第六章--放射性同位素地球化学

1、第六章 同位素地球化学,第一节 放射性同位素衰变原理 第二节 K-Ar和Ar-Ar同位素年代学 第三节 Rb-Sr年代学及Sr同位素地球化学 第四节 14C同位素年代学,第一节 放射性同位素衰变原理,放射性蜕变规律,自然界主要的蜕变方式有以下几种： -蜕变 -蜕变时，放射性母核放出粒子，转变为一个新核。粒子实际上是2He4核。蜕变形成的新核，其原子序数比母核小2，质量数小4。 -蜕变 放射性母核放出-粒子，即电子，同时还放出中微子v，自然界中象40K、87Rb等都-放射性的。 3.电子俘获 这种蜕变方式实质是：母核从它的核外电子壳层俘获一个电子，通常多数是从K壳层俘获，也有从其它壳层如L层俘获

2、的。,各种不同方式蜕变的同位素，都服从放射性蜕变规律。 假定放射性母核现存数为N，在dt时间间隔内蜕变掉dN个，则dN与N和dt成正比，即： dN/dt = -N 式中： - 蜕变常数；负号 - dN是减少的。 将上式积分，并设：t = 0时的母核数为No,则得： N = N0e-t,放射年龄测定的基本方程,假定子核是稳定的,在t时刻放射性母核和子核的现存数为N1和N2，则: N2 = N1 ( et-1),放射年龄测定的基本方程,t = 1/ ln (1+N2/N1),所谓半衰期是指放射性母核蜕变掉现存数一半所需时间: N = N0/2 N = N0e-t T = ln2/0.692/ 当时

3、间超过母核半衰期十倍以上，这时， e-t0.0001，实际上母核已只剩下微下微不足道的数量，因而10T代表了放射性同位素灭绝所需时间。,半衰期:,为测定矿物或岩石年龄，一般应满足以下六个方面： （1）放射性同位素的半衰期应足够长，对待测定样品年龄来说，它应能积累起显著数量的子体，同时母核也未蜕变完。 （2）蜕变常数已测定，精度能满足要求。 （3）放射性同位素应具有较高的地球丰度，在当前技术条件下能以足够的精度测定它和它蜕变子体的含量。 （4）保存放射性元素的矿物或岩石自形成后一直保持封闭系统，即未添加亦未丢失放射性同位素及其蜕变产物。 （5）矿物岩石刚形成时只含某种放射性同位素，而不含与之有蜕

4、变关系的子体，或虽含一部分子体但其数量可以估计。 （6）对所测定的矿物、岩石的地球化学有相当可靠认识。,第二节 K-Ar和Ar-Ar同位素年代学,自然界钾有三种同位素，相对丰度如下： 39K 93.10% 40K 0.0118% 41K 6.88% 其中只有40K是放射性的。,2、钾-氩衰变体系,40K有两种蜕变方式：88%的40K经-蜕变生成40Ca，其余12%的40K由K层电子俘获先形成激态40Ar，然后放射出能量为1.46MeV.的量子转变为基态的40Ar。,2、钾-氩衰变体系,由于自然界钙的主要同位素就是40Ca（占96.97%），且钙又经常与钾共生，因而虽然理论上也可用40K-40C

5、a系统测定年龄，历来也有人进行过试测，但钙元素干扰过大，除特殊情况外，测定结果精度不够，因而未普遍被采用。目前主要采用40K-40Ar法。,(1). 40K-40Ar法的物理基础:,用代表40K的-蜕变常数，e代表电子俘获蜕变常数。按照蜕变常数的定义，40K总蜕变常数应等于+e，这样，测定年龄的基本方程式有下列形式： t = 1/( +e)ln 1+(+e)/e40Ar/40K 实际测定时，用化学方法（当前通常用火焰光度计法）分析K%，然后按钾的同位素成分计算出40K含量.,(2). 适用于测定钾氩年龄的矿物和全岩:,从理论上讲，只要含钾，而且能完好地保存放射成因氩，本身又不含“过剩氩”的矿物

6、或岩石，都适合于用来测定钾-氩年龄。当然，矿物的颗粒大些，易于挑出纯的单矿物，钾含量又高，实验室分析就更方便一些。,(3). 关于放射成因氩丢失的问题 :,实际工作中已发现不少严重偏低的钾氩年龄数据，它们主要是40Ar丢失引起的。 受热是引起氩丢失的主要因素，有人估计：如果在常温下，云母类矿物尚能保持封闭系统，那么在100温度下，矿物相对氩而言就已成为开放系统了。实验室测定表明：氩保存在晶体不同部位上，因而当温度升高时，析出的40Ar并不与温度呈正比。云母类矿物是钾-氩年龄测定的主要矿物，这方面的研究也较多，但至今对丢失氩的机制尚不完全清楚。,(4). 关于过剩氩的问题 :,过剩氩的存在会使矿

7、物或岩石的钾-氩表观年龄高到非常不合理的程度。 过剩氩的存在是一个相当普遍的现象。地壳下部或上地幔中的40K蜕变生成40Ar，当岩浆在外界条件不允许完全去气的环境中凝固时，氩能在矿物晶格或晶体缺陷中存在，这部分过剩氩是环境性的。,第三节 Rb-Sr年代学及Sr同位素地球化学,自然界铷有两个同位素，其习惯用丰度为： 85Rb 72.15% 87Rb 27.85% 其中85Rb是稳定的，87Rb具-放射性，蜕变为87Sr。,铷-锶法的物理基础: 铷一般不形成独立矿物，它分散地存在于含钾的矿物中，因而通常浓度很低，分析上困难较大。 含铷的矿物和岩石中存在的87Sr，一部分是由其中的87Rb蜕变生成的

