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第五章同位素地球化学基础 研究意义 同位素地球化学基础 地质体的年龄板块构造地球的年龄太阳系各天体的年龄物质来源地球 地壳和地幔演化 同位素地球化学基础 一 同位素分馏和衰变反应1 同位素的定义和分类定义 质量数不同 质子数相同的核素为同位素 同位素地球化学基础 已发现的天然同位素330多种分类 放射性同位素 40K 87Rb 147Sm 238U 235Th等稳定同位素 轻同位素和重同位素12C 13C 16O 17O 18O 32S 34S等 同位素地球化学基础 2 同位素分馏作用 A A 10 物理分馏 质量分馏 物理过程中由于同位素质量差异引起的分馏称为物理分馏 例如 蒸发 凝聚 蒸汽富H2O 水体富D2O扩散 高层富14N 低层富15N等 同位素地球化学基础 同位素地球化学基础 1 化学分馏在化学反应过程中引起轻重同位素的分异称为化学分馏分子振动频率化学键强度反应速率 K 产物中富集轻同位素 同位素地球化学基础 动力分馏 由于化合物中轻重同位素的化学键强度差异引起 反应速率差别 C 16O2 C16O2K1C 16O18O C16O18OK2K1 K2 1 17 同位素地球化学基础 生物化学分馏生物活动和有机反应将引起同位素分馏 如植物通过光合作用使12C更多地富集在生物合成的化合物中 所以生物成因的煤 石油 油气具有最高的12C 13C比值 同位素地球化学基础 3 分馏作用的影响因素 A A 相对质量差 A A D H AD AH AH 2 1 1 100 温度 温度越高 分馏作用越小 平衡程度 同位素地球化学基础 同位素地球化学基础 4 同位素组成和分馏的表示方法绝对比值如大气中18O 16O比值R 18O 16O 2 0 10 3 同位素地球化学基础 偏差值 与国际通用标准样品之间的偏差绝对比值差 R 样品 R 标准样品 相对比值差 o R样品 R标准 R标准 1000 同位素地球化学基础 同位素地球化学基础 如 18O o 18O 16O 样品 18O 16O 标准 18O 16O 标准 1000 D o 34S o 13C o 同位素地球化学基础 3 衰变反应和衰变定律 1 自然核衰变的种类 衰变原子核中的中子分裂为质子和电子 AZM AZ 1M 例如 8737Rb 8738Sr 4019K 4020Ca 同位素地球化学基础 电子捕获原子自发地从K或L层电子轨道吸取一个电子形成中子 通式为 AZM e AZ 1M 例如 4019K e 4018Ar13857La e 13856Ba 同位素地球化学基础 衰变重核通过放出 质点 He核 通式为 AZM A 4Z 2M 例如 22688Ra 22286Rn 同位素地球化学基础 2 衰变定律母体和子体概念 母体 放射性核素子体 衰变产物 同位素地球化学基础 卢瑟福 1902 实验结果 单位时间内衰变的原子数正比于放射性母体原子数 衰变的母体 子体原子数只与时间有关 与体系T P等物理化学条件无关 同位素地球化学基础 衰变定律表达式 dN dt N 原子数目与时间的关系 dN N dt 左边由No积分到N 右边由0积分到t 得 lnN lnNo tN No e t或N Noe t 同位素地球化学基础 当t 0时 D 0 经过t时间后有 D No N代入上式得 D N e t 1 同位素地球化学基础 3 同位素年代学的技术和条件准确测定衰变常数高精度 高灵敏度的测定技术样品的封闭性 例如 对于岩浆作用可选择耐高温的岩石或矿物 如锆石等 含水矿物中 角闪石的封闭性好于云母 同位素地球化学基础 4 同位素测定方法制样制成易离子化的化合物或气体要求 试剂和设备不能带入污染处