同位素地球化学讲稿.ppt

关于同位素地球化学第一页，讲稿共一百零三页哦本章内容本章内容自然界引起同位素成分变化的原因自然界引起同位素成分变化的原因同位素年代学同位素年代学稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学第五章 同位素地球化学第二页，讲稿共一百零三页哦一、一、自然界引起同位素成分变化的原因自然界引起同位素成分变化的原因核素的性质核素的性质 同位素分类同位素分类 同位素成分变化同位素成分变化 第三页，讲稿共一百零三页哦1.1.什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各种元素的原子核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称为核素核素，核素的质子数和中子数之和等于核素的质量数（如，核素的质子数和中子数之和等于核素的质量数（如1616O O）。）。具有相同质子数的核素具有相同质子数的核素构成构成元素元素。一种元素的核数可以有不同数。一种元素的核数可以有不同数量的中子，称为量的中子，称为同位素同位素。它们在元素周期表上占据同一位置。它们在元素周期表上占据同一位置。任何一个核素都可以用质量数任何一个核素都可以用质量数A=PA=P（质子数）（质子数）+N+N（中子数）这三（中子数）这三个参数来表示。个参数来表示。（一）核素的性质（一）核素的性质第四页，讲稿共一百零三页哦 (1)(1)核素具有电荷核素具有电荷 (2)(2)核素具有质量核素具有质量 (3)(3)核素具有丰度核素具有丰度 (绝对丰度绝对丰度/相对丰度）相对丰度）(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、核素的性质、核素的性质112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn 只有一种同位素的元素：只有一种同位素的元素：Be、F、Na、Al、P等等27种。种。其余大多数由其余大多数由2-5种同位素组成。种同位素组成。第五页，讲稿共一百零三页哦(二二)同位素分类同位素分类放射性同位素：放射性同位素：其核能自发地衰变为其它核的同位素，称放射性同位素；其核能自发地衰变为其它核的同位素，称放射性同位素；原子序数大于原子序数大于8383，质量数质量数209 稳定同位素稳定同位素：原子存在的时间大于原子存在的时间大于10101717年；年；原子序数原子序数1,1,反反应应向向右右进进行行；当当11MSWD1；当不存在地球化学误差时，；当不存在地球化学误差时，MSWD1MSWD1。由由于于某某些些地地质质体体同同位位素素组组成成的的均均一一性性，各各全全岩岩样样品品中中Rb/SrRb/Sr比比值值差差异异不不大大，因因而而难难以以获获得得等等时时线线。在在这这种种情情况况下下，可可利利用用全全岩岩+矿矿物物等等时时线线法法获获得得年年龄龄信信息息，但但等等时时线线中中的的所所选选矿矿物物必必须须来来自自同同一一全全岩岩样样品品。这这种种等等时时线线称称内内部部等等时时线线，在在一一般般情情况况下下，所所得得年年龄龄低低于于全全岩岩Rb-SrRb-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结晶年龄。第四十八页，讲稿共一百零三页哦某些地质体同位素组成具均一性，各全岩样品中某些地质体同位素组成具均一性，各全岩样品中Rb/SrRb/Sr比值差异不大，比值差异不大，难以获得等时线。难以获得等时线。可利用全岩可利用全岩+矿物等时线法获得年龄信息。矿物等时线法获得年龄信息。等时线中的所选矿物必须来自同一全岩样品。所得年龄低于全岩等时线中的所选矿物必须来自同一全岩样品。所得年龄低于全岩Rb-SrRb-Sr等等时年龄，代表岩石中矿物的平均结晶年龄。时年龄，代表岩石中矿物的平均结晶年龄。Rb-Sr全岩等时线法主要适用于基性、中性和中酸性岩浆岩形成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。年龄的测定。常取得变质事件的年龄或无意义的年龄信息。常取得变质事件的年龄或无意义的年龄信息。Rb-Sr全岩等时线法很少用于沉积岩的年龄测定。全岩等时线法很少用于沉积岩的年龄测定。