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最新西北大学地球化学课件第五章

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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5 同 位 素 地 球 化 学主 要 内 容(重点为 同位素分馏和衰变的有关概念和理论, 算原理和方法, U—O、 C、 U—K—其它测年法介绍: 14 稳定 同位素基础 ; 氢、碳同位素地球化学 ; 硫同位素地球化学5 同 位 素 地 球 化 学 原子核组成 0时 ,质子 :中子 =1:原子序数 (质子数 )或中子数是 “ 幻数 ” 的元素丰度高幻数 2、 8、 14、 20、 50、 82、 126双幻数 4268O 281402008827138186363654098357N 2612919K 88383856395740580048210个同位素 ) 20682 1H—·10 3 6 9005. 10B— 12C— 14N— 16O— 19F—10010. 20 230012. 24 00280032S—00460054005800740090009200102001240013000142001560016213616400168001960023200243U— 同 位 素 地 球 化 学 放射性衰变: 某种元素的原子核自发地放射出粒子(或射线 )而转变成其它元素的原子核的过程叫放射性衰变。这类核素称为天然放射性同位素,共约 64种,大多数 A> 任一放射性核素衰变掉初始原子数一半所需的时间。天然放射性衰变的类型有 :1)α 衰变 粒子 (即氦核 42转变成其它元素原子核的过程叫 α 衰变 . α 衰变的母核与子核原子序数相差 2,质量数相差 22688 → 22286 42 即电子 )而转变成其它元素原子核的过程叫 β 实质是母核内一个中子分裂为一个质子 、 一个电子( 即 β - 质点,被射出核外) ;例如 : 8737→ 8738 β - ; 4019K → 4020β - ; β ,质量数相等 放射性衰变:3)电子捕获 层或 数为 与一个质子结合变成一个中子。 衰变产物核质量数不变,核电荷数减 1。例如:4019K+ 401813857 13856轻 核聚变 原子 核聚合成一个重核。5 同 位 素 地 球 化 学 放射性衰变:5)重核裂变 同时放出中子和能量的衰变叫重核裂变。分为自发裂变和诱发裂变。自然界只有 2353823592U 305投射的核叫弹核或核弹 (中子 、质子 、 α 粒子 …. 等 ) 黑云母 >白云母 > 正长石 > 钠闪石 > 辉石 > 石英N% 在岩石中含量 : 超基性岩 多地核 单位 2 11 1135 同 位 素 地 球 化 学 然界中的铷和锶2)自然界中的锶锶的同位素 : 8486 稳定同位素87 放射成因子核 ,不断增加3888 含量的原因?锶的类质同象有二个系列 :+( r 2+ a 2+ + b + r 2+ a 2+( ( ( ( (类岩石 超基性岩 多 少锶在沉积岩矿物中含量高 , 2磷灰石 同 位 素 地 球 化 学 然界中的铷和锶锶 然界中的铷和锶 3) 地球锶演化 :地球锶同位素的演化大约在 46亿年左右开始的 ,那时原始锶的(876比值为 以玄武质无球粒陨石的(876值作为标准 。地球形成后 ,由于 877 86所以随时间推移 锶同位素 ( 876 不断增长 。在上地幔 ,由于 锶同位素 增长线是以 其中 A、 在地球形成的初期 , (876值较大 ,因 此 (876值增长较快 , 锶 增长线 在距今 29亿年时 ,地幔分异出地壳 至使 上 地幔 的(876值增长减慢 ( 曲线趋平 ) 。