同位素地质学2013-本科教学.ppt

同位素地质学同位素地质学潘家永潘家永20132013年年2 2月月 讲课内容讲课内容 绪绪 论：论：同位素地质学发展历史同位素地质学发展历史 第一部分：第一部分：稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学 第二部分：第二部分：同位素地质年代学同位素地质年代学教材与主要参考书教材与主要参考书p教材：同位素地质学教程，沈渭洲编，原子能出版社，1997p主要参考书：地球化学陈骏等编，科学出版社，2005稳定同位素地球化学郑永飞，科学出版社.2002StableIsotopeGeochemistry.HoefsJ.2004考核方法考核方法p平时成绩：30%p考试：70%0 绪论绪论l定义和研究内容l发展简史l国内研究概况l定义和研究内容地球化学是研究自然界，主要是地球及其各组成部分的化学演化及其机理的科学。三个主干分枝：三个主干分枝：元素地球化学元素地球化学同位素地球化学实验地球化学研究内容：稳定同位素地球化学；同位素地质年代学l发展简史奠基阶段：20世纪初30年代理论和学科发展阶段：3070年代深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来l奠基阶段：20世纪初30年代F 稳定同位素首先Thomson(1913)发现（氖元素的同位素），随后Aston发现了202种同位素。F 地质年代学建立在Becquerel(1886)发现放射性和居里夫妇(1898)证实放射性衰变规律的基础上，Soddy(1910)首先提出同位素的概念l理论和学科发展阶段：3070年代稳定同位素的分馏机制与应用研究，在这方面做出突出贡献的科学家有:Urey(1947)、Taylor(1967,1968)、Hoefs（1970）、Ohmoto(1972)同位素地质年代学定年体系的研究与应用。在这方面做出突出贡献的科学家有:Holmes(1932)、Doe&Zartman(1979)、Faure(1972)l深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来新的仪器测试技术使得能高精度地测试越来越多的同位素向各个相关领域快速扩散，应用越来越广l深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来空间空间上天：宇宙化学、行星对比、地球及太阳系的成引演化；入地：地球深部研究，包括地幔组成和岩石圈演化；下海：海洋地球化学及其元素与大气圈、岩石圈和生物圈之间的交换、循环和通量。时间时间与地球形成和早期演化以及生命起源有关的地球化学；与评价和预测现代环境演化有关的环境地球化学和第四纪地球化学研究。l国内研究概况著名学者研究机构l著名学者李璞（1911-1968）：1950年获剑桥大学博士学位，1958-1962年建立我国第一个同位素地球化学实验室，并完成第一批同位素年龄数据。候德封（1900-1980）：提出地层地球化学、化学地史、化学地理的概念，创立了“核子地质学”l著名学者涂光炽（1920-2007）1949年获得明尼苏达大学博士学位在中国最早讲授地球化学课程曾任中国科学院地质研究所和地球化学研究所所长司幼东（1920-1968）中国实验地球化学的奠基人，指导和建立了中国第一个成矿实验室，进行了Sn、Nb、Ta等配合物的成矿实验，提出酸碱分离与成矿作用的关系l著名学者张本仁（中国科学院院士）：区域地球化学淤崇文（中国科学院院士）：地球化学动力学付家漠（中国科学院院士）：有机地球化学欧阳自远（中国科学院院士）：天体化学l年轻学者郑永飞（中国科学院院士）氧同位素地球化学蒋少涌B、Si同位素地球化学李献华同位素地质年代学朱详坤过渡元素同位素l研究机构l中国科学院地球化学研究所l中国科学院广州地球化学研究所l中国科学院地质与地球物理研究所l中国地质科学院同位素重点实验室l南京大学l北京大学l东华理工大学第一部分第一部分 稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学1.几个基本概念2.稳定同位素的分析方法3.稳定同位素的应用1.几个基本概念几个基本概念1.1 同位素的定义1.2 同位素的分馏效应1.3 同位素值的表示方法1.4 同位素标准物质 同位素定义：同位素定义：核内质子数相同而中子数不同的同一类原子。同位素的分类：同位素的分类：(1)放射性同位素：原子核不稳定，能自发进行放射性衰变或核裂变，而转变为其它一类核素的同位素称为放射性同位素。