1、關于同位素地球化學現(xiàn)在學習的是第一頁，共103頁本章內(nèi)容本章內(nèi)容自然界引起同位素成分變化的原因自然界引起同位素成分變化的原因同位素年代學同位素年代學穩(wěn)定同位素地球化學穩(wěn)定同位素地球化學第五章 同位素地球化學現(xiàn)在學習的是第二頁，共103頁一、一、自然界引起同位素成分變化的原因自然界引起同位素成分變化的原因核素的性質(zhì)核素的性質(zhì) 同位素分類同位素分類 同位素成分變化同位素成分變化 現(xiàn)在學習的是第三頁，共103頁1.1.什么叫核素什么叫核素? ? 由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子按一定結(jié)構(gòu)組成各種元素的原由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子按一定結(jié)構(gòu)組成各種元素的原子核子核稱為稱為核素核素，核素的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和等于核素的

2、質(zhì)量數(shù)（，核素的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和等于核素的質(zhì)量數(shù)（如如1616O O）。）。 具有相同質(zhì)子數(shù)的核素具有相同質(zhì)子數(shù)的核素構(gòu)成構(gòu)成元素元素。一種元素的核數(shù)可以有不。一種元素的核數(shù)可以有不同數(shù)量的中子，稱為同數(shù)量的中子，稱為同位素同位素。它們在元素周期表上占據(jù)同一。它們在元素周期表上占據(jù)同一位置。位置。 任何一個核素都可以用質(zhì)量數(shù)任何一個核素都可以用質(zhì)量數(shù)A=PA=P（質(zhì)子數(shù)）（質(zhì)子數(shù)）+N+N（中子數(shù)（中子數(shù)）這三個參數(shù)來表示。）這三個參數(shù)來表示。 （一）核素的性質(zhì)（一）核素的性質(zhì) 現(xiàn)在學習的是第四頁，共103頁 (1) (1)核素具有電荷核素具有電荷 (2)(2)核素具有質(zhì)量核素具有質(zhì)量 (3

3、) (3)核素具有豐度核素具有豐度 ( (絕對豐度絕對豐度/ /相對豐度）相對豐度） (4) (4)核素具有能量核素具有能量 (5) (5)核素具有放射性核素具有放射性2 2、核素的性質(zhì)、核素的性質(zhì) 112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn 只有一種同位素的元素：只有一種同位素的元素：Be、F、Na、Al、P等等27種。種。 其余大多數(shù)由其余大多數(shù)由2-5種同位素組成。種同位素組成。現(xiàn)在學習的是第五頁，共103頁( (二二) ) 同位素分類同位素分類放射性同位素：放射性同位素： 其核能自發(fā)地衰變?yōu)槠渌说耐凰兀Q放射性同位素；其核能自發(fā)地衰變?yōu)槠渌?/p>

4、的同位素，稱放射性同位素；原子序數(shù)大于原子序數(shù)大于8383，質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)209 穩(wěn)定同位素穩(wěn)定同位素：原子存在的時間大于原子存在的時間大于10101717年；年；原子序數(shù)原子序數(shù)1,1,反應向右進行；當反應向右進行；當11MSWD1；當不存；當不存在地球化學誤差時，在地球化學誤差時，MSWD1MSWD1。 由于某些地質(zhì)體同位素組成的均一性，各全巖樣品中由于某些地質(zhì)體同位素組成的均一性，各全巖樣品中Rb/SrRb/Sr比比值差異不大，因而難以獲得等時線。在這種情況下，值差異不大，因而難以獲得等時線。在這種情況下，可利用全巖可利用全巖+ +礦物礦物等時線法獲得年齡信息等時線法獲得年齡信息，但等時線