然界中的铷和锶 3)地球锶演化 :现今未亏损地幔的 (876值介于 A、 ;上地幔 7604 (。在地壳 (:29亿年前地壳形成时 (876始值为 其后 ,由于 大陆壳 (r)比值大约是 上地幔的十倍,且富含放射成因锶 87 锶同位素沿着 (r)=速增长, 现今 大陆壳的 (876值为 自然界中的铷和锶4) (876 然界中的铷和锶 4) (876 的应用 :(1)判断花岗岩的物质来源和成因方式 :① 低初始值的花岗岩 :初始值 (876< 位于上图地幔源区内 ( ;物质来源 成因方式 再由原始玄武岩浆分异结晶而成 。② 高初始值的花岗岩 :初始值 (876位于上图的陆壳增长线 ( 两侧附近及其上 。这些岩石在形成以前 , 其大部分物质已呈硅铝质地壳存在了 。物质来源 即来自古老基底硅铝酸性岩石 。成因方式 然界中的铷和锶 4) (876 的应用 :③ 中等初始值的花岗岩 :初始值 (876介于上图的 1线之间 ,即位于地壳锶和地幔锶增 长线 之间 。物质来源 或来自壳幔混和的源区 , 或来自地壳下部 麻粒岩相高级变质岩等 。成因方式 例如:花岗岩株可能由玄武质小型侵入体与地壳围岩同化混染形成 ;造山带花岗岩可能因挤压磨擦升温 ,深部壳幔物质熔融混和而来 ;前寒武纪花岗片麻岩可能由超变质混合岩化 、 花岗岩化而来 。)各类玄武岩的 876 明地幔不均一5 同 位 素 地 球 化 学 岩 一组同源的、同时形成的、经过锶均一化的、化学成分有差异的样品 (岩石或矿物 ),自结晶以来保持封闭状态 ,它们具有相同的初始值 (876 876(876= (876 + (876eλ t—1)Y = b + x 876 76 至少 5个样) 岩石或矿物 )的年龄有关 ,而截距 通过估算 (876计算得来的 1C B 当 t>0时 , 即等时线 当 t=0时 ,纵标为初始值 ;当 t>0时 ,1因 : 一个母核变为一个子核故 : 123线斜率皆为 23线平行 ;三角形 即 7687660t= 0(876= (876 + (876eλ t—1)Y = b + x m=(876 -(876876Sr=eλ t -1=eλ t t= 1λ t=1)t=(1/λ )1)t=( )m+1)5 同 位 素 地 球 化 )全岩 对于遭受中浅变质作用基本保持总体封闭的地质体,可以同时测单矿物和全岩两条等时线,以求出变质和成岩两个年龄。常用于测定的单矿物为云母、长石、磷灰石等。陨石等时线 年龄3) 陨石的 b –吉林陨石等时线 年龄吉林陨石 景资料 ] : 吉林陨石雨1976年 3月 8日 15时 1分 50秒左右,一颗重约 4吨的陨石从地球公转轨道的后方以每秒15- 18公里的相对速度追上地球,当它飞临吉林省吉林市北郊 19公里高空时发生了一场蔚为壮观的陨石雨。这就是闻名中外的吉林陨石雨。共收集到 138块标本、总重量超过 2700公斤 , 其中,最大的 “ 吉林一号 ” 陨石重达1770公斤,是目前已知的世界上最大的单块石陨石。吉林陨石是一颗有近 47亿年年龄 、直径约 440公里的小行星的一部分。 随着 “ 吉林一号 ” 陨石落地,落点附近翻滚着升起一股黄色的蘑菇状烟云,高约 50米。浓烟散尽,地面出现一个直径 2米、深 6. 5米的陨石坑。 吉林陨石属橄榄石-古铜辉石球粒陨石,或高铁( 粒陨石。《 吉林陨石雨 》 邮票由吉林省邮票公司设计师于卫华设计,共三枚。第一枚:降落 ; 第二枚:分布 ; 第三枚:一号陨石月岩年龄 b 龄踪5 同 位 素 地 球 化 U—然界中的 U 、 U 、 地幔 下地壳 上地壳 超基性岩 基性岩 中性岩 酸性岩92U t 207t 206 t U 射法( 含铀钍矿物法 )年龄中 四个年龄值的讨论:1、 放射法年龄 优点: U 、 能同时得四个年龄,可用于内部检查;2、样品对象: 采大样,一般约 50公斤挑选 含 U、 单矿物,如 锆石(最理想,普通铅含量认为接近于 0) 、沥青铀矿、独居石、榍石、磷灰石、钍石等;前三者量 后面 2、一致年龄和不一致年龄:如是理想的封闭体系,四个年龄值应是相同的,称为一致年龄或和谐年龄;反之如有母或子体的得失,则四个年龄不同,为不一致年龄。