(2)稳定同位素：原子核稳定，其本身不会自发进行放射性衰变或核裂变的同位素。1.1 同位素的定义同位素的定义1.2 同位素的分馏效应同位素的分馏效应同位素分馏定义：同位素分馏定义：同位素以不同比例分配于不同物质或物相的现象。分馏系数:x-y=RX/RYp热力学平衡分馏：不同物质或物相间的同位素比值达到恒定不变时，即达到了同位素平衡状态，这种状态的分馏称为同位素平衡分馏。p动力学非平衡分馏：某些特定的物理、化学、生物化学反应会产生偏离平衡分馏的现象。p非质量相关分馏：不服从质量相关分馏的同位素分布称为非质量相关分馏。1.3 同位素值的表示方法同位素值的表示方法同位素比值同位素比值：如13C/12C；18O/16O等。值：值：样品的同位素比值相对于标准样品同位素比值的千分偏差（）=（R样/R标）-1）1000R样：样品的同位素比值R标：标准样品的同位素比值0表明样品较标准样品含重同位素0表明样品较标准样品含轻同位素=0表明样品与标准样品同位素比值一致1.4 同位素标准物质同位素标准物质标准物质特征标准物质特征：稳定、量大、易得、有代表性。标准级别标准级别：国际标准；国家标准；实验室标准。常用标准：常用标准：SMOW；PDB；CDTSMOW：StandardMeanOceanWaterPDB：PeeDeeBeleminiteCDT：CanyonDiabloTroilite2.稳定同位素分析测试方法稳定同位素分析测试方法2.1 样品预处理方法2.2 同位素质谱测定方法2.1 样品预处理方法样品预处理方法p 氢：U（Zn）还原法p 氧：H2O：CO2-H2O平衡法 碳酸盐：磷酸法 硅酸盐：BrF5法2.1 样品预处理方法样品预处理方法p碳：碳酸盐：磷酸法 有机碳：氧化法（燃烧法）p硫：硫化物：氧化法（燃烧法）硫酸盐：先转换为硫化物2.2 质谱测试方法质谱测试方法-原理原理离子源离子源信号接收器信号接收器扇型磁场2.2 质谱测试方法质谱测试方法-连续流进样系统连续流进样系统3.稳定同位素的应用稳定同位素的应用3.1 同位素地质温度计3.2 氢、氧同位素3.3 碳同位素3.4 硫同位素3.5 氮同位素3.6 硅同位素3.1 同位素地质温度计同位素地质温度计p 基本原理p 氧同位素地质温度计 外部测温法 内部测温法p 硫同位素p 碳同位素p 氢同位素3.2 氢、氧同位素应用氢、氧同位素应用p 基本特征p 示踪流体来源 成矿流体来源 现代水的来源p 古环境与古气候p 商品的示踪n 示踪流体来源-成矿流体n 示踪流体来源-成矿流体水岩反应公式：Wi水+Ri岩石=Wf水+Rf岩石Df水=f(Di岩石,Di水,W/R,T)18Of水=f(Oi岩石,Oi水,W/R,T)n 示踪流体来源-成矿流体同位素找矿同位素找矿-卡林型金矿卡林型金矿同位素找矿同位素找矿-VMS型矿床型矿床同位素找矿同位素找矿-石英脉型石英脉型Au矿床矿床 1-蚀变带；2金-锑矿体；3-氧同位素组成n 示踪流体来源-大气降水纬度效应纬度效应OCEANCONTINENT D=0 -94 Vapor-110 Vapor-126 Vapor-14 Rain-30 Rain 纬度效应纬度效应 海拔高度效应：海拔高度效应：高度上升，则大气降水的D和18O值减少。一般对于D值，每升高100m，降低1.24；对于18O值，每升高100m，降低0.150.5。离岸远近离岸远近：越向内陆，大气降水的D和18O值越降低。季节效应季节效应：在冬季或干季，大气降水的D和18O值减少；在夏季或雨季，D和18O值增加。大气降水线方程大气降水线方程D=818O+10n 示踪流体来源-海水影响海水影响海水H,O同位素组成的因素：同位素组成的因素：（1 1）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的）海水表层的蒸发和扩散。海水表层的D D 和和1818O O值一般大于零。值一般大于零。（2 2）两极的深海水流。）两极的深海水流。（3 3）海洋总体）海洋总体DD和和1818O O值受冰川作用影响。值受冰川作用影响。（4 4）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响。）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响。（5 5）近岸大陆河水的影响。）近岸大陆河水的影响。（6 6）降雨量的大小，对表层海水有影响）降雨量的大小，对表层海水有影响。