• / 80
  • 下载费用:5 下载币  

第六章 同位素地球化学6

关 键 词:
地质 储层 沉积 地化 层序地层
资源描述:
地球化学冯有利 资源环境学院2010年秋季第六章 同位素地球化学然界同位素成分变化的机理n )核素与同位素 素 是由一定数量的质子 (中子(成的原子核 (具有质量 、 电荷 、 能量 、 放射性 、 丰度五种特性 。16 8个质子 +8个中子 。具有相同质子数的核素称为 元素 。具有相同质子数和不同中子数的一组核素称为 同位素 。(2)同位素的分类 一、自然界同位素成分变化的机理n 原子核是不稳定的 , 它们以一定方式自发的衰变 (其它核素的同位素 , 比如 238U→ 206经过 8次 α衰变和 6次 β 衰变 ) ; 235U → 207经过7次 α 衰变和 4次 β 衰变 ) 。 凡原子核能稳定存在的时间大于 1017定同位素 。一、自然界同位素成分变化的机理n 前已发现的天然同位素: 340种稳定同位素: 273种放射性同位素: 67种人工合成的放射性同位素: 1200多种凡是原子序数 ( 大于 83的 、质量数 ( 大于 209的同位素都是放射性同位素 。一、自然界同位素成分变化的机理n 原子序数小于 83、 质量数小于 209的同位素中 , 只有 14C、 40K、 87 其余均为稳定同位素 。稳定同位素 还可以进一步分为: 轻稳定同位素 和 重稳定同位素 。① 轻稳定同位素特点 :原子量小 、 同一元素的同位素间相对质量差大一、自然界同位素成分变化的机理n 位素组成变化的主要原因是同位素分馏造成 ( 不可逆 ) 。② 重稳定同位素特点原子量大 、 同一元素的同位素间相对质量差小;同位素组成变化的主要原因是由放射性衰变引起 ( 不可逆 )一、自然界同位素成分变化的机理n )稳定同位素分馏 稳定同位素的相对质量差较大 , 在自然作用过程中由于这种质量差异引起的同位素相对丰度的变异 , 称为 同位素分馏 ( 作用 ) 。根据分馏作用的性质和条件 , 同位素分馏可分为:一、自然界同位素成分变化的机理n 物理分馏 也称为质量分馏 , 由质量引起的一系列物理性质的微小差异 , 如密度 ( 熔点 (沸点 ( .② 动力分馏 含有两种同位素的两类分子时 , 它们参加化学反应的活性(差异 。 质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率 (化一、自然界同位素成分变化的机理n 轻同位素形成的键比重同位素的键更易破裂 , 因此轻同位素的反应速率高 。C + 16O→C 161C + 1622 = 平衡分馏 在化学反应中反应物和生成物之间由于物态 、 相态 、价态以及化学键性质的变化 , 使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生的分异叫 平衡分馏一、自然界同位素成分变化的机理1/3 1/3 生物化学分馏 物活动和有机反应引起的同位素分馏,包括 C、 S、 2)同位素丰度的表示方法 同位素比值 (同位素丰度比(R):单位物质中某元素的重同位素和轻同位素的原子数之比称为同位素比值 。一、自然界同位素成分变化的机理陨石中硫同位素:R = 34S/32S = 1/气中氧同位素:R =18O/16O = 同位素分馏系数 ):在同位素分馏达到平衡的条件下,二种物质中某元素的相对同位素比值之商称为 同位素分馏系数 。一、自然界同位素成分变化的机理n A、 1和 2分别代表轻和重同位素 , a、 α=R A/φA 2/φA 1)/(φB 2/φB 1) 318 3 18O/16O)18O/16O)25℃ 时 )一般来说 α 值几乎都接近 1,当 =1时,说明未产生分馏,当与 1的偏差越大,说明分馏作用越强。 α=K a/然界同位素成分变化的机理n 同位素分馏的通用表达法 (定某一个样品的 标准 , 其它样品的 便可知道这些样品的同位素比标准富集或贫化的程度 。 通常 , 这种相对富集或相对贫化的程度用 δ 表示:δ ( ‰ ) =( / 1000=( 1)Ⅹ 1000δ > 0, 样品比标准更富集; δ < 0, 比标准更贫化; δ= 0, 与标准具相同同位素比值 。一、自然界同位素成分变化的机理如:18O( ‰ ) = {[(18O / 16O )样品 - (18O / 16O )标准 ]/(18O / 16O )标准 }1000④ 同位素标准 (及其条件:同位素组成均一,接近天然同位素组成变化范围的中间值;数量大,便供长期使用;化学制备和同位素测试操作方便、简易。