Rb-Sr全岩等时线法全岩等时线法第四十九页，讲稿共一百零三页哦2.Sr同位素地球化学同位素地球化学1 1）SrSr同位素与火山岩成因同位素与火山岩成因(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值对示踪物质来源，壳幔物质演化及壳幔相互作用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要意义。等方面具有重要意义。通通过过全全岩岩Rb-SrRb-Sr等等时时线线法法可可获获得得岩岩石石形形成成时时(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0，对对于于单单个个样样品品，若若年年龄龄t t已已知知，实实测测该该样样品品的的8787Sr/Sr/8686Sr Sr 和和8787Rb/Rb/8686SrSr比比值值，下下式式计计算算(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值：比值：(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0=8787Sr/Sr/8686Sr-Sr-8787Rb/Rb/8686Sr(eSr(ett-1)-1)第五十页，讲稿共一百零三页哦目目 前前 公公 认认 的的玄玄 武武 质质 无无 球球 粒粒 陨陨 石石的的(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比比 值值 为为0.698970.00003(Faure,1977)0.698970.00003(Faure,1977)，代代表表地地球球形形成成时时的的初初始始比比值值，以以BABIBABI表示。表示。为为了了确确定定地地壳壳和和地地幔幔两两大大体体系系的的(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比比值值特特征征及及其其演演化化规规律律，Faure（1983)对对确确认认起起源源于于上上地地幔幔源源区区的的现现代代玄玄武武岩岩等等岩岩石石的的8787Sr/Sr/8686SrSr进进行行统统计计研研究究，发发现现它它们们的的8787Sr/Sr/8686SrSr值值变变化化于于0.7020.7060.7020.706之间，其平均值为之间，其平均值为0.7040.704，Rb/Sr=0.027Rb/Sr=0.027。不同区域内的玄武岩不同区域内的玄武岩在锶同位素组成上具有明显的在锶同位素组成上具有明显的不均一性不均一性。例如，。例如，(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0的平均值，洋中脊玄武岩为的平均值，洋中脊玄武岩为0.70280,0.70280,海岛玄武岩为海岛玄武岩为0.703860.70386，岛弧玄武岩为，岛弧玄武岩为0.704370.70437，大陆玄武岩为，大陆玄武岩为0.705770.70577。从大洋到大陆，从大洋到大陆，8787Sr/Sr/8686SrSr同位素比值平均值同位素比值平均值呈递增呈递增趋势。趋势。第五十一页，讲稿共一百零三页哦2 2）SrSr同位素与花岗岩成因同位素与花岗岩成因(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0比值比值除了除了研究成岩和成矿物质来源外，还可用来划分研究成岩和成矿物质来源外，还可用来划分岩石的成因岩石的成因类型。类型。花岗岩的成因类型可划分为花岗岩的成因类型可划分为S S型和型和I I型花岗岩，型花岗岩，S S型花岗岩的型花岗岩的(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0大于大于0.7060.706，而，而I I型花岗岩的型花岗岩的(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0小于小于0.7060.706I I型花岗岩，型花岗岩，由火成岩原岩经部分熔融形成的，由火成岩原岩经部分熔融形成的，Na/Na/K K高高，Al/Al/（Na+K+2Ca)Na+K+2Ca)低，低，CaCa高高。S S型花岗岩，型花岗岩，由沉积岩原岩经部分熔融形成的，由沉积岩原岩经部分熔融形成的，Na/Na/K K低低，Al/Al/（Na+K+2Ca)Na+K+2Ca)高。高。A A型花岗岩，型花岗岩，产于已稳定的褶皱带和地盾内隆起地区与断裂产于已稳定的褶皱带和地盾内隆起地区与断裂有关的碱性花岗岩。有关的碱性花岗岩。