12第6章同位素地球化學(xué)1

1、2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,1,第6章 同位素地球化學(xué)PartⅠ,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,2,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,3,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,4,它是研究地球和宇宙中核素的形成、豐度以及在自然作用中分餾和衰變規(guī)律的科學(xué)。,,同位素地球化學(xué),2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,5,1. 同位素地球化學(xué)研究對(duì)象,自然界，尤其是地質(zhì)作用和地質(zhì)體

2、中的同位素豐度及其演化規(guī)律,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,6,宇宙同位素地球化學(xué)地幔同位素地球化學(xué)環(huán)境同位素地球化學(xué)考古同位素地球化學(xué)食品同位素地球化學(xué)水文同位素地球化學(xué)，等。,分 支 學(xué) 科,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,7,2 同位素地球化學(xué)的研究任務(wù),①同位素的起源、演化和衰亡歷史；②同位素在宇宙體、地球和各地圈中的分布和分配；不同地質(zhì)體中的豐度及其在地質(zhì)過程中活化與遷移、富集與虧損、衰

3、亡與增長的規(guī)律；闡明同位素組成變異的原因，據(jù)此來探索地質(zhì)作用的演化歷史及物質(zhì)來源；③利用放射性同位素的衰變定律建立一套行之有效的同位素計(jì)時(shí)方法，測定不同天體事件和地質(zhì)事件的年齡，并作出合理的解釋，為地球和太陽系的演化確定時(shí)標(biāo)。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,8,3 同位素地球化學(xué)的研究領(lǐng)域,① 同位素地質(zhì)年代學(xué)Isotope Geochronology強(qiáng)調(diào)時(shí)間概念，根據(jù)放射性成因同位素隨時(shí)間變化的定律，測定地質(zhì)體的年

4、齡與活動(dòng)歷史，研究地質(zhì)事件的計(jì)時(shí)，或地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、地球演化的時(shí)間序列；另外，放射性成因同位素示蹤，可研究成巖成礦的物質(zhì)來源，探討地殼、地幔及其它星體的演化。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,9,研究地質(zhì)體中穩(wěn)定同位素的分布及其在各種地質(zhì)條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律來解釋巖石和礦石的物質(zhì)來源、成巖成礦的物理化學(xué)條件、成因機(jī)制及巖礦石形成后的地質(zhì)作用影響等地質(zhì)問題。,② 穩(wěn)定同位素地球化學(xué),2024/3/19,第五章 同位素

5、地球化學(xué)Ⅰ,10,4 同位素地球化學(xué)在解決地學(xué)領(lǐng)域 問題的獨(dú)到之處,①計(jì)時(shí)作用每一對(duì)放射性同位素都是一只時(shí)鐘，自地球形成以來它們時(shí)時(shí)刻刻地，不受干擾地走動(dòng)著，這樣可以測定各種地質(zhì)體的年齡，尤其是對(duì)隱生宙的前寒武紀(jì)地層及復(fù)雜地質(zhì)體。 ②示蹤作用同位素成分的變化受到作用環(huán)境和作用本身的影響，為此，可利用同位素成分的變異來指示地質(zhì)體形成的環(huán)境條件、機(jī)制，并能示蹤物質(zhì)來源。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,11,由于某

6、些礦物同位素成分變化與其形成的溫度有關(guān)，為此可用來設(shè)計(jì)各種礦物對(duì)的同位素溫度計(jì)，來測定成巖成礦溫度。 另外亦可用來進(jìn)行資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害防治等,③ 測溫作用,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,12,5. 同位素地球化學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀,同位素地球化學(xué)發(fā)展迅速，已滲透到地球科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，如：大地構(gòu)造學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)、海洋學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)等。 主要表現(xiàn)在以下方面： 實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)不斷完善和提高；多元同位素

7、體系的綜合研究；研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大；各種新方法的出現(xiàn) 。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,13,我國同位素地球化學(xué)的研究工作從1958年開始，目前擁有的研究人員和質(zhì)譜屬世界第一。學(xué)術(shù)團(tuán)體： 中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)—同位素地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)；中國地質(zhì)學(xué)會(huì)—同位素地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)。另外亦可用來進(jìn)行資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害防治等 ?？蒲袡C(jī)構(gòu)：,我國同位素地球化學(xué)的學(xué)術(shù)團(tuán)體,2024/3/19,第五章 同位素地