一些国际通用标准 (一、自然界同位素成分变化的机理 同位素标准 卡罗林纳州白垩系 ) C/ 亚利桑纳州迪亚布罗峡谷铁陨石中的陨硫铁 ) H/然界同位素成分变化的机理还有国家标准 、 参考标准等等 , 但他们与国际标准间可以相互换算 :δ δ δ 、样品对标准 对标准 值 。一、自然界同位素成分变化的机理( 3) 放射性衰变 自然界中不稳定核素不断自发地放射出质点和能量 , 最终改变核的组成并形成稳定核素 , 这一过程称为 放射性衰变或核衰变 。 核衰变的结果是母体同位素不断减少 , 子体元素同位素不断增加 , 从而改变子 、 母体同位素组成 。 该过程不受物理化学条件的影响 。衰变的分类 、自然界同位素成分变化的机理① β 原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子(即 β 同时放出中微子 v。Y + β - + v + 87378738 β - + v + 4020 β - + v + 然界同位素成分变化的机理② 电子捕获 (: 原子核自发从层轨道上吸取一个电子 。 4019K+ E③ α 衰变 (α:重核通过释放出具两个质子和两个中子组成的α 质点 (24 42 22688 42 然界同位素成分变化的机理自然界中 , 有些放射性核素要经过多次 、 多类型衰变后才能变成稳定核素 , 比如:238 +8 42 6β - + +74 2 4β - + +6 42 4β - + E④ 重核裂变 同位素自发地分裂成 2个或 3个原子量大致相同的碎片 。 238U、 235U、 232一、 1)同位素衰变的基本特征 (1902年 同位素衰变具有如下特性 : 衰变作用发生在原子核内部 , 反应结果由一种核素变成另一种核素; 衰变是自发地不断进行 , 并有恒定比例二 、 同位素地质年代学变不受物理化学条件影响衰变前和衰变后核素的原子数是时间的函数(2)衰变定律 (变定律的 定义 :单位时间内衰变的原子数与放射性母体的原子数成比例。用公式表达为 : N……… .(1)二 、 同位素地质年代学N为 dN/ 负号表示随时间减少; λ 为衰变速率常数 , 表示单位时间内发生衰变的原子数的比例数 , 也既是单位时间发生衰变的概率 , 可通过实验方法获得 , 单位为 1/。二 、 同位素地质年代学N ……… .(1)对 ( 1) 式进行积分得 :N= … ..(2)t=0时的母体原子数 。 ( 2) 式还可以写成N. …… (3)假设 D*为衰变子体产物原子数,当 t=0时, D*=0。经过 ……… (4)将 ( 4) 带入 ( 2) 得:D*= 1- …… (5)带入 ( 3) 式得 :D*= N( 1) ……… (6)二 、 同位素地质年代学对于任何放射性同位素体系 , 放射性同位素衰变掉初始原子数一半所需的时间成为 半衰期 ( 以 τ 表示 。据定义 , 当 t=τ 时:N=1/2 2) 式可得到:τ=……………… (7)从 ( 7) 式可以看出 , 半衰期与衰变常数成反比关系 , 衰变常数越小 , 半衰期越长 , 也即是核的寿命越长 。二 、 同位素地质年代学二 、 同位素地质年代学(3)同位素定年的计算公式 由于同位素的检测仪器主要是质谱仪 ( , 而质谱仪只能测定同位素的比值 ,不能测定同位素的原子数 , 因此在利用放射性同位素确定年龄时 , 必须选取子体元素的其它同位素作参照 , 来进行同位素比值测定 。 因此 , 计算年龄的基本公式将做如下改变:二 、 同位素地质年代学假设 t=0时 , 研究体系中存在的子体同位素为 在 子体同位素的原子总数将为D= D*+ .. (8)由 ( 8) 式可得:D*= D - .. (9)将 ( 9) 式带入 ( 6 ) 式并同时除以参照同位素 得D/ ( s) +N/… .. (10)二 、 同位素地质年代学由 ( 10) 式可得:t=1/λ[(D/(D/]/[ (N/1]}…… (11)( 10) 式或 ( 11) 式是同位素地质年代学计算年龄的基本公式 。D/质谱仪测定; ( D/0是样品初始同位素比值 ; N/般用同位素稀释法计算获得。二 、 同位素地质年代学)同位素定年的基本条件半衰期足够长已准确测定出半衰期有高精度的制样和质谱测定技术测定对象处于封闭体系 。目前常用的定年方法包括 4 但这些方法的应用 , 必须结合具体的地质背景 、 岩性特征 、 矿物特征等等做选择二 、 同位素地质年代学 1) 5—稳定同位素87—放射性同位素二 、 同位素地质年代学486878述四种同位素均为稳定同位素。