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GeoChem


2016/2/12

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地球化学
Geochemistry

本 章 主 要 内 容

一、自然界同位素

丰度变化的原因 二、同位素地质年代学 三、稳定同位素地球化学 四、同位素示踪技术

2/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

地球化学
Geochemistry

第三章 同位素地球化学
Ch3 Isotope Geochemistry

3/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

一、什么是同位素地球化学?

地球化学
Geochemistry

同位素地球化学是研究地壳和地球中核素的 形成、丰度及其在地质作用中分馏和衰变

规律,并利用这些规律解决有关地质地球
化学问题的科学。

4/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、同位素地球化学的一些基本概念
核素 Nuclide 同位素 Isotope 稳定同位素 Stable isotope 放射性同位素 Radioactive isotope

地球化学
Geochemistry

同位素分馏 Isotope Fractionation
同位素衰变 Isotope radioactive decay
5/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、同位素地球化学的一些基本概念
1. 核素

地球化学
Geochemistry

核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种
原子。例如,原子核里有6个质子和6个中子的碳 原子,质量数是12,称为碳-12核素,或写成12C核 素。原子核里有6个质子和7个中子的碳原子,质 量数为13,称13C核素。氧元素有16O,17O,18O三

种核素。具有多种核素的元素称多核素元素。自
然界仅有一种核素存在的元素称为单核素元素,

如氦、氟、铝、钠等20种元素。
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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、同位素地球化学的一些基本概念

地球化学
Geochemistry

2. 同位素:质子数相同而中子数不同的一组核素称为 同位素
我们可以把一个族看作一个大家庭,族内的元素看作是兄弟姐 妹。在人类的家庭中,有孪生兄弟的不太常见,而每个元素 几乎都存在着“孪生”现象。如氧就是一个3孪生兄弟的集合 体,锌有6孪生兄弟姐妹。我们把元素的孪生兄弟姐妹们称为 同位素,有的元素有一个同位素,而有的元素的同位素却多 种同位素。同位素的多到十几或二十几个,如锡有26种同位 素。 同位素的特点是质子数相同,中子数不同,原子量也不相同。 由于决定元素化学性质的主要是质子数和核外电子数及其排 列特征;对同一个元素而言,只要质子数相同,它的同位素 之间的化学性质就是相似的。
7/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、同位素地球化学的一些基本概念

地球化学
Geochemistry

3. 稳定同位素(Stable isotope):目 前技术条件下无可测放射性的同位素 4. 放射性同位素(radioactive Isotope):凡能自发地放出粒子并衰 变为另一种同位素者为放射性同位素

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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、同位素地球化学的一些基本概念

地球化学
Geochemistry

5. 同量异位数:质子数不同,而质量数 相同的一组核素,如:
?
86Rb-86Sr

?
? ?

144Sm-144Nd
40K-40Ar-40Ca 206Pb-206Tl, 204Pb-204Hg

? 教材中表1-9
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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、同位素地球化学的一些基本概念

地球化学
Geochemistry

6. 同位素分馏:在地质过程中,由于质 量差异所导致的轻稳定同位素(Z<20)的

相对丰度发生改变的过程。
7. 同位素衰变:放射性同位素经过自然 衰变, 转变为其它元素的同位素的过程

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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

三、同位素丰度变化及其地质应用
1. 同位素丰度 (isotope abundance)

地球化学
Geochemistry

? 绝对丰度
指某种同位素在所有稳定同位素总量中的相对份额,常 以该同位素与1H(取1H=1012)或28Si(取28Si=106)的比 值表示。绝对丰度一般由太阳光谱和对陨石的结果得 出元素组成,结合各元素的同位素组成计算的。

相对丰度
指同一元素各种同位素的相对含量。例如:碳有两种稳

定同位素12C=98.10%,13C=1.10%
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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

三、同位素丰度变化及其地质应用

地球化学
Geochemistry

2. 自然界引起同位素丰度变化的主要因素
1) 同位素衰变(同位素年代学的基础) 2) 同位素效应与同位素分馏 (稳定同位素的主要研究内容) 3) 核合成: 聚合反应 4) 其它:人工核反应堆(核裂变)、核爆炸(核武器)

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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

