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第五章 同位素地球化学-有机化学

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第五章 同位素地球化学内容提要 同位素年代学基础理论 稳定同位素地球化学基本原理 主要稳定同位素方法与应用§ 1. 同位素年代学基本理论位素年代学重要记事 (1) - 8th 004直至 18世纪后期,神学者 (罗马 )认为地球创建于公元前4004年 (10月 23日上午 9点 )。 of 格兰 )发表了 《 地球理论 》 ,引入了 均变论。 is no 0 ,物理学家 )经计算认为,地球形成的年龄不会早于 40百万年。 in 贝克勒尔,法国 ) 发现了含铀盐中具有放射性。 现了钍和镭的放射性。同位素年代学重要记事 (2) 西兰,核物理之父 )描述了 、 、 衰变。 to by of e (~500 矿物中 算出该矿物的年龄为 ~500 500Ma , )计算其形成年龄为 ~500 s 麦 )引入了新的理想 描述量子的大小 )。 of & U/Pb to 根据一系列证据和 U/ )提出地球的年龄为 13亿年。同位素年代学重要记事 (3) F. (‗. 格兰化学家 )创立了“同位素”一词 (并首次尝试进行同位素分离 )。 on to 通过对阴极射线管的改进, )建立了第一台同位素质谱仪。 of )预测了氢同位素间存在不同的蒸气压,并发现了氚 (于 1934因此获  by of 在原子弹的推动下,同位素地球化学取得了长足进步。子、核素与元素丰度 原子 (质子 (中子 (电子(成,对于这些基本要素均确定的原子,称为 核素 ( 其中的质子数 (Z, of 称该核素的原子数,其量值等同于其核外电子数 (of  而原子数与中子数 (N, 和称该核素的质量数 (A,  具相同质子数、不同质量数核素的总和,称为元素的 同位素 ,它们在元素周期表上属相同的位臵。同位素组成表达式个质子, 6个电子和 12个中子组成自然界碳元素由三个同位素组成:12C、 13C、 14of 12C 12 2C = 1 = 1/12 2C 2C = g, 位素的丰度同位素的质量1例:氧的原子量计算:18O of 在中子 宙核素的分布构成了核素图(of  核素图中,稳定同位素 (264种核素,黑色图例 )构成了经现有检测设备未识别出具衰变现象的核素区域,而其两侧(锯齿线圈定 )的区域为现有实验室证明存在放射性的不稳定核素区域,而两条实线为理论计算的核素的稳定性极限。宇宙核素图 (同时标注了地质上常用的放射性和放射成因同位素 )核素图 (局部10.4 of 1 局部 )宙和地球的年龄及同位素地质年代学表. s a (1999), in 8 2008) (? of of .3 a (et 2001). as .4 a (. 1988; et 1994) he a ( 1976; 1981 ). A (1999). a) 34, 1 (2008). in A, W, H, M (2001). of on yr 409, 175 W & W (1988). of 0025: on a 90, 119 , D, T (1994). An a 7016. 58, 2921 H & R (1976) . on 0, 635 H & J (1981) . of 52, 1 部分重核素 (原子量 A40)不稳定,以释放出粒子和能量的方式发生衰变,成为新的核素; 在核素图中,稳定核素形成一个连续区域,其 Z/1到高质量数  且相对于其两侧核素形成低值的能量谷地 (,即两侧核素通过释放粒子和能量而进入稳定的能量谷地,这便是不稳定核素发生衰变的驱动力;不稳定核素发生放射性衰变的具体形式取决于其在核素图中的位臵。素的不稳定性与衰变 (1)核素的不稳定性与衰变 (2) 在能量谷地周围两侧的不稳定核素多以同量异位方式发生衰变 (,即由中子向质子转变 (反之亦然 ),其质量数则无明显改变。但对于位于能量谷地高端的不稳定核素,其衰变通过发射重粒子 (如 粒子 )的形式,使得其质量发生下降。