地球化学基础第七章优秀课件.ppt

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1、地球化学基础第七章第1页，本讲稿共133页1)1)计时作用：计时作用：每一对放射性同位素都是一只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，不受时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的测定各种地质体的年龄，年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。杂地质体。同位素地球化学在解决地学领域问题同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处的独到之处第2页，本讲稿共133页 2)2)示踪作用：示踪作用：同位素成分的变化受到作用环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

2、素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地质体形成的环境成分的变异来指示地质体形成的环境条件条件、机制机制，并能示踪物质，并能示踪物质来源来源。3)3)测温作用：测温作用：由于某些矿物同位素成分变由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的种矿物对的同位素温度计同位素温度计，来测定成岩成，来测定成岩成矿温度。矿温度。另外亦可用来进行另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、资源勘查、环境监测、地质灾害防治地质灾害防治等。等。第3页，本讲稿共133页同位素的基本概念同位素的基本概念核素核素核素核素:由一定数量的质子由一定

3、数量的质子由一定数量的质子由一定数量的质子(P)(P)(P)(P)和中子和中子和中子和中子(N)(N)(N)(N)按一定结构组成的按一定结构组成的按一定结构组成的按一定结构组成的 原子核称为原子核称为原子核称为原子核称为核素核素核素核素。核素的性质核素的性质核素的性质核素的性质：1 1 1 1）核素具有电荷）核素具有电荷）核素具有电荷）核素具有电荷 2 2 2 2）核素具有质量核素具有质量核素具有质量核素具有质量3 3 3 3）核素具有丰度核素具有丰度核素具有丰度核素具有丰度4 4 4 4）核素具有能量核素具有能量核素具有能量核素具有能量 5 5 5 5）有些核素具有放射性）有些核素具有放射性

4、）有些核素具有放射性）有些核素具有放射性 第一节第一节 同位素基本性质及其组成变化同位素基本性质及其组成变化第4页，本讲稿共133页元素元素:由具有相同质子的核素称为由具有相同质子的核素称为元素元素。同位素：同位素：由由质质子子数数相相同同而而中中子子数数不不同同的的核核素素组组成成同同位位素素。它们在元素周期表中占据同一个位置。它们在元素周期表中占据同一个位置。第5页，本讲稿共133页 硫有硫有4 4个同位素，个同位素，即即16163232S S、16163333S S、16163434S S和和16163535S S，这这4 4个同位素都有个同位素都有1616个质子，因而它们都位于元个质子

5、，因而它们都位于元素周期表第三周期第素周期表第三周期第主族。主族。又如又如 1616O O、1717O O和和1818O O是同位素，是同位素，8787SrSr和和8787RbRb不是同位素。不是同位素。同位素之间同位素之间化学性质相同化学性质相同、物理性质不同物理性质不同。偶数元素的丰度高，同一元素中子数为偶数的偶数元素的丰度高，同一元素中子数为偶数的丰度高。丰度高。例：例：第6页，本讲稿共133页一个元素可以由一种或几种同位素组成。同位一个元素可以由一种或几种同位素组成。同位素地球化学研究具有素地球化学研究具有2 2个或个或2 2个以上核素组成的个以上核素组成的元素。元素。自然界中同位素最

6、多的是自然界中同位素最多的是SnSn元素，有元素，有1010个同位个同位素：素：112112，114114，115115，116116，117117，118118，119119，120120，122122，124124SnSn第7页，本讲稿共133页1 1、放射成因同位素、放射成因同位素 :它们能够它们能够自发地衰变自发地衰变形形成其它同位素，最终转变为稳定的放射成因成其它同位素，最终转变为稳定的放射成因同位素；同位素；2 2、稳定同位素、稳定同位素 :它们它们不自发地衰变不自发地衰变形成其它同形成其它同位素，或由于衰变期长（位素，或由于衰变期长（10101717年年）其同位）其同位素丰度变化

7、可忽略不计。素丰度变化可忽略不计。自然界存在两类同位素自然界存在两类同位素：第8页，本讲稿共133页一、放射性同位素组成变化一、放射性同位素组成变化（一）放射性同位素衰变反应（一）放射性同位素衰变反应 自自然然界界放放射射性性同同位位素素大大约约有有6767种种，它它们们大大多多数数的的质质量量数数大大于于209209（例例外外：14C，40K，87Rb ）。）。这这些些放放射射性性同同位位素素不不断断自自发发地地发发射射出出质质点点和和能能量量，改改变变同同位位素素组组成成并并转转变变成成稳稳定定的的核核素素，这这种种过过程程称称核核衰衰变变反反应应或或蜕蜕变变，简简称称衰衰变变反反应应。是

