第六章 同位素地球化学.ppt

1、1、第六章同位素地球化学、同位素地球化学是研究地壳和地球核素形成、丰度以及地质作用的分馏和衰变规律的科学。 同位素地球化学，2，同位素地球化学是解决地质学领域问题的独特之处：1 )时间节点作用：一对放射性同位素是时订，地球形成后它们时时刻刻，不受干扰地行走着。 由此可以测定各种地质体的年龄，特别是隐生宙的前寒武纪地层和复杂地质体。 2 )示踪物作用：由于同位素组成的变化受作用环境和作用本身的影响，可以利用同位素组成的变异指示地质体形成的环境条件、反应历程，示踪物物质来源。 3 )测温作用：由于某矿物同位素成分的变化与其形成的温度有关，因此可以修正各种矿物对的同位素温度，测定成岩的成矿温度。 此

2、外，还可用于资源调查、环境监测、地质灾害防治等。 3、本章包括：自然段引起同位素成分变化的原因同位素年代学稳定同位素地球化学，第6章同位素地球化学，4，1，自然段引起同位素成分变化的原因，核素性质同位素分类同位素成分测定及表示方法自然段引起同位素成分变化的原因，5，1， 自然段引起同位素组分变化的原因，(1)由不同数量的质子和中子以一定结构构成各种元素体的原子核，任何原子核都可以用A=P N三个残奥表示。 具有相同质子数，由不同数量的中子数组成的核素群称为同位素。 o的质子数P=8，而中子数分别为8、9、10，因此氧有质量数分别为16O、17O、18O三个同位素。 (6)核素的性质，(1)核素

3、带电荷： 1个质子带1单位正电荷，原子的核电源负载数等于质子数，从而决定原子的核外电子数。 如果核发电的负荷数变化，则形成不同的元素体，同时核发电的负荷数也影响核的组成和结构，即决定核的稳定性。 (2)核素具有质量：核素含有不同数量的质子和中子，因此具有不同的质量。 (3)核素具有丰度：自然段核素具有2种丰度。 一是核素的绝对丰度，是自然段各种核素存在的总量，与构成核素的核素的数量和结构有关，反映了核素的稳定性。 在原子序数Z83的情况下，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。 二是核素相对丰度，元素体同位素所占总质量的百分比，如大气中三个氧同位素的相对丰度为： 16O:99.763%

4、； 17O:0.0375%； 18O:0.1995%，7，(4)核素拥有能量：原子核汇集质量高的粒子，处于极小的体积内，因此原子核内宫内孕含有巨大的能量，即核电源，也被称为“结合能”。 结合能越高，核素越稳定，结合能越低(例如h、n、Li、Be及高质量数的核素)，核素越不稳定。 在核衰变过程中，一部分核电源通过放射出各种粒子及放射性射线来释放。 (5)核素具有放射性：放射性即不稳定的核素通过粒子和放射能，自发地调整核内的组成和结构，变化为稳定的核素，称为放射性衰变。 放射性衰变结果表明，核素的质量、能量、核电源负荷数发生变化，形成了不同的元素体。 (1)核素的性质，(8)同位素分类，(2)从核

5、素的稳定性来看，自然段中存在2种同位素：一种是核电源自发地向其他核衰变的同位素，被称为放射性同位素的另一种是核稳定，迄今为止发现能够衰减作为其他核的同位素但是，核素的稳定性是相对的，依赖于现阶段的实验技术对放射性元素的半寿期的检测范围，现在，原子存在时间超过1017年的被称为稳定同位素，相反被称为放射性同位素。9、(3)同位素成分的测定及显示方法，一般质量数A209的同位素大部分是稳定的，少数是放射性的，例如14C、40K、87Rb； 质量数超过209的同位素都属于放射性同位素。 一个元素体可以由不同数量的同位素组成。 自然段中同位素最多的是Sn元素体，10个同位素： 112、114、115、

6、116、117、118、119、120、122、124sn自然段中也存在同位素单独组成的元素体： Be、f，其佝偻湾大部分由25种同位素组成。 (10，(3)同位素成分的测定和显示方法，完整的同位素样品研究包括样品采集、加工、化学试样制备、测定以及结果的订正和解释等环节。 下面简要介绍化学试样制备和质量分析装置的测定方法。 1 .分解试样制备地质样品，将测得的元素体同位素转换成质谱测定的化合物，使同位素轻度稳定，一般制成瓦斯气体样品。 例如，对于氧同位素，有(1)在还原法：的高温条件下还原成c和CO的方法、(2)在还原法：的高温条件下还原成c和CO的方法这两种试样制备方法(2)氧化法：用f或卤

7、代物氧化，生成O2 (精度高)。 11，2 .质谱校正测定：质谱校正是目前同位素成分测定的主要手段(MAT261，MAT251 )。 其工作原理是将被测量元素体的原子或分子正络离子化，导入电场和磁场进行运动，带正电的质点通过质量来分离测量。 3 .同位素成分的显示方法：1)绝对比率(r ) :以2个同位素比直接显示，例如32S/34S、12C/13C等； 2 )相对于标准样品r的绝对比率差(R) R=R样本- R标准，12， 3 )样本相对于标准样品r的偏离度(千分率):()=(R样本r标准)/R标记1000=(R样本/即34S()=(34S/32S )样/(34S/32S )标)-1 100

