12第6章同位素地球化学1课件

第6章同位素地球化学PartⅠ4/1/20241-第6章同位素地球化学3/30/20241-4/1/20242-3/30/20242-4/1/20243-3/30/20243-它是研究地球和宇宙中核素的形成、丰度以及在自然作用中分馏和衰变规律的科学。

同位素地球化学

4/1/20244-它是研究地球和宇宙中核素的形成、丰度以及在自然作用中分馏和衰1.

同位素地球化学研究对象自然界，尤其是地质作用和地质体中的同位素丰度及其演化规律4/1/20245-1.同位素地球化学研究对象自然界，尤其是地质作用和地质体中宇宙同位素地球化学地幔同位素地球化学环境同位素地球化学考古同位素地球化学食品同位素地球化学水文同位素地球化学，等。分支学科4/1/20246-宇宙同位素地球化学分支学科3/30/20246-2同位素地球化学的研究任务①同位素的起源、演化和衰亡历史；②同位素在宇宙体、地球和各地圈中的分布和分配；不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰亡与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因，据此来探索地质作用的演化历史及物质来源；③利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。4/1/20247-2同位素地球化学的研究任务①同位素的起源、演化和衰亡历史；3同位素地球化学的研究领域①同位素地质年代学IsotopeGeochronology强调时间概念，根据放射性成因同位素随时间变化的定律，测定地质体的年龄与活动历史，研究地质事件的计时，或地质运动、地球演化的时间序列；另外，放射性成因同位素示踪，可研究成岩成矿的物质来源，探讨地壳、地幔及其它星体的演化。4/1/20248-3同位素地球化学的研究领域①同位素地质年代学Isotop研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种地质条件下的运动规律，并运用这些规律来解释岩石和矿石的物质来源、成岩成矿的物理化学条件、成因机制及岩矿石形成后的地质作用影响等地质问题。②稳定同位素地球化学4/1/20249-研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种地质条件下的运动规律，4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。

4/1/202410-4同位素地球化学在解决地学领域

问题的独到之处①计时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、地质灾害防治等

③测温作用4/1/202411-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5.同位素地球化学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：实验测试技术不断完善和提高；多元同位素体系的综合研究；研究领域不断扩大；各种新方法的出现。4/1/202412-5.同位素地球化学发展现状同位素地球化学发展迅速，已渗透到我国同位素地球化学的研究工作从1958年开始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。学术团体：中国矿物岩石地球化学学会—同位素地球化学专业委员会；中国地质学会—同位素地球化学专业委员会。另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。科研机构：我国同位素地球化学的学术团体4/1/202413-我国同位素地球化学的研究工作从1958年开始，目前拥有的研究常见同位素计时方法1.40K-40Ar2.Rb-Sr3.39Ar-40Ar4.U-Th-Pb5.普通铅法6.147Sm-143Nd7.187Re-187Os8.175Lu-175Hf9.裂变径迹法10.14C法4/1/202414-常见同位素计时方法1.40K-40Ar地质学中经常采用的稳定同位素1H(D/H)•2O(18O/16O)3S(34S/32S)•4C(13C/12C)5Sr(87Sr/86Sr)•5Nd(143Nd)7Pb(206Pb,207Pb,208Pb)•8N(15N/14N)9Si(32Si/30Si)•10B(11B/10B)11Cl•12He(3He/4He)13Mg•14Ne/Kr/Xe15Cu/Fe铜和铁同位素4/1/202415-地质学中经常采用的稳定同位素1H(D/H)主要参考书同位素地质学原理.GFaure,科学出版社,1985铅同位素地质.BRDoe,科学出版社,1975锶同位素地质学.GFaure&JLPowell,科学出版社,1975稳定同位素地球化学.JHoefs,科学出版社,1987氢氧同位素地球化学.丁悌平,地质出版社,1988稳定同位素地质.沈渭洲,原子能出版社,1987同位素地质年代学.袁海华,重庆大学出版社,1987同位素地球化学.魏菊英,王关玉.地质出版社,1988稳定同位素地球化学.郑永飞,陈江峰,科学出版社,2000稳定同位素地球化学.JHoefs,海洋出版社,2002同位素地质年代学与地球化学.陈岳龙等，地质出版社，20054/1/202416-主要参考书同位素地质学原理.GFaure,科学6.同位素地球化学6.1自然界同位素成分变化的机理6.2放射性同位素地球化学6.3稳定同位素地球化学4/1/202417-6.同位素地球化学6.1自然界同位素成分变化的机理3/6.1自然界同位素成分变化的机理6.1.1同位素的基本内容6.1.2自然界同位素成分的变化4/1/202418-6.1自然界同位素成分变化的机理6.1.1同位素的基6.1.1同位素的基本内容

