第五章 同位素地球化学-1-1

1、同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处： 1 1）计时作用：计时作用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。地层及复杂地质体。 2 2）示踪作用：示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质本身的影响，为此，可利用同位素

2、成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。 3 3）测温作用：测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来测定成岩成矿温度。来测定成岩成矿温度。 另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。治等。本章内容本章内容w 自然界引起同位素成分变化的原因自然界引起同位素成分变化的原因w 同位素年代学同位素年代学w 稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学

3、第五章 同位素地球化学一、一、自然界引起同位素成分变化的原因自然界引起同位素成分变化的原因n核素的性质核素的性质 n同位素分类同位素分类 n同位素成分变化同位素成分变化 1.1.什么叫核素什么叫核素? ? 由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子核子核称为称为核素核素，核素的质子数和中子数之和等于核素的质，核素的质子数和中子数之和等于核素的质量数（如量数（如1616O O）。）。 具有相同质子数的核素具有相同质子数的核素构成构成元素元素。一种元素的核数可以。一种元素的核数可以有不同数量的中子，称为有不同数量的中子，称为同位素同位素。它们

4、在元素周期表上占。它们在元素周期表上占据同一位置。据同一位置。 任何一个核素都可以用质量数任何一个核素都可以用质量数A=PA=P（质子数）（质子数）+N+N（中子（中子数）这三个参数来表示。数）这三个参数来表示。 （一）核素的性质（一）核素的性质 (1) (1)核素具有电荷核素具有电荷 (2)(2)核素具有质量核素具有质量 (3) (3)核素具有丰度核素具有丰度 ( (绝对丰度绝对丰度/ /相对丰度）相对丰度） (4) (4)核素具有能量核素具有能量 (5) (5)核素具有放射性核素具有放射性2 2、核素的性质、核素的性质 112，114，115，116，117，118，119，120，122

5、，124Sn 只有一种同位素的元素：只有一种同位素的元素：Be、F、Na、Al、P等等27种。种。 其余大多数由其余大多数由2-5种同位素组成。种同位素组成。( (二二) ) 同位素分类同位素分类p放射性同位素：放射性同位素： l其核能自发地衰变为其它核的同位素，称放射性同位素；其核能自发地衰变为其它核的同位素，称放射性同位素；l原子序数大于原子序数大于8383，质量数质量数209 p稳定同位素稳定同位素：l原子存在的时间大于原子存在的时间大于10101717年；年；l原子序数原子序数1,1,反应向右进行；当反应向右进行；当11MSWD1；当不存在地球化学误差时，；当不存在地球化学误差时，MS

6、WD1MSWD1。 由于某些地质体同位素组成的均一性，各全岩样品中由于某些地质体同位素组成的均一性，各全岩样品中Rb/SrRb/Sr比值差异不大，因而难以获得等时线。在这种情况下，比值差异不大，因而难以获得等时线。在这种情况下，可利用可利用全岩全岩+ +矿物等时线法获得年龄信息矿物等时线法获得年龄信息，但等时线中的所选矿物必，但等时线中的所选矿物必须来自同一全岩样品。这种等时线称内部等时线，在一般情况须来自同一全岩样品。这种等时线称内部等时线，在一般情况下，所得年龄低于全岩下，所得年龄低于全岩Rb-SrRb-Sr等时年龄，代表岩石中矿物的平等时年龄，代表岩石中矿物的平均结晶年龄。均结晶年龄。p

7、某些地质体同位素组成具均一性，各全岩样品中某些地质体同位素组成具均一性，各全岩样品中Rb/SrRb/Sr比值比值差异不大，难以获得等时线。差异不大，难以获得等时线。可利用全岩可利用全岩+ +矿物等时线法获得矿物等时线法获得年龄信息。年龄信息。p等时线中的所选矿物必须来自同一全岩样品。所得年龄低于等时线中的所选矿物必须来自同一全岩样品。所得年龄低于全岩全岩Rb-SrRb-Sr等时年龄，代表岩石中矿物的平均结晶年龄。等时年龄，代表岩石中矿物的平均结晶年龄。pRb-Sr全岩等时线法主要适用于基性、中性和中酸性岩浆岩全岩等时线法主要适用于基性、中性和中酸性岩浆岩形成年龄的测定。形成年龄的测定。p常取得

