1-第三章-同位素地球化學(xué)一-概論

1、2024/3/21,同位素地球化學(xué),1,封面,2024/3/21,同位素地球化學(xué),2,第三章,同位素地球化學(xué),2024/3/21,同位素地球化學(xué),3,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),2024/3/21,同位素地球化學(xué),4,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)。,2024/

2、3/21,同位素地球化學(xué),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(xué),6,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

3、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。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),7,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(Stable isotope)：目前

4、技術(shù)條件下無(wú)可測(cè)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(xué),8,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1-9,2024/3/21,同位素地球化學(xué),9,基本概念,同位素

5、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,,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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

6、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%,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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

7、變)、核爆炸(核武器),2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(zhì)應(yīng)用,1) 同位素地質(zhì)定年 (isotope dating)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

8、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),2024/3/21,同位素地球化學(xué),13,同位素分析技術(shù)

9、,TIMSMc-ICP-MSSHRIMPLA-Mc-ICPMS,2024/3/21,同位素地球化學(xué),14,同位素分析技術(shù),MAT 261,SHRIMP II,special high resolution ionic mass probe,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？,2024/3/21,同位素地球化學(xué),16,,2024/3/21,同位素地球化學(xué)

10、,17,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?？藸栁募俣ǖ厍蜃畛踉?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

11、多熱烈的爭(zhēng)論。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),18,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)。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),19,地球年齡估計(jì),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(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。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),20,地球年齡的估計(jì),,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(bào)到的最老的巖體是白家墳奧長(zhǎng)花崗巖巖體(3.8Ga),2024/3/21,同位素地球化學(xué),22,,2024/3/21,同位素地球化學(xué),23,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)0,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(xué),25,,當(dāng)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(xué),26,,2024/3/21,同位素地球化學(xué),27,隕石Pb-Pb等時(shí)線年齡,2024/3/21,同位素地球化學(xué),28,隕石的Rb-Sr年齡,2024/3/21,同位素地球化學(xué),29,隕

15、石Rb-Sr等時(shí)線年齡,2024/3/21,同位素地球化學(xué),30,隕石Sm-Nd等時(shí)線年齡,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(xué),32,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,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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

17、都以α-衰變?yōu)橹鳌?例如：,2024/3/21,同位素地球化學(xué),35,同位素衰變形式,2) β-衰變(Beta Decay)，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,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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?，正電子和中微子。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。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),

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(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：,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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

21、反應(yīng)堆的基本原理。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),39,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,2024/3/21,同位素地球化學(xué),40,1972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

22、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),2024/3/21,同位素地球化學(xué),41,3. 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

23、變反應(yīng)堆,2024/3/21,同位素地球化學(xué),42,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(238

24、U)、錒系(235U)和釷系(232Th) 。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),43,同位素衰變形式,238U→206Pb,235U→207Pb,2024/3/21,同位素地球化學(xué),44,同位素衰變形式,232Th↓208Pb,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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

25、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,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(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：,2024/3/21,同位素地球化學(xué),47,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,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(jīng)歷的時(shí)間，用T1/2表示。,由 N/N0=e-λt,→,1/2=e-λT1/2,兩邊取對(duì)數(shù)：,-ln2 =-λT1/2,T1/2 ≈ 0.693/λ,2024/3/21,同位素地球化學(xué),49,二、放射性同位素年齡測(cè)定,D= N eλt –N=N(eλt-1) (1),假設(shè)：以D表示由經(jīng)過(guò)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(jīng)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(cè)定的基本公式，不同的同位素年齡測(cè)定方法都是以此為計(jì)算公式的。,2024/3/21,同位素地球化學(xué),50,就有適當(dāng)?shù)陌胨テ冢@樣才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時(shí)母核也未衰變完。如果半衰期太長(zhǎng)

29、，就是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史也積累不起顯著數(shù)量的子核；如果半衰期太短，沒(méi)有多久，母核幾乎衰變完了，也就是我們已經(jīng)測(cè)不到母核了。,所測(cè)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(dāng)前的技術(shù)條件下能以足夠的精度測(cè)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(lái)測(cè)定巖石礦物年齡，應(yīng)滿足以下條件：,2024/3/21,同位素地球化學(xué),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(méi)有增加或丟失放射同位素同位素及其衰變產(chǎn)物。,礦物、巖石結(jié)晶時(shí)，只含某種放射性同位素，而不含與之有蛻變關(guān)系的子體或雖含部分 子體，其數(shù)量變是可以估計(jì)的。,利用 t=(1/λ)ln(1+(D/N)) 測(cè)年的條件,2024/3/21,同位素地球化學(xué),52,目前地質(zhì)上使用的同位素測(cè)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 (