1.核素和同位素①什么叫核素？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。表示：A=N（neutron）+P（proton）4/1/202419-6.1.1同位素的基本内容1.核素和同位素3/30②核素性质1）核素具有电荷2）核素具有质量3）核素具有丰度4）核素具有能量5)核素具有放射性4/1/202420-②核素性质1）核素具有电荷3/30/202420-①同量异位素(isobar)：质子数不同，中子数不同，质量数相同的原子，也称同质异位素。②等中子素(isotone)：中子数相同，质子数不同的原子；③同位素(isotope)：质子数相同，中子数不同的原子；A=N+P

几个名词4/1/202421-①同量异位素(isobar)：质子数不同，中子数不同，质量数部分核素图4/1/202422-部分核素图3/30/202422-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。同位素是同一化学元素的原子，在元素周期表中占据相同的位置。因为核外电子数由原子核中的质子数决定，所以同位素具有相似的化学性质.

③同位素4/1/202423-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。③以元素的左上角标以总核子数或原子量。例如：S和O32S、33S、34S、35S（3516S）16O、17O、18O（168O）同位素表示法4/1/202424-以元素的左上角标以总核子数或原子量。同位素表示法3/30/2一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中同位素最多的是Sn元素，有10个同位素：112，114，115，116，117，118，119，120，122，124自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素：Be、F、Na、Al、P等27种。其余大多数由2~5种同位素组成。

4/1/202425-一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中同位素最多的是Sn2.同位素的分类①分类原则基于原子核的稳定性原子核相对稳定性判断4/1/202426-2.同位素的分类①分类原则3/30/202426-当原子序数Z<20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰度高；当20<Z<83时，N/P=1.5，稳定；当Z>83时，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。Z/P与原子核的稳定性4/1/202427-当原子序数Z<20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰度高；Z4/1/202428-3/30/202428-②类型1）放射性同位素(unstableorradioactiveisotope)其原子核是不稳定的，它们能自发地放出粒子并衰变成另一种同位素。2）稳定同位素(stableisotope)原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素。4/1/202429-②类型1）放射性同位素(unstableorrad自然界已发现近340个同位素，其中放射性同位素有57种（人工合成的放射性同位素超过1200个），稳定同位素273种。Z＜83且A＜209的同位素大部分是稳定同位素，少数是放射性的，如14C、40K、87Rb、147Sm放射性外；Z＞83且A＞209的同位素都是放射性同位素③稳定同位素和放射性同位素在周期表中的分布4/1/202430-自然界已发现近340个同位素，其中放射性同位素有57种（人工4/1/202431-3/30/202431-1）轻稳定同位素2）重稳定同位素

④稳定同位素类型及特点4/1/202432-1）轻稳定同位素④稳定同位素类型及特点3/30/20241）轻稳定同位素A.原子量小，同一元素的各同位素间的相对质量差异较大（ΔA/A≧5%）；B.轻同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用造成的，其反应是可逆的。4/1/202433-1）轻稳定同位素A.原子量小，同一元素的各同位素间的相对质A.原子量大，同一元素的各同位素间的相对质量差异小（ΔA/A＝0.7~1.2%），环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成的改变；B.同位素组成的变化主要是由放射性同位素衰变造成的，这种变化在地球历史的演变中是单方向进行的、不可逆的。

2）重稳定同位素4/1/202434-A.原子量大，同一元素的各同位素间的相对质量差异小（ΔA/3.同位素丰度①同位素丰度②元素的原子量4/1/202435-3.同位素丰度①同位素丰度3/30/202435-描述自然界核素丰度的两种方法1）绝对丰度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。①同位素丰度4/1/202436-描述自然界核素丰度的两种方法①同位素丰度3/30/202定义：指元素同位素所占总质量的百分数例如：氧的同位素的相对丰度16O：99.763%17O：0.0375%18O：0.1995%2）相对丰度4/1/202437-定义：指元素同位素所占总质量的百分数2）相对丰度3/30/2②元素的原子量以原子质量单位表示的，每个天然元素的原子量为该元素各同位素重量的加权平均值。4/1/202438-②元素的原子量以原子质量单位表示的，每个天然元素的原子同位素：16O17O18O丰度：99.763%0.0375%0.1995%质量：15.9949115.9991317.99915O的原子量=99.763%×15.99491＋0.0375%×15.99913＋0.1995%×17.99915=15.999294/1/202439-同位素：16O17O4/1/202440-3/30/202440-4.同位素成分的测定及表示方法一个完整的同位素样品的研究包括样品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释等环节。4/1/202441-4.同位素成分的测定及表示方法一个完整的同位素样品的研究包将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上测定的化合物，轻稳定同位素一般制成气体样品。①制样4/1/202442-将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上测定的化例如：氧同位素有两种制样方法：①还原法:高温条件下与C还原成CO；②氧化法:用F或卤化物氧化，生成O2（精度高）。4/1/202443-例如：3/30/202443-②质谱仪测定成分

