东华理工大学地球化学课件tjh

1、第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学Isotope Geochemistry Isotope Geochemistry 同位素地球化学同位素地球化学 l同位素地球化学是研究地球和宇宙体中核素的形成、丰度、以及在自然作用中分馏和衰变规律的科学；l是地球化学中一门新兴的边缘学科和一个独立的分支。同位素地球化学同位素地球化学6.1 概况概况F研究领域研究领域F包括有两个方面：包括有两个方面：F1、同位素地质年代学、同位素地质年代学F2、稳定同位素地球化学、稳定同位素地球化学F 同位素地质年代学是根据放射性同位素同位素地质年代学是根据放射性同位素随时间变化的规律，测定地质体的年龄随时间变化的规律

2、，测定地质体的年龄与活动历史；另外，放射性同位素的示与活动历史；另外，放射性同位素的示踪，可用来研究地壳、地幔和其他星体踪，可用来研究地壳、地幔和其他星体的成因与演化；的成因与演化； 稳定同位素地球化学是研究地质体中稳稳定同位素地球化学是研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种条件下的运定同位素的分布及其在各种条件下的运动规律，并应用这些规律来解释岩石和动规律，并应用这些规律来解释岩石和矿石的形成过程、物质来源及成因等问矿石的形成过程、物质来源及成因等问题。题。 在地球化学系统中，天然放射性同位素丰度的在地球化学系统中，天然放射性同位素丰度的变异记载着地质作用的时间，同时它们又是地质变异记载着地

3、质作用的时间，同时它们又是地质过程有效的示踪剂，而对于稳定同位素丰度的变过程有效的示踪剂，而对于稳定同位素丰度的变异或分镏除了示踪地质过程外，还可指示地质过异或分镏除了示踪地质过程外，还可指示地质过程中的物理化学条件等。因此，同位素地球化学程中的物理化学条件等。因此，同位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演化，主要包括地在研究地球或宇宙体的成因与演化，主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互作用及壳幔演化、质时钟、地球热源、壳幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及古气候和古环境记录成岩成矿作用、构造作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值的信息，为地球科学从等方面提供了重要有价值的

4、信息，为地球科学从定性到定量的发展作出了重要贡献。定性到定量的发展作出了重要贡献。 同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处： 1）计时作用：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地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。 2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利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）测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此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。 另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地

5、质灾害防治等。同位素地质年代学的定义同位素地质年代学的定义F地质年代学地质年代学 (geochronology): 研究岩层形成的年研究岩层形成的年代顺序及测定其年龄值的学科。地质年代学包括代顺序及测定其年龄值的学科。地质年代学包括相对地质年代学和同位素地质年代学两大分支。相对地质年代学和同位素地质年代学两大分支。F相对地质年代学的研究对象：地层、岩石、古生相对地质年代学的研究对象：地层、岩石、古生物和古地磁。物和古地磁。F同位素地质年代学（同位素地质年代学（Isotopic geochronology)，又，又称绝对地质年代学。它是研究同位素地质记时方称绝对地质年代学。它是研究同位素地质记时

6、方法并用以研究各种地质体的形成时间和演化历史法并用以研究各种地质体的形成时间和演化历史的一门地质科学。的一门地质科学。同位素地质年代学的研究内容同位素地质年代学的研究内容F准确地测定矿物和岩石中放射性母体和子体的含量，然后根据放射性衰变定律计算出岩石和矿物的年龄。 F研究的对象：岩浆岩、沉积岩、变质岩、矿床、土壤；F 同位素研究的另一大分支是同位素体系示踪，例如研究岩浆岩的源区特征及演化；沉积岩物源区的特征等。Radiometric dating -A time machine to the past同位素地球化学的发展现状同位素地球化学的发展现状 同位素地球化学发展迅速，已渗透到地球科学的各

7、个研究领域，如：大地构造学、岩石学、矿床学、海洋学、环境科学、空间科学等。主要表现在以下方面：1、实验测试技术不断完善和提高；2、多元同位素体系的综合研究；3、研究领域不断扩大；4、各种新方法的出现；5、建立各种理论模型。我国同位素地球化学的学术团体我国同位素地球化学的学术团体 我国同位素地球化学的研究工作从我国同位素地球化学的研究工作从1958年开始，年开始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。学术团体：学术团体：1、中国矿物岩石地球化学学会、中国矿物岩石地球化学学会同位素地球化学专同位素地球化学专业委员会业委员会2、中国地质学会、中国地质学会同位素地球化

