同位素地球化学课件.ppt

2023/2/2第五章 同位素地球化学1第第6章章 同位素地球化学同位素地球化学Part2023/2/2第五章 同位素地球化学22023/2/2第五章 同位素地球化学32023/2/2第五章 同位素地球化学4它是研究地球和宇宙中核素的形成、丰度以它是研究地球和宇宙中核素的形成、丰度以及在自然作用中分馏和衰变规律的科学及在自然作用中分馏和衰变规律的科学。同位素地球化学同位素地球化学 2023/2/2第五章 同位素地球化学51.1.同位素地球化学研究对象同位素地球化学研究对象F自然界，尤其是地质作用和地质体中的同自然界，尤其是地质作用和地质体中的同位素丰度及其演化规律位素丰度及其演化规律2023/2/2第五章 同位素地球化学6宇宙同位素地球化学宇宙同位素地球化学地幔同位素地球化学地幔同位素地球化学环境同位素地球化学环境同位素地球化学考古同位素地球化学考古同位素地球化学食品同位素地球化学食品同位素地球化学水文同位素地球化学，等。水文同位素地球化学，等。分分 支支 学学 科科2023/2/2第五章 同位素地球化学72 2 同位素地球化学的研究任务同位素地球化学的研究任务q同位素的起源、演化和衰亡历史；同位素的起源、演化和衰亡历史；q同位素在宇宙体、地球和各地圈中的分布和同位素在宇宙体、地球和各地圈中的分布和分配；不同地质体中的丰度及其在地质过程中分配；不同地质体中的丰度及其在地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰亡与增长的规律；活化与迁移、富集与亏损、衰亡与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因，据此来探索地质阐明同位素组成变异的原因，据此来探索地质作用的演化历史及物质来源；作用的演化历史及物质来源；q利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。和太阳系的演化确定时标。2023/2/2第五章 同位素地球化学83 3 同位素地球化学的研究领域同位素地球化学的研究领域q 同位素地质年代学同位素地质年代学Isotope GeochronologyIsotope Geochronologyq强调时间概念，根据放射性成因同位素随时间强调时间概念，根据放射性成因同位素随时间变化的定律，测定地质体的年龄与活动历史，变化的定律，测定地质体的年龄与活动历史，研究地质事件的计时，或地质运动、地球演化研究地质事件的计时，或地质运动、地球演化的时间序列；的时间序列；q另外，放射性成因同位素示踪，可研究成岩成另外，放射性成因同位素示踪，可研究成岩成矿的物质来源，探讨地壳、地幔及其它星体的矿的物质来源，探讨地壳、地幔及其它星体的演化。演化。2023/2/2第五章 同位素地球化学9v研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种地质条件下的运动规律，并运用这些规律来地质条件下的运动规律，并运用这些规律来解释岩石和矿石的物质来源、成岩成矿的物解释岩石和矿石的物质来源、成岩成矿的物理化学条件、成因机制及岩矿石形成后的地理化学条件、成因机制及岩矿石形成后的地质作用影响等地质问题。质作用影响等地质问题。稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学2023/2/2第五章 同位素地球化学104 4 同位素地球化学在解决地学领域同位素地球化学在解决地学领域 问题的独到之处问题的独到之处计时作用计时作用每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。示踪作用示踪作用同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。来源。2023/2/2第五章 同位素地球化学11v由由于于某某些些矿矿物物同同位位素素成成分分变变化化与与其其形形成成的的温温度度有有关关，为为此此可可用用来来设设计计各各种种矿矿物物对对的的同同位位素素温温度度计计，来来测测定定成成岩岩成矿温度。成矿温度。v另外亦可用来进行资源勘查、环境监另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等测、地质灾害防治等 测温作用测温作用2023/2/2第五章 同位素地球化学125.5.