8、引起放射性同位素丰度变化的主要原因。是引起放射性同位素丰度变化的主要原因。第9页，本讲稿共133页天然放射性同位素的衰变反应种类如下：天然放射性同位素的衰变反应种类如下：1.-衰变衰变原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子（-质点）质点），-质点被射出核外，质点被射出核外，反应通式为：反应通式为：A AZ ZM M A AZ+1Z+1M+M+-其中其中Z Z为核电荷数，为核电荷数，A A为质量数。衰变结果，核内为质量数。衰变结果，核内减少一个中子，增加一个质子，减少一个中子，增加一个质子，质量数不变，质量数不变，核电荷数增加核电荷数增加1 1，变为周期

9、表右侧的相邻元素。，变为周期表右侧的相邻元素。如：如：87873737Rb Rb 87873838Sr+Sr+-、40401919K K 40402020Ca+Ca+-，其中其中87873737RbRb与与87873838SrSr、40401919K K与与40402020CaCa为同量异为同量异位素。位素。第10页，本讲稿共133页2.2.电子捕获电子捕获它是它是-衰变的逆反应（并非可逆反应），是衰变的逆反应（并非可逆反应），是原原子核自发地从子核自发地从K K或或L L层电子轨道上吸取一个电层电子轨道上吸取一个电子（多数为子（多数为K K层捕获），与一个质子结合变成层捕获），与一个质子结合

10、变成一个中子，反应通式为：一个中子，反应通式为：A AZ ZM+e M+e A AZ-1Z-1MM，衰变结果，质量数不变，核电荷数减衰变结果，质量数不变，核电荷数减1 1，变为，变为周期表左邻元素。周期表左邻元素。如：如：40401919K+e K+e 40401818ArAr。第11页，本讲稿共133页3.-3.-衰变衰变 重重核核放放射射出出由由2 2个个质质子子和和2 2个个中中子子组组成成的的 质点（即质点（即HeHe核），衰变反应为：核），衰变反应为：A AZ ZM+eM+eA-4A-4Z-2Z-2M+M+衰衰变变结结果果，质质量量数数减减4 4，核核电电荷荷数数减减2 2，在在元元

11、素周期表上素周期表上向左移动向左移动2 2格格。如：。如：2262268888Ra Ra 2222228686Rn+Rn+4 42 2HeHe。第12页，本讲稿共133页4.4.重核裂变重核裂变 重同位素重同位素自发地分裂为自发地分裂为2-32-3片原子量片原子量大致相同的碎片。大致相同的碎片。如：如：238238U U、235235U U和和232232ThTh等重核都可能发生这种裂变。等重核都可能发生这种裂变。第13页，本讲稿共133页 在自然界中，在自然界中，有些放射性同位素只通过一次有些放射性同位素只通过一次某一种固定形式的衰变过程就转变为某种稳某一种固定形式的衰变过程就转变为某种稳定

12、同位素，从而停止了放射性衰变。定同位素，从而停止了放射性衰变。如如87873737Rb Rb 87873838Sr+Sr+-而而其它一些放射性同位素其它一些放射性同位素，如，如238238U U、235235U U和和232232ThTh等原子核要通过一系列的等原子核要通过一系列的 衰变和衰变和 衰变，衰变，通过形成一系列中间过渡的放射性同位素，最终通过形成一系列中间过渡的放射性同位素，最终才转化为稳定的同位素才转化为稳定的同位素，从而结束了其放射性，从而结束了其放射性衰变过程。衰变过程。第14页，本讲稿共133页（二）放射性衰变定律（二）放射性衰变定律 放射性同位素衰变反应放射性同位素衰变反