8、学专业委员会同位素地球化学专业委员会 6.1.1 核素的性质核素的性质 什么叫核素什么叫核素? 由不同数量的质子和中子按一定结构组成由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子核称为核素，任何一个核素各种元素的原子核称为核素，任何一个核素都可以用都可以用A=P+N这三个参数来表示。这三个参数来表示。 而具有相同质子数，不同数目中子数所组而具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组核素称为同位素。成的一组核素称为同位素。 O的质子数的质子数P=8，但中子数分别为，但中子数分别为8、9、10，因此，氧有质量数分别为因此，氧有质量数分别为16O、 17O、18O三三个同位素。个同位素。核素的性

9、质 (1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素，同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。 (2)核素具有质量：核素因含有不同数量的质子和中子，而具有不同的质量，较轻元素的同位素之间因质量差别导致在地质作用中的分异，这样，使得不同产状的地质体中同位素间的相对丰度发生变化。 (3)核素具有丰度：自然界的核素具有两种丰度。 一是核素的绝对丰度，是指自然界各种核素存在的总量，它与组成核素的核子数量和结构有关，反映核素的稳定性。 当原子序数Z20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰度高； 当20

10、Z83时，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。 二是核素的相对丰度，是指元素同位素所占总质量的百分数，例如大气中三个氧同位素的相对丰度是: 16O：99.763%； 17O：0.0375%；18O：0.1995%。 (4)核素具有能量：原子核聚集高质量的粒子于一个极小的体积内，因此，原子核内孕含着巨大的能量，即核能，也称“结合能”。结合能越高核素越稳定；结合能低（如H、N、Li、Be及高质量 数的核素）的核素不稳定。在核衰变过程中，一部分核能通过放射出各种粒子及射线而被释放出来。 (5)核素具有放射性：所谓放射性即不稳定核素通过放射出粒子及辐射能量，而自发地调整核内的组成和结构，转变

11、为稳定的核素的现象，称为放射性衰变。放射性衰变的结果，使核素的质量、能量和核电荷 数都发生变化，从而变为另外一种元素。 所谓同位素所谓同位素(isotope)是指同一元素原子核内是指同一元素原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子，它们质子数相同而中子数不同的一类原子，它们在元素周期中占据同一个位置。在元素周期中占据同一个位置。 例如，硫有例如，硫有4个同位素，它们分别为个同位素，它们分别为1632S、1633S、1634S和和1635S，这，这4个同位个同位素都有素都有16个质子，因而它们都位于元素周期个质子，因而它们都位于元素周期表第三周期第表第三周期第A族。一个元素可以由一种族。一个元素

12、可以由一种或几种同位素组成。或几种同位素组成。 同位素地球化学是研究同一元素具有同位素地球化学是研究同一元素具有2个个或或2个以上组成的核素。个以上组成的核素。 6.1.2 同位素的基本知识同位素的基本知识同位素分类 从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素： 一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素； 另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素。F放射性同位素放射性同位素原子核是不稳定的，它们以一定原子核是不稳定的，它们以一定方式自发地衰变成其它核素的同位素。例如：方式自发地衰变成其它核素的同位素。例如：F 87Rb 87Sr

13、+ a beta particle F 147Sm143Nd+EF稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。变化不能被觉察。F核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验技术对放射性元素半衰期的检出范围。目前认为，技术对放射性元素半衰期的检出范围。目前认为，凡原子能稳定存在的时间大于凡原子能稳定存在的时间大于1017年的就称为稳年的就称为稳定同位素，反之则称放射性同位素。定同位素，反之则称放射性同位素。每一方格代表一个核素，每个核素是由一定数目质子(Z)和中子(N)组成的核。阴影方格代表稳定原子，

14、白色方格代表不稳定的或放射性核素。同位素是具有相同Z值不同N值的原子。同中子异位素(isotone)具有相同N值不同Z值。同量异位素(isobar)是A值相同，Z值和N值不同的原子。只有同位素是同一元素的原子，因此具有相同的化学性质。部部分分核核素素图图Z=6N=10A=12 目前已发现的天然同位素有目前已发现的天然同位素有341种，其中放射性种，其中放射性同位素有同位素有67种（人工合成的放射性同位素已达种（人工合成的放射性同位素已达1200多种），稳定同位素有多种），稳定同位素有274种（其中一部分具有弱放种（其中一部分具有弱放射性）。射性）。 这两类同位素在原子序数和质量数上具有明显这两