同位素地球化学发展现状同位素地球化学发展现状v同位素地球化学发展迅速，已渗透到地球同位素地球化学发展迅速，已渗透到地球科学的各个研究领域，如：大地构造学、科学的各个研究领域，如：大地构造学、岩石学、矿床学、海洋学、环境科学、岩石学、矿床学、海洋学、环境科学、空间科学等。空间科学等。v主要表现在以下方面主要表现在以下方面：实验测试技术不断完善和提高；实验测试技术不断完善和提高；多元同位素体系的综合研究；多元同位素体系的综合研究；研究领域不断扩大；研究领域不断扩大；各种新方法的出现各种新方法的出现 。2023/2/2第五章 同位素地球化学13v我国同位素地球化学的研究工作从我国同位素地球化学的研究工作从19581958年开始，年开始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。v学术团体学术团体：中国矿物岩石地球化学学会中国矿物岩石地球化学学会同位素地球化学专同位素地球化学专业委员会；业委员会；中国地质学会中国地质学会同位素地球化学专业委员会。同位素地球化学专业委员会。另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等治等 。科研机构：科研机构：我国同位素地球化学的学术团体我国同位素地球化学的学术团体2023/2/2第五章 同位素地球化学14常见同位素计时方法常见同位素计时方法v1.1.4040K-K-4040Ar 2.Rb-SrAr 2.Rb-Srv3.3.3939Ar-Ar-4040Ar 4.U-Th-PbAr 4.U-Th-Pbv5.5.普通铅法普通铅法 6.6.147147Sm-Sm-143143NdNdv7.7.187187Re-Re-187187Os 8.Os 8.175175Lu-Lu-175175HfHfv9.9.裂变径迹法裂变径迹法 10.10.1414C C法法2023/2/2第五章 同位素地球化学15地质学中经常采用的稳定同位素地质学中经常采用的稳定同位素v1 1 H(D/H)H(D/H)2 2 O(O(1818O/O/1616O)O)v3 S(3 S(3434S/S/3232S)S)4 4 C(C(1313C/C/1212C)C)v5 Sr(5 Sr(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)5 5 Nd(Nd(143143Nd)Nd)v7 Pb(7 Pb(206206Pb,Pb,207207Pb,Pb,208208Pb)Pb)8 N(8 N(1515N/N/1414N)N)v9 Si(9 Si(3232Si/Si/3030Si)Si)10 10 B(B(1111B/B/1010B)B)v11 Cl 11 Cl 12 12 He(He(3 3He/He/4 4He)He)v13 Mg 13 Mg 14 14 Ne/Kr/XeNe/Kr/Xev15 Cu/Fe 15 Cu/Fe v铜和铁同位素铜和铁同位素2023/2/2第五章 同位素地球化学16主主 要要 参参 考考 书书v同位素地质学原理同位素地质学原理.G Faure,.G Faure,科学出版社科学出版社,1985,1985v铅同位素地质铅同位素地质.B R Doe,.B R Doe,科学出版社科学出版社,1975,1975v锶同位素地质学锶同位素地质学.G Faure&J L Powell,.G Faure&J L Powell,科学出版社科学出版社,1975,1975v稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学.J Hoefs,.J Hoefs,科学出版社科学出版社,1987,1987v氢氧同位素地球化学氢氧同位素地球化学.丁悌平丁悌平,地质出版社地质出版社,1988,1988v稳定同位素地质稳定同位素地质.沈渭洲沈渭洲,原子能出版社原子能出版社,1987,1987v同位素地质年代学同位素地质年代学.袁海华袁海华,重庆大学出版社重庆大学出版社,1987,1987v同位素地球化学同位素地球化学.魏菊英魏菊英,王关玉王关玉.地质出版社地质出版社,1988,1988v稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学.郑永飞郑永飞,陈江峰陈江峰,科学出版社科学出版社,2000,2000v稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学.J Hoefs,.J Hoefs,海洋出版社海洋出版社,2002,2002v同位素地质年代学与地球化学同位素地质年代学与地球化学.