同位素地球化学

1、 变质砾岩中花岗岩质砾石中的锆石年龄，其地质含义是花岗岩的形成年龄，应该早于砾岩的地层年龄。 谐和线年龄，上交点年龄为 257352Ma。 表面加权年龄，2580Ma。 谐和线年龄和表面加权年龄结果很相近，结果是可信的。 综合来说：花岗岩的形成时代为257352Ma是可信的。砾岩的地层年龄应晚于2573Ma。根据目前的年龄结果，不支持砾岩比郭家窑组老的认识。Neutron number vs. proton number for stable nuclides一、核素及核素图一、核素及核素图放射性同位素衰变方式 Nuclei can spontaneously transform to low

2、er mass nuclei by one of four processes a-decay b-decay electron capture spontaneous fission Each process transforms a radioactive parent nucleus into one or more daughter nuclei.a-decayEmission of an a-particle or 4He nucleus (2 neutrons, 2 protons)# protons# nucl eons2342352 362 37238 238U234Th929

3、190144145146# protons# neutrons# nucl eons2342352 362 37238a-decayThe parent decreases its mass number by 4, atomic number by 2.Example: 238U - 234Th + 4HeMass-energy budget:238U238.0508 amu234Th 234.04364He4.00260mass defect 0.0046 amu= 6.84x10-13 J/decay= 1.74x1015 J/kg 238U= 414 kilotons/kgThis i

4、s the preferred decay mode of nuclei heavier than 209Bi with a proton/neutron ratio along the valley of stabilityb b-decayEmission of an electron (and an antineutrino) during conversion of a neutron into a protonThe mass number does not change, the atomic number increases by 1.Example: 87Rb - 87Sr +

5、 e + nMass-energy budget:87Rb86.909186 amu87Sr 86.908882mass defect 0.0003 amu= 4.54x10-14 J/decay= 3.14x1014 J/kg 87Rb= 75 kilotons/kg# protons# nucl eons868 788 87Rb87Sr38374950# protons# neutrons# nucl eons868 788b-decayb+-decay and electron captureEmission of a positron (and a neutrino) or captu

6、re of an inner-shell electron during conversion of a proton into a neutronThe mass number does not change, the atomic number decreases by 1.Examples: 40K - 40Ar + e+ + n50V+ e - 50Ti + n + gIn positron emission, most energy is liberated by remote matter-antimatter annihilation. In electron capture,

7、a gamma ray carries off the excess energy.# protons# nucl eons394 041 40Ar40K19182122# protons# neutrons# nucl eons394 041Electron CaptureSpontaneous FissionCertain very heavy nuclei, particular those with even mass numbers (e.g., 238U and 244Pu) can spontaneously fission. Odd-mass heavy nuclei typi

8、cally only fission in response to neutron capture (e.g., 235U, 239Pu)放射性母体同位素单位时间的衰变量与放射性母体同位素单位时间的衰变量与该母体同位素的原子数该母体同位素的原子数(N)成正比成正比 引入衰变常数引入衰变常数 、积分和移项、积分和移项 ：teNN0NdtdNtNN0lnNNttdtNdN00 是比例常数，后来称之为衰变常数，量纲为时间的倒数。其意义为一个放射性核素的原子在在所描述的时间范围内发生衰变的概率(probability)。 母体同位素原子半数发生衰变所经历的时间，常用t1/2表示，用以衡量放射性母体同位

9、素发生放射性衰变的相对快慢。其表达式为： t1/2=0.693/母体母体(N)和子体同位素和子体同位素(D)存在如下关系：存在如下关系：N0=N+D) 1(teNDDNEvolution of daughter isotopes02345No/Sot1/20Daughter D/SParent N/StimeConcentration ratios*同位素定年原理同位素定年原理自然条件自然条件下，同位素放射性衰变过程是下，同位素放射性衰变过程是不可逆不可逆的，且其的，且其衰变速率衰变速率及放射性子体及放射性子体的性质不受外界的影响。的性质不受外界的影响。母母- -子体同位素子体同位素确定的对应