在能量谷地高端未区,甚至发生自发裂变,如 238常为 定核素低值能量谷地 K、 见下图 )38左图 )、 40右图 )方向,观察表明,根据相邻两个同量异位素不能同时成为稳定核素,因此 40射性同位素衰变 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 。同位素衰变的四种方式 1) a) 4He 2p + 2n) 2) ) of 3) ) no  4) 自发裂变 ) - =92 动量 ), (反冲作用 )22 3 4902 3 892 238U 234 a no , of 中微子 ) (no no ) - + 1 165 e    - a no , of 微子 )   7374- an no , of     3231 of to - no ( of in 322H e H e  38U in  位素定年原理自然条件 下,同位素放射性衰变过程是 不可逆的,且其衰变的 速率 及放射性子体的 性质 不受外界的影响。母 应关系 和恒定的衰变速率 构成了同位素定年的理论基础。放射性同位素衰变公式•放射性母体同位素单位时间的衰变量或放射性强度 (A)与该母体同位素的原子数 (N)成正比 :或•引入衰变常数  和移项、积分 :或•母体 (N)和子体同位素 (D)存在如下关系: +D)1(0 值的意义是比例常数,亦称为衰变常数,量纲为时间的倒数。其意义为:放射性核素的一个原子在所描述的时间范围内发生衰变的概率 (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:=010000020000030000040000050000060000070000080000090000010000000 10000 20000 30000 40000 50000Y e a r = 5730 2 1 / 2 1 / 20 0 0 0/ 2 / 4 / 8 N N  4C 坐标为半衰期数 )同位素年代学方程 (一 )相对核物理实验过程,地质过程的时间要漫长得多,故无法确定地质过程初始时期放射性母体的原子数,而只能测定母、子体同位素的现在组成。同位素年代学方程 (二 )与地质事件对应的地质体形成时即含一定量的放射成因同位素子体,故现在地质样品放射成因同位素子体由两部分组成,即初始部分和放射母体同位素衰变形成部分:故自然界放射性子体增长公式为 :(将 D=t)和 N=  0(0  同位素年代学方程 (三 )相对元素含量变化,放射性衰变引起的同位素组成变化是微小的,若对其绝对含量或原子数进行测定,常规分析方法难于满足精度要求;同位素质谱仪是分析样品同位素组成的专业仪器,但同位素质谱只能对 同位素比值 进行高精度的测定。因此,选择同一元素的稳定同位素作为参照,准确地测定放射成因同位素的比值,不仅在技术上现实可行,且该比值在地质应用中常具有重要的示踪意义 。同位素年代学方程 (四 )1))(λ)1(0  同位素年代学方程 (五 )要确定地质样品的形成时代 t, 需已知三个比值 ,即子体同位素初始和现在比值及母子体同位素现在比值 。子体同位素(如 14344值和母子体同位素(如 14744值可由直接测定和间接计算获得,但子体同位素初始比值(如 14344))是未知的。事实上,该比值也是地球化学示踪研究的重要参数。因此,除非假定样品形成时子体同位素的初始比值,对单一样品同位素分析的结果难于确定地质体的形成时代。位素等时线对于 同一岩浆作用 形成的地质样品,它们应有相同的初始子体同位素比值和形成时间,即各样品均符合具相同参数 (如 4344)和 t)的放射成因子体同位素增长方程,表现为各样品沿以初始子体同位素比值为截距,以 (e斜率的直线分布,这条直线称为 等时线 。故通过对同源同期多件样品进行同位素组成测定,通过对各样品点进行同位素比值分布趋势的线性拟合,可获得该地质体的年龄和子体同位素初始比值信息。k b 1))(e()()( λ 等时线示意图  具相同的物质来源 — 同源2. 具相同的形成时代 — 同期3. 同位素体系未受后期地质作用明显改造和明显的围岩混染 — 封闭4. 