5、中的所選礦物必須來自同一全，但等時線中的所選礦物必須來自同一全巖樣品。這種等時線稱內(nèi)部等時線，在一般情況下，所得年齡巖樣品。這種等時線稱內(nèi)部等時線，在一般情況下，所得年齡低于全巖低于全巖Rb-SrRb-Sr等時年齡，代表巖石中礦物的平均結(jié)晶年齡。等時年齡，代表巖石中礦物的平均結(jié)晶年齡。現(xiàn)在學習的是第四十八頁，共103頁某些地質(zhì)體同位素組成具均一性，各全巖樣品中某些地質(zhì)體同位素組成具均一性，各全巖樣品中Rb/SrRb/Sr比值差異比值差異不大，難以獲得等時線。不大，難以獲得等時線。可利用全巖可利用全巖+ +礦物等時線法獲得年齡信息。礦物等時線法獲得年齡信息。等時線中的所選礦物必須來自同一全巖樣品

6、。所得年齡低于等時線中的所選礦物必須來自同一全巖樣品。所得年齡低于全巖全巖Rb-SrRb-Sr等時年齡，代表巖石中礦物的平均結(jié)晶年齡。等時年齡，代表巖石中礦物的平均結(jié)晶年齡。Rb-Sr全巖等時線法主要適用于基性、中性和中酸性巖漿巖全巖等時線法主要適用于基性、中性和中酸性巖漿巖形成年齡的測定。形成年齡的測定。常取得變質(zhì)事件的年齡或無意義的年齡信息。常取得變質(zhì)事件的年齡或無意義的年齡信息。Rb-Sr全巖等時線法很少用于沉積巖的年齡測定。全巖等時線法很少用于沉積巖的年齡測定。Rb-Sr全巖等時線法全巖等時線法現(xiàn)在學習的是第四十九頁，共103頁2. Sr同位素地球化學同位素地球化學 1 1）SrSr同

7、位素與火山巖成因同位素與火山巖成因 ( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值對示蹤物質(zhì)來源，殼幔物質(zhì)演化及殼幔相互作比值對示蹤物質(zhì)來源，殼幔物質(zhì)演化及殼幔相互作用等方面具有重要意義。用等方面具有重要意義。 通過全巖通過全巖Rb-SrRb-Sr等時線法可獲得巖石形成時等時線法可獲得巖石形成時( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0，對于單個，對于單個樣品，若樣品，若年齡年齡t t已知已知，實測該樣品的，實測該樣品的8787Sr/Sr/8686Sr Sr 和和8787Rb/Rb/8686SrSr比值，下比值，下式計算式計算( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0

8、 0比值：比值：( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0 = =8787Sr/Sr/8686Sr -Sr -8787Rb/Rb/8686Sr (eSr (ett-1) -1) 現(xiàn)在學習的是第五十頁，共103頁目前公認的目前公認的玄武質(zhì)無球粒隕石玄武質(zhì)無球粒隕石的的( (8 78 7Sr/Sr/8 68 6Sr)Sr)0 0比 值 為比 值 為0.698970.698970.00003(Faure,1977)0.00003(Faure,1977)，代表，代表地球地球形成時的初始比值，形成時的初始比值，以以BABIBABI表示。表示。 為了確定為了確定地殼和地幔地殼和地幔兩大體系的兩大

9、體系的( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值特征及其演化比值特征及其演化規(guī)律，規(guī)律，F(xiàn)aure（1983)對確認起源于對確認起源于上地幔源區(qū)上地幔源區(qū)的現(xiàn)代的現(xiàn)代玄武巖玄武巖等巖石等巖石的的8 78 7Sr/Sr/8686SrSr進行統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)它們的進行統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)它們的8787Sr/Sr/8 68 6SrSr值變化于值變化于0.7020.7060.7020.706之間，其平均值為之間，其平均值為0.7040.704，Rb/Sr=0.027Rb/Sr=0.027。 不同區(qū)域內(nèi)的玄武巖不同區(qū)域內(nèi)的玄武巖在鍶同位素組成上具有明顯的在鍶同位素組成上具有明顯的不均一性不均一性。