陈岳龙等，地质出版社，陈岳龙等，地质出版社，200520052023/2/2第五章 同位素地球化学176.6.同位素地球化学同位素地球化学v6.1 6.1 自然界同位素成分变化的机理自然界同位素成分变化的机理v6.2 6.2 放射性同位素地球化学放射性同位素地球化学v6.3 6.3 稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学2023/2/2第五章 同位素地球化学186.1 6.1 自然界同位素成分变化的机理自然界同位素成分变化的机理v6.1.1 6.1.1 同位素的基本内容同位素的基本内容v6.1.2 6.1.2 自然界同位素成分的变化自然界同位素成分的变化2023/2/2第五章 同位素地球化学196.1.1 6.1.1 同位素的基本内同位素的基本内容容v 1.1.核素和同位素核素和同位素v 什么叫核素什么叫核素？v由由不不同同数数量量的的质质子子和和中中子子按按一一定定结结构构组组成成各种元素的原子核称为各种元素的原子核称为核素核素。表示：A=NA=N（neutronneutron）+P+P（protonproton）2023/2/2第五章 同位素地球化学20 核素性质核素性质F1 1）核素具有电荷）核素具有电荷F2 2）核素具有质量）核素具有质量F3 3）核素具有丰度）核素具有丰度F4 4）核素具有能量）核素具有能量F5)5)核素具有放射性核素具有放射性2023/2/2第五章 同位素地球化学21v同量异位素同量异位素(isobar)(isobar)：质子数不同，：质子数不同，中子数不同，质量数相同的原子，也称中子数不同，质量数相同的原子，也称同质异位素。同质异位素。v等中子素等中子素(isotone)(isotone)：中子数相同，：中子数相同，质子数不同的原子；质子数不同的原子；v同位素同位素(isotope)(isotope)：质子数相同，中：质子数相同，中子数不同的原子；子数不同的原子；A=N+PA=N+P 几个名词几个名词2023/2/2第五章 同位素地球化学22部分核素图2023/2/2第五章 同位素地球化学23v具具有有相相同同质质子子数数，不不同同数数目目中中子子数数所所组组成成的的一一组核素称为组核素称为同位素同位素。v同位素是同一化学元素的原子，在元素周期表同位素是同一化学元素的原子，在元素周期表中占据相同的位置。因为核外电子数由原子核中占据相同的位置。因为核外电子数由原子核中的质子数决定，所以同位素具有中的质子数决定，所以同位素具有相似的化学相似的化学性质性质.同同 位位 素素2023/2/2第五章 同位素地球化学24v以元素的左上角标以总核子数或原子量。以元素的左上角标以总核子数或原子量。v例如：例如：S S和和O Ov3232S S 、3333S S 、3434S S 、3535S S（35351616S S）v1616O O、1717O O、1818O O（16168 8O O）同位素表示法同位素表示法2023/2/2第五章 同位素地球化学25v一种元素可由不同数量的同位素组成。自一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中同位素最多的是然界中同位素最多的是SnSn元素，有元素，有1010个同个同位素位素：v112112，114114，115115，116116，117117，118118，119119，120120，122122，124124v自然界也存在只有一种同位素单独组成的自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素：元素：BeBe、F F、NaNa、AlAl、P P等等2727种。种。v其余大多数由其余大多数由2525种同位素组成。种同位素组成。2023/2/2第五章 同位素地球化学262.2.同位素的分类同位素的分类v 分类原则分类原则基于原子核的稳定性基于原子核的稳定性原子核相对稳定性判断原子核相对稳定性判断2023/2/2第五章 同位素地球化学27当当原原子子序序数数Z20Z20时时，N/P=1N/P=1，核核素素最最稳稳定，绝对丰度高；定，绝对丰度高；当当20Z8320Z83Z83时时，N/PN/P偏偏离离1 1或或1.51.5，核核素素不不稳稳定，绝对丰度低。定，绝对丰度低。Z/PZ/P与原子核的稳定性与原子核的稳定性2023/2/2第五章 同位素地球化学282023/2/2第五章 同位素地球化学29 类类 型型vv1 1 1 1）放射性同位素放射性同位素(unstable or radioactive unstable or radioactive isotopeisotope)其原子核是不稳定的，它们能自发地放出粒子并衰变成其原子核是不稳定的，它们能自发地放出粒子并衰变成另一种同位素另一种同位素。