地球化学第六章.pptx

1、第6章，放射性同位素地球化学，第1节放射性同位素衰退原理第2节Rb-Sr年代学和Sr同位素地球化学第3节Sm-Nd同位素年代学和Nd同位素地球化学第4节U-Th-Pb年代学和Pb同位素地球化学第5节大洋火山岩和大陆火成岩的Sr-Nd-Pb同位素跟踪第6节K-Ar和Ar2)跟踪作用：同位素成分的变化受作用环境和作用本身的影响，因此可以利用同位素成分的变异来表示地质体形成的环境条件、机制，并跟踪物质的来源。3)温度测量作用：由于部分矿物同位素成分的变化与形成的温度有关，因此可以设计各种矿物对的同位素温度计，用于测量成岩成光温度。它还可以用于资源勘探、环境监测、地质灾害预防等。第一节放射性同位素衰退

2、原理，第一节，放射性基本概念，核素：特定原子质量数，原子序数，核能状态的原子核，元素：同一原子序数等种类的原子。同位素：具有相同质子数Z、不同中子数N(或不同质量数A)相同元素(ISOTOPES)的徐璐其他核素为同位素(Isotopes)。从核素的稳定性来看，自然界有两大茄子同位素类别。一个是核能自发衰退到另一个核的同位素(放射性同位素)。另一种是其核稳定。迄今为止没有发现的衰退，可以变成其他核的同位素(稳定同位素)。但是核素的稳定性是相对的，根据现阶段的实验技术，取决于放射性元素半衰期的检出范围，目前原子的存在时间大于1017年的是稳定同位素，相反的是放射性同位素。，质子，中子，电子，稳定同

3、位素，放射性同位素，放射性崩溃：经过放射性同位素自然崩溃，转变为其他元素同位素，母元素同位素减少，子元素同位素增加继续，改变母元素和子元素同位素的成分。是放射性原子核的特性，不受外部物化条件的影响。放射性衰退及其类型，放射性核素自发改变核结构形成的过程称为核衰变。牙齿过程也称为放射性衰退，因为它总是伴随着有电或没有电的粒子释放。衰变，-衰变衰变衰变衰变电子俘获，衰变，中核裂变：中放射性同位素自发分裂成23个原子量大致相同的“碎片”，每个高速向不同的方向分布。例如，238U、235U、232Th都可能发生这种分裂。在自然界中，一些同位素可以通过一次一定形式的衰退成为一种稳定同位素。但是一些放射性

4、同位素要经过一系列的各种衰退才能变成稳定同位素：2。同位素分馏效果3360，1)同位素分馏效果：地质作用过程中质量差异引起的轻稳定同位素(Z20) 2)分馏效果的原因：物理分馏，同位素交换反应，生物化学反应，动力分馏。物理分馏：也称为质量分馏，是由于同位素之间质量差异引起的质量相关特性的差异(例如密度、比重、熔点、沸点等较小的差异)，从而在蒸发、冷凝、升华、扩散等自然物理过程中实现轻、重的同位素分化。例如：死海(约旦和巴勒斯坦之间)咸水中，蒸发作用最强的H218O含量最高。(。单向多次重复的物理过程，同位素分馏效果最明显。同位素交换反应(平衡分馏蒸馏):由于化学反应过程中反应物和产物之间物态、

5、状态、化学键性质的变化，轻重同位素分别在不同分子中富集和分化，称为同位素交换反应。例如：大气层和水权之间氧同位素交换反应(03360=1.074，253360=1.006)，大量实测数据显示，价格状态和状态差异较大的化学反应、同位素交换反应更加明显。生物化学反应：动植物及微生物在生存过程中经常交换媒介和物质，通过生物化学过程引起同位素分馏。例如，植物通过光合作用使12C更丰富于有机体，因此像煤、油、天然气等生物地质体的高12C。动力分馏：本质上具有不同质量的同位素分子具有分子振动频率和化学健康度(热力学上H218O的内部能量、热容量、熵与H216O不同)，轻同位素形成键比重同位素破裂很容易，因

6、此化学反应中轻同位素分子的反应率高于中东以上元素分子。例如：C 16O2C16O2平衡常数K1 C 16O18OC16O18O平衡常数K2实验测量K1/K2=1.17，3)分馏系数：同位素分馏作用大小，通常用分馏系数表示：=a物质中的元素同位素比率/b物质中的元素同位素比率(也是其他化合物)是同位素交换反应时，分馏效果随温度变化。一般来说，温度越高，越小，分馏效果越不明显。第二，放射性衰退的规律，放射性同位素特性：原子核内部发生放射性同位素衰退，从一个核素转变为另一个核素。衰退是自发和永久的抗剂反应，衰退是由一定比例决定的。衰退反应不受温度、压力、元素存在形式和物理化学条件的影响。衰变前核素和