10、例。例如，如， ( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0的平均值，洋中脊玄武巖為的平均值，洋中脊玄武巖為0.70280,0.70280,海島玄武巖海島玄武巖為為0.703860.70386，島弧玄武巖為，島弧玄武巖為0.704370.70437，大陸玄武巖為，大陸玄武巖為0.705770.70577。 從大洋到大陸，從大洋到大陸，8787Sr/Sr/8686SrSr同位素比值平均值同位素比值平均值呈遞增呈遞增趨勢。趨勢。現(xiàn)在學習的是第五十一頁，共103頁2 2）SrSr同位素與花崗巖成因同位素與花崗巖成因 ( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值比值除了除了研究成巖

11、和成礦物質(zhì)來源外，還可用來研究成巖和成礦物質(zhì)來源外，還可用來劃分劃分巖石的成因巖石的成因類型。類型。 花崗巖的成因類型可劃分為花崗巖的成因類型可劃分為S S型和型和I I型花崗巖，型花崗巖，S S型花崗巖的型花崗巖的( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0大于大于0.7060.706，而，而I I型花崗巖的型花崗巖的( (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0小于小于0.7060.706 I I型花崗巖，型花崗巖，由火成巖原巖經(jīng)部分熔融形成的，由火成巖原巖經(jīng)部分熔融形成的，Na/Na/K K高高，Al/Al/（Na+K+2Ca)Na+K+2Ca)低，低，CaCa高高。 S

12、S型花崗巖，型花崗巖，由沉積巖原巖經(jīng)部分熔融形成的，由沉積巖原巖經(jīng)部分熔融形成的，Na/Na/K K低低，Al/Al/（Na+K+2Ca)Na+K+2Ca)高。高。A A型花崗巖，型花崗巖，產(chǎn)于已穩(wěn)定的褶皺帶和地盾內(nèi)隆起地區(qū)與斷裂產(chǎn)于已穩(wěn)定的褶皺帶和地盾內(nèi)隆起地區(qū)與斷裂有關的堿性花崗巖。有關的堿性花崗巖。現(xiàn)在學習的是第五十二頁，共103頁1、 U-Th-Pb法定年法定年 U U有三種天然放射性同位素：有三種天然放射性同位素：238238U(99.2739%)U(99.2739%)、235235U (0.0057%)U (0.0057%)、234234U(0.0057%)U(0.0057%)，2

13、38238U/U/235235U=137.88U=137.88； Th Th只有一個同位素只有一個同位素232232ThTh，屬天然放射性同位素，屬天然放射性同位素， Pb Pb有四種同位素：有四種同位素：204204PbPb、206206PbPb、207207PbPb、208208PbPb，204204PbPb是非放射成是非放射成因鉛因鉛，而，而206206PbPb、207207PbPb和和208208PbPb是放射成因鉛。是放射成因鉛。 238238U U、235235U U和和232232ThTh經(jīng)一系列的衰變形成，反應如下：經(jīng)一系列的衰變形成，反應如下： 238238UU206206P

14、b+8+6 Pb+8+6 235235UU207207Pb+7+4 Pb+7+4 232 232ThTh208208Pb+6+4Pb+6+4(五) U-Th-Pb法定年及法定年及Pb同位素地球化學同位素地球化學現(xiàn)在學習的是第五十三頁，共103頁 根據(jù)衰變定律，并考慮樣品中有初始鉛的混入，有以下等式：根據(jù)衰變定律，并考慮樣品中有初始鉛的混入，有以下等式： ( (206206Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(238238U/U/204204Pb)(ePb)(e1t1t-1) (1) -1) (1) ( (207207Pb/Pb

15、/204204Pb)=(Pb)=(207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(235235U/U/204204Pb)(ePb)(e2t2t-1) (2) -1) (2) ( (208208Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(208208Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(232232Th/Th/204204Pb)(ePb)(e3t3t-1) (3) -1) (3) 聯(lián)立方程（聯(lián)立方程（1 1）和）和(2)(2)式，并整理得：式，并整理得： (207207Pb/Pb/204204Pb)-(Pb)-(207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0/(