4、正常情况下四个年龄的差别:与真实值相比 均偏小; 一般 , t( 207 206>t 207t 206 t 208因:氡的丢失或铅的丢失、半衰期的不同等;一般比值年龄可靠; t( 207 206优点是精度高( 20706失率相等 )、实验人员不接触有害元素5、晶质铀矿、沥青铀矿(未受变质作用下) U - 往得出一致年龄;锆石用得最广泛,但年龄不可靠,然却可用 图解法 得出可靠的年龄和事件年龄6、年龄计算方法和普通铅的校正:精确年龄计算真实年龄时,必须准确地扣除混入的普通铅,称为 普通铅的校正 。如样品中存在 204普通铅存在越少年龄越精确 。校正普通铅方法有直接法、(全岩)等时线法。因此, 含铀钍矿物法年龄 的获得通常采用以下三种计算方法: ( 1)单颗粒锆石法。分化学法及离子探针质谱法( 近似认为 普通铅含量接近于 0, 但应正确区分锆石的成因类型。 206238U (t—1) ;2071 (35t—1) ; 207235U (t—1) ; 20832Th(t—1)20638t—1) ( 2) 普通铅直接校正方法:采用与样品共生(不是伴生)但不含铀、钍的方铅矿、或其他钾长石等硫化物或造岩矿物中的铅同位素校正普通铅。例如对共生的晶质铀矿 别测出两种矿物的 204 206 207 208可算出 晶质铀矿的各放射性成因铅同位素的量值:206晶 = 206 206 (204 204207晶 = 207 207 (204 204208晶 = 208 208 (204 204, 因此,四个年龄是:206 = 238U (t—1) ; 207 = 235U (t—1) ;208 =232Th(t—1)207 / 206 = (35t—1) / 38t—1) ( 3) (全岩)等时线法:四个系列等时线中只有 品取全岩,不能取单矿物:非封闭体系时仍适应。= 20704 (20704 = (35t—1) 206 20604 (20604 38t—1) 斜率 : m= (35t—1) 38t—1) 20704 . .. θ14 206040 15 20 25 30 35 40 致曲线 :如果样品的母核铀和子核铅保持封闭 ,那么放射性成因子核与母核的比值随时间而有规律的增加 ,在 207 235 238样品 207 23506238不一致线 :如果样品的母核铀和子核铅不能保持封闭 ,那么样品的207 23506 238如果样品的铅丢失或铀获得 ,则坐标点落在一致曲线的下方 ;如果样品的铅获得或铀丢失 ,则坐标点落在一致曲线的上方 射性成因 铅 ,随后又保持 封闭 ,那么一组经历相同的样品 ,在 207 23506 238即不一致线。交点 )(上交点 )不一致线与一致曲线相交于两点 :上交点为样品形成的年龄 ,下交点为次生事件或铅丢失的年龄 普通铅法 :普通铅法 :地球形成 岩石或矿物形成 现在(原始铅 ) 地幔 脱离地幔、铀铅分离T(a0 第一 阶段 t 第二 阶段 0 普通铅同位素组成 206042070420704用这种规律来测定非放射性铅矿年龄的方法。常用于不含 U、 岩石矿物测年。与放射法测年是完全不同的两个概念。对象:以非 放射性含铅矿物和不含放射性的矿物和岩石为测试对象。尽量要扣除放射成因铅。所测年龄为铅矿石与岩浆源分离的年龄,为地球形成到铅的最后矿化所经历的时间。现存的同位素组成就代表成矿作用时岩浆的同位素组成。