13、应放射性同位素衰变反应放射性同位素衰变反应不同一般的化学反应，不同一般的化学反应，不同一般的化学反应，不同一般的化学反应，具有具有如下性质：如下性质：(1)(1)(1)(1)衰变作用是衰变作用是衰变作用是衰变作用是发生在发生在发生在发生在原子核内部原子核内部原子核内部原子核内部的反应，反应结果的反应，反应结果的反应，反应结果的反应，反应结果由一由一由一由一种种种种核素核素核素核素变成另一种核素变成另一种核素变成另一种核素变成另一种核素；(2)(2)(2)(2)衰变衰变衰变衰变自发地不断地进行，并有自发地不断地进行，并有自发地不断地进行，并有自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例恒定的衰变比例恒定

14、的衰变比例恒定的衰变比例；(3)(3)(3)(3)衰变反应衰变反应衰变反应衰变反应不受不受不受不受温度、压力、电磁场和原子核存在形式温度、压力、电磁场和原子核存在形式温度、压力、电磁场和原子核存在形式温度、压力、电磁场和原子核存在形式等等等等物理化学条件的影响物理化学条件的影响物理化学条件的影响物理化学条件的影响；(4)(4)(4)(4)衰变前和衰变后核素的原子数衰变前和衰变后核素的原子数衰变前和衰变后核素的原子数衰变前和衰变后核素的原子数只是时间的函数只是时间的函数只是时间的函数只是时间的函数。衰变衰变衰变衰变前的核素被称为前的核素被称为前的核素被称为前的核素被称为母体同位素（母核）母体同位

15、素（母核）母体同位素（母核）母体同位素（母核），衰变后新形成的，衰变后新形成的，衰变后新形成的，衰变后新形成的核素称为核素称为核素称为核素称为子体同位素（子核）子体同位素（子核）子体同位素（子核）子体同位素（子核）。第15页，本讲稿共133页放放射射性性衰衰变变定定律律 单单位位时时间间内内衰衰变变的的原原子子数与现存放射性母体的原子数成正比。数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式如下：其数学表达式如下：-dN/dt=N-dN/dt=N 式式中中：N N为为在在 t t 时时刻刻存存在在的的母母体体原原子子数数；dN/dtdN/dt为为t t时时的的衰衰变变速速率率，负负号号表表示示N

16、 N随随时时间间减减少少；为为衰衰变变速速率率常常数数，表表示示单单位位时时间间内内衰衰变变的的原原子子比比例例数数，其其单单位位为为1/1/年年或或1/1/秒。秒。第16页，本讲稿共133页将前式由将前式由t=0t=0到到t t求积分，整理后得：求积分，整理后得：ln(N/Nln(N/N0 0)=-t)=-t N N0 0为为t=0t=0时的衰变母体原子数。时的衰变母体原子数。由此得：由此得：N=NN=N0 0e e-t -t 或或 N N0 0=Ne=Nett 以上为以上为放射性同位素衰变的基本公式放射性同位素衰变的基本公式，表明母，表明母核原子数为核原子数为N N0 0的放射性同位素，经

17、时间的放射性同位素，经时间t t后残后残存的母体原子数存的母体原子数 N=NN=N0 0e e-t-t，N N与与t t为指数函数。为指数函数。第17页，本讲稿共133页设设设设衰衰衰衰变变变变产产产产物物物物子子子子体体体体的的的的原原原原子子子子数数数数为为为为DDDD*，当当当当t=0t=0t=0t=0时时时时，D DDD*=0=0=0=0，经经经经时时时时间间间间t t t t的衰变反应，则：的衰变反应，则：的衰变反应，则：的衰变反应，则：D*=ND*=ND*=ND*=N0 0 0 0-N-N-N-N D*=ND*=ND*=ND*=N0 0 0 0（1-e1-e1-e1-e-t-t-t

18、-t）或）或）或）或 D*=N(eD*=N(eD*=N(eD*=N(etttt-1)-1)-1)-1)对对对对于于于于任任任任一一一一放放放放射射射射性性性性同同同同位位位位素素素素体体体体系系系系，放放放放射射射射性性性性核核核核素素素素衰衰衰衰变变变变掉掉掉掉初初初初始始始始原原原原子子子子数数数数的一半所需的时间称为的一半所需的时间称为的一半所需的时间称为的一半所需的时间称为半衰期半衰期半衰期半衰期，以，以，以，以T T T T1/21/21/21/2表示。表示。表示。表示。t=Tt=Tt=Tt=T1/21/21/21/2时时时时,N=1/2N,N=1/2N,N=1/2N,N=1/2N0