v2 2）稳定同位素稳定同位素(stable isotopestable isotope)原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。原子核是稳定的，或者其原子核的变化不能被觉察。元素周期表元素周期表中，中，原子序数原子序数相同，相同，原子质量原子质量不同，不同，化学性化学性质质基本相同，基本相同，半衰期半衰期大于大于10151015年的年的元素元素的的同位素同位素 。2023/2/2第五章 同位素地球化学30F自然界已发现近自然界已发现近340340个同位素，其中放射性同位个同位素，其中放射性同位素有素有5757种（人工合成的放射性同位素超过种（人工合成的放射性同位素超过12001200个）个），稳定同位素，稳定同位素273273种。种。FZ Z8383且且A A209209的的同位素大部分是稳定同位素，同位素大部分是稳定同位素，少数是放射性的，如少数是放射性的，如1414C C、4040K K、8787RbRb、147147SmSm放射性放射性外；外；FZ Z8383且且A A209209的同位素都是放射性同位素的同位素都是放射性同位素 稳定同位素和放射性同位素在稳定同位素和放射性同位素在 周期表中的分布周期表中的分布2023/2/2第五章 同位素地球化学312023/2/2第五章 同位素地球化学32v1 1）轻稳定同位素）轻稳定同位素v2 2）重稳定同位素）重稳定同位素 稳定同位素类型及特点稳定同位素类型及特点2023/2/2第五章 同位素地球化学331 1）轻稳定同位素）轻稳定同位素A.A.原子量小，同一元素的各同位素间的原子量小，同一元素的各同位素间的相对质量差异较大（相对质量差异较大（A/A5%A/A5%）；）；B.B.轻同位素组成变化的主要原因是同位轻同位素组成变化的主要原因是同位素分馏作用造成的，其反应是可逆的。素分馏作用造成的，其反应是可逆的。2023/2/2第五章 同位素地球化学34A.A.原子量大，同一元素的各同位素间的相原子量大，同一元素的各同位素间的相对质量差异小（对质量差异小（A/AA/A0.71.2%0.71.2%），环境，环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成的改变；定同位素组成的改变；B.B.同位素组成的变化主要是由放射性同位同位素组成的变化主要是由放射性同位素衰变造成的，这种变化在地球历史的演素衰变造成的，这种变化在地球历史的演变中是单方向进行的、不可逆的。变中是单方向进行的、不可逆的。2 2）重稳定同位素）重稳定同位素2023/2/2第五章 同位素地球化学353.3.同位素丰度同位素丰度v 同位素丰度同位素丰度v 元素的原子量元素的原子量2023/2/2第五章 同位素地球化学36v描述自然界核素丰度描述自然界核素丰度 的两种方法的两种方法v1 1）绝对丰度绝对丰度指指自自然然界界各各种种核核素素存存在在的的总总量量。它它与与组组成成核核素素的的核核子子数数量量和和结结构构有有关关，反反映映核素的稳定性核素的稳定性。同位素丰度同位素丰度2023/2/2第五章 同位素地球化学37v定义：指元素同位素所占总质量的百分数定义：指元素同位素所占总质量的百分数v例如：例如：v氧的氧的同位素的相对丰度同位素的相对丰度1616O O：99.763%99.763%1717O O：0.0375%0.0375%1818O O：0.1995%0.1995%2 2）相对丰度）相对丰度2023/2/2第五章 同位素地球化学38 元素的原子量元素的原子量 以原子质量单位表示的，每个天然以原子质量单位表示的，每个天然元素的原子量为该元素各同位素重元素的原子量为该元素各同位素重量的加权平均值。量的加权平均值。2023/2/2第五章 同位素地球化学39v同位素：同位素：1616O O 1717O O 1818O Ov丰丰 度度：99.763%0.0375%99.763%0.0375%0.1995%0.1995%v质质 量：量：15.99491 15.99913 15.99491 15.99913 17.9991517.99915vO O的原子量的原子量=99.763%=99.763%15.9949115.99491v 0.0375%0.0375%15.9991315.99913v 0.1995%0.1995%17.9991517.99915v =15.99929 =15.999292023/2/2第五章 同位素地球化学402023/2/2第五章 同位素地球化学414.4.