8、变质事件的年龄或无意义的年龄信息。常取得变质事件的年龄或无意义的年龄信息。pRb-Sr全岩等时线法很少用于沉积岩的年龄测定。全岩等时线法很少用于沉积岩的年龄测定。Rb-Sr全岩等时线法全岩等时线法2. Sr同位素地球化学同位素地球化学 1 1）SrSr同位素与火山岩成因同位素与火山岩成因p ( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值对示踪物质来源，壳幔物质演化及壳幔相比值对示踪物质来源，壳幔物质演化及壳幔相互作用等方面具有重要意义。互作用等方面具有重要意义。 p 通过全岩通过全岩Rb-SrRb-Sr等时线法可获得岩石形成时等时线法可获得岩石形成时( (8787Sr/Sr/8686

9、Sr)Sr)0 0，对，对于单个样品，若于单个样品，若年龄年龄t t已知已知，实测该样品的，实测该样品的8787Sr/Sr/8686Sr Sr 和和8787Rb/Rb/8686SrSr比值，下式计算比值，下式计算( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值：比值：( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0 = =8787Sr/Sr/8686Sr -Sr -8787Rb/Rb/8686Sr (eSr (ett-1) -1) p目前公认的目前公认的玄武质无球粒陨石玄武质无球粒陨石的的( (8 78 7Sr/Sr/8 68 6Sr)Sr)0 0比值为比值为0.698970.69

10、8970.00003(Faure,1977)0.00003(Faure,1977)，代表，代表地球地球形成时的初始比值，形成时的初始比值，以以BABIBABI表示。表示。p 为了确定为了确定地壳和地幔地壳和地幔两大体系的两大体系的( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值特征及其比值特征及其演化规律，演化规律，Faure（1983)对确认起源于对确认起源于上地幔源区上地幔源区的现代的现代玄武玄武岩岩等岩石的等岩石的8787Sr/Sr/8686SrSr进行统计研究，发现它们的进行统计研究，发现它们的8787Sr/Sr/8686SrSr值变值变化于化于0.7020.7060.7020

11、.706之间，其平均值为之间，其平均值为0.7040.704，Rb/Sr=0.027Rb/Sr=0.027。p 不同区域内的玄武岩不同区域内的玄武岩在锶同位素组成上具有明显的在锶同位素组成上具有明显的不均一性不均一性。例如，例如， ( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0的平均值，洋中脊玄武岩为的平均值，洋中脊玄武岩为0.70280,0.70280,海岛海岛玄武岩为玄武岩为0.703860.70386，岛弧玄武岩为，岛弧玄武岩为0.704370.70437，大陆玄武岩为，大陆玄武岩为0.705770.70577。p 从大洋到大陆，从大洋到大陆，8787Sr/Sr/8686SrSr同

12、位素比值平均值同位素比值平均值呈递增呈递增趋势。趋势。2 2）SrSr同位素与花岗岩成因同位素与花岗岩成因n ( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值比值除了除了研究成岩和成矿物质来源外，还可用研究成岩和成矿物质来源外，还可用来划分来划分岩石的成因岩石的成因类型。类型。n 花岗岩的成因类型可划分为花岗岩的成因类型可划分为S S型和型和I I型花岗岩，型花岗岩，S S型花岗岩型花岗岩的的( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0大于大于0.7060.706，而，而I I型花岗岩的型花岗岩的( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0小于小于0.7060.706

13、I I型花岗岩，型花岗岩，由火成岩原岩经部分熔融形成的，由火成岩原岩经部分熔融形成的，Na/Na/K K高高，Al/Al/（Na+K+2Ca)Na+K+2Ca)低，低，CaCa高高。 S S型花岗岩，型花岗岩，由沉积岩原岩经部分熔融形成的，由沉积岩原岩经部分熔融形成的，Na/Na/K K低低，Al/Al/（Na+K+2Ca)Na+K+2Ca)高。高。A A型花岗岩，型花岗岩，产于已稳定的褶皱带和地盾内隆起地区与产于已稳定的褶皱带和地盾内隆起地区与断裂有关的碱性花岗岩。断裂有关的碱性花岗岩。1、 U-Th-Pb法定年法定年 p U U有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：238238U

