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1、1第六章 同位素地球化学同位素地球化学同位素地球化学同位素地球化学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的科学。同位素地球化学同位素地球化学 2同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：1）计计计计时时时时作作作作用用用用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。2）示示示示踪踪踪踪作作作作用用用用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。3）测测测测温温温
2、温作作作作用用用用：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。另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。3本章内容本章内容本章内容本章内容 1自然界引起同位素成分变化的原因 2同位素年代学 3稳定同位素地球化学 第六章 同位素地球化学4一、自然界引起同位素成分变化的原因u核素的性质 u同位素分类 u同位素成分的测定及表示方法 u自然界引起同位素成分变化的原因5一、自然界引起同位素成分变化的原因（一）核素的性质 1.1.什么叫核素什么叫核素?由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素的原子
3、核称为核核素素，任何一个核素都可以用A=P+N这三个参数来表示。具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组核素称为同位素同位素同位素同位素。O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此，氧有质量数分别为16O、17O、18O三个同位素。6(一)核素的性质 (1)(1)核核素素具具有有电电荷荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素，同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。(2)(2)核素具有质量核素具有质量：核素因含有不同数量的质子和中子，而具有不同的质量。(3)(3)核素具有丰度：核素具有丰
4、度：自然界的核素具有两种丰度。一是核核素素的的绝绝对对丰丰度度，是是指指自自然然界界各各种种核核素素存存在在的的总总量量，它它与与组组成成核核素素的的核核子子数量和结构有关，反映核素的稳定性。数量和结构有关，反映核素的稳定性。当原子序数Z20时，N/P=1，核素最稳定，绝对丰度高；当20Z83时，N/P偏离1或，核素不稳定，绝对丰度低。二是核核素素的的相相对对丰丰度度，是是指指元元素素同同位位素素所所占占总总质质量量的的百百分分数数，例如大气中三个氧同位素的相对丰度是:16O：99.763%；17O：0.0375%；18O：0.1995%。7 (4)(4)核核素素具具有有能能量量：原子核聚集高
5、质量的粒子于一个极小的体积内，因此，原子核内孕含着巨大的能量，即核能，也称“结结结结合合合合能能能能”。结合能越高核素越稳定；结合能低（如H、N、Li、Be及高质量数的核素）的核素不稳定。在核衰变过程中，一部分核能通过放射出各种粒子及射线而被释放出来。(5)(5)核核素素具具有有放放射射性性：所所谓谓放放射射性性即即不不稳稳定定核核素素通通过过放放射射出出粒粒子子及及辐辐射射能能量量，而而自自发发地地调调整整核核内内的的组组成成和和结结构构，转转变变为为稳稳定定的的核核素素的的现现象象，称为放放放放射射射射性性性性衰衰衰衰变变变变。放射性衰变的结果，使核素的质量、能量和核电荷数都发生变化，从而
6、变为另外一种元素。(一)核素的性质8(二)同位素分类 从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素：一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素放射性同位素；另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素稳定同位素。然而，核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验技术对放射性元素半衰期的检出范围，目前一般认为，凡是原子存在的时间大于1010101017171717年的就称稳定同位素，反之则称为放射性同位素。9(三)同位素成分的测定及表示方法 一般来说质量数A209的同位素大部分是稳定的，只有少数是放射性的,如14C，40K，87Rb；而质量数