三、同位素丰度变化及其地质应用
3. 同位素丰度变化的地质应用
1) 同位素地质定年 (isotope dating)

地球化学
Geochemistry

2) 地球化学示踪 (Trace)

地质时钟 (geochronometer)

每一对放射性同位素都是一只时钟,自地球 同位素成分的变化受到 环境和作用本身的影响, 3) 地质温度计 (geothermometer) 形成以来它们时时刻刻、不受干扰地走动着, 为此,可以用同位素成分的变异来指示地质 我们可以利用放射性同位素的这一特性测定 由于某些矿物同位素成分变化与形成的温度有 4) 其它 体形成的环境条件、机制,并能示踪物质来 各种地质体的年龄,特别适合岩浆岩、显生 关,因些可用来设计各种矿物对的同位素温 同位素技术还可以用于矿产勘查、环境监测、 宙的前寒武纪地变质地层及其它复杂地质体 源。 度计来测定成岩-成矿温度。 地质灾害预报 的年龄。
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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

四、同位素分析技术
TIMS

地球化学
Geochemistry

Mc-ICP-MS
SHRIMP LA-Mc-ICPMS

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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

质谱仪
special high resolution ionic mass probe

地球化学
Geochemistry

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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

地球化学
Geochemistry

第三章 同位素地球化学
Ch3 Isotope Geochemistry

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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

地球化学
Geochemistry

? ? ?

地球的年龄是多少?是怎么获得的? 如何测定一个地质体的年龄? 同位素年龄在地质学研究中有何意义?

17/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

地球化学
Geochemistry

18/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

地球化学
Geochemistry

要求掌握的内容
? 同位素衰变的概念与同位素衰变形式
? 放射性衰变定律 ? 同位素地质年代学原理

? 同位素方法测定地质年龄的前提条件
? 同位素测年方法分类
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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

一、放射性衰变与同位素衰变形式
放射性衰变 isotope radioactive decay :

地球化学
Geochemistry

放射性同位素经过自然衰变, 转变为其它 元素的同位素, 结果母核素不断减少, 而子

核素不断增加, 从而改变着母核素和子核
素的成分,它是放射性原子核的一种特性, 不受外界物理化学条件的影响。
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第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

一、放射性衰变与同位素衰变形式

地球化学
Geochemistry

1. α-衰变(ALPHA DECAY) :放射性母核放出α 粒子。

A Z
例如:

X?

A?4 Z ?2
222 86

Y ? He ? E
4 2
4 2

226 88

Ra?

Rn? He ? E

由上式可见,新核的同位素原子序数比母核少 2,质量数少4。自然界的重同位素如235U、
238U、232Th等都以α-衰变为主。
21/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

一、放射性衰变与同位素衰变形式
2. β 衰变(Beta Decay),也称负电子衰变:
-

地球化学
Geochemistry

即放射性母核中的1个中了分裂为一个中子分裂为1 个质子和1个电子(即β-粒子),同时放出反中微子γ其 通式为: A A ? Z Z ?1

X? Y ? β ?γ?E

衰变的结果是,核内减少一个中子,增加1个质子, 新核素的质量数不变,核电荷数加1,变成周期表右 侧相邻的新元素
87 37

Rb? ?? Sr ? β ? γ ? E
87 38

β?

?

40 19
22/44

K? ?? Ca ? β ? γ ? E
40 20
第一节 同位素地球化学基本概念

β?

?

第三章 同位素地球化学

一、放射性衰变与同位素衰变形式
3. 正电子衰变(β+)

地球化学
Geochemistry

很多放射性核素通过发射带正电荷的电子(正电子)

而衰变。正电子发射被认为是核中的质子转变为中
子,正电子和中微子。显然,其衰变的产物与电子 捕获相同。正电子衰变产生的于核是同量异位素, 并且比母核少一个质子。
A Z

X?

A Z ?1
18 8

Y ? β ?γ?E
?

?

18 9
23/44

F? O ? β ? γ ? E
第一节 同位素地球化学基本概念

第三章 同位素地球化学

一、放射性衰变与同位素衰变形式

地球化学
Geochemistry

4. 电子捕获:是母核自发地从核外电子壳层捕获一 个电子(e),与质子结合变成中子,质子数减少1 个,通式为:
A Z
-

X ?e ?