19、 0 0 0，代入，代入，代入，代入D*=N(eD*=N(eD*=N(eD*=N(etttt-1)-1)-1)-1)并整理得：并整理得：并整理得：并整理得：T T T T1/21/21/21/2=ln2/=ln2/=ln2/=ln2/T T T T1/21/21/21/2与与与与 呈反比关系。呈反比关系。呈反比关系。呈反比关系。衰变常数衰变常数衰变常数衰变常数 值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。第18页，本讲稿共133页放射性母体核素放射性母体核素放射性母体核素放射性母体核素N N和子体核素和

20、子体核素和子体核素和子体核素D*D*随时间随时间随时间随时间t t变化的曲线变化的曲线变化的曲线变化的曲线 时间（以半衰期为单位）时间（以半衰期为单位）D*=N0（1-e-t）N=N0e-tD0=0N0N or D*第19页，本讲稿共133页第20页，本讲稿共133页二、二、稳定同位素组成变化稳定同位素组成变化（一）稳定同位素分馏（一）稳定同位素分馏（一）稳定同位素分馏（一）稳定同位素分馏轻轻轻轻 稳稳稳稳 定定定定 同同同同 位位位位 素素素素（Z Z 2020）的的的的 相相相相 对对对对 质质质质 量量量量 差差差差 较较较较 大大大大（A/A10%A/A10%A/A10%A/A10%）

21、，在在地地质质作作用用中中由由于于质质量量差差所所引引起起的同位素相对丰度变异，称为的同位素相对丰度变异，称为同位素分馏作用同位素分馏作用同位素分馏作用同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下：根据分馏作用的性质和条件可区分如下：1.1.1.1.物理分馏物理分馏物理分馏物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量引起：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同质量有关的性质的不同，如密度、比重、一系列同质量有关的性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、凝聚、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分自然

22、物理过程中发生轻重同位素的分自然物理过程中发生轻重同位素的分自然物理过程中发生轻重同位素的分异。异。异。异。第21页，本讲稿共133页水和重水的物理性质对比水和重水的物理性质对比分子分子分子量分子量密密度度20，g/cm3最最大大密密度度时温度时温度熔熔 点点沸点沸点蒸蒸 气气 压压100,PaH216O18.0150.99793.980.00100.00101325D216O20.0281.105111.243.813101.4296.208H218O-1.11064.300.28100.14-第22页，本讲稿共133页2 2 2 2动动力力分分馏馏：含含含含有有有有两两两两种种种种同同同同

23、位位位位素素素素的的的的分分分分子子子子，由由由由于于于于质质质质量量量量不不不不同同同同导导导导致致致致它它它它们们们们参参参参加加加加化化化化学学学学反反反反应应应应活活活活性性性性的的的的差差差差异异异异。质质质质量量量量不不不不同同同同的的的的同同同同位位位位素素素素分分分分子子子子具具具具有有有有不不不不同同同同的的的的分分分分子子子子振振振振动动动动频频频频率率率率和和和和化化化化学学学学键键键键强强强强度度度度。轻轻轻轻同同同同位位位位素素素素形形形形成成成成的的的的键键键键比比比比重重重重同同同同位位位位素素素素更更更更易易易易于于于于破破破破裂裂裂裂，因因因因此此此此，轻轻轻

24、轻同同同同位位位位素素素素分分分分子子子子的的的的反反反反应应应应速速速速率率率率高高高高于于于于重重重重分分分分子子子子，在在共共存存平平衡衡相相之之间间产产生生微微小小的的分分馏馏，反反反反应应应应产产产产物物物物、特特特特别别别别是是是是活活活活动动动动相相相相中中中中更更更更富富富富集集集集轻轻轻轻同同同同位位位位素素素素。如：如：如：如：C+C+16161616O CO CO CO C16161616OO2 2 2 2 平衡常数为平衡常数为K K K K1 1 C+C+C+C+16161616O O18181818O CO CO CO C16161616O OO O18181818O

25、 O O O 平衡常数为平衡常数为平衡常数为平衡常数为K K K K2 2 2 2 经实验测定经实验测定经实验测定经实验测定25252525 C C C C时时时时 K K K K1 1/K/K/K/K2 2=1.17=1.17=1.17=1.17。第23页，本讲稿共133页3 3平平衡衡分分馏馏：化化学学反反应应中中反反应应物物和和生生成成物物之之间间由由于于物物态态、相相态态、价价态态以以及及化化学学键键性性质质的的变变化化，轻轻重重同同位位素素公公别别富富集集在在不不同同分分子子中中发发生生的的分分异异，也也称称同同位位素素交交换换反反应应。达达到到同同位位素素交交换换平平衡衡时时共共存