3.2 氢、氧同位素应用氢、氧同位素应用p示踪现代水的来源 地表水 地下水 植物根系水3.2 氢、氧同位素应用氢、氧同位素应用p古环境与古气候 古海水温度 古气候变化 古海水温度通过同位素分馏程度（）与温度（T）的公式，可以推导出海水中沉积的碳酸盐的18O碳酸盐与海水温度（T）之间关系的公式：lna碳酸盐-海水=（b/T+c）103这样，通过测定海洋碳酸盐的18O值，可以确定海洋碳酸盐矿物形成时的海水温度。古海水温度-代表生物沉积文石.代表生物沉积碳酸盐代表无机沉积方解石 古海水温度-代表生物沉积文石.代表生物沉积碳酸盐代表无机沉积方解石目前使用比较多的是由Epsteinetal.(1953)得出，后经Craig(1965)修改的经验公式，该公式适用于软体动物和沉积碳酸盐：t=16.9-4.2(C-W)+0.13(CW)2其中，C为碳酸盐与100%磷酸时反应生成的CO2的18O值(PDB)，W为25时与海水平衡的CO2的18O值(PDB)。古气候变化T(）10.513+0.153D树轮氢同位素Year实测温度模拟温度 石笋的碳氧同位素研究最可信的关于更新世末和全新世大气最可信的关于更新世末和全新世大气COCO2 2含含量和量和 1313CC值信息可以通过对高纬度冰芯捕获的值信息可以通过对高纬度冰芯捕获的气泡直接测定得到。气泡直接测定得到。苏联南极东方站钻孔冰芯长苏联南极东方站钻孔冰芯长22002200米，跨时从米，跨时从距今距今1616万年前到现在。取冰芯中的气泡，测量万年前到现在。取冰芯中的气泡，测量得到过去大气得到过去大气COCO2 2的含量有大的变化。在过去的含量有大的变化。在过去1515万年间，大气万年间，大气COCO2 2含量波动大约在含量波动大约在200ppm200ppm和和300ppm300ppm之间。之间。冰芯碳氧同位素研究3.2 氢、氧同位素应用氢、氧同位素应用p 商品的示踪 酒 饮料 咖啡豆 毒品不同地区蜂蜜的H、O同位素组成D and 13C of Coffee Beans D and 15N of Coffee Beans 2H of Ethanol3.2 碳同位素应用碳同位素应用p 基本特征p 示踪碳的来源 矿化剂来源 CO2的来源p 古环境与古气候p 商品的示踪europeandietCAMplantsmarinecarbonatesC3plantsd13C(,V-PDB)northamericandietterrestrialcarbonatesatmosphericCO2atmosphericCH4C4plantsPDB-50-40-30-20-100petroleum(marinesourcerock)IsotopeVariationinNatureCarbonIsotope Variation in NatureCarbon Stable carbon isotope ratios of major components of terrestrial Stable carbon isotope ratios of major components of terrestrial ecosystemsecosystemsCarbonModel of carbon isotope variation in diet and the fractionation of carbonbetween diet and different tissues in mammalian herbivores.最主要的碳库交换发生在：最主要的碳库交换发生在：a.大气/海洋CO2（这是最主要的交换反应，可逆过程）b.大气/陆上植物(光合作用)（不可逆过程）c.海洋生物的光合作用(它虽不是直接与大气CO2作用，但最终对大气CO2的13C值有影响，不可逆过程）3.2 碳同位素应用碳同位素应用p示踪碳的来源 矿化剂来源 CO2的来源p 古环境与古气候p 商品的示踪古环境与生物灭绝事件(Charles,Nature,1998)碳同位素与生物产率海洋中碳库有机碳无机碳13C为0左右13C低于-15碳同位素负漂移碳同位素负漂移 C13CCO213COrgan =(C)0+J(O2/38-1)S34Ssulfate34Ssulfite =(S)0(O2/38)同位素探讨古代大气氧含量同位素探讨古代大气氧含量(Berner et al.,Science,2001)温室效应：温室效应：温室效应：温室效应：太阳光一般可以通过大气圈到达地面，太阳光一般可以通过大气圈到达地面，太阳光一般可以通过大气圈到达地面，太阳光一般可以通过大气圈到达地面，太阳光到达地面以后大部分被地表和植物所吸收，它太阳光到达地面以后大部分被地表和植物所吸收，它太阳光到达地面以后大部分被地表和植物所吸收，它太阳光到达地面以后大部分被地表和植物所吸收，它们转而辐射热，通过不可见的红外辐射。