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同位素地球化学2008

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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同位素地球化学任课教师:吴元保15071428866、时间2、物质来源3、作用过程同位素地球化学绪 论一、同位素地球化学的学科性质同位素地球化学是研究地球和宇宙体中核素的形成、丰度以及在自然作用过程中分镏和衰变规律的科学。它是地球化学的一个分支学科。同位素的定义 所谓同位素是指同一元素原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子,它们在元素周期中占据同一个位置。 例如,硫有 4个同位素,它们分别为 32S、 33S、 34 4个同位素都有 16个质子,因而它们都位于元素周期表第三周期第 ⅥA 族。一个元素可以由一种或几种同位素组成。 同位素地球化学是研究同一元素具有 2个或 2个以上组成的核素。同位素地球化学在地学领域的作用:计时作用:每一对放射性同位素都是一只时钟,可以测定各种地质体的年龄。示踪作用:利用同位素成分变化指示地质体形成的环境条件、机制,示踪物质来源。测温作用:由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关,为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计,来测定成岩成矿温度。同位素分类一类是放射性同位素,它们能够自发地衰变形成其它同位素,最终转变为稳定的放射成因同位素;另一类是稳定同位素,它们不自发地衰变形成其它同位素或由于衰变期长其同位素丰度变化可忽略不计。天然放射性同位素丰度的变异记载着地质作用的时间,同时它们又是地质过程有效的示踪剂,对于稳定同位素丰度的变异或分镏除了示踪地质过程外,还可指示地质过程中的物理化学条件等。同位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演化,主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值的信息,为地球科学从定性到定量的发展作出了重要贡献。• 学科基本任务:1、研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史;2、同位素地质计时,为地球和太阳系的演化确定时间坐标;3、研究同位素在宇宙、地球和地球各圈层中的分布、分配,不同地质体中的丰度及其在地质过程中的活动、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,据此来探讨地质作用的演化及物质来源。研究领域包括有两个方面:1、放射同位素地球化学:定年 测定地质对象的年龄与演化历史; 示踪 确定地壳、地幔和其他星体的成因与演化;2、稳定同位素地球化学: 地质体中稳定同位素的分布及其在各种条件下的运动规律,并应用这些规律来解释岩石和矿石的形成过程、物质来源及成因等问题。二、同位素地球化学的发展现状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,与这些学科交叉融合:如:大地构造学、岩石学、矿床学、海洋学、环境科学、空间科学等。主要发展方向:1、实验测试技术不断完善和提高;2、多元同位素体系的综合研究;3、研究领域不断扩大;4、各种新方法的出现;5、建立各种理论模型。三、有关同位素地球化学的文献与著作文献:1、 石学报9、地球化学……著作:1、 1986. 1989, 1988, n 1995, 1997, 永飞等, 2000,稳定同位素地球化学 , 科学出版社7、沈渭洲, 1993,稳定同位素地质,原子能出版社四、我国同位素地球化学的学术团体我国同位素地球化学的研究工作从 1958年开始,目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。学术团体:1、中国矿物岩石地球化学学会 —同位素地球化学专业委员会2、中国地质学会 —同位素地球化学专业委员会放射成因同位素地球化学放射性衰变: 自然界中部分核素在能量上处于不稳定状态 , 自发地从某一元素的同位素衰变成为另一元素的同位素 , 并伴随各种粒子形式的能量释放的过程称为放射性衰变 。发生放射性衰变的同位素称 放射性同位素 , 或母体同位素放射性衰变过程中及最终形成的稳定同位素称为 放射成因同位素 , 或子体同位素具有天然放射性 /放射成因同位素的元素放射同位素衰变特点衰变作用是发生在原子核内部的反应,反应结果由一种核素变成另一种核素;衰变自发地不断地进行,并有恒定的衰变比例;衰变反应不受温度、压力、电磁场和原子核存在形式等物理化学条件的影响;衰变前和衰变后核数的原子数只是时间的函数。