8、球化學(xué)Ⅰ,14,常見同位素計(jì)時(shí)方法,1. 40K-40Ar 2. Rb-Sr3. 39Ar-40Ar 4. U-Th-Pb5. 普通鉛法 6. 147Sm-143Nd7. 187Re-187Os 8. 175Lu-175Hf9. 裂變徑跡法 10. 14C法,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,15,地質(zhì)學(xué)中經(jīng)常采用的

9、穩(wěn)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、 ? 10 B(11B/10B)11 Cl ?12 He(3He/4He)13 Mg ? 14 Ne/Kr/Xe15 Cu/Fe 銅和鐵同位素,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,16,主 要 參 考 書,同位素地質(zhì)學(xué)原理. G Faure, 科學(xué)出版社, 1

11、985鉛同位素地質(zhì). B R Doe, 科學(xué)出版社,1975鍶同位素地質(zhì)學(xué). G Faure & J L Powell, 科學(xué)出版社,1975穩(wěn)定同位素地球化學(xué). J Hoefs, 科學(xué)出版社,1987氫氧同位素地球化學(xué). 丁悌平, 地質(zhì)出版社, 1988穩(wěn)定同位素地質(zhì). 沈渭洲, 原子能出版社, 1987同位素地質(zhì)年代學(xué). 袁海華, 重慶大學(xué)出版社, 1987同位素地球化學(xué). 魏菊英,王關(guān)玉. 地質(zhì)出版社, 19

12、88穩(wěn)定同位素地球化學(xué). 鄭永飛,陳江峰, 科學(xué)出版社, 2000穩(wěn)定同位素地球化學(xué). J Hoefs, 海洋出版社, 2002同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué).陳岳龍等，地質(zhì)出版社，2005,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,17,6. 同位素地球化學(xué),6.1 自然界同位素成分變化的機(jī)理6.2 放射性同位素地球化學(xué)6.3 穩(wěn)定同位素地球化學(xué),2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,18,6.1 自然界同位

13、素成分變化的機(jī)理,6.1.1 同位素的基本內(nèi)容6.1.2 自然界同位素成分的變化,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,19,6.1.1 同位素的基本內(nèi)容,1. 核素和同位素① 什么叫核素？由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子按一定結(jié)構(gòu)組成各種元素的原子核稱為核素。表示：A=N（neutron）+P（proton）,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,20,② 核素性質(zhì),1）核素具有電荷2）核素具有質(zhì)量3）核素

14、具有豐度4）核素具有能量5) 核素具有放射性,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,21,①同量異位素(isobar)：質(zhì)子數(shù)不同，中子數(shù)不同，質(zhì)量數(shù)相同的原子，也稱同質(zhì)異位素。②等中子素(isotone)：中子數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的原子；③同位素(isotope) ：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子；,A=N+P 幾個(gè)名詞,,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,22,部分核素圖,2024/3/19

15、,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,23,具有相同質(zhì)子數(shù)，不同數(shù)目中子數(shù)所組成的一組核素稱為同位素。同位素是同一化學(xué)元素的原子，在元素周期表中占據(jù)相同的位置。因?yàn)楹送怆娮訑?shù)由原子核中的質(zhì)子數(shù)決定，所以同位素具有相似的化學(xué)性質(zhì).,③ 同 位 素,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,24,以元素的左上角標(biāo)以總核子數(shù)或原子量。例如：S和O32S 、 33S 、 34S 、 35S （ 3516S ）16O、 17O、1

16、8O（ 168O ）,同位素表示法,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,25,一種元素可由不同數(shù)量的同位素組成。自然界中同位素最多的是Sn元素，有10個(gè)同位素：112，114，115，116，117，118，119，120，122，124自然界也存在只有一種同位素單獨(dú)組成的元素：Be、F、Na、Al、P等27種。其余大多數(shù)由2~5種同位素組成。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,26,2. 同位素的分類,①

17、 分類原則基于原子核的穩(wěn)定性原子核相對(duì)穩(wěn)定性判斷,,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,27,當(dāng)原子序數(shù)Z83時(shí)，N/P偏離1或1.5，核素不穩(wěn)定，絕對(duì)豐度低。,Z/P與原子核的穩(wěn)定性,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,28,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,29,② 類 型,1）放射性同位素(unstable or radioactive isotope) 其原子核是不穩(wěn)定的，它們能自發(fā)地放出