15、类同位素在原子序数和质量数上具有明显的区别，凡是原子序数大于的区别，凡是原子序数大于83，质量数大于，质量数大于209的同的同位素都是放射性同位素或放射性成因同位素；原子位素都是放射性同位素或放射性成因同位素；原子序数小于序数小于83，质量数小于，质量数小于209的同位素中，除的同位素中，除14C，40K， 87Rb，147Sm，176Sm，176Lu，187Re等核等核素具放射性外，其余大多是稳定同位素。素具放射性外，其余大多是稳定同位素。稳定同位素不能自发地衰变形成其他同位素，稳定同稳定同位素不能自发地衰变形成其他同位素，稳定同位素又可分为轻稳定同位素（质量数位素又可分为轻稳定同位素（质量

16、数40）。）。轻稳定同位素：轻稳定同位素： 1）原子量小，）原子量小，A/A5% (A 为两同位素质量差为两同位素质量差)；例如（；例如（D-H）/H100；（；（18O-16O）/16O12.5 2）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是可逆的。作用，其反应是可逆的。 例：例：O、H、S、C、N元素的同位素。元素的同位素。 重稳定同位素：重稳定同位素： 1）原子量大，）原子量大，A/A0.7%1.2； 2）发生同位素成分变化的主要原因是放射性）发生同位素成分变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果所造成的，这种变化是核素不断衰变的结果

17、所造成的，这种变化是不可逆的。不可逆的。 2 3 8 U 2 0 6 P b 、 2 3 5 U 2 0 7 P b 、232Th208Pb， 其中其中87Sr、143Nd、206Pb、207Pb、208Pb是重稳定同位素。是重稳定同位素。6.1.3 核衰变F放射性同位素不断自发地发射出质点和能量，改变同位素组成并转变成稳定的核素，这种过程称核衰变反应或蜕变。衰变反应是引起放射性同位素丰度变化的主要原因。F放射性核素在衰变过程中遵守能量、质量和电荷守恒定律，具有一定的规律性。重要的衰变形式有以下几种：1)衰变：原子核自发地放射出由两个质子和两个中衰变：原子核自发地放射出由两个质子和两个中子组成

18、的子组成的质点（即质点（即 ，称四粒子组）而发生的衰变。，称四粒子组）而发生的衰变。4122AAZZMMHeRnRa4222286226881AAZZMMQ例例 如：如：2)衰变衰变: 原子核自发地放射出原子核自发地放射出粒子和中微子而发粒子和中微子而发生的放射性衰变生的放射性衰变. 分为分为和和两种类型两种类型.A.+衰变衰变:原子核自发放射出原子核自发放射出+粒子。粒子。+粒子又称粒子又称正电子，是质量与电子相等而带正电荷的粒子。正电子，是质量与电子相等而带正电荷的粒子。ArK40184019例例 如：如：He42EM1：母体；：母体；M2：子体；：子体；A：原子量；：原子量；Z:原子序数

19、；原子序数；E：能量：能量Q：中微子（：中微子（v）能力（）能力（E）B.-衰变: 原子核自发地放射出-粒子，-相当于电子，带有一个负电荷。1AAZZMMQSrRb87388737CaK40204019例例 如：如：3)电子捕获:是-衰变的逆反应(并非可逆反应)。原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子(多为K层捕获)，与一个质子结合变成一个中子。4)衰变：该衰变类型往往是继 衰变衰变后发生，原子核仍处于高能量状态，原子核以射线释放出过剩能量。如MeMAZAZ1AreK40184019EXeI1315413153PbU20678238PbTh20846232PbU20747235 5)重核

20、裂变：重放射性同位素自发地分裂为23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。 在自然界中，有些同位素只需通过一次某种固定形式的衰变，即可变成某种稳定同位素： 但是，有些放射性同位素需经过一系列的各种衰变才能变化成稳定同位素：SrRb873887376.1.4 同位素地质年代学的基本原理同位素地质年代学的基本原理 1902年年Rutherford通过实验发现放射性同位素衰变不通过实验发现放射性同位素衰变不同于一般的化学反应，具有如下性质：同于一般的化学反应，具有如下性质：（1）衰变作用发生在原子核内部，反应结果由一种核素）衰变作用