8、，另外一部分是矿物或岩石形成时含有微量元素锶的结果。通常锶的同位素组成近似地为： 88Sr 82.56% 87Sr 7.02% 86Sr 9.86% 84Sr 0.56% 其中只有87Sr是放射成因的。,由87Rb蜕变生成的87Sr应等于： 86Sr (87Sr/86Sr)样-(87Sr/86Sr)初 其中下标“样”代表样品的测定值，下标“初”代表矿物或岩石生成时含锶所具有的值。 这样，我们可得计算年龄的基本公式： t = 1/ln (1+ Sr86/Rb87(87Sr/86Sr)样-(87Sr/86Sr)初) 式中，87Rb的蜕变常数。,适用于测定铷-锶年龄的矿物和全岩,对铷-锶法来说，必需

9、选择一套Rb-Sr比值适合的矿物和全岩样品，才能使落在等时线图上的点分布均匀，从而精确地确定等时线，求得等时线年龄与初生锶比值。 由于（87Sr/86Sr）初一般接近0.71，为了精确确定等时线就必需要有一批（87Sr/86Sr）样比值大于0.8的样品，假定所研究的样品为100百万年，这时Rb/Sr需大于25才可满足要求。 实际上，云母类矿物、钾长石均能较好地保存放射成因锶，且能满足Rb/Sr比值要求，是目前用来测定年龄的主要对象。,Sr 同 位 素 地 球 化 学 示 踪,图6-2 地球Sr同位素演化（据Faure, 1986） 三条曲线（A1, A, A2）代表陆下上地幔Sr同位素的假设演

10、化线，其曲率表示上地幔的Rb/Sr比值随时间降低；连接BABI和现代0.702的直线（B）代表了Rb亏损的地幔区域的Sr同位素演化；直线（C）代表Sr在2.9Ga前从地幔分离出来并随后在Rb/Sr值较高（0.15）的系统中演化，其现代87Sr/86Sr值（0.720）代表了典型陆壳的值。,Sr 同 位 素 地 球 化 学 示 踪,图6-3 显生宙海水的值随时间的变化曲线（据Veizer et al., 1999）,Sr在海水中的滞留时间约2Ma，明显大于全球各大洋海水混合时间（Hodell et al., 1990）。因此同一时期海洋具有均一的87Sr/86Sr组成。现代大洋海水的87Sr/8

11、6Sr值为0.7092（Hess et al., 1986）。 古代海水的87Sr/86Sr组成是根据海相碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐及燧石等自生沉积矿物来获得的。,海水Sr同位素地球化学,目前，对显生代海水87Sr/86Sr组成随时间的变化曲线己有十分详细的研究，发现自寒武纪以来，87Sr/86Sr值按100Ma左右的周期呈振荡变化（图6-3）。在寒武纪初期，海水的87Sr/86Sr值0.7092。自白垩纪以来，海水的87Sr/86Sr值从0.7077逐渐增大至现代的0.7092。特别是70Ma以来海水的87Sr/86Sr随时间的高精度变化曲线，可作为精确的“锶同位素年龄标尺”用于第三系以来地层对

12、比和沉积岩年龄确定。,海水Sr同位素地球化学,研究表明，海洋的Sr同位素组成变化是许多复杂地质作用相互作用的结果。一般而言，以下三个储库控制了海水87Sr/86Sr值的变化：海底玄武岩和海底热液中的锶，其87Sr/86Sr值为0.704；古老硅铝质陆壳风化产物中的锶，其87Sr/86Sr值约为0.720；海相碳酸盐风化提供的锶，其87Sr/86Sr值为0.708。不同地质时代，上述三个储库对海水Sr的贡献比例不同，从而造成了海洋87Sr/86Sr值随时间的变化趋势。,海水Sr同位素地球化学,第四节 C14 法,又称放射性碳法，是测定第四纪晚期沉积物的重要方法，通常能测的最大值为56万年。近年来

13、由于技术上的改进，可测到10万年。,碳有三种同位素，其相对丰度为：C12=98.89%，C13=1.108%，C14=1.2*10-10%。,C14 法,C14为弱-放射性，半衰期为5566年。一般经过10个半衰期，任何放射性同位素都将衰变完毕，因此，地球上找不到原始C14的痕迹。那么，怎样用C14法记时呢？,C14 法,人工核反应证实，中子轰击N原子核可以形成C14，自然界也存在类似反应。在大气圈上层1216km高空，宇宙射线的中子与大气N作用产生（n-P）反应形成C14，而C14又以一定速度经-衰变重新形成N14，其过程如下：,C14 法,近百万年以来，宇宙射线的通量与能谱组成没有多大的变化，因此C14生成率基本恒定，另一方面，又进行着C14的衰减，这两个过程处于动态平衡。自然界中的C14随着普通碳一起，参与大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的交换循环，因而也达到了平衡。,C14 法,如果某一含碳物质一旦停止与外界交换，例如有机体（动物和植物）的