通常我们把衰变前的核素称为母体(母核),而衰变后新形成的核素称为子体(子核)。• 根据放射性同位素以上特性,放射性同位素衰变定律为单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式如下:• N• 式中: dN/号表示 λ为衰变速率常数,表示单位时间内发生衰变的原子的比例数,用实验方法测定,其单位为 1/年或 1/秒。半衰期• 母体同位素原子半数发生衰变所经历的时间 , 并用 表示 , 用以衡量放射性母体同位素发生放射性衰变的相对快慢 。其表达式为:=A to 射性衰变引起的同位素组成变化是微小的,对其绝对含量或原子数的测定,常规分析方法难于满足测定要求;而事实上高精度的同位素质谱只能测定同位素比值。 因此,以同一元素的稳定同位素作为参照,测定放射成因同位素比值在地质上和实验室分析技术上更具意义和可行性 。要正确地获得岩石或矿物的年龄还必须满足以下条件:( 1) 应当选用适当半衰期的放射性同位素体系 , 这样才能积累起显著数量的子核 , 同时保留有未衰变的母核;( 2) 同位素初始比值相同;( 3) 测定对象处于封闭体系中 , 母体和子体核素只因衰变反应而改变 , 不存在它们的丢失和从外部体系的带入 。常用放射性同位素体系同位素封闭温度及冷却年龄封闭温度是指当一个由引起的地质事件(侵入体的结晶和变质作用等),对各种同位素定年体系来说,它们不是在矿物、岩石形成时的那一瞬间就开始计时,而是必须当温度降低到能使该计时体系达到封闭状态时,即子体由于热扩散丢失可以忽略不计时,子体才开始积累,这个开始计时的温度就是封闭温度,得到的年龄即为表面年龄或称冷却年龄。20 030 040 050 060 070 080 080 085 090 095 010 0010 501 10 0T i m e ( M a))OM e z g 19 90 )石榴石 (居石 (石 (闪石 (红石 (云母 (of of a of an 1966).a in a is to it a as in of e, Ar e, or a on a an of 样品中待分析组分含量低- 降低环境和人为因素对样品的影响,即降低实验室本底超净化实验室环境下同位素分离花岗岩 超基性岩 00 ug/g 40 ug/g 10ug/g 1ug/ 20 4 1 20 压釜中密封熔样3、化学分离用离子交换树脂进行。在离子交换树脂上有可交换的离子基团。有两种:1)阳离子交换树脂: H+、 )阴离子交换树脂: b、 - 除去样品中其它元素的干扰• 如: - 除去同质异素的叠加• 如 : 8771444415050+ A+ = + H+离子交换树脂工作原理+ H+ = + A+铷-锶同位素分离纯化图例m/q)m 2V=同位素稀释法基本原理和应用or of to of 4 6 24we ow 87 85)87)定年85 , 87 。84、 86、 87和 88衰变反应为:8787876(876+8760 10 20 30 40 508 7 R b /8 6 S 70 . 7 10 . 7 20 . 7 3876表 ( 8 7 S r / 8 6 S r ) e x p (  t)钾矿物是 果矿物中样品 (876为 0或 (876相对于 876可直接计算矿物的年龄;如钾长石、白云母、锂云母、天河石、铯榴石、海绿石、钾盐、光卤石等。而对于不可忽视的 (876样品来说,如岩石样品中一般都包含有一定数量的 (876,则必须考虑 (876对测定年龄的影响。 性和中酸性岩浆岩形成年龄的测定 ;对于变质岩,由于受变质作用的影响,使得对变质岩原岩的 位素系统进行改造,因此,等时年龄往往不能提供原岩形成年龄的信息,而往往代表变质事件的年龄或无意义的年龄信息 ;of 内部等时线 )外部等时线 )of a a 1) 所研究的一组样品具有同时性和同源性 , 所谓同源性是指每一个样品具有相同的 (876比值 。( 2) 在样品形成后 , 保持 没有与外界发生物质上的交换 。( 3)所测样品中,有较为明显的 确保获得一条较好的等时线。在等时线的拟合中,早期采用最小二乘法或图解法,但这些方法难以对等时线的质量进行评价。目前一般采用 程进行双回归误差分析拟合求解拟合直线的斜率和截距,同时给予出一个等时线拟合参数。A of of a is a of (1966, 1967)).  A of in be by   or of is  of be to is to a of in to of in 1991). to 5% of is to n=5, an 2.2 n = 25 (1991).  is a (i(P/¾ A + ¼ B 16 32 32 A + ½ B 14 27 25 A + ¾ B 12 22 18 0 17 11 (i(1/(D+D/8 37 39 A + ¼ B 16 32 32 A + ½ B 14 27 25 A + ¾ B 12 22 18 0 17 11 o et 1978)of on in as to a of a as an on of by of HP as as in an r oy (● ) = +) = r ); ● ); a )r as a of et (1992)位素示踪do we 为什么要算初始值 ??