8、0按照习惯将微量(小的相对丰度)同位素放置在r的分子上3 .同位素组成表示方法：13，4 )为了能进行同位素标准样品、同位素分析资料的世界性比较，必须建立世界性的标准样品。 世界标准样品条件：在世界范围内处于该同位素组成变化的中间位置，可以作为零点的标准样品的同位素组成必须均匀，标准样品需要一盏茶的数量，标准样品容易进行化学处理和同位素测量。14、主要是放射性衰变和同位素分馏效应1 .放射性衰变：放射性同位素经自然衰变，变为其他元素体的同位素，结果母元素体同位素减少，子元素体同位素增加，母元素体和子元素体同位素组成变化. 它是放射性核素原子核的特性，不受外界化条件的影响。 1 )衰变：放射性母

9、核发射粒子(粒子由2个质子和2个中子组成，粒子实际上是):x :母核，y :子核z :原子序数，a :质量数，e :能量(镭元素) (氡)由上式可知，新核的同位素原子序数比母核少2倍，质量数少4倍。 自然段的重同位素235U、238 U、232Th等以衰变为主。 (4)自然段引起同位素组分变化的原因；(2)衰变：多数自然段衰变，即放射性母核中的一个中子分裂成一个质子与一个电子(即粒子)，向云同步发射反中子例如，3 )电子俘获：母核自发地从核外电子层层捕获一个电子，通常在k层中吸收一个电子(e )，与质子结合成为中子，质子数减少一个(是衰变的逆变化)，这样衰变产物的核质量数不变，质子数(。 在自

10、然段中，有些同位素仅在某种形式的衰变时变化为稳定同位素，有些放射性同位素经一系列的各种衰变后变化为稳定同位素：17，2 .同位素分馏效应：1，1 )同位素分馏效应：地质作用过程中，随质量差异变化为轻稳定同位素2 )分馏效应物理分馏：也称为质量分馏，由于同位素之间的质量差引起的质量关系性质差异(例如密度、比重、熔点、沸点等微小差异)，在蒸发、凝聚、热升华、扩散等自然物理过程中分离轻重同位素。 例如，在蒸发作用强的死海(约旦、巴勒斯坦国间)盐水中H218O含量最高。 在单向式中重复多次的物理过程中同位素分馏效果最显着。 18、同位素交换反应(平衡分析):化学反应中根据反应物与生成物之间物态、相态及

11、化学键性质的变化，轻重同位素分别富集分离为不同的分子，称为同位素交换反应。 例如，大气层和水层之间发生氧同位素交换反应(0:=1. 074，253360=1. 006 )的大量实测资料显示，价态和相态差异较大的化学反应同位素交换反应更为明显。 生化反应：动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换物质，通过生化过程引起同位素分馏。 例如，煤、油、瓦斯气体等生物成因地质体具有高的12C，以便植物通过光合作用使12C更为生物丰富。19、动力分析：实质上质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学强度(热力学上H218O的动能、热容量、熵值不同于H216O )，轻同位素组成的键比重同位素更易破裂，化

12、学反应中轻同位素分子的反应速度高于重同位素分子。 例如，C 16O2C16O2平衡常数k1c 16 o 18 o 18 o平衡常数K2可以是通过实验测定k1/k2=1.17、20、3 )分解系数：同位素分解作用的大小，=某元素体同位素在a物质中的比/某元素体同位素不同的化合物)例如， H12CN 13CN- H13CN 12CN-瓦斯气体状氰酸氢酸液状氰酸氢酸根经过时，两部分的13C/12C比都发生变化，其分馏系数越接近=(13c/12c)hcn/()的1，表示分馏作用越弱)、同位素交换反应时、分馏效果简化分析系数1000ln和值： A=(RA/R坐标)-11000 (RA/R坐标)=(A /

13、1000) 1 RA=(A /1000) 1. R。 对于1上式的两边取对数3360 lna-b=ln (a/1000 )1(b/1000 )1lna-b=lnralnrb=ln (a/1000 )，因此上式写作： lnA-B=(A_B)/1000 二、同位素年代学的衰变是自发的永久的一定反应，衰变是一定比例衰变反应是任何温度、压力、元素体的存在形态及其不受物理化学条件影响的衰变前核素和衰变后核素的原子数，仅是时间的函数. 24、崩溃的核素称为母核(体)，崩溃的称为子核(体)。 放射性规则：在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核崩溃形成子核的原子数与母核的原子数成正比。 其中，n :在时刻t未

14、完全崩溃的母核的原子数dN/dt :每单位时间崩溃的原子数：崩溃速率常数(每单位时间的崩溃概率)1/年、1/秒- :表示每dt时间的母核的转换上式：-dN/dt=NdN/N=-dt是时刻TT 在经过时刻t时达到t，母核的原子数为n，n的数值可以通过上式的积分求出： lnN-lnN0=-(T-T0)=-t (根据积分式) lnN/N0=-t (对数运算规则) N/N0=e-t上式： N/N0=e-t，n/t 假设： t(T0T )母核衰变产生的子核数用d表示，D=N0-N，将N0=Net代入t=(1/)ln(1 (D/N) D/N的2个这些个式是同位素年龄测定的基本式，同位素年龄测定方法都将其作为修正式。 (28，1 )在积蓄显着数量的子核的同时，为了母核也不崩溃，需要适当的半寿期。 如果半寿期过长，经过漫长的地质历史也不能蓄积显着数量的子核的半寿期过短，母核几乎要崩溃。 2 )测量同位素衰变常数的精度可以满足要求。 3 )放射性同位素元素体应具有高地壳丰度，在当前技术条件下，可以以一盏茶精度检测与其崩溃的子体含量。 4 )矿物、岩石结晶化时，只含有某些放射性同位素元素体，不含有与其