第五十二页，讲稿共一百零三页哦1、U-Th-Pb法定年法定年 U U有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：238238U(99.2739%)U(99.2739%)、235235U(0.0057%)U(0.0057%)、234234U(0.0057%)U(0.0057%)，238238U/U/235235U=137.88U=137.88；Th Th只有一个同位素只有一个同位素232232ThTh，属天然放射性同位素，属天然放射性同位素，Pb Pb有四种同位素：有四种同位素：204204PbPb、206206PbPb、207207PbPb、208208PbPb，204204PbPb是非放射成因是非放射成因铅铅，而，而206206PbPb、207207PbPb和和208208PbPb是放射成因铅。是放射成因铅。238238U U、235235U U和和232232ThTh经一系列的衰变形成，反应如下：经一系列的衰变形成，反应如下：238238UU206206Pb+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同位素地球化学同位素地球化学第五十三页，讲稿共一百零三页哦 根据衰变定律，并考虑样品中有初始铅的混入，有以下等式：根据衰变定律，并考虑样品中有初始铅的混入，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/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)联立方程（联立方程（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/(/(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)第五十四页，讲稿共一百零三页哦方程方程(1)(1)、(2)(2)、(3)(3)和和(4)(4)可以得到可以得到4 4个相互独立的年龄个相互独立的年龄t,t,称称表表面年龄。面年龄。如果这些表面年龄相对差异小于如果这些表面年龄相对差异小于10%10%则称为则称为一致年龄一致年龄，它们的平，它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。均年龄值代表矿物的结晶年龄。大部分表现为不一致年龄，且一般为：大部分表现为不一致年龄，且一般为：t t208208tt206206tt207207t 208Pb/204Pb?/SUP 208Pb/204Pb图。图。NDBNDB为北大别变质杂岩（实为北大别变质杂岩（实心方块为花岗质片麻岩类、空心方块为斜长角闪岩）；心方块为花岗质片麻岩类、空心方块为斜长角闪岩）；SDBSDB为南大别变质杂岩（实心三角为超高压片麻岩类，为南大别变质杂岩（实心三角为超高压片麻岩类，空心三角为榴辉岩类）；黑实心圆为大别山白垩纪花岗岩类；有误差棒的大球为大别中生代花岗岩类长空心三角为榴辉岩类）；黑实心圆为大别山白垩纪花岗岩类；有误差棒的大球为大别中生代花岗岩类长石铅同位素组成的平均值（张理刚等，石铅同位素组成的平均值（张理刚等，19951995）第八十六页，讲稿共一百零三页哦第八十七页，讲稿共一百零三页哦AcartoonshowingtectonicframeworkandcrustalstructureoftheDabieMountains第八十八页，讲稿共一百零三页哦第八十九页，讲稿共一百零三页哦第90/共78页第九十页，讲稿共一百零三页哦第九十一页，讲稿共一百零三页哦中生代花岗岩类前中生代花岗岩类中生代花岗岩类前中生代花岗岩类南秦岭与北秦岭花岗岩类南秦岭与北秦岭花岗岩类PbPb同位素组成随时代的变化，反映北秦同位素组成随时代的变化，反映北秦岭中生代花岗岩的岩浆源区来自于南秦岭陆壳块体岭中生代花岗岩的岩浆源区来自于南秦岭陆壳块体A A、B B示南秦岭和北秦岭前中生代花岗岩类示南秦岭和北秦岭前中生代花岗岩类第九十二页，讲稿共一百零三页哦第九十三页，讲稿共一百零三页哦如果如果矿石铅矿石铅与与围岩（沉积岩或火成岩）围岩（沉积岩或火成岩）铅的同位素组成铅的同位素组成相似相似或或模式模式年龄相近年龄相近，对围岩是沉积岩，则矿床可能属于同生沉积矿床，对，对围岩是沉积岩，则矿床可能属于同生沉积矿床，对围围岩是火成岩岩是火成岩，矿床应属岩浆热液成因。，矿床应属岩浆热液成因。