16、/(206206Pb/Pb/204204Pb)- (Pb)- (206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0 = =235235U(eU(e2t2t-1)/-1)/238238U(eU(e1t1t-1)=(1/137.88)(e-1)=(1/137.88)(e2t2t-1)/(e-1)/(e1t1t-1) (4)-1) (4) D/DD/DS S =(D=(D0 0/D/DS S) +N/D) +N/DS S (e(ett -1) -1) 現(xiàn)在學習的是第五十四頁，共103頁方程方程(1)(1)、(2)(2)、(3)(3)和和(4)(4)可以得到可以得到4 4個相互獨立的年齡個相互獨立

17、的年齡t, t, 稱稱表面年齡。表面年齡。如果這些表面年齡相對差異小于如果這些表面年齡相對差異小于10%10%則稱為則稱為一致年齡一致年齡，它們，它們的平均年齡值代表礦物的結(jié)晶年齡。的平均年齡值代表礦物的結(jié)晶年齡。大部分表現(xiàn)為不一致年齡，且一般為：大部分表現(xiàn)為不一致年齡，且一般為：t t208208tt206206tt207207t 208Pb/204Pb ?/SUP 208Pb/204Pb圖。圖。NDBNDB為北大別變質(zhì)雜為北大別變質(zhì)雜巖（實心方塊為花崗質(zhì)片麻巖類、空心方塊為斜長角閃巖）；巖（實心方塊為花崗質(zhì)片麻巖類、空心方塊為斜長角閃巖）；SDBSDB為南大別變質(zhì)雜巖（實心三角為超高壓為南

18、大別變質(zhì)雜巖（實心三角為超高壓片麻巖類，空心三角為榴輝巖類）；黑實心圓為大別山白堊紀花崗巖類；有誤差棒的大球為大別中生代花崗巖片麻巖類，空心三角為榴輝巖類）；黑實心圓為大別山白堊紀花崗巖類；有誤差棒的大球為大別中生代花崗巖類長石鉛同位素組成的平均值（張理剛等，類長石鉛同位素組成的平均值（張理剛等，19951995）現(xiàn)在學習的是第八十六頁，共103頁現(xiàn)在學習的是第八十七頁，共103頁A cartoon showing tectonic framework and crustal structure of the Dabie Mountains現(xiàn)在學習的是第八十八頁，共103頁現(xiàn)在學習的是第八十九

19、頁，共103頁第90頁/共78頁現(xiàn)在學習的是第九十頁，共103頁現(xiàn)在學習的是第九十一頁，共103頁中生代花崗巖類前中生代花崗巖類中生代花崗巖類前中生代花崗巖類南秦嶺與北秦嶺花崗巖類南秦嶺與北秦嶺花崗巖類PbPb同位素組成隨時代的變化，反映北同位素組成隨時代的變化，反映北秦嶺中生代花崗巖的巖漿源區(qū)來自于南秦嶺陸殼塊體秦嶺中生代花崗巖的巖漿源區(qū)來自于南秦嶺陸殼塊體A A、B B示南秦嶺和北秦嶺前中生代花崗巖類示南秦嶺和北秦嶺前中生代花崗巖類現(xiàn)在學習的是第九十二頁，共103頁現(xiàn)在學習的是第九十三頁，共103頁如果如果礦石鉛礦石鉛與與圍巖（沉積巖或火成巖）圍巖（沉積巖或火成巖）鉛的同位素組成鉛的同位素