质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段（MAT—261，MAT—251）。其工作原理：把待测元素的原子或分子正离子化，并引入电场和磁场中运动，带正电的质点因质量不同而被分离测定。

4/1/202444-②质谱仪测定成分质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段（1)

绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示例如32S/34S，12C/13C2)

对标准样品R的绝对比率差（ΔR）：ΔR=R样品－R标准；3)

样品相对于标准样品R的偏离程度的千分率δ‰=（R样－R标）/R标×1000=(R样/R标－1)×1000③同位素成分表示方法4/1/202445-1)

绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示③同位素成例如34S/32S相对于标准样品的富集程度，以δ34S‰来表示：δ34S‰=[(34S/32S)样/(34S/32S)标)－1]×10004/1/202446-例如34S/32S相对于标准样品的富集程度，以δ34S‰习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以从样品的δ值，直接看出它含微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化了。δ＞0表示34S比标准样品是富集了；δ＜0表示34S比标准样品是贫化了。4/1/202447-习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以从④同位素标准样品同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世界性的标准样品。1)在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为零点；2)标准样品的同位素成分要均一；3)标准样品要有足够的数量；4)标准样品易于进行化学处理和同位素测定

4/1/202448-④同位素标准样品同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，6.1.2自然界同位素成分的变化1.同位素丰度变化2.同位素丰度变化的地质应用4/1/202449-6.1.2自然界同位素成分的变化1.同位素丰度变化3/1同位素丰度变化①与放射性衰变有关②同位素分馏③与核合成过程有关4/1/202450-1同位素丰度变化①与放射性衰变有关3/30/20245⒉同位素丰度变化的地质应用①同位素地质定年—地质时钟—放射性同位素地球化学或同位素地质年代学；②地球化学示踪：物质来源、地球化学过程、物理化学条件指示剂（地质温度计）。4/1/202451-⒉同位素丰度变化的地质应用①同位素地质定年—地质时钟—6.2放射性同位素地球化学同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基础建立的同位素计时方法，用以测定不同地质体和地质事件的年龄。同位素地质年代学感兴趣的是自然界存在的为数不多的一些放射性同位素核素，包括衰变速率非常慢的（如238U、235U、232Th、147Sm等）、由长寿命放射性母体衰变产生的（234U、230Th等）、由天然核反应产生的以及人工核试验产生的放射性同位素。4/1/202452-6.2放射性同位素地球化学同位素地质年代学是以放射性同位6.2放射性同位素地球化学6.2.1放射性同位素衰变定律及同位素地质年代学原理6.2.2K-Ar法及40Ar-39Ar法年龄测定6.2.3Rb-Sr法年龄测定6.2.4Sm-Nd法年龄测定6.2.5U-Pb法年龄测定4/1/202453-6.2放射性同位素地球化学6.2.1放射性同位素6.2.1衰变定律及同位素地质

年代学原理1.

放射性同位素衰变方式2.放射性同位素衰变定律3.同位素地质年代学的基本原理、前提及分类4/1/202454-6.2.1衰变定律及同位素地质

年代学原理1.放射1.放射性同位素衰变方式①与放射性衰变有关的几个术语1）放射性原子释放出粒子和能量的现象即所谓的放射性。2）放射性衰变元素的原子核自发地发出粒子和释放能量而变成另一种原子核的过程。放射性同位素的衰变不因外界因素变化而变化，只与本身原子核性质有关。4/1/202455-1.放射性同位素衰变方式①与放射性衰变有关的几个术语33）放射性同位素自发地发出粒子或射线，并衰变为另一种同位素者。4）衰变过程类型单衰变或单程衰变系列衰变4/1/202456-3）放射性同位素3/30/202456-正在衰变的核素称为母核（体）(P)衰变的产物称为子核(D)

。

87Rb→87Sr

238U→206Pb5）放射性母体(P)和衰变子体(D)4/1/202457-正在衰变的核素称为母核（体）(P)5）放射性母体(P)和衰②放射性衰变方式1）α衰变2）β衰变3）电子捕获衰变4）重核裂变4/1/202458-②放射性衰变方式1）α衰变3/30/202458-α粒子是42He相对母体来说，子体的质子数和中子数个减少2个，质量数减少4。

23892U→23490Th+42He(α)+Q

1）α衰变4/1/202459-α粒子是42He1）α衰变3/30/202459-自然界多数为β—衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即β—粒子），同时放出反中微子γ。衰变子体与母体比，原子序数增加1，质量数不变；4019K→4020Ca+β－+ν（中微子）+Q2）β衰变4/1/202460-自然界多数为β—衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电子（e），与质子结合变成中子，质子数减少1个。衰变结果：核质量数不变，质子数（核电荷数）减1，变成周期表上左邻的新元素。