18、粒子并衰變成另一種同位素。 2）穩(wěn)定同位素(stable isotope) 原子核是穩(wěn)定的，或者其原子核的變化不能被覺察。元素周期表中，原子序數(shù)相同，原子質(zhì)量不同，化學(xué)性質(zhì)基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素 。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,30,自然界已發(fā)現(xiàn)近340個(gè)同位素，其中放射性同位素有57種（人工合成的放射性同位素超過1200個(gè)），穩(wěn)定同位素273種。Z＜83且A＜209的同位素大部分是穩(wěn)定同

19、位素，少數(shù)是放射性的，如14C、40K、87Rb、147Sm放射性外；Z＞83且A＞209的同位素都是放射性同位素,③ 穩(wěn)定同位素和放射性同位素在 周期表中的分布,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,31,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,32,1）輕穩(wěn)定同位素2）重穩(wěn)定同位素,④ 穩(wěn)定同位素類型及特點(diǎn),2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,33,1）輕穩(wěn)定同位素,A. 原子量小，同一元素的

20、各同位素間的相對(duì)質(zhì)量差異較大（ΔA/A≧5%）；B. 輕同位素組成變化的主要原因是同位素分餾作用造成的，其反應(yīng)是可逆的。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,34,A. 原子量大，同一元素的各同位素間的相對(duì)質(zhì)量差異?。é/A＝0.7~1.2%），環(huán)境的物理和化學(xué)條件的變化通常不導(dǎo)致重穩(wěn)定同位素組成的改變；B. 同位素組成的變化主要是由放射性同位素衰變造成的，這種變化在地球歷史的演變中是單方向進(jìn)行的、不可逆的。,2）重穩(wěn)定

21、同位素,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,35,3. 同位素豐度,① 同位素豐度② 元素的原子量,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,36,描述自然界核素豐度 的兩種方法1）絕對(duì)豐度指自然界各種核素存在的總量。它與組成核素的核子數(shù)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，反映核素的穩(wěn)定性。,① 同位素豐度,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,37,定義：指元素同位素所占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)例如：氧的同位素的相對(duì)豐度16O：99

22、.763% 17O：0.0375%18O：0.1995%,2）相對(duì)豐度,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,38,② 元素的原子量,以原子質(zhì)量單位表示的，每個(gè)天然元素的原子量為該元素各同位素重量的加權(quán)平均值。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,39,同位素： 16O 17O 18O豐 度： 99.763% 0.0375% 0.1995%

23、質(zhì) 量： 15.99491 15.99913 17.99915O的原子量= 99.763%×15.99491＋ 0.0375%×15.99913＋ 0.1995%×17.99915 =15.99929,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,40,2024/

24、3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,41,4. 同位素成分的測定及表示方法,一個(gè)完整的同位素樣品的研究包括樣品的采集、加工、化學(xué)制樣、測定及結(jié)果的計(jì)算和解釋等環(huán)節(jié)。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,42,將地質(zhì)樣品分解，使待測元素的同位素轉(zhuǎn)化為在質(zhì)譜儀上 測定的化合物，輕穩(wěn)定同位素一般制成氣體樣品。,① 制 樣,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,43,例如：氧同位素有兩種制樣方法：①還原法: 高溫條

25、件下與C還原成CO；②氧化法: 用F或鹵化物氧化，生成O2（精度高）。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,44,② 質(zhì)譜儀測定成分,質(zhì)譜儀是目前同位素成分測定的主要手段（MAT—261，MAT—251）。其工作原理：把待測元素的原子或分子正離子化，并引入電場和磁場中運(yùn)動(dòng)，帶正電的質(zhì)點(diǎn)因質(zhì)量不同而被分離測定。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,45,1) 絕對(duì)比率（R）：用兩個(gè)同位素比值直接表示