26、存相相同同位位素素相相对对丰丰度度比比值为常数，称值为常数，称分馏系数分馏系数。如：如：1/3CaC16O3+H218O1/3Ca18O3+H216O25时同位素分馏系数时同位素分馏系数=1.0310。第24页，本讲稿共133页4 4生物化学分馏生物化学分馏：生物活动和有机反应也生物活动和有机反应也能导致的同位素分馏效应。能导致的同位素分馏效应。如植物的光合如植物的光合作用使作用使1212C C更多地富集于生物合成有机化合更多地富集于生物合成有机化合物中。物中。生物成因的地质体如煤、油、气等生物成因的地质体如煤、油、气等具有最高的具有最高的1212C/C/1313C C值。生物化学分馏是值。生

27、物化学分馏是同位素分异作用中重要的控制反应。同位素分异作用中重要的控制反应。第25页，本讲稿共133页（二）同位素组成的表示方法：（二）同位素组成的表示方法：1.1.同位素间的相对丰度（同位素间的相对丰度（R R）同同位位素素组组成成常常用用R R值值来来衡衡量量和和比比较较，如如大大气气中中的的1616O/O/1818OO比值：比值：R=R=1616O/O/1818OO=99.763/0.1995=500.065=99.763/0.1995=500.065，或或 R=R=1818OO /1616OO=2.010=2.010-3-3。第26页，本讲稿共133页2.2.2.2.同位素的相对富集度

28、（同位素的相对富集度（同位素的相对富集度（同位素的相对富集度（）R R R R值值只只代代表表同同位位素素的的相相对对丰丰度度。若若取取某某一一给给定定样样品品的的R R值值为为标标准准，则则可可测测得得各各地地质质样样品品中中R R R R值值值值与与与与标标标标准准准准间的绝对变差，以间的绝对变差，以间的绝对变差，以间的绝对变差，以 表示：表示：表示：表示：R R R R样样样样-R-R-R-R标标标标 R R R R样样样样 （）=1000=1000=1000=1000=1000=1000=1000=1000 R R R R标标标标 R R R R标标标标-1-1-1-1（二）同位素组成

29、的表示方法（二）同位素组成的表示方法第27页，本讲稿共133页从样品的从样品的 值，直接看出它含微量同位素比值，直接看出它含微量同位素比标准标准富集和贫化富集和贫化的程度。例如样品的的程度。例如样品的00，表明微量同位素比标准更，表明微量同位素比标准更富集富集；若；若01111,反应反应反应反应向右向右向右向右进行；当进行；当进行；当进行；当1110,物质来自亏损地幔物质来自亏损地幔;Nd(t)0,物质来自于地壳物质来自于地壳Nd(t)0,物质来自于未分异的原始地幔物质来自于未分异的原始地幔第76页，本讲稿共133页在在在在NdNd同位素示踪应用中，常结合同位素示踪应用中，常结合同位素示踪应用

30、中，常结合同位素示踪应用中，常结合SrSr同位素研究，构筑同位素研究，构筑同位素研究，构筑同位素研究，构筑Nd(t)-Sr(t)Nd(t)-Sr(t)图解图解图解图解 或或或或Nd(t)-Nd(t)-（8787Sr/Sr/8686Sr)tSr)t图解图解图解图解 Nd(t)Sr(t)亏损地幔亏损地幔年轻陆壳年轻陆壳古老陆壳古老陆壳 下地壳下地壳上地壳上地壳第77页，本讲稿共133页常常常常通通通通过过过过NdNdNdNd、SrSrSrSr同同同同位位位位素素素素进进进进行行行行壳壳壳壳幔幔幔幔体体体体系系系系的的的的同同同同位位位位素素素素示示示示踪踪踪踪，如如如如 NdNdNdNd（t t

