1-第三章-同位素地球化學一-概論

1、2024/3/21,同位素地球化學,1,封面,2024/3/21,同位素地球化學,2,第三章,同位素地球化學,2024/3/21,同位素地球化學,3,本章主要內容,一、自然界同位素豐度變化的原因二、同位素地質年代學三、穩(wěn)定同位素地球化學四、同位素示蹤技術,2024/3/21,同位素地球化學,4,第一講 基本概念,同位素地球化學：同位素地球化學是研究地殼和地球中核素的形成、豐度及其在地質作用中分餾和衰變規(guī)律的科學。,2024/

2、3/21,同位素地球化學,5,基本概念,核素 Nuclide同位素 Isotope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,2024/3/21,同位素地球化學,6,基本概念,核素：核素是指具有一定數(shù)目質子和一定數(shù)目中子的一種原子。例如，原子核里有6

3、個質子和6個中子的碳原子，質量數(shù)是12，稱為碳-12核素，或寫成12C核素。原子核里有6個質子和7個中子的碳原子，質量數(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。,2024/3/21,同位素地球化學,7,基本概念,同位素：質子數(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(Stable isotope)：目前

4、技術條件下無可測放射性的同位素,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,2024/3/21,同位素地球化學,8,基本概念,同量異位數(shù)：質子數(shù)不同而質量數(shù)相同的一組核素,如:,86Rb-86Sr144Sm-144Nd40K-40Ar-40Ca206Pb-206Tl, 204Pb-204Hg教材中表1-9,2024/3/21,同位素地球化學,9,基本概念,同位素

5、分餾：在地質過程中，由于質量差異所導致的輕穩(wěn)定同位素(Z<20)的相對豐度發(fā)生改變的過程。同位素衰變：放射性同位素經過自然衰變, 轉變?yōu)槠渌氐耐凰氐倪^程,,2024/3/21,同位素地球化學,10,一、自然界同位素豐度變化的原因,1. 同位素豐度(isotope abundance)絕對豐度指某種同位素在所有穩(wěn)定同位素總量中的相對份額，常以該同位素與1H(取1H=1012)或28Si(取28Si=106)的比值表示。絕

6、對豐度一般由太陽光譜和對隕石的結果得出元素組成，結合各元素的同位素組成計算的。相對豐度指同一元素各種同位素的相對含量。例如：碳有兩種穩(wěn)定同位素12C=98.10%，13C=1.10%,2024/3/21,同位素地球化學,11,一、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(在同位素年代學部分要講)2) 同位素效應與同位素分餾(在穩(wěn)定同位素部分要講)3) 核合成: 聚合反應4) 其它：人工核反應堆(核裂

7、變)、核爆炸(核武器),2024/3/21,同位素地球化學,12,一、自然界同位素豐度變化的原因,3. 同位素豐度變化的地質應用,1) 同位素地質定年 (isotope dating)地質時鐘 (geochronometer)每一對放射性同位素都是一只時鐘，自地球形成以來它們時時刻刻、不受干擾地走動著，我們可以利用放射性同位素的這一特性測定各種地質體的年齡，特別適合巖漿巖、顯生宙的前寒武紀地變質地層及其它復雜地質體的年齡。,2) 地

8、球化學示蹤 (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指示地質體形成的環(huán)境條件、機制，并能示蹤物質來源。,3) 地質溫度計(geothermometer) 由于某些礦物同位素成分變化與形成的溫度有關，因些可用來設計各種礦物對的同位素溫度計來測定成巖-成礦溫度。,4) 其它 同位素技術還可以用于礦產勘查、環(huán)境監(jiān)測、地質災害預報,2024/3/21,同位素地球化學,13,同位素分析技術

9、,TIMSMc-ICP-MSSHRIMPLA-Mc-ICPMS,2024/3/21,同位素地球化學,14,同位素分析技術,MAT 261,SHRIMP II,special high resolution ionic mass probe,同位素地質年代學,地球的年齡是多少，是怎么獲得的？如何測定一個地質體的年齡？同位素年齡在地質學研究中有何意義？,2024/3/21,同位素地球化學,16,,2024/3/21,同位素地球化學

10、,17,地球年齡的估計,赫姆霍茲計算出一個2千2百萬年的可能年齡?？藸栁募俣ǖ厍蜃畛踉浫廴?，估計需要2-4億年才會冷卻到現(xiàn)存這樣低的地表熱流。達爾文在他的月球可能從地球分離出去的研究中，得出一個5千7百萬年的數(shù)值。地質學家喬利用海洋里鈉的聚積速率，計算出海洋的年齡為8—9千萬年。在1893年里德根據(jù)沉積速率的研究，計算出從寒武紀開始以來經歷了6億年。古德蔡爾德根據(jù)同樣的方法計算得出7億年。,在十九世紀末，地球年齡的問題引起了很

