同位素地球化学一概论

同位素地球化学一概论第一页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/261第三章同位素地球化学第二页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/262本章主要内容一、自然界同位素丰度变化的原因二、同位素地质年代学三、稳定同位素地球化学四、同位素示踪技术第三页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/263第一讲基本概念同位素地球化学：同位素地球化学是研究地壳和地球中核素的形成、丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律的科学。第四页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/264基本概念核素Nuclide同位素Isotope稳定同位素Stableisotope放射性同位素Radioactiveisotope同位素分馏IsotopeFractionation同位素衰变Isotoperadioactivedecay第五页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/265基本概念核素：核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。例如，原子核里有6个质子和6个中子的碳原子，质量数是12，称为碳-12核素，或写成12C核素。原子核里有6个质子和7个中子的碳原子，质量数为13，称13C核素。氧元素有16O，17O，18O三种核素。具有多种核素的元素称多核素元素。自然界仅有一种核素存在的元素称为单核素元素，如氦、氟、铝、钠等20种元素。

第六页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/266基本概念同位素：质子数相同而中子数不同的一组核素称为同位素稳定同位素(Stableisotope)：目前技术条件下无可测放射性的同位素放射性同位素(radioactiveIsotope)：凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者为放射性同位素第七页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/267基本概念同量异位数：质子数不同而质量数相同的一组核素,如:86Rb-86Sr144Sm-144Nd40K-40Ar-40Ca206Pb-206Tl,204Pb-204Hg教材中表1-9第八页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/268基本概念同位素分馏：在地质过程中，由于质量差异所导致的轻稳定同位素(Z<20)的相对丰度发生改变的过程。同位素衰变：放射性同位素经过自然衰变,转变为其它元素的同位素的过程

第九页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/269一、自然界同位素丰度变化的原因1.同位素丰度(isotopeabundance)绝对丰度指某种同位素在所有稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1H(取1H=1012)或28Si(取28Si=106)的比值表示。绝对丰度一般由太阳光谱和对陨石的结果得出元素组成，结合各元素的同位素组成计算的。相对丰度指同一元素各种同位素的相对含量。例如：碳有两种稳定同位素12C=98.10%，13C=1.10%第十页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2610一、自然界同位素丰度变化的原因2.同位素丰度变化1)同位素衰变(在同位素年代学部分要讲)2)同位素效应与同位素分馏(在稳定同位素部分要讲)3)核合成:聚合反应4)其它：人工核反应堆(核裂变)、核爆炸(核武器)第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2611一、自然界同位素丰度变化的原因3.同位素丰度变化的地质应用1)同位素地质定年(isotopedating)地质时钟(geochronometer)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、不受干扰地走动着，我们可以利用放射性同位素的这一特性测定各种地质体的年龄，特别适合岩浆岩、显生宙的前寒武纪地变质地层及其它复杂地质体的年龄。2)地球化学示踪(Trace)同位素成分的变化受到环境和作用本身的影响，为此，可以用同位素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。3)地质温度计(geothermometer)

由于某些矿物同位素成分变化与形成的温度有关，因些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。4)其它同位素技术还可以用于矿产勘查、环境监测、地质灾害预报第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2612同位素分析技术TIMSMc-ICP-MSSHRIMPLA-Mc-ICPMS第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2613同位素分析技术MAT261SHRIMPIIspecialhighresolutionionicmassprobe第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2614同位素地质年代学地球的年龄是多少，是怎么获得的？如何测定一个地质体的年龄？同位素年龄在地质学研究中有何意义？第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2616地球年龄的估计赫姆霍兹计算出一个2千2百万年的可能年龄。克尔文假定地球最初曾经熔融，估计需要2-4亿年才会冷却到现存这样低的地表热流。达尔文在他的月球可能从地球分离出去的研究中，得出一个5千7百万年的数值。地质学家乔利用海洋里钠的聚积速率，计算出海洋的年龄为8—9千万年。在1893年里德根据沉积速率的研究，计算出从寒武纪开始以来经历了6亿年。古德蔡尔德根据同样的方法计算得出7亿年。在十九世纪末，地球年龄的问题引起了很多热烈的争论。第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2617地球年龄的估计在1898年贝克雷尔发现了天然放射性；在1903年皮埃尔·居里和拉博德观察到镭特有的比它的环境更高的温度；三年以后，R，J．斯特拉特(后来的雷利)发现所有岩石都有放射性特征，并几向皇家学会作了“关于在地壳中镭的分布和关于地球内部热量”的演讲。放射性同位素的发现宣告了所有老的地球年龄估计的终结。第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2618地球年龄估计1904年卢瑟福建议根据放射性矿物里的氦的积聚速率来计算岩石的年龄。博尔特伍德和雷利采纳了这个建议，并且博尔特伍德在指出铅是铀的衰变的最终产物之后，建立了U-Pb法。1931年，霍姆斯根据相关研究，已能得出以下结论：地球的年龄超过1460Ma，或许不少于1600Ma，而大概比30亿年要少得多。第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2619地球年龄的估计

第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2620华北克拉通上已发现了大量的>3.0Ga的岩石，目前报到的最老的岩体是白家坟奥长花岗岩岩体(3.8Ga)第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2621第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2622根据地球上岩石铅估计的地球年龄T0-地球的年龄；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2623石陨石的K-Ar年龄频率分布图(据安德斯，1963)第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2624当前采用的值：(206Pb/204Pb)0=9.307；(207Pb/204Pb)0=10.294；(208Pb/204Pb)0=29.476T0-地球的年龄；a0=(206Pb/204Pb)0；b0=(207Pb/204Pb)0第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2625第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2626陨石Pb-Pb等时线年龄第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2627陨石的Rb-Sr年龄第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2628陨石Rb-Sr等时线年龄第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2629陨石Sm-Nd等时线年龄第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2630地球的年龄扣除了铁陨石的普通铅第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2631同位素地质年代学同位素衰变形式放射性衰变定律同位素地质年代学原理同位素方法测定地质年龄的前提条件同位素测年方法分类第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2632同位素衰变形式放射性衰变

isotoperadioactivedecay

：放射性同位素经过自然衰变,转变为其它元素的同位素,结果母核素不断减少,而子核素不断增加,从而改变着母核素和子核素的成分,它是放射性原子核的一种特性,不受外界物理化学条件的影响。第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2633同位素衰变形式α-衰变(ALPHA