组成等时线样品具合适的 N/If a is be to at is as or is to a 2 039K 40K  41K  在其三个同位素中 (41K、 40K、 39K),只有含量最低、丰度仅为 40此,自然界中由 40 此外, 40 - 衰变形成 40余的约 电子捕获方式形成 40衰变常数分别为 00+ 和电子捕获形式,其 + 形式只占总衰变量的 40K00- 粒子形式实现。0000? 6个同位素组成 (40424344648其中 40占绝对多数。由于 40且其中只有约 射性衰变形成的 40在钙元素的 同位素组成中所占比例较低,导致自然界物质中 4042至于实验室进行准确测定十分困难 ;由于质量数较小,钙的同位素会在地质过程中发生分馏。因此,在选择 得指出,近年来由于同位素实验化学和质谱技术的提高, 兴趣的同学可在课外阅读相关文献。 此在地球形成的早期被大量释放进入大气圈,使得固体岩石中具较高的 K/射成因 ,加上400除 235放射性同位素中最短的特点,使得 记住: 由于受测试技术限制,早期 锂云母。因这类矿物具极高的 876常统一用 此对单一样品进行 假定其初始比值而计算获得的年龄称  随分析技术提高,测试对象扩大到了白云母、黑云母、钾长石等矿物,但研究者发现用 1959),催生了具时代意义的同位素体系 等时线方法(1961)。1969)提示:通过从 978),等时线年龄质量显著提高: = 10武岩样品451070 86010 1990提示:全岩等时线封闭,获得了原岩年龄;长石和黑云母矿物发生开放,与全岩样品构成了变质事件等时线。全岩 +黑云母全岩 +to of r in a a 1973)秦岭新元古代宽坪群玄武岩 ,即高 初始 示部分样品受到了后期 K(代,使得在用其现在的 w t %)40 45 50 55 60 65 70 75 80(876Sr)0 20 40 60 N 10 100(876Sr)87R b / 1 获得有意义 A. 同位素母子体同位素 (元素 )比值和放射成因 常 00若样品间放射成因 难以获得具地质意义的年龄,因为等时线年龄线性回归计算的年龄误差是样品间 87676或变化范围 )的函数。当分析误差确定时,组成等时线样品的 得有意义 B. 选择有代表意义的样品:变质和蚀变作用影响下可发生活化 (而富集 此,当选择单矿物样品进行 解矿物的成因和岩石学特征十分重要。通常较大体积的样品比小体积样品更趋于保持同位素体系的封闭;全岩样品较单矿物样品能相对地保持封闭;新鲜样品相对保持封闭;远离蚀变带的样品相对保持封闭;所研究的地质体发生过有流体作用参与的蚀变和变质作用后,其同位素体系可能发生不同程度的开放,若开放过程不能导致体系内同位素组成均一化时,其结果可能是无地质意义的混合线,或根本不能形成等时线。因此难以获得原岩的形成年龄。结论: 意 :足够大体积的全岩样品仍有可能获得原岩年龄,而变质作用使得体系 获得变质事件的年龄 (内部等时线 )。 (1987)r 1987)陆地壳、海水及上地幔 意对比海水元古宙时期的突然升高与大陆地壳相应值的对应关系。 问题:为什么会有这种关系? (强不相容元素 海侵程度§ 4 土元素地球化学质量数由 5714个元素; 随原子量增加, 0逐渐减小至 ; 酸岩和碳酸岩中; 常在副矿物中形成富集,如锆石 灰石 帘石 居石 云母 石 太阳系的 不同性质地质样品的 原因来自 3+)。地球物质的 d 常在地壳地质作用过程中不发生分异; 在岩浆作用过程中, 由于离子半径 (对较小, 由于 m,故电离电位 (于 致其键结合力也低于 因此, 居此原因,高 143在低 43 注意: 损”的岩石 (如 发生相对富集 (高 d),这一特征与 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 (%) 144 147 148 149 150 152 154 位素组成同位素 原子量 ( 丰度 (%) 142 143 144 145 146 148 150 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 14343=01114344 约 10个 单位14344, 即约 单位143 144 43 144 > 1012 =011 a =1013
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