4019K+e－→4018Ar+ν+Q3）电子捕获衰变4/1/202461-母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电重放射性同位素自发地分裂为2—3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。4）重核裂变4/1/202462-重放射性同位素自发地分裂为2—3片原子量大致相同的“碎片”，放射性同位素母体与子体的关系4/1/202463-放射性同位素母体与子体的关系3/30/202463-2放射性同位素衰变定律①衰变反应特性1）反应在原子核内部，结果由一种核素变为另一种核素；2）衰变反应是自发而连续进行，母体核素按恒定比例衰减；3）反应不受任何温度、压力和原子存在形式等物理化学条件的影响，衰变母、子体只是时间的函数；4）衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数—卢瑟福（1902）4/1/202464-2放射性同位素衰变定律①衰变反应特性3/30/202461）内容在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与现存母核的原子数成正比。②衰变定律4/1/202465-1）内容②衰变定律3/30/202465-

－dN/dt=λN

（1）式中：N为t时刻存在的母体原子数；－dN/dt是衰变速率，也就是单位时间内衰变掉的放射性母体原子数；负号表示N随时间减少；λ为衰变常数。2）数学表达式4/1/202466-－dN/dt=λN变换上式得：dN/N=－λdt（2）设t=0时放射性母体的初始原子数为N0，衰变进行到时间t时剩下的未衰变母体的原子数为N，4/1/202467-变换上式得：3/30/202467-lnN—lnN0=-λ(T-T0)=-λt(据积分公式)lnN/N0=－λt(对数运算法则)N/N0=e－λt☆(取掉自然对数)N=N0e－λt或N0=Neλt此式表明：任何放射性同位素随时间按指数方式衰减。这是一切放射性反应的基本公式。

4/1/202468-lnN—lnN0=-λ(T-T0)=-λt(参数的含义N=N0e－λt或N0=NeλtN—现存母体数N0—原始母体数t为时间

λ衰变常数，不同元素有别4/1/202469-参数的含义N=N0e－λt3/30/202469随着衰变进行，母体减少，放射性成因子体增加，而现存子体原子数（D）等于衰变掉的母体数目，可表示为：

D=N0-N=N0-N0e-λt=N0(1-e-λt)D=N0-N=Neλt-N=N(eλt-1)4/1/202470-随着衰变进行，母体减少，放射性成因子体增加，而现存子体原子数4/1/202471-3/30/202471-假定D*表示由经过t(T0→T)母核衰变成的子核数，表示为：D*=N0-N=N0(1-e-λt)

D*=N(eλt－1）t=1/λln(D*/N+1)D*/N是现存子核和母核的原子数比值该方程是同位素地质年代学基础4/1/202472-假定D*表示由经过t(T0→T)母核衰变成的子核数，3/经过t(T0→T)，体系中子核数为：D=D0+D*D=D0+N0－N=D0+N（eλt－1）D－D0=N（eλt－1）eλt－1=(D－D0)/N变换为：t=1/λln[(D－D0)/N+1]★已知D0，测定体系中目前的放射性母体和子体的原子数，可得体系封闭以来所经历的时间。

4/1/202473-经过t(T0→T)，体系中子核数为：3/30/202473-D=D0+N0—ND=D0+N(eλt-1)D/Ds=D0/Ds+N/Ds(eλt-1)4/1/202474-D=D0+N0—N3/30/202474-指放射性同位素衰变到它原来母体原子数一半时所经历的时间。半衰期和衰变常数之间具有一定的关系：

N=N0e－λt取N=N0/2，代入衰变公式得

τ=ln2/λ=0.593/λ式中λ为衰变常数3）半衰期τ4/1/202475-指放射性同位素衰变到它原来母体原子数一半时所经历的时间。3）自然界中的放射性同位素及其衰变系列

自然界中的放射性同位素按其成因可以分成3类：1)单程衰变的同位素：40K，87Rb，147Sm，139La，等2)系列衰变的同位素：铀系、锕系、钍系、镎系3)由自然界中的核反应生成的同位素：14C，3H，等。其中1）2）类同位素的特点是衰变能量大（λ测定精确）、半衰期（τ）适中，因此在地质年代学中有重要意义。第3）类同位素的半衰期短，适用于考古学和第四纪地质学。4/1/202476-自然界中的放射性同位素及其衰变系列自然界中的放射性3放射性同位素地质年龄测定的

原理、前提及方法①放射性同位素地质年龄测定的原理②放射性同位素地质年龄测定的前提③放射性同位素地质年龄测定的方法4/1/202477-3放射性同位