红外辐射一们转而辐射热，通过不可见的红外辐射。红外辐射一们转而辐射热，通过不可见的红外辐射。红外辐射一们转而辐射热，通过不可见的红外辐射。红外辐射一般不容易穿过大气层，因而大气圈隔绝了地表热空气般不容易穿过大气层，因而大气圈隔绝了地表热空气般不容易穿过大气层，因而大气圈隔绝了地表热空气般不容易穿过大气层，因而大气圈隔绝了地表热空气与外层空间的热传递，使得地表变的温暖起来。与外层空间的热传递，使得地表变的温暖起来。与外层空间的热传递，使得地表变的温暖起来。与外层空间的热传递，使得地表变的温暖起来。占大占大气含量气含量99%以上的是以上的是N,O和惰性气体。温室效应的气体和惰性气体。温室效应的气体都不是大气的主要成分，它们主要是都不是大气的主要成分，它们主要是CO2，CH4，N2O和氯氟碳化合物。它们在现代大气中的含量如下：和氯氟碳化合物。它们在现代大气中的含量如下：CO2-350 ppm CH4-1700 ppb N2O-310 ppb 氯氟碳化合物氯氟碳化合物-3 ppb 温室效应的研究温室效应的研究自1978年以来，在一些空气比较干净的地区连续对大气进行了测量。这些测量显示，大气CO2含量平均年增长率为1.5ppm/a，主要是每年燃烧掉平均13C值为-27的化石燃料1015g，使得大气13C/12C比值下降。全球观测通过比较现代与过去有孔虫的平均碳同位素组成，研究结果表明，在表层海水溶解的碳酸氢根的13C/12C比在减少，这是由于人类原因引起了大气12CO2含量增加。化石碳氧同位素研究通过分析树轮可以推断大气CO213C的短期波动。研究表明，在过去20年中，13C值下降了1.5。树轮碳、氢同位素研究T（）10.513+0.153D树轮氢同位素AveragetemperatureinWinter(）Year实测温度模拟温度Edmund et al.,1999最可信的关于更新世末和全新世大气最可信的关于更新世末和全新世大气COCO2 2含含量和量和 1313CC值信息可以通过对高纬度冰芯捕获值信息可以通过对高纬度冰芯捕获的气泡直接测定得到。的气泡直接测定得到。苏联南极东方站钻孔冰芯长苏联南极东方站钻孔冰芯长22002200米，跨时米，跨时从距今从距今1616万年前到现在。取冰芯中的气泡，万年前到现在。取冰芯中的气泡，测量得到过去大气测量得到过去大气COCO2 2的含量有大的变化。在的含量有大的变化。在过去过去1515万年间，大气万年间，大气COCO2 2含量波动大约在含量波动大约在200200ppmppm和和300ppm300ppm之间。之间。冰芯碳氧同位素研究 石笋的碳氧同位素研究1988年美国国家宇航局的Hansen等人测定了自1860-1988年温度记录，表明在128年间全球平均温度升高了0.5C0.7C，特别是1978年到1988年的十年中升高最多。八十年代是自有记录以来最暖和的十年，九十年代又比八十年代升温更快，这是否是温室效应的信号？研究结果表明3.2 硫同位素应用硫同位素应用p示踪硫的来源 矿化剂来源 古环境 现代环境 自然界稳定的自然界稳定的硫同位素有硫同位素有4种：种：32S和和33S、34S和和36S，丰度分别，丰度分别为为95.02%,0.75%,4.21%和和0.02%海水硫酸盐大陆风化火山硫地幔硫蒸发沉淀成硫酸盐细菌还原成硫化物 -作为示踪剂判断硫的来源作为示踪剂判断硫的来源 -判断岩石、矿物、矿床形成的温度判断岩石、矿物、矿床形成的温度 -示踪古环境的变化示踪古环境的变化 C13CCO213COrgan =(C)0+J(O2/38-1)S34Ssulfate34Ssulfite =(S)0(O2/38)酸雨的来源研究 酸雨是指酸雨是指pH值小于值小于5.6的雨水、冻的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水。雨、雪、雹、露等大气降水。酸雨给地球生态环境和人类社会酸雨给地球生态环境和人类社会经济带来严重的影响和破坏。研究表经济带来严重的影响和破坏。研究表明，酸雨对土壤、水体、森林、建筑、明，酸雨对土壤、水体、森林、建筑、名胜古迹等人文景观均带来严重危害，名胜古迹等人文景观均带来严重危害，不仅造成重大经济损失，更危及人类不仅造成重大经济损失，更危及人类生存和发展。生存和发展。