31、t t）-SrSrSrSr（t t t t）图解，由）图解，由）图解，由）图解，由 NdNdNdNd（t t t t）=0=0=0=0和和和和 SrSrSrSr（t t t t）=0=0=0=0划分为划分为划分为划分为4 4 4 4个象限：个象限：个象限：个象限：象象象象限限限限：落落落落于于于于该该该该区区区区域域域域的的的的样样样样品品品品较较较较少少少少，仅仅仅仅有有有有受受受受海海海海水水水水蚀蚀蚀蚀变变变变的的的的蛇蛇蛇蛇绿绿绿绿岩岩岩岩，如如如如SamailSamailSamailSamail蛇绿岩蛇绿岩蛇绿岩蛇绿岩 NdNdNdNd（t t t t）=7.80.3=7.80.3=

32、7.80.3=7.80.3，SrSrSrSr（t t t t）=-20+30=-20+30=-20+30=-20+30。象象象象限限限限：源源源源自自自自亏亏亏亏损损损损地地地地幔幔幔幔的的的的样样样样品品品品均均均均落落落落入入入入该该该该象象象象限限限限，如如如如大大大大洋洋洋洋中中中中脊脊脊脊拉拉拉拉斑斑斑斑玄玄玄玄武武武武岩岩岩岩、海海海海岛岛岛岛玄武岩等。玄武岩等。玄武岩等。玄武岩等。象象象象限限限限：落落落落于于于于该该该该象象象象限限限限的的的的样样样样品品品品也也也也较较较较少少少少，如如如如下下下下地地地地壳壳壳壳麻麻麻麻粒粒粒粒岩岩岩岩相相相相岩岩岩岩石石石石具具具具此此此

33、此类类类类特特特特征。征。征。征。象象象象限限限限：源源源源于于于于地地地地壳壳壳壳物物物物质质质质的的的的样样样样品品品品主主主主要要要要落落落落于于于于该该该该区区区区域域域域，其其其其中中中中来来来来自自自自上上上上部部部部地地地地壳壳壳壳或或或或年年年年轻轻轻轻地地地地壳壳壳壳的的的的样样样样品品品品落落落落于于于于该该该该象象象象限限限限的的的的上上上上部部部部区区区区域域域域，来来来来自自自自下下下下部部部部地地地地壳壳壳壳物物物物质质质质或或或或古古古古老老老老地地地地壳壳壳壳物质的样品落于该象限下部区域。物质的样品落于该象限下部区域。物质的样品落于该象限下部区域。物质的样品落于

34、该象限下部区域。第78页，本讲稿共133页 需需需需要要要要指指指指出出出出的的的的是是是是：源源源源于于于于相相相相似似似似年年年年龄龄龄龄的的的的地地地地壳壳壳壳物物物物质质质质样样样样品品品品，Nd、Sr同同同同位位位位素素素素变变变变化化化化仍仍仍仍可可可可各各各各具具具具特特特特色色色色，通通通通常常常常 NdNd（t t）值值值值变变变变化化化化较较较较小小小小，而而而而SrSr（t）值值变变化化较较大大，地地壳壳样样品品中中 Sr（t）值值值值的的的的变变变变化化化化范范范范围围围围相相相相当当当当于于于于 NdNd（t t）值值值值的的的的1010100倍倍倍倍，这这这这表表表

35、表明大陆壳明大陆壳明大陆壳明大陆壳SrSr同位素成分变化较大。同位素成分变化较大。同位素成分变化较大。同位素成分变化较大。由上讨论可见，由上讨论可见，由上讨论可见，由上讨论可见，NdNd（t）SrSr（t t）图解是分析物质）图解是分析物质来源的有效方法，除此还可根据来源的有效方法，除此还可根据 NdNd（t t）和）和）和）和 Sr（t t）相关性来探讨壳幔演化，壳幔互相作用，地幔不均相关性来探讨壳幔演化，壳幔互相作用，地幔不均相关性来探讨壳幔演化，壳幔互相作用，地幔不均相关性来探讨壳幔演化，壳幔互相作用，地幔不均一性及成岩后的变化等。一性及成岩后的变化等。一性及成岩后的变化等。一性及成岩后

36、的变化等。第79页，本讲稿共133页五五五五.U-Th-Pb.U-Th-Pb.U-Th-Pb.U-Th-Pb法定年及法定年及法定年及法定年及PbPbPbPb同位素地球化学同位素地球化学同位素地球化学同位素地球化学（一）（一）（一）（一）U-Th-PbU-Th-PbU-Th-PbU-Th-Pb法定年法定年法定年法定年1.U1.U1.U1.U、Th Th Th Th PbPbPbPb同位素系统同位素系统同位素系统同位素系统U UU U有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：238238238238U(99.2739%)U(99.2739%)U