21、发生在原子核内部，反应结果由一种核素变成另一种核素；变成另一种核素；（2）衰变自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例；）衰变自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例；（3）衰变反应不受温度、压力、电磁场和原子核存在形）衰变反应不受温度、压力、电磁场和原子核存在形式等物理化学条件的影响；式等物理化学条件的影响；（4）衰变前和衰变后核数的原子数只是时间的函数）衰变前和衰变后核数的原子数只是时间的函数放射性成因同放射性成因同位素位素87Sr143Nd206Pb207Pb208Pb177Hf放射性同位素放射性同位素87Rb147Sm238U235U232Th176Lu母母体体子子体体同位素分类：同位素分类：

22、 通常把衰变前的核素称为母体（母通常把衰变前的核素称为母体（母核），衰变后的新形成的核素称为子体核），衰变后的新形成的核素称为子体（子核）。（子核）。 放射性成因同位素可以是稳定的，也可以是放射性的；放射性成因同位素可以是稳定的，也可以是放射性的；例如：例如： 87Rb（放射性同位素）衰变成（放射性同位素）衰变成87Sr， 87Sr不再发生衰变（不再发生衰变（“稳定同位素稳定同位素”）238234226222210206UTh.RaRn.Pb.Pb235231227223211207UTh.ThRa.Bi.Pb232228224220212208ThRa.RaRn.Pb.Pb放放射射性性同同位

23、位素素放射性成因同位素放射性成因同位素放放射射性性成成因因同同位位素素放射性同位素放射性同位素根据放射性同位素以上特性，放射性同位素衰变定律为单位时间内根据放射性同位素以上特性，放射性同位素衰变定律为单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式如下：如下：-dN/dt=N式中：式中：N为在为在t时刻存在的母体原子数；时刻存在的母体原子数；dN/dt为为t时的衰变速率，负时的衰变速率，负号表示号表示N随时间减少；随时间减少；为衰变速率常数，表示单位时间内发生为衰变速率常数，表示单位时间内发生衰变的原子的比例数，用实验方

24、法测定，其单位为衰变的原子的比例数，用实验方法测定，其单位为1/年或年或1/秒。秒。将上式由将上式由t=0到到t求积分，整理后得：求积分，整理后得：ln(N/N0)=- t N0为为t=0时的衰变母体原子数。由此得：时的衰变母体原子数。由此得：N=N0e-t 或或N0 =Net 以上为放射性同位素衰变的基本公式，表明母核原子数为以上为放射性同位素衰变的基本公式，表明母核原子数为N0的放射的放射性同位素，经时间性同位素，经时间t后残存的母体原子数后残存的母体原子数N= N0e-t，N与与t为指数为指数函数。函数。 放射性衰变定律放射性衰变定律（Law of Radio activity)0tNN

25、 e 同位素衰变定律同位素衰变定律其中：其中：N0为放射性同位素在为放射性同位素在t=0时的原子数；时的原子数； N为放射性同位素经时间为放射性同位素经时间t衰变后剩余的原衰变后剩余的原 子数；子数； 为放射性同位素的衰变常数；为放射性同位素的衰变常数；(1)放射性衰变定律放射性衰变定律（Law of Radio activity)*0DNN*(1)tDN e放射性成因同位素原子数放射性成因同位素原子数D *等于消耗的母体原子等于消耗的母体原子数：数：(2)将等式(1)代入等式(2)可以得到下式：*0(1)tDNe或放射性衰变定律放射性衰变定律（Law of Radio activity)对于

26、任一放射性同位素体系，放射性核素衰变对于任一放射性同位素体系，放射性核素衰变掉初始原子数的一半所需的时间称为半衰期掉初始原子数的一半所需的时间称为半衰期，以，以T1/2表示。根据定义，当表示。根据定义，当t=T1/2时时, N=1/2N0，代入，代入D*=N(et-1)并整理得：并整理得： T1/2=ln2/由此可见，由此可见，T1/2与与呈反比关系，衰变常数呈反比关系，衰变常数值值愈小，半衰期愈长，核的寿命也愈长。愈小，半衰期愈长，核的寿命也愈长。 放射性母体核素放射性母体核素N和子体核素和子体核素D*随时间随时间t变化的曲线变化的曲线 123456020406080100120时间（以半衰

27、期为单位） D*=N0（1- e-t）N=N0e-tD0=0N0N or D*如果如果t=0时，放射性成因同位素原子数为时，放射性成因同位素原子数为D0，经，经时间时间t后它原子总数为：后它原子总数为：放射性衰变定律放射性衰变定律（Law of Radio activity)0(1)tDDN e该方程是同位素定年基本原理的表达式该方程是同位素定年基本原理的表达式 由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能直接测定单个同位素的原子数，因此在同位素年代学方法中，直接测定单个同位素的原子数，因此在同位素年代学方法中，必须选取子体元素的其它同位素作参照