7、大于209的同位素全部属于放射性同位素。一种元素可由不同数量的同位素组成。自然界中同位素最多的是Sn元素，有10个同位素：112112，114114，115115，116116，117117，118118，119119，120120，122122，124124Sn Sn 自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素：Be、F、Na、P等27种。其余大多数由25种同位素组成。10(三)同位素成分的测定及表示方法 一个完整的同位素样品的研究包括样样品品的的采采集集、加加工工、化化学学制制样样、测测定定及及结结果果的的计计算算和解解释释等环节。下面简单介绍一下化学制样及质谱仪测定方法。1.1.制样制样
8、将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上 测定的化合物，轻稳定同位素一般制成气体样品。例如：氧同位素有两种制样方法：（1）还原法:高温条件下与C还原成CO；（2）氧化法:用F或卤化物氧化，生成O2（精度高）。11 2.2.质谱仪测定：质谱仪测定：质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段（MAT261，MAT251）。其工工工工作作作作原原原原理理理理是：把把待待测测元元素素的的原原子子或或分分子子正正离离子子化化，并并引引入入电电场场和和磁磁场场中中运运动动，带带正正电电的的质质点点因因质质量量不不同而被分离测定。同而被分离测定。3.3.同位素成分表示方法：同位素成分表示方法：1)绝对比
9、率（R）：用两个同位素比值直接表示，例如32S/34S，12C/13C等；2)相对标准样品R的绝对比率差（R）R=R样品-R标准 12 3）样品相对于标准样品R的偏离程度（千分率）：()=()=()=()=（R R R R样样样样RRRR标标标标）/R/R/R/R标标标标1000 1000 1000 1000 =(R=(R=(R=(R样样样样/R/R/R/R标标标标1)1000 1)1000 1)1000 1)1000 例如对34S/32S相对于标准样品的富集程度，即以 34S 来表示：34343434S()=(S()=(S()=(S()=(3 3 3 34 4 4 4S/S/S/S/3232
10、3232S)S)S)S)样样样样/(/(/(/(34343434S/S/S/S/32323232S)S)S)S)标标标标)-1 1000)-1 1000)-1 1000)-1 1000 习惯上把微量（较小相对丰度）微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以从样品的值，直接看出微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化了。0 0表示表示3434S S比标准样品是富集了；比标准样品是富集了；0 0表示表示3434S S比标准样品是贫化了。比标准样品是贫化了。3.3.同位素成分表示方法：同位素成分表示方法：13 4 4）同位素标准样品）同位素标准样品元元 素素标标 准准 样样缩缩 写写HH、OO
11、大洋水平均大洋水平均SMOWSMOWC C美国南卡罗莱纳州，皮迪组的美洲箭石（已耗尽）美国南卡罗莱纳州，皮迪组的美洲箭石（已耗尽）PDBPDBC C索洛霍芬石灰岩索洛霍芬石灰岩NBS20NBS20S S美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁CDCD 同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世界性的标准样品。世界标准样品的条件：在在世世界界范范围围内内居居于于该该同同位位素素成成分分变变化化的的中中间间位位置置，可可以以做做为为零零点；点；标准样品的同位素成分要均一；标准样品的同位素成分要均一；标准样品要有足够的数量；标准样品要有足够的数
12、量；标准样品易于进行化学处理和同位素测定。标准样品易于进行化学处理和同位素测定。14 主要是主要是主要是主要是放射性衰变放射性衰变放射性衰变放射性衰变和和和和同位素分馏效应同位素分馏效应同位素分馏效应同位素分馏效应 1.1.1.1.放放放放射射射射性性性性衰衰衰衰变变变变：放射性同位素经过自然衰变，转变为其它元素的同位素，结果母元素同位素不断减少，而子元素同位素不断增加，从而改变着母元素和子元素同位素的成分，它是放射性核素原子核的一种特性，不受外界物化条件的影响。1)1)衰衰变变:放射性母核放出粒子（粒子由两个质子和两个中子组成，粒子实际上是 ）：X：母核，Y：子核；Z：原子序数，A：质量数，
13、E：能量 (镭)（氡）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 235U、238 U、232Th等以衰变为主。(四)自然界引起同位素成分变化的原因 2)2)衰衰变变：自然界多数为衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即粒子），同时放出反中微子 ，通式为：衰变结果，核内减少1个中子，增 加1个质子，新核的质量数不变，核 电荷数加1，变成周期表上右侧相邻 的新元素。例如：3)3)电电子子捕捕获获：是母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电子（e），与质子结合变成中子，质子数减少1个（是衰变逆向变化），通式为：这样，其衰变产物核