如果矿石铅与成矿围岩具有明显如果矿石铅与成矿围岩具有明显不同的铅同位素组成不同的铅同位素组成，则矿质来源，则矿质来源与围岩无关，而是与围岩无关，而是由成矿热液从其它源区搬运而来由成矿热液从其它源区搬运而来。对成矿物质多来源的矿床，其矿石铅的同位素组成应是各种来对成矿物质多来源的矿床，其矿石铅的同位素组成应是各种来源物质的混合，对此可进行两端元或多端元的混合模式计算，确源物质的混合，对此可进行两端元或多端元的混合模式计算，确定各组成端元的混合比例。定各组成端元的混合比例。5 5）铅同位素对矿床成因和成矿物质来源有重）铅同位素对矿床成因和成矿物质来源有重要指示作用要指示作用第九十四页，讲稿共一百零三页哦有兴趣的同学，自己看。(六)Sm-Nd法定年及法定年及Nd同位素地球化学同位素地球化学K-Ar法法第九十五页，讲稿共一百零三页哦(七七)1414C C法法年轻地质体系同位素年代测定年轻地质体系同位素年代测定1414N+n N+n 1414C+C+1 1H H新新产产生生的的1414C C在在大大气气层层中中很很快快被被氧氧化化成成1414COCO2 2，并并与与大大气气层层的的COCO2 2混混合合并并扩散，使水圈及生物圈中都存在着宇宙辐射成因的扩散，使水圈及生物圈中都存在着宇宙辐射成因的1414C C。1414C C的的产产生生速速率率主主要要取取决决于于宇宇宙宙射射线线产产生生的的中中子子数数量量，即即宇宇宙宙的的辐辐射射强强度。可以认为度。可以认为1414C C产生的速率大体上是一个常数。产生的速率大体上是一个常数。1414C C通通过过衰衰变变反反应应消消耗耗，两两者者达达到到平平衡衡。这这种种平平衡衡过过程程是是相相当当快快的的，当当生生物物死死亡亡后后，碳碳的的交交换换循循环环作作用用就就停停止止，有有机机体体内内保保存存的的1414C C将随时间逐渐衰亡而减少。将随时间逐渐衰亡而减少。第九十六页，讲稿共一百零三页哦1414C C 1414N+N+根据放射性衰变定律：根据放射性衰变定律：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为有机死亡后经历的时间；为有机死亡后经历的时间；A A0 0为有机物活着时的为有机物活着时的1414C C比度（比度（13.560.007 dpm/g,13.560.007 dpm/g,每克碳中每每克碳中每分钟分钟1414C C衰变的次数）衰变的次数）A A为样品现今的放射性比度；为样品现今的放射性比度；为为1414C C的衰变常数（的衰变常数（1/82671/8267年年-1-1）第九十七页，讲稿共一百零三页哦什么是裂变径迹？什么是裂变径迹？放射性元素的核裂变碎片在矿物晶格内放射性元素的核裂变碎片在矿物晶格内产生的狭窄痕迹称为裂变径迹产生的狭窄痕迹称为裂变径迹形成机制：离子爆炸尖峰脉冲模型形成机制：离子爆炸尖峰脉冲模型（Fleischeretal.,1965)长度长度10m左右，经氰氟酸蚀刻其直径可左右，经氰氟酸蚀刻其直径可以扩大以扩大12倍倍（八）裂变径迹法（八）裂变径迹法年轻地质体系同位素年代测定年轻地质体系同位素年代测定第九十八页，讲稿共一百零三页哦裂变径迹分为两类：裂变径迹分为两类：（1 1）自自发发裂裂变变径径迹迹矿矿物物中中的的铀铀，在在其其存存在在的的历历史史过过程程中中，会会自自发地产生裂变，裂变碎片所造成的损伤区。发地产生裂变，裂变碎片所造成的损伤区。（2 2）诱发裂变径诱发裂变径迹迹样品送反应堆照射，吸收中子后，其中样品送反应堆照射，吸收中子后，其中235235U U产生产生裂变，裂变碎片所造成的损伤区。裂变，裂变碎片所造成的损伤区。裂变径迹测定矿物：裂变径迹测定矿物：锆石、榍石、磷灰石、锆石、榍石、磷灰石、火山波璃火山波璃所测年龄范围：所测年龄范围：0.1100Ma以上以上第九十九页，讲稿共一百零三页哦裂变径迹形成机制示意图裂变径迹形成机制示意图（Fleischerer et al.,Fleischerer et al.,19651965）离子爆炸尖峰脉冲）离子爆炸尖峰脉冲模型模型第一百页，讲稿共一百零三页哦蚀刻径迹发育过程（蚀刻径迹发育过程（Fleischereretal.,1965）第一百零一页，讲稿共一百零三页哦定年公式定年公式式中式中I238U与与235U的丰度比（的丰度比（137.88）q热中子剂量热中子剂量235U的热中子诱发裂变截面的热中子诱发裂变截面f、分别为自发裂变和总裂变常数分别为自发裂变和总裂变常数s、i_自自发发（诱发诱发）径迹密度）径迹密度，第一百零二页，讲稿共一百零三页哦感感谢谢大大家家观观看看第一百零三页，讲稿共一百零三页哦