28、，来进行同位素比值必须选取子体元素的其它同位素作参照，来进行同位素比值的测定。记参照的同位素为的测定。记参照的同位素为Ds，并使等式两边同除以，并使等式两边同除以Ds，则：则：放射性衰变定律放射性衰变定律（Law of Radio activity)10tssseDNDDDD式中：式中：D/DS代表样品现今的同位素原子数比值，用质谱测定；代表样品现今的同位素原子数比值，用质谱测定；(D/DS) 0是样品初始同位素原子数比值；是样品初始同位素原子数比值； N/DS是母体同位素与参照同位素原子数比值，一般用同位素稀是母体同位素与参照同位素原子数比值，一般用同位素稀释法计算获得；释法计算获得；是衰变

29、常数。是衰变常数。10teDsNDsDDsD据上述参数据上述参数求解时间求解时间t:01ln1DDDsDstNDs放射性衰变定律放射性衰变定律（Law of Radio activity)例如，对于衰变反应：例如，对于衰变反应：87Rb87Sr+，87Rb为放射性同位素为放射性同位素87Sr为放射性成因同位素为放射性成因同位素则在经过时间则在经过时间t衰变后：衰变后： 87Sr= 87Sr 0+87Rb(et-1)8787878686860SrSrRb=+(e1)SrSrSrt 应当选用适当半衰期的放射性同位素体系，这样才能积累起显著数量的子核，同时保留有足够量未衰变的母核; 衰变常数已知；

30、高精度的同位素制样和质谱测定技术; 测定对象处于封闭体系中，母体和子体核素数只因衰变反应而改变，不存在它们的丢失和从外部体系的带入； 准确知道或能够有效校正岩石矿物形成时已经存在的子体同位素初始含量。6.1.5 同位素测年条件常用同位素衰变体系常用同位素衰变体系放射性同位素丢失放射性同位素丢失子体同位素丢失子体同位素丢失母体和子体同位素增加母体和子体同位素增加0(1)tDDN e同位素体系的封闭性同位素体系的封闭性李献华李献华江博明江博明我国部分国际知名的同位素地质学专家我国部分国际知名的同位素地质学专家吴福元吴福元刘敦一刘敦一等等等等同位素封闭或计时温度(closure or clockin

31、g)地质事件所涉及的各种同位素体系并不是在矿物岩石形成的那一瞬间开始计时，而是必须在温度降低到能使计时体系达到封闭状态，即由于热扩散导致子体的丢失量可以忽略不计时，子体才开始积累，此时的温度就是封闭温度。测得的年龄为表面年龄或冷却年龄。封闭温度与冷却历史有关。矿物岩石冷却速度越慢，发生全部或部分子体丢失的时间越长, 相应的封闭温度和表面年龄就越低。反之冷却速度较快，子体发生丢失的时间越短，封闭温度和表面年龄就越高。 对于特定的同位素计时体系，如果矿物的封闭温度较高并接近于矿物形成温度，测定的年龄可以代表矿物形成年龄。如果矿物封闭温度较低，所测定的年龄不能代表矿物形成年龄，只能代表达到同位素体系

32、封闭温度时至今的时间。 因此必须选择同位素计时体系那些具有较高封闭温度的矿物进行测年。从封闭温度较低矿物获得的年龄只能代表矿物的冷却年龄，只有在快速冷却条件下才能接近于岩石或矿物的形成年龄。l封闭温度可以用两种方法估算:l地质方法用变质矿物的组合估算混合年龄带的不同矿物的封闭温度, 或用钻孔中观察到的同位素年龄梯度采用外推法估算开始保存它们放射成因子体产物的深度和温度；l实验法-用实验测定高温下子体产物丢失的速度来推断理论阻隔温度。对同一地质体选用不同测年方法常得出不同的年龄值，所代表的地质意义不同。研究表明：一个缓慢冷却的岩体不同矿物的封闭温度不同，不同的同位素体系在同种矿物中的封闭温度也不