26、例如32S/34S，12C/13C2) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品R的絕對(duì)比率差（ΔR）：ΔR = R樣品－R標(biāo)準(zhǔn)；3) 樣品相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品R的偏離程度的千分率δ‰=（R樣－R標(biāo)）/R標(biāo)×1000 =(R樣/R標(biāo)－1) ×1000,③ 同位素成分表示方法,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,46,例如34S/32S相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的富集程度，以 δ34S‰ 來表示：δ 34S ‰=[(34S

27、 / 32S)樣/(34S / 32S)標(biāo))－1] ×1000,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,47,習(xí)慣上把微量（較小相對(duì)豐度）同位素放在R的分子上，這樣可以從樣品的δ值，直接看出它含微量同位素比標(biāo)準(zhǔn)樣品是富集了，還是貧化了。δ＞0表示34S比標(biāo)準(zhǔn)樣品是富集了；δ＜0表示34S比標(biāo)準(zhǔn)樣品是貧化了。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,48,④ 同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品,同位素分析資料要能夠進(jìn)行世界范圍內(nèi)的比

28、較，就必須建立世界性的標(biāo)準(zhǔn)樣品 。1) 在世界范圍內(nèi)居于該同位素成分變化的中間位置，可以做為零點(diǎn)；2) 標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素成分要均一；3) 標(biāo)準(zhǔn)樣品要有足夠的數(shù)量；4) 標(biāo)準(zhǔn)樣品易于進(jìn)行化學(xué)處理和同位素測定,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,49,6.1.2 自然界同位素成分的變化,1. 同位素豐度變化2. 同位素豐度變化的地質(zhì)應(yīng)用,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,50,1 同位素豐度變化,① 與放

29、射性衰變有關(guān)② 同位素分餾③ 與核合成過程有關(guān),2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,51,⒉ 同位素豐度變化的地質(zhì)應(yīng)用,① 同位素地質(zhì)定年—地質(zhì)時(shí)鐘—放射性同位素地球化學(xué)或同位素地質(zhì)年代學(xué)；② 地球化學(xué)示蹤：物質(zhì)來源、地球化學(xué)過程、物理化學(xué)條件指示劑（地質(zhì)溫度計(jì)）。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,52,6.2 放射性同位素地球化學(xué),同位素地質(zhì)年代學(xué)是以放射性同位素衰變定律為基礎(chǔ)建立的同位素計(jì)時(shí)方法，用

30、以測定不同地質(zhì)體和地質(zhì)事件的年齡。同位素地質(zhì)年代學(xué)感興趣的是自然界存在的為數(shù)不多的一些放射性同位素核素，包括衰變速率非常慢的（如238U、235U、232Th、147Sm等）、由長壽命放射性母體衰變產(chǎn)生的（234U、230Th等）、由天然核反應(yīng)產(chǎn)生的以及人工核試驗(yàn)產(chǎn)生的放射性同位素。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,53,6.2 放射性同位素地球化學(xué),6.2.1 放射性同位素衰變定律及同位素地質(zhì)年代學(xué)原理6.2

31、.2 K-Ar法及40Ar-39Ar法年齡測定6.2.3 Rb-Sr法年齡測定6.2.4 Sm-Nd法年齡測定6.2.5 U-Pb法年齡測定,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,54,6.2.1 衰變定律及同位素地質(zhì) 年代學(xué)原理,1. 放射性同位素衰變方式2. 放射性同位素衰變定律3. 同位素地質(zhì)年代學(xué)的基本原理、前提及分類,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,55,1.

32、 放射性同位素衰變方式,① 與放射性衰變有關(guān)的幾個(gè)術(shù)語1）放射性原子釋放出粒子和能量的現(xiàn)象即所謂的放射性。 2）放射性衰變元素的原子核自發(fā)地發(fā)出粒子和釋放能量而變成另一種原子核的過程。放射性同位素的衰變不因外界因素變化而變化，只與本身原子核性質(zhì)有關(guān)。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,56,3）放射性同位素自發(fā)地發(fā)出粒子或射線，并衰變?yōu)榱硪环N同位素者。4）衰變過程類型單衰變或單程衰變系列衰變,2024/3/1

33、9,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,57,正在衰變的核素稱為母核（體） (P)衰變的產(chǎn)物稱為子核(D) 。 87Rb→87Sr 238U→206Pb,5）放射性母體(P)和衰變子體(D),2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,58,② 放射性衰變方式,1）α衰變2）β衰變3）電子捕獲衰變4）重核裂變,,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,59,α粒子是42He相對(duì)母體來說，子體的質(zhì)子