一、N 同位素变化范围2.3稳定同位素的应用-N同位素 14N99.64；15N0.36 15N：-50+501.生物氮循环：固氮过程：N2+3H2O2NH3+3/2O2硝化过程：有机NNH4NO2NO3脱氮过程：硝酸盐N22.平衡分馏：NONH3N2N2ONO2,15N依次富集3.其他物理化学效应：如扩散过程与挥发过程中氮同位素分馏二、国内外二、国内外N同位素研究进展同位素研究进展1997-2009Elsevier数据库有关氮同位素文章310篇：1.分析方法与质谱测定有20篇2.研究陨石与天体方面的有21篇3.研究岩浆作用与变质作用的有9篇4.研究沉积物（主要现在沉积物）有60篇5.研究有机物及生物体的有121篇6.研究水的（海水、湖泊水、地下水及污水）39篇7.研究气体（大气、天然气等）有13篇8.其他37篇1989-2009VIP数据库有关氮同位素文章只有16篇：1.综述性文章（研究进展）及翻译的文章有10篇2.研究土壤与化肥中的氮同位素有3篇3.研究花岗岩有1篇：张成君等，中国东北地区中新生代岩浆岩中氮及其同位素组成，地质论评，2002（兰州大学）4.研究沉积物有1篇：陈传平等，中国不同沉积环境的氮同位素特征，石油与天然气地质，2001（江汉石油学院）5.研究水的有1篇：杨素更，地下水中硝酸盐氮同位素组成测定方法，地质实验室，1996（地科院水文所）第二部分第二部分 同位素地质年代学同位素地质年代学1.基本原理2.放射性同位素的分析方法3.放射性同位素的应用1.基本原理基本原理1.1 衰变方式1.2 衰变定律1.1 衰变方式衰变方式放射性衰变：放射性衰变：不稳定的原子会自发地发射出粒子和能量而转变为另一种原子，这一过程称为放射性衰变，发射出粒子和能量的现象即所谓放射性。1.1 衰变方式衰变方式 -衰变衰变 一部分不稳定原子衰变发射出带负电的粒子和中微子以及往往伴随以射线为形式的辐射能。-衰变可以看作是一个中子转变为一个质子和一个电子，该电子被驱逐出来就是-粒子。衰变的结果，原子序数增加了1，中子数减少了1，但质量数不变。例如：K1940 Ca2040+-+Q 式中为反中微子，Q代表衰变能。1.1 衰变方式衰变方式 +衰变衰变 另一部分放射性原子衰变放射出带正电的电子(Positron)。这种衰变可看作一个质子转变为一个中子、一个正电子和一个中微子。正电子发射出来就是+，衰变结果，原子序数减少1，中子数增加1，质量数不变。例如：F918 O818+Q 式中为中微子，Q代表衰变能。1.1 衰变方式衰变方式电子捕获衰变电子捕获衰变 使原子核质子数减少，中子数增加的另一种衰变机制是捕获一个核外电子。由于K层电子最靠近原子核，其被捕获的可能性最大；但其它层上的电子也可以被捕获。原子核捕获电子后，释放出一个中微子。因此这种衰变可以看作是核外电子与质子作用形成一个中子和一个中微子，质量数不变1.1 衰变方式衰变方式 由于-、+和电子捕获衰变的结果是质量数不变，故衰变子体与母体是同量异位素，故又统称为同量异位衰变同量异位衰变。一些放射性原子可部分地衰变为一种原子，同时部分地衰变为另一种原子，例如40K部分以发射+和电子捕获衰变为40Ar、部分以发射-衰变为40Ca。这种一种放射性原子同时衰变为不同稳定子体原子的衰变称为分枝衰变方式分枝衰变方式。1.1 衰变方式衰变方式 由于-、+和电子捕获衰变的结果是质量数不变，故衰变子体与母体是同量异位素，故又统称为同量异位衰变同量异位衰变。一些放射性原子可部分地衰变为一种原子，同时部分地衰变为另一种原子，例如40K部分以发射+和电子捕获衰变为40Ar、部分以发射-衰变为40Ca。这种一种放射性原子同时衰变为不同稳定子体原子的衰变称为分枝衰变方式分枝衰变方式。1.1 衰变方式衰变方式 衰变衰变 一大部分放射性原子衰变发射出粒子，这种衰变发生在原子序数等于或大于58(Ce)的核素和少数几个原子序数小的核素，包括He、Li和Be。粒子由2个质子和2个中子组成，带正电荷2。衰变子体相对于母体来说，质子数和中子数各减少2，同时质量数减少4。因此，衰变子体与母体不是同量异位素。例如：U92238 Th90234+He()Q1.1 衰变方式衰变方式 核裂变核裂变 用中子、质子、氘、粒子、射线、乃至X射线轰击U和Th的同位素(92235U、9292238238U、9090232232Th)，可以引发这些同位素的裂变，许多其它重元素原子也能通过高能量的(50450MeV)原子核粒子轰击而诱发裂变。重核素(如92235U)诱发裂变产生的两种核素，其原子序数介于30到65之间，并伴随发射出粒子、中子和大量的能量(约200MeV)。