同位素成分的测定及表示方法同位素成分的测定及表示方法v一个完整的同位素样品的研究包括样品一个完整的同位素样品的研究包括样品的的采集、加工、化学制样、测定及结果采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释的计算和解释等环节。等环节。2023/2/2第五章 同位素地球化学42v将地质样品分解，使待测元素的同位素转将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上化为在质谱仪上 测定的化合物，轻稳定同测定的化合物，轻稳定同位素一般制成气体样品。位素一般制成气体样品。制制 样样2023/2/2第五章 同位素地球化学43F例如：例如：F氧同位素氧同位素有两种制样方法有两种制样方法：v还原法还原法:高温条件下与高温条件下与C C还原成还原成COCO；v氧化法氧化法:用用F F或卤化物氧化，生成或卤化物氧化，生成O O2 2（精度高）。（精度高）。THANK YOUSUCCESS2023/2/244可编辑2023/2/2第五章 同位素地球化学45 质谱仪测定成分质谱仪测定成分 质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段（MATMAT261261，MATMAT251251）。）。其工作原理：其工作原理：把待测元素的原子或分子正离子化，并把待测元素的原子或分子正离子化，并引入电场和磁场中运动，带正电的质点引入电场和磁场中运动，带正电的质点因质量不同而被分离测定因质量不同而被分离测定。2023/2/2第五章 同位素地球化学46v1)1)绝对比率（绝对比率（R R）：用两个同位素比值直接表）：用两个同位素比值直接表示示例如例如3232S/S/3434S S，1212C/C/1313C Cv2)2)对标准样品对标准样品R R的绝对比率差（的绝对比率差（RR）：）：R=RR=R样品样品R R标准标准；v3)3)样品相对于标准样品样品相对于标准样品R R的偏离程度的千分率的偏离程度的千分率v=（R R样样R R标）标）/R/R标标10001000v=(R=(R样样/R/R标标1)1)10001000 同位素成分表示方法同位素成分表示方法2023/2/2第五章 同位素地球化学47v例如例如3434S/S/3232S S相对于标准样品的富集程度，相对于标准样品的富集程度，以以 3434S S 来表示来表示：v 3434S S=(=(3434S/S/3232S)S)样样/(/(3434S/S/3232S)S)标标)1 1 100010002023/2/2第五章 同位素地球化学48v习惯上把微量（较小相对丰度）同位素习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在放在R R的分子上，这样可以从样品的的分子上，这样可以从样品的值，值，直接看出它含微量同位素比标准样品是直接看出它含微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化了富集了，还是贫化了。v0 0表示表示3434S S比标准样品是富集了；比标准样品是富集了；v0 0表示表示3434S S比标准样品是贫化了比标准样品是贫化了。2023/2/2第五章 同位素地球化学49 同位素标准样品同位素标准样品v同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世界性的标准样品就必须建立世界性的标准样品 。v1)1)在世界范围内居于该同位素成分变化的中间在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为零点；位置，可以做为零点；v2)2)标准样品的同位素成分要均一；标准样品的同位素成分要均一；v3)3)标准样品要有足够的数量；标准样品要有足够的数量；v4)4)标准样品易于进行化学处理和同位素测定标准样品易于进行化学处理和同位素测定 2023/2/2第五章 同位素地球化学506.1.2 6.1.2 自然界同位素成分的变化自然界同位素成分的变化1.1.同位素丰度变化同位素丰度变化2.2.