第六章- 放射性同位素地球化學(xué)

第六章同位素地球化學(xué)第一節(jié)放射性同位素衰變原理第二節(jié)

K-Ar和Ar-Ar同位素年代學(xué)第三節(jié)Rb-Sr年代學(xué)及Sr同位素地球化學(xué)第四節(jié)14C同位素年代學(xué)第一節(jié)放射性同位素衰變原理放射性蛻變規(guī)律自然界主要的蛻變方式有以下幾種：

-蛻變

-蛻變時，放射性母核放出

粒子，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€新核。

粒子實際上是2He4核。

蛻變形成的新核，其原子序數(shù)比母核小2，質(zhì)量數(shù)小4。β-蛻變放射性母核放出β-粒子，即電子，同時還放出中微子v，自然界中象40K、87Rb等都β-放射性的。3.電子俘獲這種蛻變方式實質(zhì)是：母核從它的核外電子殼層俘獲一個電子，通常多數(shù)是從K殼層俘獲，也有從其它殼層如L層俘獲的。各種不同方式蛻變的同位素，都服從放射性蛻變規(guī)律。假定放射性母核現(xiàn)存數(shù)為N，在dt時間間隔內(nèi)蛻變掉dN個，則dN與N和dt成正比，即：dN/dt=-

N式中：

-蛻變常數(shù)；負(fù)號-dN是減少的。將上式積分，并設(shè)：t=0時的母核數(shù)為No,則得：N=N0e-

t

放射年齡測定的基本方程

假定子核是穩(wěn)定的,在t時刻放射性母核和子核的現(xiàn)存數(shù)為N1和N2，則:N2=N1(

e

t-1)放射年齡測定的基本方程t=1/

ln(1+N2/N1)所謂半衰期是指放射性母核蛻變掉現(xiàn)存數(shù)一半所需時間:N=N0/2

N=N0e-

tT=ln2/

≌0.692/

當(dāng)時間超過母核半衰期十倍以上，這時，e-

t≌0.0001，實際上母核已只剩下微下微不足道的數(shù)量，因而10T代表了放射性同位素"滅絕"所需時間。半衰期:為測定礦物或巖石年齡，一般應(yīng)滿足以下六個方面：（1）放射性同位素的半衰期應(yīng)足夠長，對待測定樣品年齡來說，它應(yīng)能積累起顯著數(shù)量的子體，同時母核也未蛻變完。（2）蛻變常數(shù)已測定，精度能滿足要求。（3）放射性同位素應(yīng)具有較高的地球豐度，在當(dāng)前技術(shù)條件下能以足夠的精度測定它和它蛻變子體的含量。（4）保存放射性元素的礦物或巖石自形成后一直保持封閉系統(tǒng)，即未添加亦未丟失放射性同位素及其蛻變產(chǎn)物。（5）礦物巖石剛形成時只含某種放射性同位素，而不含與之有蛻變關(guān)系的子體，或雖含一部分子體但其數(shù)量可以估計。（6）對所測定的礦物、巖石的地球化學(xué)有相當(dāng)可靠認(rèn)識。第二節(jié)

K-Ar和Ar-Ar同位素年代學(xué)自然界鉀有三種同位素，相對豐度如下：

39K93.10%

40K0.0118%41K6.88%

其中只有40K是放射性的。2、鉀-氬衰變體系40K有兩種蛻變方式：88%的40K經(jīng)β-蛻變生成40Ca，其余12%的40K由K層電子俘獲先形成激態(tài)40Ar，然后放射出能量為1.46MeV.的γ量子轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶓B(tài)的40Ar。2、鉀-氬衰變體系由于自然界鈣的主要同位素就是40Ca（占96.97%），且鈣又經(jīng)常與鉀共生，因而雖然理論上也可用40K-40Ca系統(tǒng)測定年齡，歷來也有人進(jìn)行過試測，但鈣元素干擾過大，除特殊情況外，測定結(jié)果精度不夠，因而未普遍被采用。目前主要采用40K-40Ar法。(1).40K-40Ar法的物理基礎(chǔ):用λβ代表40K的β-蛻變常數(shù)，λe代表電子俘獲蛻變常數(shù)。按照蛻變常數(shù)的定義，40K總蛻變常數(shù)應(yīng)等于λβ+λe，這樣，測定年齡的基本方程式有下列形式：t=1/(λβ+λe)