10、关系和确定的对应关系和恒定的衰变速率恒定的衰变速率构成构成了同位素定年的理论基础。了同位素定年的理论基础。 四、同位素定年的基本要求四、同位素定年的基本要求1)1)应有适当的半衰期，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。2)2)所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求。3)3)放射性同位素应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和它所衰变的子体含量。4)4)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，其数量亦是可以估计的

11、。 与地质事件对应的地质体形成时即与地质事件对应的地质体形成时即含一定量的放射成因子体同位素，故现含一定量的放射成因子体同位素，故现在地质样品放射子体同位素由两部分组在地质样品放射子体同位素由两部分组成，即初始部分和放射母体同位素衰变成，即初始部分和放射母体同位素衰变形成部分：形成部分： 故自然界放射性子体增长公式：故自然界放射性子体增长公式：+0DDD) 1(0+teNDD 相对元素含量变化，放射性衰变引起的同位素组成变化是微小的，对其绝对含量或原子数的测定，常规分析方法难于满足测定要求，而事实上高精度的同位素质谱只能测定同位素比值。因此，以同一元素的稳定同位素作为参照，测定放射成因同位素比

12、值在地质上和实验室分析技术上更具意义和可行性。) 1(0+tRRReDNDDDD) 1)()()(1441470144143144143+teNdSmNdNdNdNd 要确定地质样品的形成时代T，需已知三个比值，即子体同位素初始和现在比值及母子体同位素现在比值。 子体同位素（如143Nd/144Nd）比值和母子体同位素（如147Sm/144Nd）比值可由直接测定和间接计算得出，但子体同位素初始比值（如143Nd/144Nd(0)）是未知的。 因此，除非假设样品形成时子体同位素的初始比值，单一样品同位素分析难于确定地质体的形成时代 如果在如果在t=0时，在所研究的地球化学体系中存在初时，在所研究

13、的地球化学体系中存在初始子体同位素，记作始子体同位素，记作D0，则，则t时刻，子体同位素的时刻，子体同位素的原子数总数为：原子数总数为： D= D0 +D*D/DS=(D0/DS)+ N/DS(et-1)习惯上，将上式中习惯上，将上式中(D0/DS)写作写作(D/DS)0，则：，则：D/DS=(D/DS) 0+ N/DS(et-1) 式中：式中：D/DS是代表样品现今的同位素原子数比值，是代表样品现今的同位素原子数比值，用质谱直接测定获得；用质谱直接测定获得；(D/DS) 0是样品初始同位素是样品初始同位素原子数比值；原子数比值； N/DS是母体同位素与参照同位素原是母体同位素与参照同位素原子

14、数比值，一般通过同位素稀释法分析计算获得；子数比值，一般通过同位素稀释法分析计算获得；是衰变常数。是衰变常数。 t=1/ln( D/DS)- (D/DS) 0/ N/DS+1 对于同期同源地质样品，它们应有相同的对于同期同源地质样品，它们应有相同的初始子体同位素比值和形成时间，即各样品均初始子体同位素比值和形成时间，即各样品均符合具相同参数（如对于符合具相同参数（如对于Sm-Nd的的143Nd/144Nd(0)和和t）放射成因子体同位素衰变方程，表现为各）放射成因子体同位素衰变方程，表现为各样品沿以初始子体同位素比值为截距，以样品沿以初始子体同位素比值为截距，以(e t-1)为斜率的直线分布，

15、这条直线称为为斜率的直线分布，这条直线称为等时线等时线。 故对多个同源同期样品进行同位素测定，故对多个同源同期样品进行同位素测定，对各样品点进行等时线拟合，可对该地质体进对各样品点进行等时线拟合，可对该地质体进行定年和初始比值确定。行定年和初始比值确定。0.080.10.120.140.160.18147Sm/144Nd0.51050.51100.51150.51200.5125143Nd/144Nd截距，代表(143Nd/144Nd)i等时线斜率=exp( t)-1 在等时线的拟合中，早期采用在等时线的拟合中，早期采用最小二乘法最小二乘法或图解法，但这些方法难以对等时线的质量或图解法，但这些