?

A Z ?1

Y ?E

这是β 的逆向变化。由于电子捕获过程通常是在 K层上吸取一个电子,因此也称为K层电子捕获 。衰变的产物为质量数不变,质子数(核电荷数) 减1,变成周期表上左邻的新元素。如:

40 19
24/44

K ? e ? Ar ? E
40 18
第一节 同位素地球化学基本概念

?

第三章 同位素地球化学

一、放射性衰变与同位素衰变形式
5. 单衰变与系列衰变的概念

地球化学
Geochemistry

放射性同位素经过一次衰变,形成稳定
子体同位素的过程,称作单衰变。如
87Rb经过一次β—衰变,变成稳定同位素
87Sr。

87 37

Rb? Sr ? β ? γ ? E
87 38
第一节 同位素地球化学基本概念

?

25/44

第三章 同位素地球化学

一、放射性衰变与同位素衰变形式
5. 单衰变与系列衰变的概念

地球化学
Geochemistry

位于化学元素周期表后面的一些重同位素,需要经过一系 列衰变,才能最终形成稳定同位素。这样的衰变过程称作 系列衰变。如238U经过8次α衰变和6次β—衰变,最终才能 形成稳定同位素206Pb。至今存在于地球上而又能用于地质 年龄测定的天然系列衰变有铀系(238U)、锕系(235U)和钍系 (232Th)
235 92 238 92

U?

207 82

Pb ? 7α ? 4 β

? ? ?

U?

206 82

Pb ? 8α ? 7 β

232 90
26/44

Th?

208 82

Pb ? 6α ? 4 β

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

一、放射性衰变与同位素衰变形式
235

地球化学
Geochemistry

U→207Pb

238

U→206Pb

27/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

一、放射性衰变与同位素衰变形式
Th 90 Ac 89 Ra 88 Fr 87 Rn 86 At 85 Po 84 Bi 83 Pb 82 Tl 81
216 220 228 232

地球化学
Geochemistry

Th

228

Th

(钍)
228

( 放 射 钍) Ac β

232

α
Ra

(中 间钍2)

α
224

β

Ra

(中 间钍1)

(钍X)

α
Rn

Th ↓ 208Pb

( 放 射 氡)

α

216

At

Po

β(0.013%)

212

α

Po

(钍A)

(钍C' )
(66.3%) β

α
(~100%)
212

(钍C) β

α
208

Pb

α
β
208

Pb

(钍B)

(33.7%)

(稳定 同位素)

Tl

( 钍C ")

28/44

图4-3 Th 放射性衰变系列图解(根据 Fried Lander 和 Kenned,1949) 第三章 同位素地球化学 第一节 同位素地球化学基本概念
232

二、放射性衰变定律

地球化学
Geochemistry

我们把正在衰变的核素称为母核(体),衰变的 产物称为子核(体)。自然界的放射性同位素虽 然衰变的方式和产物不同,但都服从一个放射 性衰变定律,即:

在一个封闭的系统内,单位时间内放射性母核
衰变为子核的原子数与母核原子数成正比。
29/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、放射性衰变定律
△N∝N?△t
dN ? ? ?d t N
其中 N:在 t 时刻未衰变完母核的原子数 -dN/dt :单位时间内所衰变的原子数
?N ? ?? ? N ?t

地球化学
Geochemistry

dN ? ?? ? N dt

(1)

λ:衰变速率常数,简称衰变常数,即单位
时间内衰变几率,用1/年、1/秒表示
30/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、放射性衰变定律
dN ? ?? ? N dt dN ? ??dt N

地球化学
Geochemistry

假设:T0时刻母核的原子数为N0,经过t时到达T时刻,母
核的原子数为N,N的数值可以对上式积分求得:
t T0 ? ?? T

N0

?N

?