14、(99.2739%)U(99.2739%)、235235U (0.0057%)U (0.0057%)、234234U(0.0057%)U(0.0057%)，238238U/U/235235U=137.88U=137.88；p Th Th只有一个同位素只有一个同位素232232ThTh，属天然放射性同位素，属天然放射性同位素，p Pb Pb有四种同位素：有四种同位素：204204PbPb、206206PbPb、207207PbPb、208208PbPb，204204PbPb是非放是非放射成因铅射成因铅，而，而206206PbPb、207207PbPb和和208208PbPb是放射成因铅。是放射成

15、因铅。 p 238238U U、235235U U和和232232ThTh经一系列的衰变形成，反应如下：经一系列的衰变形成，反应如下： 238238UU206206Pb+8+6 Pb+8+6 235235UU207207Pb+7+4 Pb+7+4 232 232ThTh208208Pb+6+4Pb+6+4(五) U-Th-Pb法定年及法定年及Pb同位素地球化学同位素地球化学 根据衰变定律，并考虑样品中有初始铅的混入，有以下等式：根据衰变定律，并考虑样品中有初始铅的混入，有以下等式： ( (206206Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)0

16、 0+(+(238238U/U/204204Pb)(ePb)(e1t1t-1) (1) -1) (1) ( (207207Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(235235U/U/204204Pb)(ePb)(e2t2t-1) (2) -1) (2) ( (208208Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(208208Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(232232Th/Th/204204Pb)(ePb)(e3t3t-1) (3) -1) (3) 联立方程（联立方程（1 1）和）和(2)(2)式，并整理得：

17、式，并整理得： (207207Pb/Pb/204204Pb)-(Pb)-(207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0/(/(206206Pb/Pb/204204Pb)- (Pb)- (206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0 = =235235U(eU(e2t2t-1)/-1)/238238U(eU(e1t1t-1)=(1/137.88)(e-1)=(1/137.88)(e2t2t-1)/(e-1)/(e1t1t-1) (4)-1) (4) D/DD/DS S =(D=(D0 0/D/DS S) +N/D) +N/DS S (e(ett -1) -1) p方程方程(1

18、)(1)、(2)(2)、(3)(3)和和(4)(4)可以得到可以得到4 4个相互独立的年龄个相互独立的年龄t, t, 称称表面年龄。表面年龄。p如果这些表面年龄相对差异小于如果这些表面年龄相对差异小于10%10%则称为则称为一致年龄一致年龄，它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。p大部分表现为不一致年龄，且一般为：大部分表现为不一致年龄，且一般为：t t208208tt206206tt207207t 208Pb/204Pb ?/SUP 208Pb/204Pb图。图。NDBNDB为北大别为北大别变质杂岩（实心方块为花岗质片麻岩类、空心方块为斜长角闪岩）；变质杂岩

19、（实心方块为花岗质片麻岩类、空心方块为斜长角闪岩）；SDBSDB为南大别变质杂岩（实为南大别变质杂岩（实心三角为超高压片麻岩类，空心三角为榴辉岩类）；黑实心圆为大别山白垩纪花岗岩类；有误差心三角为超高压片麻岩类，空心三角为榴辉岩类）；黑实心圆为大别山白垩纪花岗岩类；有误差棒的大球为大别中生代花岗岩类长石铅同位素组成的平均值（张理刚等，棒的大球为大别中生代花岗岩类长石铅同位素组成的平均值（张理刚等，19951995）A cartoon showing tectonic framework and crustal structure of the Dabie Mountains第90页/共78页中