16、方法难以对等时线的质量进行评价。目前一般采用进行评价。目前一般采用York 方程进行双回方程进行双回归误差分析拟合求解拟合直线的斜率和截距，归误差分析拟合求解拟合直线的斜率和截距，同时给予出一个等时线拟合参数同时给予出一个等时线拟合参数MSWD(Mean Square Wighted Deviation)。 MSWD值是评价等时线质量的一个重要值是评价等时线质量的一个重要参数，该值越小，等时线质量越好。当存在参数，该值越小，等时线质量越好。当存在地球化学误差时，地球化学误差时，MSWD1；当不存在地球；当不存在地球化学误差时，化学误差时，MSWD1。 具相同的物质来源具相同的物质来源同源同源

17、具相同的形成时代具相同的形成时代同期同期 同位素体系未受后期地质作用明同位素体系未受后期地质作用明显改造和明显的围岩混染显改造和明显的围岩混染封闭封闭 组成等时线样品具合适的组成等时线样品具合适的N/D比比值变化值变化3940e0102030405087Rb/86Sr0.70.710.720.7387Sr/86Sr截距，代表(87Sr/86Sr)i等时线斜率=exp( t)-15432100.6980.7000.7020.7040.7060.7080.7100.7120.7140.7160.7180.7200.722BABI87Sr/86Sr时间0.7020.706地壳地幔0.719Rb/Sr

18、=0.150.080.10.120.140.160.18147Sm/144Nd0.51050.51100.51150.51200.5125143Nd/144Nd截距，代表(143Nd/144Nd)i等时线斜率=exp( t)-1 Nd 0+10-2004.5年龄（Ga)DMCHURTCHURTDM 在在Nd同位素示踪应用中，常结合同位素示踪应用中，常结合Sr同位同位素的研究，构筑素的研究，构筑Nd(t)- Sr(t)图解图解 或或Nd(t)-（87Sr/86Sr)t图解图解 -100-50050100150200-30-25-20-15-10-5051015Nd(t)Sr(t)亏损地幔年轻陆壳

19、古老陆壳 下地壳上地壳North Qinling Orogenic BeltSouth Qinling Orogenic BeltLuonanLuanchuanXichuanAnkangZiyangXixingYunxianBaojiLuibaLueyanFangxianZhuxi1345678921011121340 kmBJTBWLGTSCHMHGMLPCDJKCPELPSPGFZSGGMHZBBSSHWFupingYangtze CratonNorth China CratonXHKYZJKPLJSWTSHZCZYCODangfeng01000 km106o108o110o112 Eo3

20、4 No32o108o110o112o32o34o02015.515.915.715.515.315.137.037.538.038.539.039.038.538.037.537.017.017.518.018.519.0206Pb/204Pb208Pb/204PbNQSQ17.017.518.018.519.0206Pb/204Pb207Pb/204PbNQSQ17.017.518.018.519.0206Pb/204Pb207Pb/204PbNQSQ17.017.518.018.519.0206Pb/204Pb208Pb/204PbNQSQ15.115.715.3SQB SQB NQBN

21、QBSQB SQB NQBNQB15.9ABDC南秦岭陆壳北秦岭陆壳南秦岭上地幔缝合带缝合带花岗岩花岗岩水和重水的物理性质水和重水的物理性质分子分子分子量分子量密度密度g/cm3最大密度最大密度时温度时温度熔 点熔 点沸点沸点蒸 气 压蒸 气 压100,PaH21 6O18.0150.99793.980.00100.00101325D21 6O20.0281.105111.243.813101.4296.208H21 8O-1.11064.300.28100.14-H H、O O、C C、S S同位素国际标准同位素国际标准同 位 素同 位 素之比之比缩 写 符缩 写 符号号标准样标准样 2D/1HSMOW标准平均大洋水标准平均大洋水18O/16OSMOW标准平均大洋水标准平均大洋水18O/16OPDB美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石美洲似箭石13C/12CPDB美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美国南卡罗林纳州白晋系皮狄组的美洲似箭石美洲似箭石34S/32SCDT美国亚历桑那州卡扬迪阿布洛铁陨美国亚历桑那州卡扬迪阿布洛铁陨石中的陨硫铁石中的陨硫铁 石英、白云石、硬石膏石英、白云石、硬石膏硬性长石、方解石、文石硬性长石、方解石、文石白榴石