裂变释放的中子有可能促使其它的92235U发生裂变，建立起裂变链。当可裂变的核素的浓度足够高时，可以导致象超新星或原子弹那样的热核爆炸。1.1 衰变方式衰变方式 裂变产生的两种子体的原子序数往往是不相等的，并且它们往往具有多余的中子，因而它们也是放射性的，会发射出一系列的-粒子而最终衰变为裂变子体的稳定的同量异位素。92235U裂变子体之一5454144144Xe的-衰变如下：54144Xe55144Cs56144Ba57144La58144Ce59144Pr60144Nd1.1 衰变方式衰变方式 此外，已发现20种以上的重核素能发生自发裂变，但自发裂变的频率较其它衰变的频率小，例如238U的自发裂变频率比其衰变频率小2106倍。但自发裂变是实验室合成的超铀元素衰变的主要方式。1.1 衰变方式衰变方式自裂变反应能够发生的第一个条件就是，铀矿矿脉的大小必须超过诱发裂变的中子在矿石中穿行的平均距离，也就是0.67米左右 第二个必要条件是，铀235必须足够丰富。第三个重要因素是，必须存在某种中子“慢化剂”(moderator)1.1 衰变方式衰变方式加蓬奥克罗矿区1.2 衰变定律衰变定律放射性母体衰变为稳定子体放射性母体衰变为稳定子体 放射性母体核素衰变为稳定子体核素的衰变速率，在任何时候（t）都与放射性原子数目（N）成正比（RutherfordandSoddy，1902）：dN/dt=N 式中为衰变比例常数，简称衰变常数，dN/dt是任一时刻（t）时的衰变速率。积分得：N NN N0 0e e-t越小，表示母体所能经历衰变的时间越长。放射性母体原子数衰变掉一半所经历的时间称作半衰期(T1/2)，用N=N0/2代入上式得：T1/2=ln2/放射成因子体原子的数目(D*），应等于衰变掉的放射性母体原子数目：D*N0N或 D*N0(1e t)或：D*N(e t1)如果一体系中，t=0时的子体原子数为D0，则该体系子体原子总数为：DD0D*D0N(e t1)该方程是同位素地质学的基础。若t0时体系中初始的子体原子数D0已知，则通过测定体系中目前的放射性母体的原子数和子体的原子总数，由上式可求得体系封闭以来所经历的时间t：t=1/ln(D-D0)/N+1衰变系列衰变系列 一些放射性母体(如238U等)的直接衰变子体仍是放射性的，该放射性子体的衰变速率是其从母体衰变而来的产率与其自身衰变速率的差：dN2/dt=N1 1-N2 2 式中N1和1是母体原子数目和衰变常数，N2和2是子体原子数目和衰变常数D D*N N1,1,初始初始N N1 1N N1 1e e 1t1tN N1 1N N(e(e 1t1t1)1)这意味着，长期平衡下积累起来的放射成因子体的数目可以当作初始母体直接衰变为稳定子体来对待。第二部分第二部分 同位素地质年代学同位素地质年代学1.基本原理2.放射性同位素的分析方法3.放射性同位素的应用2.放射性同位素的分析方法2.1 化学分离 酸溶 离子交换2.2 质谱测试r2=m.2V/eH2 表面热电离同位素质谱仪（TIMS）离子源系统去水装置去水装置21 samples magazineion sourcecryo pump灯丝灯丝质量分析系统focuslensr2=m.2V/eH2信号接收器Ions第二部分第二部分 同位素地质年代学同位素地质年代学1.基本原理2.放射性同位素的分析方法3.放射性同位素的应用3 同位素地质年代学应用同位素地质年代学应用3.1 Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法法3.2K-Ar法与Ar-Ar法3.3U-Th-Pb法3.414C法（1）Rb和Sr的地球化学 Rb是碱金属元素，也是分散元素，它不形成独立的矿物，但在一般含K矿物如云母、钾长石及某些粘土矿物和蒸发盐中存在。Rb有27个同位素，其中两个是天然存在的同位素87Rb和85Rb，其现代同位素丰度分别为72.1654%和27.8346%。87Rb87Sr-Q其半衰期为4.881010aRb-Sr法法Sr也是碱金属元素，也是一个分散元素，常出现在含Ca的矿物中，如斜长石、磷灰石和碳酸钙矿物。但Sr还可以以少数独立矿物（菱锶矿和天青石）出现。Sr有23个同位素，其中4个天然存在的同位素为：88Sr、87Sr、86Sr和84Sr，它们都是稳定同位素，其同位素平均丰度分别为82.53%、7.04%、9.87%和0.56%（Faure,1986）。由于87Rb衰变形成87Sr，故Sr同位素丰度是变化的。