同位素丰度变化的地质应用同位素丰度变化的地质应用2023/2/2第五章 同位素地球化学511 1 同位素丰度变化同位素丰度变化v 与放射性衰变有关与放射性衰变有关v 同位素分馏同位素分馏v 与核合成过程有关与核合成过程有关2023/2/2第五章 同位素地球化学52 同位素丰度变化的地质应同位素丰度变化的地质应用用 同位素地质定年同位素地质定年地质时钟地质时钟放射性同位放射性同位素地球化学或同位素地质年代学；素地球化学或同位素地质年代学；地球化学示踪地球化学示踪：物质来源、地球化学过程、物质来源、地球化学过程、物理化学条件指示剂物理化学条件指示剂（地质温度计地质温度计）。2023/2/2第五章 同位素地球化学536.2 6.2 放射性同位素地球化学放射性同位素地球化学v同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基同位素地质年代学是以放射性同位素衰变定律为基础建立的同位素计时方法，用以测定不同地质体和础建立的同位素计时方法，用以测定不同地质体和地质事件的年龄。地质事件的年龄。v同位素地质年代学感兴趣的是自然界存在的为数不同位素地质年代学感兴趣的是自然界存在的为数不多的一些放射性同位素核素，包括衰变速率非常慢多的一些放射性同位素核素，包括衰变速率非常慢的（的（如如238238U U、235235U U、232232ThTh、147147SmSm等等）、由长寿命放射）、由长寿命放射性母体衰变产生的（性母体衰变产生的（234234U U、230230ThTh等）、由天然核反等）、由天然核反应产生的以及人工核试验产生的放射性同位素。应产生的以及人工核试验产生的放射性同位素。2023/2/2第五章 同位素地球化学546.2 6.2 放射性同位素地球化学放射性同位素地球化学v6.2.1 6.2.1 放射性同位素衰变定律及同位素地放射性同位素衰变定律及同位素地质年代学原理质年代学原理v6.2.2 K-Ar6.2.2 K-Ar法及法及4040Ar-Ar-3939ArAr法年龄测定法年龄测定v6.2.3 Rb-Sr6.2.3 Rb-Sr法年龄测定法年龄测定v6.2.4 Sm-Nd6.2.4 Sm-Nd法年龄测定法年龄测定v6.2.5 U-Pb6.2.5 U-Pb法年龄测定法年龄测定2023/2/2第五章 同位素地球化学556.2.1 6.2.1 衰变定律及同位素地质衰变定律及同位素地质 年代学原理年代学原理v1.1.放射性同位素衰变方式放射性同位素衰变方式v2.2.放射性同位素衰变定律放射性同位素衰变定律v3.3.同位素地质年代学的基本原理、前同位素地质年代学的基本原理、前提及分类提及分类2023/2/2第五章 同位素地球化学561.1.放射性同位素衰变方式放射性同位素衰变方式v 与放射性衰变有关的几个术语与放射性衰变有关的几个术语v1 1）放射性放射性原子释放出粒子和能量的现象即所谓的放原子释放出粒子和能量的现象即所谓的放射性。射性。v2 2）放射性衰变放射性衰变元素的原子核自发地发出粒子和释放能量元素的原子核自发地发出粒子和释放能量而变成另一种原子核的过程。放射性同位而变成另一种原子核的过程。放射性同位素的衰变不因外界因素变化而变化，只与素的衰变不因外界因素变化而变化，只与本身原子核性质有关。本身原子核性质有关。2023/2/2第五章 同位素地球化学57v3 3）放射性同位素放射性同位素自发地发出粒子或射线，并衰变为另自发地发出粒子或射线，并衰变为另一种同位素者。一种同位素者。v4 4）衰变过程类型衰变过程类型单衰变或单程衰变单衰变或单程衰变系列衰变系列衰变2023/2/2第五章 同位素地球化学58v正在衰变的核素称为母核（体）(P)(P)v衰变的产物称为子核(D)(D)。8787RbRb8787SrSr 238238UU206206PbPb5 5）放射性母体）放射性母体(P)(P)和衰变子体和衰变子体(D)(D)2023/2/2第五章 同位素地球化学59 放射性衰变方式放射性衰变方式v1 1）衰变衰变v2 2）衰变衰变v3 3）电子捕获衰变）电子捕获衰变v4 4）重核裂变）重核裂变2023/2/2第五章 同位素地球化学60 粒子是粒子是4 42 2HeHe相对母体来说，子体的质子数和中子数相对母体来说，子体的质子数和中子数个减少个减少2 2个，质量数减少个，质量数减少4 4。2382389292U U 2342349090Th+Th+4 42 2He()+QHe()+Q 1 1）衰变衰变2023/2/2第五章 同位素地球化学61自然界多数为自然界多数为衰变，即放射性母核中的衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为一个中子分裂为1 1个质子和个质子和1 1个电子（即个电子（即粒子），同时放出反中微子粒子），同时放出反中微子。