ln[1+(λβ+λe)/λe

40Ar/40K]實際測定時，用化學(xué)方法（當(dāng)前通常用火焰光度計法）分析K%，然后按鉀的同位素成分計算出40K含量.(2).適用于測定鉀氬年齡的礦物和全巖:從理論上講，只要含鉀，而且能完好地保存放射成因氬，本身又不含“過剩氬”的礦物或巖石，都適合于用來測定鉀-氬年齡。當(dāng)然，礦物的顆粒大些，易于挑出純的單礦物，鉀含量又高，實驗室分析就更方便一些。(3).關(guān)于放射成因氬丟失的問題:實際工作中已發(fā)現(xiàn)不少嚴(yán)重偏低的鉀氬年齡數(shù)據(jù)，它們主要是40Ar丟失引起的。受熱是引起氬丟失的主要因素，有人估計：如果在常溫下，云母類礦物尚能保持封閉系統(tǒng)，那么在100℃溫度下，礦物相對氬而言就已成為開放系統(tǒng)了。實驗室測定表明：氬保存在晶體不同部位上，因而當(dāng)溫度升高時，析出的40Ar并不與溫度呈正比。云母類礦物是鉀-氬年齡測定的主要礦物，這方面的研究也較多，但至今對丟失氬的機制尚不完全清楚。(4).關(guān)于過剩氬的問題:過剩氬的存在會使礦物或巖石的鉀-氬表觀年齡高到非常不合理的程度。過剩氬的存在是一個相當(dāng)普遍的現(xiàn)象。地殼下部或上地幔中的40K蛻變生成40Ar，當(dāng)巖漿在外界條件不允許完全去氣的環(huán)境中凝固時，氬能在礦物晶格或晶體缺陷中存在，這部分過剩氬是環(huán)境性的。第三節(jié)Rb-Sr年代學(xué)及Sr同位素地球化學(xué)自然界銣有兩個同位素，其習(xí)慣用豐度為：

85Rb72.15%

87Rb27.85%其中85Rb是穩(wěn)定的，87Rb具β-放射性，蛻變?yōu)?7Sr。銣-鍶法的物理基礎(chǔ):銣一般不形成獨立礦物，它分散地存在于含鉀的礦物中，因而通常濃度很低，分析上困難較大。含銣的礦物和巖石中存在的87Sr，一部分是由其中的87Rb蛻變生成的，另外一部分是礦物或巖石形成時含有微量元素鍶的結(jié)果。通常鍶的同位素組成近似地為：

88Sr82.56%87Sr7.02%

86Sr9.86%84Sr0.56%其中只有87Sr是放射成因的。由87Rb蛻變生成的87Sr應(yīng)等于：

86Sr[(87Sr/86Sr)樣-(87Sr/86Sr)初]其中下標(biāo)“樣”代表樣品的測定值，下標(biāo)“初”代表礦物或巖石生成時含鍶所具有的值。這樣，我們可得計算年齡的基本公式：t=1/λ

ln(1+Sr86/Rb87(87Sr/86Sr)樣-(87Sr/86Sr)初))式中，λ—87Rb的蛻變常數(shù)。適用于測定銣-鍶年齡的礦物和全巖對銣-鍶法來說，必需選擇一套Rb-Sr比值適合的礦物和全巖樣品，才能使落在等時線圖上的點分布均勻，從而精確地確定等時線，求得等時線年齡與初生鍶比值。由于（87Sr/86Sr）初一般接近0.71，為了精確確定等時線就必需要有一批（87Sr/86Sr）樣比值大于0.8的樣品，假定所研究的樣品為100百萬年，這時Rb/Sr需大于25才可滿足要求。實際上，云母類礦物、鉀長石均能較好地保存放射成因鍶，且能滿足Rb/Sr比值要求，是目前用來測定年齡的主要對象。Sr同位素地球化學(xué)示蹤圖6-2地球Sr同位素演化（據(jù)Faure,1986）三條曲線（A1,A,A2）代表陸下上地幔Sr同位素的假設(shè)演化線，其曲率表示上地幔的Rb/Sr比值隨時間降低；連接BABI和現(xiàn)代0.70