33、同。同位素年龄时钟是在低于封闭温度时才开始启动。3691Ka=10 y1Ma=10 y1Ga=10 y年龄单位年龄单位e.g. The age of this rock is 100Ma, which means that it has existed for 100 million years (My).6.1.6 具有不同地质意义的几种年龄具有不同地质意义的几种年龄结晶年龄记录了岩石岩浆作用年龄。对于变质岩，如果变质矿物结晶温度低于其封闭温度，则矿物一经形成，同位素时钟立即启动开始计时，从而记录下变质岩的结晶年龄。冷却年龄对于岩浆岩，指岩体固结之后冷却过程中，达到矿物封闭温度时同位素时钟开

34、始启动记录下来的年龄。对于变质岩，矿物在变质高峰期结晶生成，之后冷却过程中达到矿物封闭温度时同位素时钟启动记录下来的年龄。变质年龄-易与冷却年龄混淆，但它是指变质作用高峰期的年龄。变质年龄的确定取决于变质作用的级别。低级变质作用，可以选择封闭温度较高的某些特定矿物来确定变质年龄，高级变质作用则常采用全岩Rb-Sr或Sm-Nd同位素体系来推断。地壳形成年龄指一个新的大陆地壳块体从地幔中分异出来的时间。通过Sm-Nd模式年龄计算可以获得。地壳滞留年龄对来自大陆地壳块体剥蚀下来的沉积岩进行Sm-Nd同位素分析，可以计算获得一个地壳滞留年龄(tCR)，反映地壳形成年龄。该年龄比地层沉积年龄值大。Sr

35、有有4个同位素：个同位素：8838Sr8738Sr8638Sr8438Sr82.53% 0.56% 9.87% 7.04% Rb 有有2个同位素：个同位素：8737Rb8537Rb 72.17% 27.83%6.2.1 Rb-Sr同位素测年原理同位素测年原理6.2 Rb-Sr 法定年及法定年及Sr同位素地球化学同位素地球化学87873738RbSrQ The isotopic composition of Sr in a rock or mineral that contains Rb depends on the age and Rb/Sr ratio of that rock or min

36、eral.岩石或矿物中Sr的同位素组成与其形成年龄和Rb/Sr比值有关；RbRbSr Sr同位素测年原理同位素测年原理0(1)tDDN e878787t0Sr= Sr + Rb(e -1)10teDsNDsDDsD8787878686860SrSrRb=+(e1)SrSrSrtRbRbSr Sr同位素测年原理同位素测年原理Rb的特性的特性1. 碱金属（碱金属（Alkali metal）；）；2. Rb+的离子半径的离子半径(1.48)； K+的离子半径的离子半径(1.33)，在含，在含K的矿物中，的矿物中，Rb+能能替代替代K+；3.主要矿物：云母类主要矿物：云母类(Micas )，钾长石，钾

37、长石(K-feldspar )（正（正长石和微斜长石），粘土矿物长石和微斜长石），粘土矿物(clay minerals )，蒸，蒸发盐发盐(evaporite minerals )（钾盐和光卤石）（钾盐和光卤石） Rb、Sr地球化学性质地球化学性质Sr的特性的特性1. 碱土金属（碱土金属（Alkaline earths metal）；）；2. Sr2+的离子半径的离子半径(1.13)； Ca+的离子半径的离子半径(0.99)，在含，在含Ca的矿物中，的矿物中， Sr2+能替代能替代Ca+；例如：斜长石例如：斜长石(Plagioclase),磷灰石磷灰石(apatite),碳酸钙碳酸钙(calc

38、ium carbonate), 文石文石(aragonite) Sr2+可以替代可以替代K+ ，但伴随着，但伴随着Al3+替代替代Si4+ ； 菱锶矿菱锶矿Strontianite (SrCO3),天青石天青石 celestite (SrSO4) 钾矿物及富含钾的矿物和岩石是钾矿物及富含钾的矿物和岩石是Rb-Sr法的主要采样对象法的主要采样对象Rb、Sr地球化学性质地球化学性质 含钾矿物是含钾矿物是Rb-Sr法定年的主要对象，如果矿法定年的主要对象，如果矿物中样品物中样品(87Sr/86Sr)0为为0或或(87Sr/86Sr)0相对相对于于87Sr/86Sr来说可忽略不计，则可直接计算矿来说可

39、忽略不计，则可直接计算矿物的年龄，如钾长石、白云母、锂云母、天河物的年龄，如钾长石、白云母、锂云母、天河石、铯榴石、海绿石、钾盐、光卤石等。而对石、铯榴石、海绿石、钾盐、光卤石等。而对于不可忽视的于不可忽视的(87Sr/86Sr)0样品来说，如岩石样品来说，如岩石样品中一般都包含有一定数量的样品中一般都包含有一定数量的(87Sr/86Sr)0，则必须考虑，则必须考虑(87Sr/86Sr)0对测定年龄的影响对测定年龄的影响。 福尔和鲍威尔（福尔和鲍威尔（1972）认为：来自地壳源的地质体其初始）认为：来自地壳源的地质体其初始比值平均为比值平均为 （87Sr/86Sr)0=0.712，幔源的地质体