衰变子体与母体比，原子序数增加衰变子体与母体比，原子序数增加1 1，质量，质量数不变；数不变；40401919KK40402020Ca+Ca+（中微子）（中微子）+Q+Q2 2）衰变衰变2023/2/2第五章 同位素地球化学62母核自发地从核外电子壳层捕获母核自发地从核外电子壳层捕获1 1个电子，通个电子，通常在常在K K层上吸取层上吸取1 1个电子（个电子（e e），与质子结合变），与质子结合变成中子，质子数减少成中子，质子数减少1 1个。个。衰变结果衰变结果：核质量数不变，质子数（核电荷数）：核质量数不变，质子数（核电荷数）减减1 1，变成周期表上左邻的新元素，变成周期表上左邻的新元素 。40401919K+eK+e40401818Ar+QAr+Q3 3）电子捕获衰变）电子捕获衰变2023/2/2第五章 同位素地球化学63v重放射性同位素自发地分裂为重放射性同位素自发地分裂为2 23 3片原子片原子量大致相同的量大致相同的“碎片碎片”，各以高速度向不，各以高速度向不同方向飞散，如同方向飞散，如238238U U，235235U U，232232ThTh都可以发都可以发生这种裂变。生这种裂变。4 4）重核裂变）重核裂变2023/2/2第五章 同位素地球化学64放射性同位素母体与子体的关系放射性同位素母体与子体的关系2023/2/2第五章 同位素地球化学652 2 放射性同位素衰变定律放射性同位素衰变定律v 衰变反应特性衰变反应特性1 1）反应在原子核内部，结果由一种核素变为）反应在原子核内部，结果由一种核素变为另一种核素；另一种核素；2 2）衰变反应是）衰变反应是自发自发而连续进行，母体核素按而连续进行，母体核素按恒定比例衰减；恒定比例衰减；3 3）反应不受任何温度、压力和原子存在形式）反应不受任何温度、压力和原子存在形式等物理化学条件的影响，衰变母、子体只是等物理化学条件的影响，衰变母、子体只是时间的函数；时间的函数；4 4）衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是）衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数时间的函数 卢瑟福卢瑟福（19021902）2023/2/2第五章 同位素地球化学66v1 1）内容内容在一个封闭系统内，单位时间内放射性在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与现存母核的母核衰变为子核的原子数与现存母核的原子数成正比。原子数成正比。衰变定律衰变定律2023/2/2第五章 同位素地球化学67 dN/dt=dN/dt=N N （1 1）v式中：式中：N N为为t t时刻存在的母体原子数；时刻存在的母体原子数；d dN N/d/dt t是衰变速率，也就是单位时间内衰是衰变速率，也就是单位时间内衰变掉的放射性母体原子数；变掉的放射性母体原子数；负号负号表示表示N N随时间减少随时间减少；为为衰变常数衰变常数。2 2）数学表达式）数学表达式变换上式得：变换上式得：dN/N=dN/N=dtdt （2 2）设设t=0t=0时放射性母体的初始原子数为时放射性母体的初始原子数为N N0 0，衰变进行到时间衰变进行到时间t t时剩下的未衰变母体的时剩下的未衰变母体的原子数为原子数为N N，vlnNlnNln ln N N0 0 =-(T-T-(T-T0 0)=)=-t-t (据据积积分公式分公式)vlnN/lnN/N N0 0 =tt (对对数运算法则数运算法则)vN/N/N N0 0 =e=ett (取取掉掉自然对数自然对数)vN=NN=N0 0 e ettv或或N N0 0=N e=N ettv此式表明：此式表明：任何放射性同位素随时间按指任何放射性同位素随时间按指数方式衰减。数方式衰减。v这是一切放射性反应的基本公式这是一切放射性反应的基本公式。