11、多熱烈的爭論。,2024/3/21,同位素地球化學,18,地球年齡的估計,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(后來的雷利)發(fā)現(xiàn)所有巖石都有放射性特征，并幾向皇家學會作了“關于在地殼中鐳的分布和關于地球內部熱量”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的終結。,2024/3/21,同位素地球化學,19,地球年齡估計,1

12、904年盧瑟福建議根據(jù)放射性礦物里的氦的積聚速率來計算巖石的年齡。博爾特伍德和雷利采納了這個建議，并且博爾特伍德在指出鉛是鈾的衰變的最終產物之后，建立了U-Pb法。 1931年，霍姆斯根據(jù)相關研究，已能得出以下結論：地球的年齡超過1460Ma，或許不少于1600Ma，而大概比30億年要少得多。,2024/3/21,同位素地球化學,20,地球年齡的估計,,2024/3/21,同位素地球化學,21,華北克拉通上已發(fā)現(xiàn)了大量的>3.

13、0Ga的巖石，目前報到的最老的巖體是白家墳奧長花崗巖巖體(3.8Ga),2024/3/21,同位素地球化學,22,,2024/3/21,同位素地球化學,23,根據(jù)地球上巖石鉛估計的地球年齡,T0-地球的年齡；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0,2024/3/21,同位素地球化學,24,石隕石的K-Ar年齡頻率分布圖,(據(jù)安德斯，1963),2024/3/21,同位素地球化學,25,,當前采用的值：(

14、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)0,2024/3/21,同位素地球化學,26,,2024/3/21,同位素地球化學,27,隕石Pb-Pb等時線年齡,2024/3/21,同位素地球化學,28,隕石的Rb-Sr年齡,2024/3/21,同位素地球化學,29,隕

15、石Rb-Sr等時線年齡,2024/3/21,同位素地球化學,30,隕石Sm-Nd等時線年齡,2024/3/21,同位素地球化學,31,地球的年齡,扣除了鐵隕石的普通鉛,2024/3/21,同位素地球化學,32,同位素地質年代學,同位素衰變形式放射性衰變定律同位素地質年代學原理同位素方法測定地質年齡的前提條件同位素測年方法分類,2024/3/21,同位素地球化學,33,同位素衰變形式,放射性衰變 isotope radioact

16、ive decay ：放射性同位素經過自然衰變, 轉變?yōu)槠渌氐耐凰? 結果母核素不斷減少, 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, 不受外界物理化學條件的影響。,2024/3/21,同位素地球化學,34,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，新核的同位素原子序數(shù)比母核少2，質量數(shù)少4。自然界的重同位素如235U、238U、232Th等

17、都以α-衰變?yōu)橹鳌?例如：,2024/3/21,同位素地球化學,35,同位素衰變形式,2) β-衰變(Beta Decay)，也稱負電子衰變：即放射性母核中的1個中了分裂為一個中子分裂為1個質子和1個電子(即β-粒子)，同時放出反中微子γ其通式為：,衰變的結果是，核內減少一個中子，增加1個質子，新核素的質量數(shù)不變，核電荷數(shù)加1，變成周期表右側相鄰的新元素,2024/3/21,同位素地球化學,36,同位素衰變形式,3) 正電子衰變(β+

18、)很多放射件核素通過發(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電子能譜，就是說，由某放射性核素放射的大部分正電子的動能小于其極大值或終點值。同樣，每一正電子的衰變伴隨著發(fā)射中微子，它的能量等于終點能和正電子的動能之差。根據(jù)費米的萬衰變理論，正電子發(fā)射被認為是核中的質子轉變?yōu)橹凶?，正電子和中微子。顯然，其衰變的產物與電子捕獲相同。正電子衰變產生的于核是同量異位素，并且比母核少一個質子。,2024/3/21,同位素地球化學,

19、37,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電子(e)，與質子結合變成中子，質子數(shù)減少1個，通式為：,這是β-的逆向變化。由于電子捕獲過程通常是在K層上吸取一個電子，因此也稱為K層電子捕獲。衰變的產物為質量數(shù)不變，質子數(shù)(核電荷數(shù))減1，變成周期表上左鄰的新元素。如：,2024/3/21,同位素地球化學,38,5) 重核裂變(Spontaneous Fission)重放射性同位素自發(fā)地分裂為2-3片原子量大