37、(99.2739%)U(99.2739%)、235235235235U(0.0057%)U(0.0057%)U(0.0057%)U(0.0057%)和和和和 234234234234U(0.0057%)U(0.0057%)U(0.0057%)U(0.0057%)。238238238238U/U/U/U/235235235235U=137.88U=137.88U=137.88U=137.88。ThThThTh只有只有只有只有232232232232ThThThTh，属天然放射性同位素。，属天然放射性同位素。，属天然放射性同位素。，属天然放射性同位素。自然界还有一些自然界还有一些自然界还有一些自然

38、界还有一些U UU U和和和和 ThThThTh的同位素都是的同位素都是的同位素都是的同位素都是238238238238U UU U、235235235235U UU U和和和和232232232232ThThThTh的短寿命且含量极微的中间子体。的短寿命且含量极微的中间子体。的短寿命且含量极微的中间子体。的短寿命且含量极微的中间子体。PbPbPbPb有四种同位素：有四种同位素：有四种同位素：有四种同位素：204204204204PbPbPbPb、206206206206PbPbPbPb、207207207207PbPbPbPb和和和和208208208208PbPbPbPb。其中只。其中只。

39、其中只。其中只有有有有204204204204PbPbPbPb无放射成因母体，而无放射成因母体，而无放射成因母体，而无放射成因母体，而206206206206PbPbPbPb、207207207207PbPbPbPb和和和和208208208208PbPbPbPb有放有放有放有放射成因铅射成因铅射成因铅射成因铅 加入。加入。加入。加入。第80页，本讲稿共133页2.U2.U、ThTh的衰变反应和定年原理的衰变反应和定年原理 238238238238U UU U、235235235235U UU U和和和和232232232232ThThThTh的衰变反应如下：的衰变反应如下：的衰变反应如下：的

40、衰变反应如下：238238238238U U U U 206206206206Pb+8+6Pb+8+6Pb+8+6Pb+8+6 235 235 235 235U U U U 207207207207Pb+7+4Pb+7+4Pb+7+4Pb+7+4 232 232 232 232Th Th Th Th 208208208208Pb+6+4Pb+6+4Pb+6+4Pb+6+4第81页，本讲稿共133页 根根根根据据据据衰衰衰衰变变变变定定定定律律律律，并并并并考考考考虑虑虑虑样样样样品品品品中中中中有有有有初初初初始始始始铅铅铅铅的的的的混混混混入入入入，存存存存在在在在以下等式：以下等式：以下等

41、式：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)-1)（2 2）(208208Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(208208Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(232232Th/Th/204204Pb)(ePb)(e3t3

42、t-1)-1)（3 3）以上等式中，（以上等式中，（以上等式中，（以上等式中，（206206Pb/Pb/204204PbPb）等分别为样品现今的）等分别为样品现今的）等分别为样品现今的）等分别为样品现今的PbPb同同同同位素比值，由质谱直接测定；（位素比值，由质谱直接测定；（位素比值，由质谱直接测定；（位素比值，由质谱直接测定；（206206Pb/Pb/204204PbPb）0 0等为样等为样等为样等为样品形成时的品形成时的品形成时的品形成时的PbPb同位素初始比值；同位素初始比值；同位素初始比值；同位素初始比值；(238238U/U/204204Pb)Pb)等分别为等分别为等分别为等分别为样

43、品现今的同位素比值，通过同位素稀释法测定并计样品现今的同位素比值，通过同位素稀释法测定并计样品现今的同位素比值，通过同位素稀释法测定并计样品现今的同位素比值，通过同位素稀释法测定并计算获得。算获得。算获得。算获得。11、22、33分别为分别为分别为分别为238238U U、235235U U和和和和232232ThTh的衰变常数；的衰变常数；的衰变常数；的衰变常数；t t为为为为样品形成的时间。样品形成的时间。样品形成的时间。样品形成的时间。第82页，本讲稿共133页方程（方程（方程（方程（1 1 1 1）和）和）和）和(2)(2)(2)(2)式联立，并整理得：式联立，并整理得：式联立，并整理