34、數(shù)和中子數(shù)個(gè)減少2個(gè)，質(zhì)量數(shù)減少4。 23892U → 23490Th+42He(α)+Q,1）α衰變,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,60,自然界多數(shù)為β—衰變，即放射性母核中的一個(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。衰變子體與母體比，原子序數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變；4019K→4020Ca+β－+ν（中微子）+Q,2）β衰變,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,61,母核

35、自發(fā)地從核外電子殼層捕獲1個(gè)電子，通常在K層上吸取1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)。衰變結(jié)果：核質(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 。 4019K + e－→4018Ar+ν+ Q,3）電子捕獲衰變,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,62,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

36、可以發(fā)生這種裂變。,4）重核裂變,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,63,放射性同位素母體與子體的關(guān)系,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,64,2 放射性同位素衰變定律,① 衰變反應(yīng)特性1）反應(yīng)在原子核內(nèi)部，結(jié)果由一種核素變?yōu)榱硪环N核素；2）衰變反應(yīng)是自發(fā)而連續(xù)進(jìn)行，母體核素按恒定比例衰減；3）反應(yīng)不受任何溫度、壓力和原子存在形式等物理化學(xué)條件的影響，衰變母、子體只是時(shí)間的函數(shù)；4）衰變前核素和衰變后核素

37、的原子數(shù)，只是時(shí)間的函數(shù) —盧瑟福（1902）,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,65,1）內(nèi)容在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)放射性母核衰變?yōu)樽雍说脑訑?shù)與現(xiàn)存母核的原子數(shù)成正比。,② 衰變定律,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,66,－dN/dt=λN （1）式中： N為t時(shí)刻存在的母體原子數(shù)；－dN /dt是衰變速率，也就是單位時(shí)間內(nèi)衰變掉的放射性母體原子數(shù)；負(fù)號(hào)表示N隨時(shí)間減少；λ

38、為衰變常數(shù)。,2）數(shù)學(xué)表達(dá)式,變換上式得：dN/ N = －λ dt （2）設(shè)t=0時(shí)放射性母體的初始原子數(shù)為N0，衰變進(jìn)行到時(shí)間t時(shí)剩下的未衰變母體的原子數(shù)為N，,lnN—ln N0 = -λ(T-T0)= -λt (據(jù)積分公式)lnN/ N0 =－λt (對(duì)數(shù)運(yùn)算法則)N/ N0 =e－λt☆ (取掉自然對(duì)數(shù))N= N0 e－λt或N0

39、 =N eλt此式表明：任何放射性同位素隨時(shí)間按指數(shù)方式衰減。這是一切放射性反應(yīng)的基本公式。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,69,參數(shù)的含義,N = N0 e－λt 或N0 =N eλt N—現(xiàn)存母體數(shù) N0—原始母體數(shù) t為時(shí)間 λ衰變常數(shù)，不同元素有別,隨著衰變進(jìn)行，母體減少，放射性成因子體增加，而現(xiàn)存子體原子數(shù)（D）等于衰變掉的母體數(shù)目，可表示為： D=N0-N =N0-N0e-λt=N

40、0(1-e-λt ) D=N0-N=Neλt-N=N(eλt-1),2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,71,,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,72,假 定,D*表示由經(jīng)過t(T0→T)母核衰變成的子核數(shù)，表示為： D*= N0-N=N0(1-e-λt ) D*=N (eλt－1）t=1/λln(D*/N+1)D*/N是現(xiàn)存子核和母核的原子數(shù)比值該方程是同位素地質(zhì)年代學(xué)基礎(chǔ),經(jīng)過t(T0→T)，體

41、系中子核數(shù)為：D=D0+D*D=D0+N0－N =D0+N（ eλt－1 ）D－D0=N（ eλt－1 ）eλt－1=( D－D0)/N變換為：t=1/λln[(D－D0)/N+1]★已知D0，測定體系中目前的放射性母體和子體的原子數(shù)，可得體系封閉以來所經(jīng)歷的時(shí)間。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,74,D=D0+ N0—ND =D0+N(eλt-1)D/Ds=D0/Ds+N/Ds (eλt-1),