14、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：16 4)4)重重核核裂裂变变：重放射性同位素自发地分裂为23片原子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散，如238U，235U，232Th都可以发生这种裂变。在自然界中，有些同位素只需通过一次某种固定形式的衰变，即可变成某种稳定同位素：但是，有些放射性同位素需经过一系列的各种衰变才能变化成稳定同位素：17 2.2.同位素分馏效应同位素分馏效应:1)同同位位素素分分馏馏效效应应：在地质作用过程中，由于质量差异所导致轻稳定同位素(Z20)相对丰度发生改变的过程。2)引起分馏效应的原因：物物物物理理理理分分分分馏馏馏馏、同同同
15、同位位位位素素素素交交交交换换换换反反反反应应应应、生生生生物物物物化化化化学学学学反应、动力分馏反应、动力分馏反应、动力分馏反应、动力分馏。物物物物理理理理分分分分馏馏馏馏:也称质量分馏,同位素之间因质量差异而引起的与质量有关的性质的不同，(如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别)，这样在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中，使得轻、重同位素分异。例如：蒸发作用强烈的死海（约旦、巴勒斯坦国之间）咸水中H218O含量最高。单向多次反复的物理过程，同位素分馏效应最明显。18 同同同同位位位位素素素素交交交交换换换换反反反反应应应应（平平平平衡衡衡衡分分分分馏馏馏馏）：就是在化学反应中反应物和生成
16、物之间由于物态、相态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分异，称同位素交换反应同位素交换反应。例如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应 (0:=1.074,25:=1.006)大量实测资料表明：价价态态和和相相态态差差别别大大的的化化学学反反应应，同同位位素素交交换换反应更明显。反应更明显。生生生生物物物物化化化化学学学学反反反反应应应应：动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。例如：植物通过光合作用，使12C更多地富集在有机体中，因此生物成因地质体如煤、油、气等具有高的12C。19 动动动动力力力力分分分分馏馏馏馏：其实质是质量
17、不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学健强度（从热力学角度上来讲H218O的内能、热容、熵与H216O是不同的），因因轻轻同同位位素素形形成成的的键键比比重重同同位位素素更更易易破破裂裂，这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子。例如：C+16O2C16O2 平衡常数K1 C+16O18OC16O18O 平衡常数K2 经实验测定K1/K2203)分馏系数分馏系数分馏系数分馏系数：同位素分馏作用的大小，一般用分馏系数来表示：=某元素同位素在某元素同位素在某元素同位素在某元素同位素在A A A A物质中的比值物质中的比值物质中的比值物质中的比值/某元素同位素在某元素同位素在某元
18、素同位素在某元素同位素在B B B B物质中的比值物质中的比值物质中的比值物质中的比值 （其中A、B可以是相同的化合物，亦可是不同化合物）例如：H12CN+13CN-H13CN+12CN-气态氰氢酸 液态氰氢酸根 经过一段时间后，两部分的13C/12C比值都发生了变化，其分馏系数为：=（13C/12C）HCN/（13C/12C）CN-（偏离偏离1 1愈大，分馏作用愈强；愈大，分馏作用愈强；接近接近1 1，表示分馏作用愈弱），表示分馏作用愈弱）在在在在同同同同位位位位素素素素交交交交换换换换反反反反应应应应时时时时，分分分分馏馏馏馏效效效效应应应应是是是是随随随随温温温温度度度度而而而而变变变变
19、化化化化的的的的，一一一一般般般般来说温度越高，来说温度越高，来说温度越高，来说温度越高，越小，分馏效应愈不显著。越小，分馏效应愈不显著。越小，分馏效应愈不显著。越小，分馏效应愈不显著。4)4)4)4)简化分馏系数简化分馏系数简化分馏系数简化分馏系数 1000ln 1000ln 1000ln 1000ln 和和和和 值值值值:A=(R(RA A/R/R标标)-1)-110001000 (R(RA A/R/R标标)=()=(A/1000)+1 1000)+1 R RA A=(A/1000)+11000)+1.R R标标同样同样:R RB B=(B/1000)+11000)+1.R R标标分馏系数