• 怎样计算初始值• 1. 测得样品的现在 876b、 已知样品的形成时代• 2. (876 = 876 876Sr( 1)(876Rb is r;Nd is m;of d to go m r, be b d( be b of of of e l t i n g R e s i d u e g i o n o fP a r t i a l M e l t i n of a n t l eC o n t i n e n t a l C r u s tR b > S rN d > S mL a L uL a > L uL a L uR b S rN d > S mL a > L u( A f t e r p a r t i a lm e l t e x t r a c t i o n )to in b/Sr 76Sr m/Nd 4344Nd b/Sr 76Sr m/Nd 4344Nd b/Sr 76Sr m/Nd 4344Nd b/Sr 76Sr m/Nd 4344Nd 76876比值:2001)个同位素,其中 14714849因后两者半衰期太长 (~1016在现有技术条件下无法准确测量出其子体同位素的变化量,故目前不能成为定年方法; 个同位素,均为稳定同位素。其中 14347衰变形成的子体同位素。子量 ( 丰度 (%)144 47 48 49 50 52 54 位素组成同位素 原子量 ( 丰度 (%)142 43 44 45 46 48 50 3 1 4 3 1 4 71 4 4 1 4 4 1 4 4( 1 )d N d S d N d N d  147 143  + Q147 10于 们的地球化学性质十分相似,因而由 147衰变形成的 143且后期地质作用很难使 现有研究表明,经过角闪岩相甚至麻粒岩相变质作用的岩石,如果体系中没有流体参与的话,仍使 正确地给出变质岩原岩年龄的信息。这正是 另外 147此 各岩石的 般变化于 而酸性岩类其 因此, 要应用于对基性岩、超基性岩等岩类的年龄测定,而对于基性和超基性的结晶岩,往往应用全岩 +矿物等时线法进行年龄测定效果更好 ; 或对具有相同成因的杂岩体中不同的岩石单元进行定年榴石占有非常重要的作用石榴石环带特征及其年龄意义其它副矿物对石榴石组成的影响其它矿物对石榴石定年的影响其它副矿物 14 M 43144值:对于一个已知年龄的样品 , 通过实测该样品的143444744 就能计算该样品的 (14344比值 , 公式如下:(14344=1434414744Nd(亏损地幔: 设原始地幔具有球粒陨石型的均一岩浆库( )(eN d )S m /(( 0 )I( t )I λ U U U R 前提:假设未发生分异作用的原始地幔岩浆库是一个具有球粒陨石 并假定地壳岩石的 后 地壳岩石在一个时间为 14344值就是据样品的 14344Nd)以计算除样品从 14344t) =(14344)-(14744) ( …..(1)其中: (14344)=(14744)= 14344S( t) =(14344-(14744( ……(2)又: ( 14344S( t) =( 14344t)联立 (1)式和 (2)式,并将 有:]m/(m/(d/((0)λ1亏损地幔 N d )S m /(N d )S m /(N d )N d /(N d )( 1 4 3 N d / 1 4 4l n [ 1λ1表地壳物质从亏损地幔中分离的时代 ,也称为 平均地壳滞留时间 (14344=4744=d 0+ 1 0- 2 00 4 . 5年龄( U 结合 筑 εNd(t)- εSr(t)图解或 εNd(t)-( 876Sr) 0 0 - 5 0 0 50 100 150 200- 3 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0t)εSr(t)亏损地幔年轻陆壳古老陆壳ⅣⅡⅢⅠ下地壳 上地壳0 . 7 0 0 0 . 7 0 5 0 . 7 1 0 0 . 7 1 5 0 . 7 2 0 0 . 7 2 5- 3 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0 7 0 . 7 1 5 0 . 7 2 0 . 7 2 5- 3 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0 u n i P u n i C u n i Y u n i tG n e i s s a n d e c l o g i t e f r o m U H P O r t h o g n e i s s a n d a m
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