2023/2/2第五章 同位素地球化学70参数的含义参数的含义 N=N N=N0 0 e et t 或或N N0 0=N e=N ett N N现存母体数现存母体数 N N0 0原始母体数原始母体数 t t为时间为时间 衰变常数，不同元素有别衰变常数，不同元素有别随着衰变进行，母体减少，放射性成因子体增加，随着衰变进行，母体减少，放射性成因子体增加，而现存子体原子数而现存子体原子数（D D）等于衰变掉的母体数目，等于衰变掉的母体数目，可表示为可表示为：D=ND=N0 0-N =N-N =N0 0-N-N0 0e e-t t=N=N0 0(1-(1-e e-t t)D=ND=N0 0-N=N-N=Ne et t-N=N(-N=N(e et t-1)-1)2023/2/2第五章 同位素地球化学722023/2/2第五章 同位素地球化学73假假 定定D*D*表示由经过表示由经过t(Tt(T0 0T)T)母母核衰变成核衰变成的子的子核数，核数，表示为：表示为：D*=D*=N N0 0-N=N-N=N0 0(1-(1-e e-t t)D*=N(eD*=N(ett1 1）t=1/ln(D*/N+1)t=1/ln(D*/N+1)D*/ND*/N是现存子核和母核的原子数比值是现存子核和母核的原子数比值该方程是同位素地质年代学基础该方程是同位素地质年代学基础v经过经过t(Tt(T0 0T)T)，体系中子核数为：，体系中子核数为：D=DD=D0 0+D*+D*D=DD=D0 0+N+N0 0N N =D D0 0+N+N（e ett1 1 ）D DD D0 0=N N（e ett1 1 ）e ett1=(D1=(DD D0 0)/)/N Nv变换为：变换为：t=1/ln(Dt=1/ln(DD D0 0)/N+1)/N+1v已知已知D D0 0，测定体系中目前的放射性母体和子，测定体系中目前的放射性母体和子体的原子数，可得体系封闭以来所经历的体的原子数，可得体系封闭以来所经历的时间。时间。2023/2/2第五章 同位素地球化学75vD=DD=D0 0+N+N0 0N NvD=DD=D0 0+N(e+N(et t-1)-1)vD/DD/Ds s=D=D0 0/D/Ds s+N/D+N/Ds s(e(et t-1)-1)2023/2/2第五章 同位素地球化学76v指放射性同位素衰变到它原来母体原子数指放射性同位素衰变到它原来母体原子数一半时所经历的时间。一半时所经历的时间。半衰期和衰变常数之间具有一定的关系半衰期和衰变常数之间具有一定的关系：N=NN=N0 0e et t 取取N=NN=N0 0/2/2，代入衰变公式得，代入衰变公式得 =lnln2/2/=0.593/=0.593/式中式中为衰变常数为衰变常数3 3）半衰期）半衰期2023/2/2第五章 同位素地球化学77自然界中的放射性同位素及其衰变系列自然界中的放射性同位素及其衰变系列 自然界中的放射性同位素按其成因可以分成自然界中的放射性同位素按其成因可以分成3 3类类：1)1)单程衰变的同位素：单程衰变的同位素：4040K K，8787RbRb，147147SmSm，139139LaLa，等，等2)2)系列衰变的同位素：铀系、锕系、钍系、镎系系列衰变的同位素：铀系、锕系、钍系、镎系3)3)由自然界中的核反应生成的同位素：由自然界中的核反应生成的同位素：1414C C，3 3H H，等。，等。其中其中1 1）2 2）类同位素的特点是衰变能量大（）类同位素的特点是衰变能量大（测定精测定精确）、半衰期（确）、半衰期（）适中，因此在地质年代学中有重）适中，因此在地质年代学中有重要意义。要意义。第第3 3）类同位素的半衰期短，适用于）类同位素的半衰期短，适用于考古学和第四纪考古学和第四纪地质学。地质学。2023/2/2第五章 同位素地球化学783 3 放射性同位素地质年龄测定的放射性同位素地质年龄测定的 原理、前提及方法原理、前提及方法v 放射性同位素地质年龄测定的放射性同位素地质年龄测定的原理原理v 放射性同位素地质年龄测定的放射性同位素地质年龄测定的前提前提v 放射性同位素地质年龄测定的放射性同位素地质年龄测定的方法方法2023/2/2第五章 同位素地球化学79v同位素地质年龄的含义同位素地质年龄的含义：同同位位素素地地质质年年龄龄是是就就特特定定的的地地质质体体而而言言的的，测测定定矿矿石石就就是是矿矿石石的的地地质质年年龄龄，测测定定矿矿物物就就是是矿矿物物的的地地质质年年龄龄，测测定定岩岩石石就就是是岩岩石石的的地地质质年年龄龄。因因此此，同同位位素素地地质质年年龄龄是是指指利利用用同同位位素素衰衰变变定定律律，测测定定它它们们在在某某一一地地质质事事件件从从水水溶溶液液或或岩岩浆浆熔熔体体中中沉沉淀淀、凝凝固固、结结晶晶或或重重结晶起到现在所经历的时间。结晶起到现在所经历的时间。同位素地质年龄测定的原理同位素地质年龄测定的原理2023/2/2第五章 同位素地球化学80同位素地质年龄测定是基于上述的放射同位素地质年龄测定是基于上述的放射性衰变定律。通过准确测定岩石和矿物性衰变定律。通过准确测定岩石和矿物中所含放射性母体，以及衰变子体同位中所含放射性母体，以及衰变子体同位素的含量，根据衰变方程式计算出岩石素