20、組成相似相似或或模模式年齡相近式年齡相近，對圍巖是沉積巖，則礦床可能屬于同生沉積礦床，對，對圍巖是沉積巖，則礦床可能屬于同生沉積礦床，對圍圍巖是火成巖巖是火成巖，礦床應屬巖漿熱液成因。，礦床應屬巖漿熱液成因。如果礦石鉛與成礦圍巖具有明顯如果礦石鉛與成礦圍巖具有明顯不同的鉛同位素組成不同的鉛同位素組成，則礦質(zhì)來，則礦質(zhì)來源與圍巖無關，而是源與圍巖無關，而是由成礦熱液從其它源區(qū)搬運而來由成礦熱液從其它源區(qū)搬運而來。對成礦物質(zhì)多來源的礦床，其礦石鉛的同位素組成應是各種來源物對成礦物質(zhì)多來源的礦床，其礦石鉛的同位素組成應是各種來源物質(zhì)的混合，對此可進行兩端元或多端元的混合模式計算，確定各組成質(zhì)的混合，

21、對此可進行兩端元或多端元的混合模式計算，確定各組成端元的混合比例。端元的混合比例。 5 5）鉛同位素對礦床成因和成礦物質(zhì)來源有重）鉛同位素對礦床成因和成礦物質(zhì)來源有重要指示作用要指示作用現(xiàn)在學習的是第九十四頁，共103頁有興趣的同學，自己看。 (六) Sm-Nd法定年及法定年及Nd同位素地球化學同位素地球化學 K-Ar法法現(xiàn)在學習的是第九十五頁，共103頁( (七七) ) 1414C C法法年輕地質(zhì)體系同位素年代測定年輕地質(zhì)體系同位素年代測定1414N + n N + n 1414C +C + 1 1H H新產(chǎn)生的新產(chǎn)生的1414C C在大氣層中很快被氧化成在大氣層中很快被氧化成1414COC

22、O2 2，并與大氣層的，并與大氣層的COCO2 2混混合并擴散，使水圈及生物圈中都存在著宇宙輻射成因的合并擴散，使水圈及生物圈中都存在著宇宙輻射成因的1414C C。1414C C的產(chǎn)生速率主要取決于的產(chǎn)生速率主要取決于宇宙射線產(chǎn)生的中子數(shù)量宇宙射線產(chǎn)生的中子數(shù)量，即宇宙的輻，即宇宙的輻射強度。可以認為射強度。可以認為1414C C產(chǎn)生的速率大體上是一個常數(shù)。產(chǎn)生的速率大體上是一個常數(shù)。1414C C通過通過衰變反應消耗，兩者達到平衡衰變反應消耗，兩者達到平衡。這種平衡過程是相當。這種平衡過程是相當快的，當生物死亡后，碳的交換循環(huán)作用就停止，有機體內(nèi)保快的，當生物死亡后，碳的交換循環(huán)作用就停止

23、，有機體內(nèi)保存的存的1414C C將隨時間逐漸衰亡而減少。將隨時間逐漸衰亡而減少。現(xiàn)在學習的是第九十六頁，共103頁1414C C 1414N + N + 根據(jù)放射性衰變定律：根據(jù)放射性衰變定律： 1414N N* * = = 1414C(eC(ett-1-1 ) ) 也可以也可以(P219) (P219) ： A = AA = A0 0 e e-t -t t t為有機死亡后經(jīng)歷的時間；為有機死亡后經(jīng)歷的時間； A A0 0為有機物活著時的為有機物活著時的1414C C比度（比度（13.5613.560.007 dpm/g, 0.007 dpm/g, 每克碳中每每克碳中每分鐘分鐘1414C C衰變的次數(shù)）衰變的次數(shù)） A A為樣品現(xiàn)今的放射性比度；為樣品現(xiàn)今的放射性比度； 為為1414C C的衰變常數(shù)（的衰變常數(shù)（1/82671/8267年年-1-1） 現(xiàn)在學習的是第九十七頁，共103頁什么是裂變徑跡？什么是裂變徑跡？ 放射性元素的核裂變碎片在礦物晶格內(nèi)放射性元素的核裂變碎片在礦物晶格內(nèi)產(chǎn)生的狹窄痕跡稱為裂變徑跡產(chǎn)生的狹窄痕跡稱為裂變徑跡 形成機制：離子爆炸尖峰脈沖模型形成機制：離子爆