7、衰变后核素的原子数量只是时间的函数。一般而言，衰退的核素称为母核(体)，衰退的产物称为子核(体)。放射性定律：在封闭的系统内，单位时间内，放射性母核衰变为子核的原子数与母核的原子数成正比。用以下表达式表示：-dN/dt=N，其中，n: t时间中原子核没有衰退的原子数dN/dt:单位时间内衰退的原子数：衰退率常数(单位时间内衰退的概率)1/年，1/秒-:dt时间通过T时，表示原子核lnN-lnN0=-(T-T0)=-t(根据积分公式)lnN/N0=-t(代数算法)由上而下：N/N0=e-t，N/N0t=(1/)ln(1 (D/N) D/N是现有子核心与父核心中的原子数之比。牙齿两种茄子式是同位素

8、年龄测量的基本公式，根据同位素年龄测量方法，均以此为计算公式。1)有适当的半衰期才能积累相当数量的亚核，同时母核也没有衰退。半衰期太长的话，长时间的地质历史后也不能积累相当数量的核。半衰期太短，不久母核就会几乎衰退。2)实测同位素衰变常数的精度可以满足要求。3)放射性同位素必须具有较高的地壳丰度，在目前的技术条件下，可以用足够的精度测量它和衰退的自身含量。(4)矿物、岩石晶体中只包含某种放射性同位素，包含有蜕变关系的子项目或部分子项目，但其数量也是可以预测的。要利用上述公式测定岩石、矿物的年龄，必须满足以下条件：5)保存放射性同位素矿物或岩石后，没有维持封闭系统，即放射性同位素增加或损失及其衰

9、退产物。目前新生代以前，比较成熟、常用的同位素年代测定方法，包括UThPb法KAr法RbSr法SmNd法ReOs法等第四纪同位素年代测定方法，在14C法、同位素封闭温度和冷却年龄、封闭温度特定同位素计时系统中，矿物封闭温度高，接近矿物形成温度的情况下，测定的年龄可以表示矿物的形成年龄。矿物的封闭温度低，测定的年龄不能表示矿物的形成年龄。因此，必须选择同位素计时系统。封闭温度高的矿物必须选择用于年龄测定。从封闭温度低的矿物中获得的年龄只能代表矿物的冷却年龄。放射性同位素年龄的地质意义，(1)结晶年龄：以火成岩体为例，矿物的结晶年龄记录岩石的岩浆作用年龄。在变质岩的情况下，变质矿物的结晶温度低于闭

10、合温度，矿物形成后，同位素时钟立即启动，计时开始，变质岩的结晶年龄被记录下来。(2)冷却年龄：以火成岩为例，冷却年龄是指岩体凝固后在冷却过程中达到矿物闭合温度时，同位素时钟启动记录开始的年龄。在变质岩中，矿物在变质旺季结晶，冷却过程中达到矿物闭合温度时记录同位素时钟启动的年龄。(3)变质年龄：是指变质作用达到峰值的年龄。决定变质年龄的方法取决于变质作用水平。在低品位变质的情况下，可以选择封闭温度高的特定矿物，以确定变质的年龄。在高级变质的情况下，通常使用全岩的Rb-Sr或Sm-Nd同位素方案进行估算。(4)地壳形成年龄：是指新大陆壳在地幔中区别的时间，通常按Sm-Nd模式计算。(5)地壳保留年

11、龄：通过对大陆地壳块侵蚀的沉积岩的Sm-Nd同位素分析，计算地壳停留年龄(tCR)，可以反映地壳形成年龄。牙齿年龄大于地层年龄。第2节Rb-Sr年代学和Sr同位素地球化学，1，Rb，Sr的地球化学，自然界Sr中有4个同位素：88Sr 82.56% 87Sr 7.02%(部分是87Rb衰退，部分是矿物，岩石形成时独有)86Sr 9。，放射性同位素年龄测量公式(1): 87Sr(样本1): 87Sr(初始)=87Rb(样本)(ET-1) (1) (=1.4710 86Sr是地球形成后原子总数基本不变的常数(87Sr/86Sr)样本=(87Sr/86Sr)初始(87Rb/86Sr)样本(et-1)(

12、混合在2岩流样本中的初始锶(87Sr/86Sr)地幔，陨石，月岩(87Sr/86Sr)早期=0.6999地壳原生质(87Sr/86Sr)早期=0.7120花岗岩岩石(87Sr/86Sr)早期=0.71000，方法的缺点：对早期钚的估计是人为的，近似的，计算年龄值误差大。假设1961年Nicolaysen发明等线图，岩浆结晶时间短，即同类样品组同时形成。在母圆上形成Sr牙齿样本时，同位素均匀化，因此样本的初始值(87Sr/86Sr)牙齿各处都是相同的。一般来说，由于矿物成分的差异，不同的样品具有不同的Rb/Sr比率，时间T后的每个样品具有不同的(87Sr/86Sr)样品，(87Rb/86Sr)样品。(87Sr/86Sr)示例=(87Sr/86Sr)初始(87Rb/86Sr)示例(et-1)，Y=ax b，其中y: (87sr)坐在曲线图上或用最小二