二 、 同位素地质年代学)铷 的衰变常数和半衰期87 87 -+v+E- 为负电子;  0 010 同位素地质年代学据D* = N(et - 1), 有87= 87Rb(et - 1)t = 1/ 1+ 87 87适用的样品:钾长石、白云母、锂云母、天河石、钾盐、铯榴石、海绿石、光卤石 等锂云母天河石海绿石 光卤石二 、 同位素地质年代学= 87 877= 87 87Rb(et - 1)用非放射性成因 86到(8786 =( 8786Sr)o + (8786et - 1)二 、 同位素地质年代学8786Sr)8786Sr)o =8786Sr)o =式年龄 :t = 1/ [(8786 - (8786Sr)o]/ (87861}二 、 同位素地质年代学) 原理:(8786 =( 8786Sr)o + (8786et - 1)上式可简化表达为 : Y=ax+a= (et - 1) ,b= ( 8786Sr)o, x= (8786果将一组数据作图,即可获得一条斜率为a= et – 1, 截距为 b= ( 8786Sr)o 的直线 。二 、 同位素地质年代学)体系封闭体系封闭以前均一化各样品之间的 87676研究的一组样品具有同时性或同源性 。二 、 同位素地质年代学① 内部等时线地质体同位素组成较均一、全岩 以形成等时线,此时采用“ 全岩 代表岩石中矿物结晶年龄,比全岩年龄低。② 假等时线或混合等时线样品不满足 不具年龄意义。检验方法 ——876 /ω(图,直线代表假等时线。二 、 同位素地质年代学)岩浆岩可达到均一化深成岩的结晶时间相对于其年龄可忽略。喷出岩快速冷却,等时线年龄代表形成年龄。二 、 同位素地质年代学变质岩变质作用会使 范围的均一化:全岩等时线为代表岩石形成年龄,矿物等时线为变质年龄。大范围的均一化:均代表变质年龄。二 、 同位素地质年代学沉积岩锶同位素的母体 877陆源碎屑物自生矿物(海绿石等)二 、 同位素地质年代学( 6) 球的初始 876玄武质无球粒陨石 (自上地幔物质 ( 玄武岩 ) (876=平均 r=今大陆壳 ( 8760=中脊 ( 8760=岛玄武岩 ( 8760= 同位素地质年代学弧玄武岩 ( 8760=陆玄武岩 ( 8760=型花岗岩 ( 8760= 876小于 、 同位素地质年代学二 、 1) (=0 = 09)235U (=0 = 08)234U 、 同位素地质年代学=0 = 010)04060708 同位素地质年代学除 204为放射性成因铅,反应总过程如下:23892U = 20682 8 426- +E23592U = 20782 7 424- +E23290 20882 6 424- + 同位素地质年代学D* = N(et - 1)得:(20604 =(20604Pb)o + (238U/ 204et - 1)(20704 =(20704Pb)o + (235U/ 204et - 1)(20804 =(20804Pb)o + (232204et - 1)二 、 同位素地质年代学上式分别整理可得到 三个年龄值 :t = 1/1 [(206204 -(206204Pb)o] / (238U/ 2041}t = 1/2 [(207204 -(207204Pb)o]/ (235U/ 2041}t = 1/3 [(208204 -(208204Pb)o]/ (2322041}适用的矿物: 沥青铀矿,晶质铀矿,钍石,锆石,独居石,磷灰石等。二 、 同位素地质年代学三个年龄值不一致时,用两式联立得(207204 - (207204Pb)o 235U (e2t - 1)_______________________= ___ ________(206204 - (206204Pb)o 238U (e1t - 1)三 、稳定 同位素地球化学同位素地球化学 氕 ) 、 2H(D)( 氘 ) 、 3H(T)( 氚 )氧同位素 ) 、 17O()、 18O()同位素组成分别表示为:原子比: D/H、 18O/16OδD 、 δ 18(D/H) 样 /(D/H)标 x 1000δ 18O=[(18O/16O)样 /(18O/16O)标 x 1000自然界 δD 比 δ 18三 、稳定 同位素地球化学)自然界氢氧同位素分馏 H/O 蒸发 由于氢 、 氧各有三种同位素 , 所以自然界中水可能有 9中不同同位素分子组合 。