42、2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,75,指放射性同位素衰變到它原來母體原子數(shù)一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。半衰期和衰變常數(shù)之間具有一定的關(guān)系： N=N0e－λt 取N=N0/2，代入衰變公式得 τ=ln2/ λ =0.593/ λ式中λ為衰變常數(shù),3）半衰期τ,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,76,自然界中的放射性同位素及其衰變系列,

43、自然界中的放射性同位素按其成因可以分成3類： 1)單程衰變的同位素：40K，87Rb，147Sm，139La，等2)系列衰變的同位素：鈾系、錒系、釷系、镎系3)由自然界中的核反應(yīng)生成的同位素：14C，3H，等。其中1）2）類同位素的特點(diǎn)是衰變能量大（λ測定精確）、半衰期（τ）適中，因此在地質(zhì)年代學(xué)中有重要意義。第3）類同位素的半衰期短，適用于考古學(xué)和第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,77,3 放

44、射性同位素地質(zhì)年齡測定的 原理、前提及方法,① 放射性同位素地質(zhì)年齡測定的原理② 放射性同位素地質(zhì)年齡測定的前提③ 放射性同位素地質(zhì)年齡測定的方法,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,78,同位素地質(zhì)年齡的含義：同位素地質(zhì)年齡是就特定的地質(zhì)體而言的，測定礦石就是礦石的地質(zhì)年齡，測定礦物就是礦物的地質(zhì)年齡，測定巖石就是巖石的地質(zhì)年齡。因此，同位素地質(zhì)年齡是指利用同位素衰變定律，測定它們在某一地質(zhì)事件從水溶液或巖漿熔體中沉

45、淀、凝固、結(jié)晶或重結(jié)晶起到現(xiàn)在所經(jīng)歷的時(shí)間。,① 同位素地質(zhì)年齡測定的原理,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,79,同位素地質(zhì)年齡測定是基于上述的放射性衰變定律。通過準(zhǔn)確測定巖石和礦物中所含放射性母體，以及衰變子體同位素的含量，根據(jù)衰變方程式計(jì)算出巖石或礦物的年齡，方程式為：,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,80,② 同位素地質(zhì)年齡測定的前提,放射性同位素地質(zhì)年齡測定的前提/條件：1）巖石或礦物形成以后應(yīng)該保

46、持封閉的化學(xué)體系；2）母體同位素半衰期必須與被測定地質(zhì)體的年齡相仿，其衰變常數(shù)必須已準(zhǔn)確測定；3）要準(zhǔn)確地知道放射性母體同位素豐度；,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,81,4）放射性母體同位素的最終產(chǎn)物是穩(wěn)定的，并能準(zhǔn)確地測定；5）有精確地測定母子體含量地測試技術(shù)，并能有準(zhǔn)確地扣除被測定對(duì)象中初始混入的子體同位素含量的方法；,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,82,③ 放射性同位素地質(zhì)年齡 測定的方法,

47、1）原生法——基于放射性同位素自發(fā)衰變，利用衰變定律計(jì)算年齡，也叫直接法。原生法又可以分為3類：通過測定巖石或礦物中母子體比值計(jì)算年齡，如U-Pb法、Rb-Sr法；已知物質(zhì)母體同位素的初始含量，再測定母體同位素的現(xiàn)今含量來計(jì)算年齡，如14C法；利用天然放射性衰變的結(jié)果并測定其現(xiàn)代含量來計(jì)算年齡，如普通鉛法。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,83,③ 放射性同位素地質(zhì)年齡測定的方法,2）次生法基于放射性同位素衰變時(shí)

48、產(chǎn)生的射線和核裂變對(duì)周圍物質(zhì)作用產(chǎn)生的次生現(xiàn)象，借助于射線核裂變作用的程度來測定年齡，也叫間接法。如氧化法、裂變徑跡法、熱發(fā)光法，等。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,84,重點(diǎn)和難點(diǎn),同位素概念、分類及各自特點(diǎn);同位素豐度變化原因及應(yīng)用；放射性同位素衰變定律及表達(dá)式；同位素地質(zhì)年代學(xué)測定的原理、前提及通用的數(shù)學(xué)表達(dá)式。,2024/3/19,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅰ,85,第6 章 復(fù)習(xí)思考題1,1. 同位素、穩(wěn)定