DECAY)：放射性母核放出α粒子。由于式可见，新核的同位素原子序数比母核少2，质量数少4。自然界的重同位素如235U、238U、232Th等都以α-衰变为主。例如：第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2634同位素衰变形式2)β-衰变(BetaDecay)，也称负电子衰变：即放射性母核中的1个中了分裂为一个中子分裂为1个质子和1个电子(即β-粒子)，同时放出反中微子γ其通式为：衰变的结果是，核内减少一个中子，增加1个质子，新核素的质量数不变，核电荷数加1，变成周期表右侧相邻的新元素第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2635同位素衰变形式3)正电子衰变(β+)很多放射件核素通过发射带正电荷的电子(正电子)而衰变。正电子的能谱类似于负电子能谱，就是说，由某放射性核素放射的大部分正电子的动能小于其极大值或终点值。同样，每一正电子的衰变伴随着发射中微子，它的能量等于终点能和正电子的动能之差。根据费米的万衰变理论，正电子发射被认为是核中的质子转变为中子，正电子和中微子。显然，其衰变的产物与电子捕获相同。正电子衰变产生的于核是同量异位素，并且比母核少一个质子。第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2636同位素衰变形式4)电子捕获：是母核自发地从核外电子壳层捕获一个电子(e)，与质子结合变成中子，质子数减少1个，通式为：这是β-的逆向变化。由于电子捕获过程通常是在K层上吸取一个电子，因此也称为K层电子捕获。衰变的产物为质量数不变，质子数(核电荷数)减1，变成周期表上左邻的新元素。如：第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/26375)重核裂变(SpontaneousFission)

重放射性同位素自发地分裂为2-3片原子量大致相同的碎片，各以高速度向不同方向飞散，如238U，235U，232Th都可以发生这种裂变。此外244Pu(一个已经枯竭的放射性核素)也具有自发裂变的特点。238U的自发裂变频率不到其α衰变的2×10-6

。在重的超U元素中，核裂变是主要的衰变形式。实际上235U比238U更容易发生核裂变。但由于自然界中的U浓度通常都很低难以达到核裂变的条件(与其它衰变形式不一样!!!)。235U在中子的轰击下可发生核裂变这是原子弹和核反应堆的基本原理。第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2638已知的235U核反应堆的一个天然例子称为Oklo铀矿。中子轰击下235U的核裂变反应重水核聚变第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2639

1972年5月，在进入法国处理厂处理中非加蓬共和国Oklo矿床的铀矿石是发现，该矿石亏损235U。235U亏损是由18亿前的天然裂变反应堆引起的。说它是一个天然核反应堆主要有如下地球化学证据：天然235U核裂变反应堆1.自裂变产生的元素丰度特征。如观测过量的REE和象Zr这类的其它不活泼元素。2.一些元素的特征同位素丰度仅能由裂变加以解释。如Nd同位素组成特征(右图)第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/26403.显著的238U/235U异常自然界中238U/235U=137.88，这是一个常数。而在Oklo矿床中，这一比值为227，说明有很的235U丢失，这就是前面提到的235U亏损。其唯的一解释就是235U被“烧”掉了，也就是裂变了。天然235U核裂变反应堆第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2641单衰变与系列衰变放射性同位素经过一次衰变，形成稳定子体同位素的过程，称作单衰变。如87Rb经过一次β—衰变，变成稳定同位素87Sr。而位于化学元素周期表后面的一些重同位素，需要经过一系列衰变，才能最终形成稳定同位素。这样的衰变过程称作系列衰变。如238U经过8次α衰变和6次β—衰变，最终才能形成稳定同位素206Pb。至今存在于地球上而又能用于地质年龄测定的天然系列衰变有铀系(238U)、锕系(235U)和钍系(232Th)

。第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2642同位素衰变形式238U→206Pb235U→207Pb第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2643同位素衰变形式232Th↓208Pb第四十四页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2644放射性衰变定律我们把正在衰变的核素称为母核(体)，衰变的产物称为子核(体)自然界的放射性同位素虽然衰变的方式和产物不同，但都服从一个放射性衰变定律，即在一个封闭的系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与母核原子数成正比，即：△N∝N•△t

其中N：在t时刻未衰变完母核的原子数-dN/dt：单位时间内所衰变的原子数λ：衰变速率常数，简称衰变常数，即单位时间内衰变几率，用1/年、1/秒表示第四十五页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2645放射性衰变定律lnN-lnN0=-λ(T-T0)=-λtln(N/N0)=-λt

N/N0=e-λtN=N0e-λt此式说明，放射性同位素原子核的总核数随着时间的减少服从于指数定律。这是放射性衰变基本定律，也是同位素地质年代学的基本公式。假设：T0时刻母核的原子数为N0，经过t时到达T时刻，母核的原子数为N，N的数值可以对上式积分求得：第四十六页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2646放射性同位素（N）随时间衰减，

子核（D）随时间增长的理论曲线第四十七页，共五十页，编辑于2023年，星期五2023/5/2647放射性衰变定律半衰期(Half-life)：母核衰变为