N

N0

T dN ? ? ? ? dt T0 N

lnN - lnN0=-λ(T- T0)=-λt
ln(N /N0)=-λt

N/N0

=e-λt

N=N0e

-λt

(2)

此式说明,放射性同位素原子核的总核数随着时间的减少服 从于指数定律。这是放射性衰变基本定律,也是同位素地质 年代学的基本公式。
31/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、放射性衰变定律

地球化学
Geochemistry

放射性同位素(N)随时间衰减, 子核(D)随时间增长的理论曲线
32/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、放射性衰变定律

地球化学
Geochemistry

放 射 性 计 时 器 的 原 理

33/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

二、放射性衰变定律
半衰期(Half-life) : 母核衰变为其原核数的一半所经历的时 间,用T1/2表示。
由 N/N0 =e-λt

地球化学
Geochemistry



1/2=e-λT1/2

两边取对数:
-ln2 =-λT1/2

T1/2 ≈ 0.693/λ
34/44

(3)
第一节 同位素地球化学基本概念

第三章 同位素地球化学

三、 同位素年代学的基本原理
假设:以Dr表示由经过t(T0→T)母核主成的 子核数,则: Dr=N0-N 把N0=N eλt 代入上式

地球化学
Geochemistry

Dr = N eλt –N=N(eλt-1)
经整理得:

(4)
(5)

1 Dr t ? l n (1? ) λ N

Dr/N是现存子核和母核的原子数比值。 上述两式是同位素年龄测定的基本公式,不同 的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。
35/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

三、 同位素年代学的基本原理

地球化学
Geochemistry

实际上现在测定的子体不一定都是放射性成 因,在地质体(如岩石、矿物)形成时就已 经存在。设现在测定的子体总数为D,地质 体形成时的子体数为D0,则:

D=D0+Dr, 即: D= D0+N(eλt-1)
36/44

Dr=D-D0

(6)

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

三、 同位素年代学的基本原理

地球化学
Geochemistry

相应 的(5)式改写为
D - D0 1 t ? l n (1? ) λ N

(7)

37/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

三、 同位素年代学的基本原理
放射性衰变规律主要表达式
dN/dt = -λN (1) (2) (3) (4) (5) (6) (6)

地球化学
Geochemistry

N = N0 e-λt
N0 = N eλt

Dr = Neλt –N = N(eλt -1)
D = D0+N(eλt -1)

1 Dr t ? ln (1 ? ) λ N
38/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

四、放射性同位素年龄测定的前提条件

地球化学
Geochemistry

要利用公式t=(1/λ)ln[1+(Dr/N)]来测 定岩石矿物年龄,应满足以下条件:
1. 就有适当的半衰期,这样才能积累起显著数量的 子核,同时母核也未衰变完。如果半衰期太长, 就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的

子核;如果半衰期太短,没有多久,母核几乎衰
变完了,也就是我们已经测不到母核了。
39/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

四、放射性同位素年龄测定的前提条件

地球化学
Geochemistry

要利用公式t=(1/λ)ln[1+(Dr/N)]来测 定岩石矿物年龄,应满足以下条件:
2. 所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求 3. 放射性同位素就具有较高的地壳丰度,在当 前的技术条件下能以足够的精度测定它及它 所衰变的子体含量。
40/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

四、放射性同位素年龄测定的前提条件

地球化学
Geochemistry

要利用公式t=(1/λ)ln[1+(Dr/N)]来测 定岩石矿物年龄,应满足以下条件:
4. 矿物、岩石结晶时,只含某种放射性同位素, 而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分 子体

,其数量变是可以估计的。
5. 保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一

直保持封闭系统,即没有增加或丢失放射同位
素同位素及其衰变产物。
41/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

地球化学
Geochemistry

目前地质上使用的同位素测年方法

42/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

同位素测年方法 目前,对前新生代,较为成熟和最常用 的同位素测年 有:
K-Ar 法 和 39Ar-40Ar法
Rb-Sr 法 U-Th-Pb法 Sm-Nd 法 (La-Ce法,Lu-Hf法) Re-Os 法 (Os-Os法) 测定第四纪同位素年代的方法主要有14C法
43/44

地球化学
Geochemistry

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念

思考题:

地球化学
Geochemistry

一、掌握基本概念(同位素、放射性同位素、稳 定同位素) 二、同位素衰变: 放射性衰变、主要放射性衰 变形式、单衰变(举例说明)、系列衰变(举

例说明)、半衰期
三、同位素衰变定律(基本公式)
44/44

第三章 同位素地球化学

第一节 同位素地球化学基本概念


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