pRbSr定年基础 87Sr=87Sri+87Rb(e t1)87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr)i+87Rb/86Sr(e t1)87Sr为矿物中现今的87Sr的原子数总量，87Sri为矿物中87Sr的初始原子数值，衰变常数 1.4210-11a-1，t为矿物形成以来所经历的时间t=1/ln(87Sr/86Sr-87Sri/86Sr i)/87Rb/86Sr+1要通过上述方程解出t而获得矿物的年龄，必须测定矿物的87Sr/86Sr比值和Rb、Sr含量、及已知Sr同位素初始比值(87Sr/86Sr)i。87Sr/86Sr比值可通过将矿物用酸溶解并用阳离子交换色谱法分离和提纯出Sr盐在质谱仪上直接测定；Rb、Sr含量通常可以用x-射线荧光法或同位素稀释法测定。必须把测得的RbSr含量比值按下式转化为87Rb86Sr同位素原子数比值：87Rb86Sr=(RbSr).(ARb87.WSr)/(ASr87.WRb)ARb87、ASr87分别为87Rb、86Sr的同位素丰度，WRb、WSr分别为Rb、Sr的原子量 值得注意的是，矿物的86Sr丰度和Sr原子量与87Sr丰度有关，由于不同矿物的Rb含量不同导致87Sr丰度不同，因此对每一个矿物，都要计算86Sr丰度和Sr原子量。同位素丰度和Sr原子量可按以下计算：样品同位素比值同位素丰度已知同位素质量丰度质量87/88=0.0846587Sr：0.06991287Sr：86.90886.07600886/88=0.1194086Sr：0.09861286Sr：85.90928.47172084/88=0.0067584Sr：0.00557584Sr：83.91340.46780388/88=1.0000088Sr：0.82590088Sr：87.905672.60126总和：1.2108总和：1.0总和：87.61679nRbSr等时线定年截距:(87Sr/86Sr)i斜率:（et-1）0.00.51.01.52.02.53.00.7060.7080.710t0t=087Sr/86Sr87Rb/86SrnRbSr法定年法定年的应用的应用 陨石 中酸性岩浆岩 中高级变质岩 海绿石等自生矿物的年龄，海绿石形成于沉积环境，因而可能代表沉积年龄 测定成矿成岩流体的年龄（1）Sm和Nd的地球化学 Sm和Nd是稀土元素，存在于许多造岩矿物中，如硅酸盐、磷酸盐和碳酸盐矿物中。Sm的一个同位素（147Sm）是放射性的，它通过发射粒子而衰变为稳定的143Nd，虽然147Sm的半衰期很长（T1/2=1.061011年），但对地球岩石、石陨石和月岩的定年很有用。而且放射成因的143Nd和87Sr一起提供了了解行星演化和火成岩石成因的新方法。Sm-Nd法法Sm有26个同位素，其中7个天然存在的同位素的丰度如下：144Sm3.1%、147Sm15%、148Sm11.3%、149Sm13.8%、150Sm7.4%、152Sm26.7%、154Sm22.7%，其中147Sm是放射性的，其余是稳定的；Nd也有26个同位素，其中7个天然存在的稳定同位素的丰度如下：142Nd27.13%、143Nd12.18%、144Nd23.80%、145Nd8.3%、146Nd17.19%、148Nd5.76%、142Nd5.64%。Sm-Nd之间有两对母-子体同位素，即147Sm衰变为143Nd，以及146Sm衰变为142Nd。146Sm的半衰期较短，现已衰变完了，146Sm本身是由150Gd衰变而来.SmNd定定年基础年基础 143Nd=143Nd i+147Sm(e t1)143Nd/146Nd=(143Nd/146Nd)I+147Sm/146Nd(e t1)143Nd为矿物中现今的143Nd的原子数总量，143Ndi为矿物中143Nd的初始原子数值，衰变常数 6.5410-12a-1，t为矿物形成以来所经历的时间t=1/ln(143Nd/146Nd-143Nd/146Nd i)/147Sm/146Nd+1nSmNd法定年法定年的应用的应用 SmNd法适合于基性、超基性火成岩的定年 147Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武系的定年。测定金属矿物的年龄（1）Re和和Os的地球化学的地球化学 ReRe属于属于VIIBVIIB族元素，族元素，ReRe的地球化学性的地球化学性质更接近于质更接近于MoMo。ReRe是分散元素，在辉钼是分散元素，在辉钼矿中含量最高（变化于几矿中含量最高（变化于几ppm至至n%）。）。