40、中（，幔源的地质体中（87Sr/86Sr)0=0.699；亦可采用与被测矿物共生的富；亦可采用与被测矿物共生的富Sr而贫而贫Rb矿矿物的物的87Sr/86Sr测定值来作为初始同位素比值。这种假定初始测定值来作为初始同位素比值。这种假定初始87Sr/86Sr比值的方法计算出来的同位素年龄称为比值的方法计算出来的同位素年龄称为“模式年龄模式年龄”。 实际上，自然界中由于组成岩石和矿物的物质来源不同，实际上，自然界中由于组成岩石和矿物的物质来源不同，混入的初始同位素比值也各不相同，加上后期作用的叠加，情混入的初始同位素比值也各不相同，加上后期作用的叠加，情况就更复杂，因此，这种用假定初始同位素比值计

41、算的模式年况就更复杂，因此，这种用假定初始同位素比值计算的模式年龄往往具有一定程度的不确定性。龄往往具有一定程度的不确定性。 利用一组全岩样品的利用一组全岩样品的Rb-Sr等时线法不仅可以研究样品的等时线法不仅可以研究样品的年龄，还可以研究样品的年龄，还可以研究样品的(87Sr/86Sr)0比值，后者是一个比值，后者是一个重要的地球化学参数。重要的地球化学参数。87Sr/86Sr =(87Sr/86Sr)0+87Rb/86Sr (et-1) y=ax+b式中：式中：y=87Sr/86Sr ，x=87Rb/86Sr， a= et-1，b =(87Sr/86Sr)0上式是上式是x和和y的一次线性方

42、程，直线的斜率为的一次线性方程，直线的斜率为a，截距为，截距为b。通。通过一组样品实测的现今过一组样品实测的现今87Sr/86Sr比值和比值和87Rb/86Sr比值，比值，可将该直线进行计算拟合，求解可将该直线进行计算拟合，求解a和和b ，由于，由于a=et-1，因，因此此,可以计算出等时线的年龄可以计算出等时线的年龄t： t=1/ln(1+a) Rb-Sr等时线满足的条件： 1）所研究的一组样品（岩石或矿物）具有同时性和同源性；2）形成时Sr同位素组成在体系内是均一的，因而有着相同的87Sr/86Sr初始同位素比值；3）体系内化学成分不同，Rb/Sr比值有差异，可确保获得一条较好的等时线；4

43、）自结晶以来，Rb、Sr保持封闭体系，没有与外界发生物质交换。abcto86Sr87Sro( )86Sr87Sr86Sr87Rb时间增长 (t0 t1)，每个样品失去87Rb得到等量的 87Srabca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro( )直线斜率 (aa1, bb1, cc1,)为1abca1b1c1a2b2c2t1tot286Sr87Sr86Sr87Sro( )86Sr87Rb时间增长 (t1t2)，每个样品继续失去87Rb得到等量的 87Sr，全部样品仍然处于一条直线上，但是斜率更大岩浆岩Rb-Sr等时线定年基本假设：岩浆的整个冷却过程中Sr同位素是均

44、一的，即从岩浆中形成的所有矿物或岩石具有相同的锶同位素初始比值；岩浆结晶的时间相对较短，所有的矿物或岩石具有基本相同的年龄；形成以后保持封闭，未受蚀变、变质等外来影响；8786SrSr8786/RbSr岩浆岩结晶后岩浆岩结晶后Rb-Sr同位素体系变化示意图同位素体系变化示意图斜斜 率：率：截截 距：距：年年 龄：龄：87860SrSrb岩浆岩岩浆岩Rb-Sr等时线定年等时线定年1tmea1ln1tma 在等时线的拟合中，早期采用最小二乘法或图解在等时线的拟合中，早期采用最小二乘法或图解法，但这些方法难以对等时线的质量进行评价。法，但这些方法难以对等时线的质量进行评价。目前一般采用目前一般采用Y

45、ork 方程进行双回归误差分析拟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，同时给予出一个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等时线拟合参数MSWD。MSWD值是评价等时值是评价等时线质量的一个重要参数，该值越小，等时线质量线质量的一个重要参数，该值越小，等时线质量越好。当存在地球化学误差时，越好。当存在地球化学误差时，MSWD1；当；当不存在地球化学误差时，不存在地球化学误差时，MSWD1。 Rb-Sr geochronology for mafic dyke swarm of Mahbubnagar, South India(after Pandey B. K.