蒸气压与分子量成反比 , 轻的水分子 ( 比重水分子 (蒸发而富集在蒸汽相中;在凝聚过程中 , 重水分子优先凝结 。 从而形成分馏 。 8 氢同位素质量差大造成 )(l + ( (l + (25(18O/ 16O) = (18O/16O) l / (18O/16O)V=稳定 同位素地球化学 ( D/H) = (D/H)l /(D/H)V =  D 与  18 D = 8  18O + 10赤道大洋 : 蒸发 → 大气中轻同位素富集 → 空气凝聚过程 → 重分子优先成雨 → 再进入海水 → 大气中轻同位素更加富集 。水蒸汽运移 : 赤道 → 内陆 /低纬度 → 高纬度结果 : 赤道海水富集重同位素;高纬度内陆雨 、 雪富集轻同位素 。三 、稳定 同位素地球化学水 by 1/2 1/2 = (18O/16O)16O/16O) 1/3 = 岩石中富重同位素 ,25℃ 时分馏最大。岩石中氢含量低,所以氢同位素分馏不明显原因 : 键强度三 、稳定 同位素地球化学矿物晶格化学键对氧同位素的选择和分馏(of by in 离子与氧之间的键强度顺序为: 8 稳定 同位素地球化学云石 硬石膏碱性长石 方解石白榴石霞石 蓝晶石钙长石海绿石 十字石石榴石 普通辉石 角闪石黑云母18榄石 榍石三 、稳定 同位素地球化学生物分馏 (by 物通过光合作用,使 18放出16 2(n + 16稳定 同位素地球化学)各种环境中水的氢氧同位素组成 大气降水 D= +/- 18O=+/- 5‰变化范围大 , 受以下因素影响:纬度效应内陆效应(降雨量少)高程效应 高程 高,  18度效应 18蒸发强烈 )三 、稳定 同位素地球化学温泉、地热水 ( 气降水经深循环加热的水。 δ 18岩反应有关;水温高 → δ 18 封存水(热卤水、油田水) 们是海水、大气降水深循环后长期封存的产物,特征是高盐度、高矿化度。δD= +/- 18O=+/- 25‰三 、稳定 同位素地球化学变质水 ( :δD= +/- 18O=+/- 25‰⑤ 原生水及岩浆水 ( 幔与超基性岩平衡的水。δD= +/- 18O=+5‰ +/- 9‰三 、稳定 同位素地球化学)岩石中氧同位素组成 稳定 同位素地球化学花岗岩成因 型花岗岩: 18O %o = 18O %o = 古环境(纬度)的确定 氧同位素温度计 馏系数与温度的关系1000 ≈ 18- 18 = A(106+ 是 分馏系数; K) ;对于给定的同位素交换反应为常数三 、稳定 同位素地球化学对) A 水 3 . 3 8 - 3 白云母 - 水 2 . 3 8 - 3 磁铁矿 - 水 - 1 - 3 方解石 - 水 2 . 7 8 - 3 硬石膏 - 水 3 . 8 7 8 - 3 石英 - 白云母 2 . 20 - 0 辉石 - 橄榄石 1 . 24 0辉石 - 石榴石 0 . 20 0三 、稳定 同位素地球化学)硫的同位素A/A = 2S 33S 34S 34S ‰ =[(34S/32S)样品 - (34S/32S)标准 ]/ (34S/32S)标准 X 1000三 、稳定 同位素地球化学)自然界 硫同位素分馏 化学动力分馏 32 34=(34S/32S) 34S/32S) 物动力分馏 34平衡分馏 价态由低到高,  34 硫酸盐 >辉钼矿 >黄铁矿 >闪锌矿 >磁黄铁矿 >黄铜矿 >方铅矿 >辉铜矿 >辉银矿 >辰砂 键强)三 、稳定 同位素地球化学)自然体系中的界 硫同位素组成三 、稳定 同位素地球化学浆岩具有很窄的 34 34S ( %o)约为零;蒸发硫酸盐和海水具有正的 34沉积岩具有宽广的 34与其复杂的来源有关。(4)研究意义矿床物质来源(沉积岩,岩浆岩?)硫同位素地质三 、稳定 同位素地球化学)自然界中的碳同位素• 12C = 13C = 2)碳同位素的分馏反应①氧化 2 = 稳定 同位素地球化学光合作用 :66> 2C (13C =o)③ 同位素交换反应13 ) +12 ) 12 ) +13 )  = 2(液 )/2(气 )=热裂解作用碳 12然气、石油)三 、稳定 同位素地球化学般规律: 13C%o : <强
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:第六章 同位素地球化学6
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-56895.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开