Os Os在周期表中位于在周期表中位于VIIBVIIB族，是族，是PtPt族族元素，在含元素，在含CuCu、NiNi硫化物的超基性岩和硫化物的超基性岩和辉长岩、以及碲化物、硒化物、砷化物辉长岩、以及碲化物、硒化物、砷化物和锑化物中含量较高。和锑化物中含量较高。Re-Os法法Re有29个同位素，但只有2个天然存在的同位素，即稳定的185Re和放射性的187Re，其丰度分别为37.398%和62.602%。187Re通过衰变成为187Os：Re75187 Os76187+-Q,=（1.640.05)10-11a-1Os有34个同位素，其中有7个天然出现的稳定同位素。LuckandAllegre(1983)报道了(NH4)2OsCl6的Os同位素丰度：184Os0.023%、186Os1.600%、187Os1.510%、188Os13.286%、189Os16.251%、190Os26.369%、192Os40.957%ReOs定年基础 187Os=187Os i+187Re(e t1)187Os/186Os=(187Os/186Os)i+187Re/186Os(e t1)187Os为矿物中现今的187Os的原子数总量，187Os i为矿物中187Os i的初始原子数值，衰变常数（1.640.05)10-11a-1，t为矿物形成以来所经历的时间t=1/ln(187Os/186Os-187Os/186Os i)/187Re/186Os+1ReOs法定年法定年的应用的应用 用用Re-OsRe-Os等时线法对铁陨石进等时线法对铁陨石进行定年行定年 辉钼矿具有非常高的辉钼矿具有非常高的Re/OsRe/Os比比值，特别适合于值，特别适合于Re-OsRe-Os定年定年 Re-OsRe-Os等时线法应用于黑色页等时线法应用于黑色页岩的定年岩的定年 3 同位素地质年代学应用同位素地质年代学应用3.1Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法3.2 K-Ar法与法与Ar-Ar法法3.3U-Th-Pb法3.414C法K和Ar的地球化学 K是IA族碱金属元素，是地壳中8种最丰富的元素之一，是许多造岩矿物（如：云母、钾长石、粘土矿物）的主要成分。K有18个同位素，其中3个天然出现的同位素及其丰度是：39K93.2581%、40K 0.01167%、41K6.7302%，由此计算得原子量为39.0983（Garner et al.,1975）。Ar是一个惰性气体元素，原子量为39.948，Ar在地球大气中的含量为0.93%。根据Nier(1950)的测定，地球大气中Ar的同位素丰度为：40Ar 99.60%、38Ar 0.063%、36Ar0.337%，因而40Ar/36Ar=295.5。3.2K-Ar法与Ar-Ar法K-Ar法放射性的放射性的40K 分支衰变为分支衰变为40Ca和和40Ar：4019K（88.84%）4020Ca+-+Q=4.96210-10a-14019K（11.16%）4018Ar+Q(电子捕获)e=0.58110-10a-14019K（0.001%）4018Ar+Q 由于40K只占总K的0.01167%，其中88.8%的40K衰变形成的40Ca在大多数岩石中被非放射成因的40Ca所淹没。因此这一衰变母-子体定年方法只有很局限的应用。虽虽然然只只有有约约11%的的40K衰衰变变为为40Ar，但但由由于于Ar是是稀稀有有气气体体，放放射射成成因因Ar占占主主导导。K-Ar法法定定年年是是最最早早发发展展起起来来并并被被广泛应用的方法之一。广泛应用的方法之一。在在一一个个含含K的的封封闭闭体体系系中中，放放射射成成因因40Ar和和40Ca的的增增长长可可表表达达为为：40Ar*+40Ca*=40K(e t-1)式式中中 是是40K的的总总衰衰变变常常数数，=e+=5.543 10-10-10a-1-1。衰衰 变变 为为40Ar的的 那那 部部 分分40K原原 子子 数数 为为(e/)40K。因因此此含含K矿矿物物或或岩岩石石中中总总40Ar为为：40Ar=40Ari+(e/)40K(e t-1)KAr定年基础 如如果果矿矿物物或或岩岩石石形形成成时时完完全全去去气气，不不存存在在初初始始40Ari，即即所所含含氩氩都都为为放放射射成因成因40Ar*：40Ar*=(e/)40K(e t-1)=e+=5.54310-10a-1;e=0.58110-10a-1 KAr等时线定年针对上述过剩Ar存在使计算年龄偏老的问题，McDougalletal.(1969)提出用测定的总40