46、, et al., 1997)岩浆岩Rb-Sr定年实例 由于某些地质体同位素组成的均一性，各全岩由于某些地质体同位素组成的均一性，各全岩样品中样品中Rb/Sr比值差异不大，因而难以获得等比值差异不大，因而难以获得等时线。在这种情况下，可利用全岩时线。在这种情况下，可利用全岩+矿物等时矿物等时线法获得年龄信息，但等时线中的所选矿物必线法获得年龄信息，但等时线中的所选矿物必须来自同一全岩样品。这种等时线称内部等时须来自同一全岩样品。这种等时线称内部等时线，在一般性况下，所得年龄低于全岩线，在一般性况下，所得年龄低于全岩Rb-Sr等时年龄，代表岩石中矿物的平均结晶年龄。等时年龄，代表岩石中矿物的平均

47、结晶年龄。 Rb-Sr全岩等时线法主要适用于基性、中全岩等时线法主要适用于基性、中性和中酸性岩浆岩形成年龄的测定。对于性和中酸性岩浆岩形成年龄的测定。对于变质岩，由于受变质作用的影响，使得对变质岩，由于受变质作用的影响，使得对变质岩原岩的变质岩原岩的Rb-Sr 同位素系统进行改造同位素系统进行改造，因此，等时年龄往往不能提供原岩形成，因此，等时年龄往往不能提供原岩形成年龄的信息，而往往代表变质事件的年龄年龄的信息，而往往代表变质事件的年龄或无意义的年龄信息。或无意义的年龄信息。Rb-Sr全岩等时线全岩等时线法很少用于沉积岩的年龄测定。法很少用于沉积岩的年龄测定。 6.2.2 Sr同位素地球化学

48、同位素地球化学 地球化学系统中初始地球化学系统中初始(87Sr/86Sr)0比比值是一个重要的地球化学示踪参数，该值是一个重要的地球化学示踪参数，该值代表物质形成时的值代表物质形成时的87Sr/86Sr比值，不比值，不同 的 地 球 化 学 储 存 库 ， 它 们 的同 的 地 球 化 学 储 存 库 ， 它 们 的(87Sr/86Sr)0值是不同的。因此，值是不同的。因此，(87Sr/86Sr)0比值对示踪物质来源，壳幔比值对示踪物质来源，壳幔物质演化及壳幔相互作用等方面具有重物质演化及壳幔相互作用等方面具有重要意义。要意义。 0102030405087Rb/86Sr0.70.710.720

49、.7387Sr/86Sr截距，代表(87Sr/86Sr)i等时线斜率=exp( t)-1通过全岩通过全岩Rb-Sr等时线法可获得岩石形成等时线法可获得岩石形成时时(87Sr/86Sr)0，对于单个样品，若年龄，对于单个样品，若年龄t已知，实测该样品的已知，实测该样品的87Sr/86Sr 和和87Rb/86Sr比值，下式计算比值，下式计算(87Sr/86Sr)0比值：比值：(87Sr/86Sr)0 =87Sr/86Sr -87Rb/86Sr (et-1) 研究地球物质的研究地球物质的(87Sr/86Sr)0演化，必须了解演化，必须了解地球形成时的地球形成时的(87Sr/86Sr)0。然而，由于难

50、于获。然而，由于难于获得地球形成时的岩石样品，当然也就无法直接了得地球形成时的岩石样品，当然也就无法直接了解地球形成时的锶同位素初始比值。由于地球和解地球形成时的锶同位素初始比值。由于地球和陨石是在大致相同的时间内由太阳星云的凝聚相陨石是在大致相同的时间内由太阳星云的凝聚相通过重力凝聚作用形成的，所以在地球科学领域通过重力凝聚作用形成的，所以在地球科学领域内，人们通常借助于研究陨石来确定地球的内，人们通常借助于研究陨石来确定地球的(87Sr/86Sr)0比值。目前公认的玄武质无球粒陨比值。目前公认的玄武质无球粒陨石的石的(87Sr/86Sr)0比值比值0.698970.00003(Faure,1977) 代表地球形成时代表地球形成时的初始比值，以的初始比值