样品:方铅矿、黄铁矿、闪锌矿;长石等普通铅法 : :206 206238U (38- 238U (38X=20604( 20604+(238U/204(38-(238U/204(38令 : ( 20604= .307(238U/204 =μ则上式为 : X= 20604 μ (38T- 38t) Y=20704 20704+(235U/204(35-(235U/204(35=20704 (235U/20435T- 35t) (235U/204= υ= φ 斜率 = 1 . 3535 38T - 38t 时为地球年龄线,外来铅影响年龄精度e λ 238T _ e λ 235 238T_ e λ 238 φ =1/204; 206 207208353538T - .1 铅 增长线不同源区铅同位素铅 增长线图例: 石陨石 O 现代沉积物)陨石和现代大洋沉积物的铅等时线表示了一个 T=( 依据的常数是 入 1 238U= 和 入 2235U=年 同 位 素 地 球 化 学 K—岩石中的 同 位 素 地 球 化 学 K— 中子数为 20;4019K 奇 放射性同位素 ,=4119K 中子数为 22,奇 —偶型 , 稳定同位素 403618中子数为 18;3818中子数为 20;中子数为 22, 由 4019大气圈中 构成大气氩 4018618 1(大气氩常数 )过剩氩 :指岩石矿物形成时继承和从周围介质中捕获的氩 ,即非放射性成因氩 同 位 素 地 球 化 学 K— 4018和 β -( 4020衰变两种方式。 4018+ 4020= 4019K(eλ t - 1)只计算 40 4018= (λ e/λ ) 4019K(eλ t - 1) 018 4018+ 4020= 4019K(eλ t - 1)只计算 40 4018= (λ e/λ ) 4019K(eλ t - 1) t = λ 4018 +1λ e 4019t= 1 λ . 40 +1) λ λ e 40同 位 素 地 球 化 学 K— 时线氩丢失 氩 过剩4018 4018 (λ e/λ )4019K(eλ t - 1)斜率 : m= (λ e/λ )(eλ t - 1) = 角闪石、白云母、辉石、 黑云母、钾长石、火山岩全岩a:年轻火山岩、角闪石、白云母类等 b:黑云母、钾长石类c:辉石类、变质岩类 m= (λ e/λ )(eλ t - 1) N 3918 P , = 269年 射产生的 391839183919(ε)ζ(ε)δε φ (ε ) 的快中子通量密度 ;ζ (ε ) 时 39中子的浮获截面积 ;∫ δε—积分号是表示对全部入射 中子的能量变化 据自然 40= (λ e/λ ) 40K(eλ t - 1) = 39φ (ε )ζ (ε )δε 9 理 :1式除 2式 :40= λ e . 40K . (eλ t - 1) 39K ΔT∫φ(ε)ζ(ε)δε令 : 1 = λ e 40K J λ 39K ΔT∫φ(ε)ζ(ε)δε则 3式改写为 : 40= eλ t - 139 J 年龄公式 )整理 : eλ t– 1 = 9 t= 1 . 40+1) 9 403940扣除大气氩后的放射性成因氩 ); 反应堆固定 截面积和通量监测体获得 9 坪年龄年龄譜钾 龄测试 误差及样品适用性:1)结果的误差 :一是 40丢失,造成结果偏低,二是做样品中混入了大气或其它成因 40测得年龄偏老。2)样品的适用性 ;适用于具有显晶结构的岩浆岩和变质岩, 特别是年轻的火山岩 。对于有复杂历史的变质岩钾 积岩除可以分选出海绿石或钾盐单矿物外基本不适用。可选用的单矿物有:角闪石、辉石、白云母、黑云母、海绿石。409点: 1)氩比值测定代替钾、氩绝对量的测定,提高了分析精度2)受过热扰动的样品也适应,且能测出受热时间3) 409较强的放射性,数据处理复杂5 同 位 素 地 球 化 学 m— 岩石中 62043 42m—式
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