20、生代花岗岩类前中生代花岗岩类中生代花岗岩类前中生代花岗岩类南秦岭与北秦岭花岗岩类南秦岭与北秦岭花岗岩类PbPb同位素组成随时代的变化，反同位素组成随时代的变化，反映北秦岭中生代花岗岩的岩浆源区来自于南秦岭陆壳块体映北秦岭中生代花岗岩的岩浆源区来自于南秦岭陆壳块体A A、B B示南秦岭和北秦岭前中生代花岗岩类示南秦岭和北秦岭前中生代花岗岩类p如果如果矿石铅矿石铅与与围岩（沉积岩或火成岩）围岩（沉积岩或火成岩）铅的同位素组成铅的同位素组成相似相似或或模式年龄相近模式年龄相近，对围岩是沉积岩，则矿床可能属于同生沉，对围岩是沉积岩，则矿床可能属于同生沉积矿床，对积矿床，对围岩是火成岩围岩是火成岩，矿床

21、应属岩浆热液成因。，矿床应属岩浆热液成因。p如果矿石铅与成矿围岩具有明显如果矿石铅与成矿围岩具有明显不同的铅同位素组成不同的铅同位素组成，则矿，则矿质来源与围岩无关，而是质来源与围岩无关，而是由成矿热液从其它源区搬运而来由成矿热液从其它源区搬运而来。p对成矿物质多来源的矿床，其矿石铅的同位素组成应是各种对成矿物质多来源的矿床，其矿石铅的同位素组成应是各种来源物质的混合，对此可进行两端元或多端元的混合模式计来源物质的混合，对此可进行两端元或多端元的混合模式计算，确定各组成端元的混合比例。算，确定各组成端元的混合比例。 5 5）铅同位素对矿床成因和成矿物质来源有）铅同位素对矿床成因和成矿物质来源有

22、重要指示作用重要指示作用有兴趣的同学，自己看。 (六) Sm-Nd法定年及法定年及Nd同位素地球化学同位素地球化学 K-Ar法法( (七七) ) 1414C C法法年轻地质体系同位素年代测定年轻地质体系同位素年代测定1414N + n N + n 1414C +C + 1 1H Hp新产生的新产生的1414C C在大气层中很快被氧化成在大气层中很快被氧化成1414COCO2 2，并与大气层的，并与大气层的COCO2 2混合并扩散，使水圈及生物圈中都存在着宇宙辐射成因的混合并扩散，使水圈及生物圈中都存在着宇宙辐射成因的1414C C。p1414C C的产生速率主要取决于的产生速率主要取决于宇宙射

23、线产生的中子数量宇宙射线产生的中子数量，即宇，即宇宙的辐射强度。可以认为宙的辐射强度。可以认为1414C C产生的速率大体上是一个常数。产生的速率大体上是一个常数。p1414C C通过通过衰变反应消耗，两者达到平衡衰变反应消耗，两者达到平衡。这种平衡过程是。这种平衡过程是相当快的，当生物死亡后，碳的交换循环作用就停止，有机相当快的，当生物死亡后，碳的交换循环作用就停止，有机体内保存的体内保存的1414C C将随时间逐渐衰亡而减少。将随时间逐渐衰亡而减少。1414C C 1414N + N + 根据放射性衰变定律：根据放射性衰变定律： 1414N N* * = = 1414C(eC(ett-1-

24、1 ) ) 也可以也可以(P219) (P219) ： A = AA = A0 0 e e-t -t t t为有机死亡后经历的时间；为有机死亡后经历的时间； A A0 0为有机物活着时的为有机物活着时的1414C C比度（比度（13.5613.560.007 dpm/g, 0.007 dpm/g, 每克碳每克碳中每分钟中每分钟1414C C衰变的次数）衰变的次数） A A为样品现今的放射性比度；为样品现今的放射性比度； 为为1414C C的衰变常数（的衰变常数（1/82671/8267年年-1-1） 什么是裂变径迹？什么是裂变径迹？ 放射性元素的核裂变碎片在矿物晶格内放射性元素的核裂变碎片在矿物晶格内产生的狭窄痕迹称为裂变径迹产生的狭窄痕迹称为裂变径迹 形成机制：离子爆炸尖峰脉冲模型形成机制：离子爆炸尖峰脉冲模型（Fleischer et al.,1965) 长度长度10m左右，经氰氟