GeoChem_3[1].1.ppt

第三章同位素地球化学 2 44 本章主要内容 3 44 Geochemistry 第三章同位素地球化学Ch3IsotopeGeochemistry 第一节同位素地球化学基本概念 地球化学 4 44 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 并利用这些规律解决有关地质地球化学问题的科学 一 什么是同位素地球化学 5 44 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 二 同位素地球化学的一些基本概念 6 44 1 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 二 同位素地球化学的一些基本概念 7 44 2 同位素 质子数相同而中子数不同的一组核素称为同位素我们可以把一个族看作一个大家庭 族内的元素看作是兄弟姐妹 在人类的家庭中 有孪生兄弟的不太常见 而每个元素几乎都存在着 孪生 现象 如氧就是一个3孪生兄弟的集合体 锌有6孪生兄弟姐妹 我们把元素的孪生兄弟姐妹们称为同位素 有的元素有一个同位素 而有的元素的同位素却多种同位素 同位素的多到十几或二十几个 如锡有26种同位素 同位素的特点是质子数相同 中子数不同 原子量也不相同 由于决定元素化学性质的主要是质子数和核外电子数及其排列特征 对同一个元素而言 只要质子数相同 它的同位素之间的化学性质就是相似的 二 同位素地球化学的一些基本概念 8 44 3 稳定同位素 Stableisotope 目前技术条件下无可测放射性的同位素 4 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 二 同位素地球化学的一些基本概念 9 44 5 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 二 同位素地球化学的一些基本概念 10 44 6 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 7 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 二 同位素地球化学的一些基本概念 11 44 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 三 同位素丰度变化及其地质应用 12 44 2 自然界引起同位素丰度变化的主要因素1 同位素衰变 同位素年代学的基础 2 同位素效应与同位素分馏 稳定同位素的主要研究内容 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 三 同位素丰度变化及其地质应用 13 44 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 三 同位素丰度变化及其地质应用 14 44 四 同位素分析技术 TIMSMc ICP MSSHRIMPLA Mc ICPMS 15 44 specialhighresolutionionicmassprobe 质谱仪 16 44 Geochemistry 第三章同位素地球化学Ch3IsotopeGeochemistry 第二节同位素年代学基本原理 地球化学 17 44 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 18 44 19 44 要求掌握的内容 同位素衰变的概念与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 20 44 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 一 放射性衰变与同位素衰变形式 21 44 1 衰变 ALPHADECAY 放射性母核放出 粒子 由上式可见 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 衰变为主 例如 一 放射性衰变与同位素衰变形式 22 44 2 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 粒子 同时放出反中微子 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 一 放射性衰变与同位素衰变形式 23 44 很多放射性核素通过发射带正电荷的电子 正电子 而衰变 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 3 正电子衰变 一 放射性衰变与同位素衰变形式 24 44 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 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 一 放射性衰变与同位素衰变形式 25 44 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 衰变 变成稳定同位素87Sr 5 单衰变与系列衰变的概念 一 放射性衰变与同位素衰变形式 26 44 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 衰变和6次 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 一 放射性衰变与同位素衰变形式 5 单衰变与系列衰变的概念 27 44 238U 206Pb 235U 207Pb 一 放射性衰变与同位素衰变形式 28 44 232Th 208Pb 一 放射性衰变与同位素衰变形式 29 44 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 二 放射性衰变定律 30 44 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 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 二 放射性衰变定律 31 44 lnN lnN0 T T0 t ln N N0 tN N0 e tN N0e t 2 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 二 放射性衰变定律 32 44 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 二 放射性衰变定律 33 44 放射性计时器的原理 二 放射性衰变定律 34 44 半衰期 Half life 母核衰变为其原核数的一半所经历的时间 用T1 2表示 由N N0 e t 1 2 e T1 2 两边取对数 ln2 T1 2 T1 2 0 693 3 二 放射性衰变定律 35 44 Dr Ne t N N e t 1 4 假设 以Dr表示由经过t T0 T 母核主成的子核数 则 Dr N0 N把N0 Ne t代入上式 经整理得 Dr N是现存子核和母核的原子数比值 上述两式是同位素年龄测定的基本公式 不同的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的 三 同位素年代学的基本原理 36 44 实际上现在测定的子体不一定都是放射性成因 在地质体 如岩石 矿物 形成时就已经存在 设现在测定的子体总数为D 地质体形成时的子体数为D0 则 D D0 Dr Dr D D0 D D0 N e t 1 6 即 三 同位素年代学的基本原理 37 44 相应的 5 式改写为 三 同位素年代学的基本原理 38 44 三 同位素年代学的基本原理 dN dt NN N0e tN0 Ne tDr Ne t N N e t 1 D D0 N e t 1 放射性衰变规律主要表达式 1 2 3 4 5 6 39 44 要利用公式t 1 ln 1 Dr N 来测定岩石矿物年龄 应满足以下条件 就有适当的半衰期 这样才能积累起显著数量的子核 同时母核也未衰变完 如果半衰期太长 就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的子核 如果半衰期太短 没有多久 母核几乎衰变完了 也就是我们已经测不到母核了 四 放射性同位素年龄测定的前提条件 40 44 所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求 放射性同位素就具有较高的地壳丰度 在当前的技术条件下能以足够的精度测定它及它所衰变的子体含量 四 放射性同位素年龄测定的前提条件 要利用公式t 1 ln 1 Dr N 来测定岩石矿物年龄 应满足以下条件 41 44 保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一直保持封闭系统 即没有增加或丢失放射同位素同位素及其衰变产物 矿物 岩石结晶时 只含某种放射性同位素 而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体 其数量变是可以估计的 四 放射性同位素年龄测定的前提条件 要利用公式t 1 ln 1 Dr N 来测定岩石矿物年龄 应满足以下条件 42 44 目前地质上使用的同位素测年方法 43 44 同位素测年方法 目前 对前新生代 较为成熟和最常用的同位素测年有 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 Os Os法 测定第四纪同位素年代的方法主要有14C法 44 44 思考题 一 掌握基本概念 同位素 放射性同位素 稳定同位素 二 同位素衰变 放射性衰变 主要放射性衰变形式 单衰变 举例说明 系列衰变 举例说明 半衰期三 同位素衰变定律 基本公式 45 44 在十九世纪末 地球年龄的问题引起了很多热烈的争论 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 关于地球的年龄 46 44 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 关于地球的年龄 47 44 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 关于地球的年龄 48 44 关于地球的年龄 49 44 华北克拉通上已发现了大量的 3 0Ga的岩石 目前报道的最老的岩体是白家坟奥长花岗岩岩体 3 8Ga 关于地球的年龄 50 44 关于地球的年龄 51 44 T0 地球的年龄 a0 206Pb 204Pb 0 b0 207Pb 204Pb 0 根据地球上岩石铅估计的地球年龄 关于地球的年龄 52 44 据安德斯 1963 石陨石的K Ar年龄频率分布图 关于地球的年龄 53 44 关于地球的年龄 当前采用的值 206Pb