中的100个问题，(美)I阿西莫夫著，1984，科学普及出版社。8地球化学、地质地球化学、奥秘等杂志近年来的有关文章。