20、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(一個已經枯竭的放射性核素)也具有自發(fā)裂變的特點。,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

21、反應堆的基本原理。,2024/3/21,同位素地球化學,39,已知的235U核反應堆的一個天然例子稱為Oklo鈾礦。,中子轟擊下235U的核裂變反應,重水核聚變,2024/3/21,同位素地球化學,40,1972年5月，在進入法國處理廠處理中非加蓬共和國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堆引起的。說它是一個天然核反應堆主要有如下地球化學證據(jù)：,天然235U核裂變反應堆,1.自裂變產生的

22、元素豐度特征。如觀測過量的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),2024/3/21,同位素地球化學,41,3. 顯著的238U/235U異常自然界中238U/235U=137.88 ，這是一個常數(shù)。而在Oklo礦床中，這一比值為227，說明有很的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

23、變反應堆,2024/3/21,同位素地球化學,42,單衰變與系列衰變,放射性同位素經過一次衰變，形成穩(wěn)定子體同位素的過程，稱作單衰變。如87Rb經過一次β—衰變，變成穩(wěn)定同位素87Sr。,而位于化學元素周期表后面的一些重同位素，需要經過一系列衰變，才能最終形成穩(wěn)定同位素。這樣的衰變過程稱作系列衰變。如238U經過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年齡測定的天然系列衰變有鈾系(238

24、U)、錒系(235U)和釷系(232Th) 。,2024/3/21,同位素地球化學,43,同位素衰變形式,238U→206Pb,235U→207Pb,2024/3/21,同位素地球化學,44,同位素衰變形式,232Th↓208Pb,2024/3/21,同位素地球化學,45,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物不同，但都服從一個放射性衰變定律，即在一個封

25、閉的系統(tǒng)內，單位時間內放射性母核衰變?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 時刻未衰變完母核的原子數(shù)-dN/dt ：單位時間內所衰變的原子數(shù)λ：衰變速率常數(shù)，簡稱衰變常數(shù)，即單位時間內衰變幾率，用1/年、1/秒表示,2024/3/21,同位素地球化學,46,放射性衰變定律,,,lnN - lnN0=-λ(T- T0)=-λt,ln(N /N0)=-λt N/N0=e-λt

26、 N=N0e-λt此式說明，放射性同位素原子核的總核數(shù)隨著時間的減少服從于指數(shù)定律。這是放射性衰變基本定律，也是同位素地質年代學的基本公式。,假設：T0時刻母核的原子數(shù)為N0，經過t時到達T時刻，母核的原子數(shù)為N，N的數(shù)值可以對上式積分求得：,2024/3/21,同位素地球化學,47,放射性同位素（N）隨時間衰減，子核（D）隨時間增長的理論曲線,2024/3/21,同位素地球化學,48,放射性衰變定律,,,半衰期(Half

27、-life) ：母核衰變?yōu)槠湓藬?shù)的一半所經歷的時間，用T1/2表示。,由 N/N0=e-λt,→,1/2=e-λT1/2,兩邊取對數(shù)：,-ln2 =-λT1/2,T1/2 ≈ 0.693/λ,2024/3/21,同位素地球化學,49,二、放射性同位素年齡測定,D= N eλt –N=N(eλt-1) (1),假設：以D表示由經過t(T0→T)母核主成的子核數(shù)，則：

28、D=N0-N 把N0=N eλt 代入上式,t =(1/λ)ln(1+(D/N)) (2),經整理得：,D/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定的基本公式，不同的同位素年齡測定方法都是以此為計算公式的。,2024/3/21,同位素地球化學,50,就有適當?shù)陌胨テ冢@樣才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時母核也未衰變完。如果半衰期太長

29、，就是經過漫長的地質歷史也積累不起顯著數(shù)量的子核；如果半衰期太短，沒有多久，母核幾乎衰變完了，也就是我們已經測不到母核了。,所測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地殼豐度，在當前的技術條件下能以足夠的精度測定它及它所衰變的子體含量。,要利用公式[ t=(1/λ)ln(1+(D/N)) ]來測定巖石礦物年齡，應滿足以下條件：,2024/3/21,同位素地球化學,51,保存放射性同位素的礦物或巖石自形成以后一直保持

30、封閉系統(tǒng)，即沒有增加或丟失放射同位素同位素及其衰變產物。,礦物、巖石結晶時，只含某種放射性同位素，而不含與之有蛻變關系的子體或雖含部分 子體，其數(shù)量變是可以估計的。,利用 t=(1/λ)ln(1+(D/N)) 測年的條件,2024/3/21,同位素地球化學,52,目前地質上使用的同位素測年方法,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 (