44、得：式联立，并整理得：(207207207207Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）-（207207207207Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）0 0 0 0 （206206206206Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）-（206206206206Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）0 0 0 0 =235235235235U(eU(eU(eU(e2t2t2t2t-1)/-1)/-1)/-1)/238 238 238 238U(eU(eU(eU(e1t1t1t1t-1)

45、=1/137.88(e-1)=1/137.88(e-1)=1/137.88(e-1)=1/137.88(e2t2t2t2t-1)/-1)/-1)/-1)/(e(e(e(e1t1t1t1t-1)-1)-1)-1)（4 4）3.U3.U、Th PbTh Pb法定年的优缺点法定年的优缺点从方程从方程从方程从方程(1)(1)(1)(1)、(2)(2)(2)(2)、(3)(3)(3)(3)和和和和(4)(4)(4)(4)可以得到可以得到可以得到可以得到4 4 4 4个相互独立的年龄个相互独立的年龄个相互独立的年龄个相互独立的年龄t t t t，用于内，用于内，用于内，用于内部检验。方程部检验。方程部检验

46、。方程部检验。方程(4)(4)(4)(4)年龄的计算不需要获得年龄的计算不需要获得年龄的计算不需要获得年龄的计算不需要获得235235235235U UU U和和和和 238238238238U UU U的原子数，的原子数，的原子数，的原子数，并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄误差。并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄误差。并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄误差。并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄误差。由于由于由于由于238238238238U UU U、235235235235U UU U和和和和232232232232ThThThTh半衰期较大，因此一般只适合于古老地

47、质半衰期较大，因此一般只适合于古老地质半衰期较大，因此一般只适合于古老地质半衰期较大，因此一般只适合于古老地质体的年龄测定。体的年龄测定。体的年龄测定。体的年龄测定。第83页，本讲稿共133页单颗粒锆石蒸发法也是锆石单颗粒锆石蒸发法也是锆石U UPbPb年龄测定中年龄测定中常用的方法，其特点是方法简便，成本较低。常用的方法，其特点是方法简便，成本较低。该方法是在连续升温、使锆石颗粒逐层不断蒸该方法是在连续升温、使锆石颗粒逐层不断蒸发的条件下测定铅同位素，获得不同温度阶段发的条件下测定铅同位素，获得不同温度阶段的（的（207207Pb/Pb/206206PbPb）*比值，计算年龄及作出比值，计算

48、年龄及作出年龄直方图，直方图上的峰值年龄代表锆石年龄直方图，直方图上的峰值年龄代表锆石的形成年龄。的形成年龄。第84页，本讲稿共133页4.4.应用条件应用条件（1 1 1 1）样品保持样品保持样品保持样品保持U-Th-PbU-Th-PbU-Th-PbU-Th-Pb的封闭体系。的封闭体系。的封闭体系。的封闭体系。（2 2 2 2）合理地选择铅同位素初始比值。合理地选择铅同位素初始比值。合理地选择铅同位素初始比值。合理地选择铅同位素初始比值。（3 3 3 3）U-Th-PbU-Th-PbU-Th-PbU-Th-Pb法定年所获得的法定年所获得的法定年所获得的法定年所获得的4 4 4 4个年龄值称表

49、面年龄，如个年龄值称表面年龄，如个年龄值称表面年龄，如个年龄值称表面年龄，如果这些表面年龄相对差异小于果这些表面年龄相对差异小于果这些表面年龄相对差异小于果这些表面年龄相对差异小于10%10%10%10%则称为一致年龄，它们则称为一致年龄，它们则称为一致年龄，它们则称为一致年龄，它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，且一自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，且一自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，且一自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，且一般为：般为：

50、般为：般为：t t t t208208208208tttt206206206206tttt207207207207ttt800、900石榴石石榴石800钙铝榴石钙铝榴石775独居石独居石600700榍石榍石500金红石金红石380420磷灰石磷灰石350Rb-Sr法法全岩全岩650、680750白云母白云母500、600650黑云母黑云母300、350长石长石300Sm-Nd法法全岩全岩650、750第112页，本讲稿共133页不同矿物同位素封闭温度表不同矿物同位素封闭温度表不同矿物同位素封闭温度表不同矿物同位素封闭温度表 测年方法测年方法矿物名称矿物名称封闭温度（封闭温度（）K-Ar和和Ar