同位素地球化學(xué)一概論

同位素地球化學(xué)一概論第一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/261第三章同位素地球化學(xué)第二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/262本章主要內(nèi)容一、自然界同位素豐度變化的原因二、同位素地質(zhì)年代學(xué)三、穩(wěn)定同位素地球化學(xué)四、同位素示蹤技術(shù)第三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/263第一講基本概念同位素地球化學(xué)：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)律的科學(xué)。第四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/264基本概念核素Nuclide同位素Isotope穩(wěn)定同位素Stableisotope放射性同位素Radioactiveisotope同位素分餾IsotopeFractionation同位素衰變Isotoperadioactivedecay第五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/265基本概念核素：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。

第六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/266基本概念同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一組核素稱為同位素穩(wěn)定同位素(Stableisotope)：目前技術(shù)條件下無(wú)可測(cè)放射性的同位素放射性同位素(radioactiveIsotope)：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第七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/267基本概念同量異位數(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第八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/268基本概念同位素分餾：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。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

第九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/269一、自然界同位素豐度變化的原因1.同位素豐度(isotopeabundance)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(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%第十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2610一、自然界同位素豐度變化的原因2.同位素豐度變化1)同位素衰變(在同位素年代學(xué)部分要講)2)同位素效應(yīng)與同位素分餾(在穩(wěn)定同位素部分要講)3)核合成:聚合反應(yīng)4)其它：人工核反應(yīng)堆(核裂變)、核爆炸(核武器)第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2611一、自然界同位素豐度變化的原因3.同位素豐度變化的地質(zhì)應(yīng)用1)同位素地質(zhì)定年(isotopedating)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)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)第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2612同位素分析技術(shù)TIMSMc-ICP-MSSHRIMPLA-Mc-ICPMS第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2613同位素分析技術(shù)MAT261SHRIMPIIspecialhighresolutionionicmassprobe第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2614同位素地質(zhì)年代學(xué)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)學(xué)研究中有何意義？第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2616地球年齡的估計(jì)赫姆霍茲計(jì)算出一個(gè)2千2百萬(wàn)年的可能年齡。克爾文假定地球最初曾經(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。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。第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2617地球年齡的估計(jì)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，并幾向皇家學(xué)會(huì)作了“關(guān)于在地殼中鐳的分布和關(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)。第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2618地球年齡估計(jì)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。第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2619地球年齡的估計(jì)

第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2620華北克拉通上已發(fā)現(xiàn)了大量的>3.0Ga的巖石，目前報(bào)到的最老的巖體是白家墳奧長(zhǎng)花崗巖巖體(3.8Ga)第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2621第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2622根據(jù)地球上巖石鉛估計(jì)的地球年齡T0-地球的年齡；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2623石隕石的K-Ar年齡頻率分布圖(據(jù)安德斯，1963)第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2624當(dāng)前采用的值：(206Pb/204Pb)0=9.307；(207Pb/204Pb)0=10.294；(208Pb/204Pb)0=29.476T0-地球的年齡；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2625第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2626隕石Pb-Pb等時(shí)線年齡第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2627隕石的Rb-Sr年齡第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2628隕石Rb-Sr等時(shí)線年齡第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2629隕石Sm-Nd等時(shí)線年齡第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2630地球的年齡扣除了鐵隕石的普通鉛第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2631同位素地質(zhì)年代學(xué)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)年方法分類第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2632同位素衰變形式放射性衰變

isotoperadioactivedecay

：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,不受外界物理化學(xué)條件的影響。第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2633同位素衰變形式α-衰變(ALPHA

DECAY)：放射性母核放出α粒子。由于式可見(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?。例如：第三十四?yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2634同位素衰變形式2)β-衰變(BetaDecay)，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(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)相鄰的新元素第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2635同位素衰變形式3)正電子衰變(β+)很多放射件核素通過(guò)發(fā)射帶正電荷的電子(正電子)而衰變。正電子的能譜類似于負(fù)電子能譜，就是說(shuō)，由某放射性核素放射的大部分正電子的動(dòng)能小于其極大值或終點(diǎn)值。同樣，每一正電子的衰變伴隨著發(fā)射中微子，它的能量等于終點(diǎn)能和正電子的動(dòng)能之差。根據(jù)費(fèi)米的萬(wàn)衰變理論，正電子發(fā)射被認(rèn)為是核中的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱娮雍椭形⒆?。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。第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2636同位素衰變形式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：第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/26375)重核裂變(SpontaneousFission)

重放射性同位素自發(fā)地分裂為2-3片原子量大致相同的碎片，各以高速度向不同方向飛散，如238U，235U，232Th都可以發(fā)生這種裂變。此外244Pu(一個(gè)已經(jīng)枯竭的放射性核素)也具有自發(fā)裂變的特點(diǎn)。238U的自發(fā)裂變頻率不到其α衰變的2×10-6

。在重的超U元素中，核裂變是主要的衰變形式。實(shí)際上235U比238U更容易發(fā)生核裂變。但由于自然界中的U濃度通常都很低難以達(dá)到核裂變的條件(與其它衰變形式不一樣!!!)。235U在中子的轟擊下可發(fā)生核裂變這是原子彈和核反應(yīng)堆的基本原理。第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2638已知的235U核反應(yīng)堆的一個(gè)天然例子稱為Oklo鈾礦。中子轟擊下235U的核裂變反應(yīng)重水核聚變第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2639

1972年5月，在進(jìn)入法國(guó)處理廠處理中非加蓬共和國(guó)Oklo礦床的鈾礦石是發(fā)現(xiàn)，該礦石虧損235U。235U虧損是由18億前的天然裂變反應(yīng)堆引起的。說(shuō)它是一個(gè)天然核反應(yīng)堆主要有如下地球化學(xué)證據(jù)：天然235U核裂變反應(yīng)堆1.自裂變產(chǎn)生的元素豐度特征。如觀測(cè)過(guò)量的REE和象Zr這類的其它不活潑元素。2.一些元素的特征同位素豐度僅能由裂變加以解釋。如Nd同位素組成特征(右圖)第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/26403.顯著的238U/235U異常自然界中238U/235U=137.88，這是一個(gè)常數(shù)。而在Oklo礦床中，這一比值為227，說(shuō)明有很的235U丟失，這就是前面提到的235U虧損。其唯的一解釋就是235U被“燒”掉了，也就是裂變了。天然235U核裂變反應(yīng)堆第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2641單衰變與系列衰變放射性同位素經(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—衰變，變成穩(wěn)定同位素87Sr。而位于化學(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)

。第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2642同位素衰變形式238U→206Pb235U→207Pb第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2643同位素衰變形式232Th↓208Pb第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2644放射性衰變定律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，即：△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/秒表示第四十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2645放射性衰變定律lnN-lnN0=-λ(T-T0)=-λtln(N/N0)=-λt

N/N0=e-λtN=N0e-λt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：第四十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2646放射性同位素（N）隨時(shí)間衰減，

子核（D）隨時(shí)間增長(zhǎng)的理論曲線第四十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2023/5/2647放射性衰變定律半衰期(Half-life)：母核衰變?yōu)?/p>