20、分馏系数 A-B=RA/RB=(A/1000)+11000)+1 (B/1000)+11000)+1对上式两边取对数对上式两边取对数:lnA-B=ln (A/1000)+11000)+1 (B/1000)+11000)+1 lnA-B=lnRA lnRB =ln(A/1000)+11000)+1 _ ln(B/1000)+11000)+1由于由于1000,则则ln(/1000)+11000)+1/10001000,所以上式写为所以上式写为:lnA-B=(A_B)/10001000 令令A_B=A_B ,则则A_B=10001000 lnA-B 22二、同位素年代学u放射性衰变定律 u放射性同位
21、素年龄测定 uRbSr法uSmNd法uK-Ar23(一)放射性衰变定律 放射性同位素的特性：放射性同位素的特性：放射性同位素在原子核内部发生衰变，其结果是从一个核素转变为另一个核素；衰变是自发的、永久不息的一种恒制反应，而且衰变是按一定比例的；衰变反应不受任何温度、压力、元素的存在形式及其物理化学条件的影响；衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数。24 一般把正在衰变的核素称为母核（体），母核（体），母核（体），母核（体），衰变的产物称为子核（体）子核（体）子核（体）子核（体）。放射性规律：放射性规律：放射性规律：放射性规律：在在一一个个封封闭闭系系统统内内，单单位位时时间间内内放放射
22、射性性母母核核衰衰变变为为子子核核的的原原子子数数与与母核的原子数成正比。母核的原子数成正比。用以下式子表示：-dN/dt=N-dN/dt=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 ：衰变速率常数（单位时间内衰变几率）1/年、1/秒 -：表示dt时间内母核的变化趋势是减少的(一)放射性衰变定律 25(一)放射性衰变定律 变换上式：-dN/dt=NdN/N=-dt 假假假假设设设设：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的数值可以通过对上式的积分求得：lnN-lnN0=-(T-T0)=-t (据积分公式)lnN/N0=-t (
23、对数运算法则)N/N0=e-t (取掉自然对数)T T时刻母核的原子数：时刻母核的原子数：N=N0 e-t，这是一切放射性衰变的基本公式这是一切放射性衰变的基本公式 变换上式：N0=Net，N/N0=e-t 半半半半衰衰衰衰期期期期（T、t1/2、单位：年）即即母母核核衰衰变变为为其其原原子子数数一一半半所所经经历历的时间。的时间。由上式：N/N0=e-t，N/N0=1/2，1/2=e-T（两边取对数）ln2=T，26 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及放射性原子衰变模型D=ND=N0 0-N=Ne-N=Nett-N=N(e-N=N(ett-1)-1)27(二)放射
24、性同位素年龄测定 假设：假设：以D表示由经过t（T0T）母核衰变成的子核数，则：D=N0-N 把N0=Net代入 经整理得：t=t=（1/1/）lnln（1+1+（D/ND/N）D/N是现存子核和母核的原子数比值。这这两两式式是是同同位位素素年年龄龄测测定定的的基基本本公公式式，不同的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。28 1)应应有有适适当当的的半半衰衰期期，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。2)所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求所测定同位素的衰变常数的精度能满
25、足要求。3)放放射射性性同同位位素素应应具具有有较较高高的的地地壳壳丰丰度度，在当前的技术条件下，能以足够的精度测定它和它所衰变的子体含量。4)矿矿物物、岩岩石石结结晶晶时时，只只含含某某种种放放射射性性同同位位素素，而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体，其数量亦是可以估计的。要利用以上公式来测定岩石、矿物的年龄，应满足以下条件：要利用以上公式来测定岩石、矿物的年龄，应满足以下条件：29 5)保保存存放放射射性性同同位位素素的的矿矿物物或或岩岩石石自自形形成成以以后后一一直直保保持持封闭系统封闭系统，即没有增加或丢失放射性同位素及其衰变产物。目前新生代前,较为成熟和常用的同位素测年方法有：
26、UThPbUThPb法法 KArKAr法法 RbSr RbSr 法法 SmNdSmNd法法 ReOsReOs法等法等 测定第四纪同位素年代的方法 有14C法 要利用以上公式来测定岩石、矿物的年龄，应满足以下条件：要利用以上公式来测定岩石、矿物的年龄，应满足以下条件：30同位素封闭温度及冷却年龄同位素封闭温度及冷却年龄同位素封闭温度及冷却年龄同位素封闭温度及冷却年龄uu封封封封闭闭闭闭温温温温度度度度：当当温温度度降降低低到到能能使使计计时时体体系系达达到到封封闭闭状状态态时时，即即子子体体由由于于热热扩扩散散导导致致的的丢丢失失量量可可以以忽忽略略不不计计时时，子子体体才才开开始始积积累累，这
27、这个个开开始始计计时的温度就是时的温度就是封闭温度封闭温度，所测得的年龄称为表面年龄表面年龄表面年龄表面年龄或冷却年龄冷却年龄冷却年龄冷却年龄。u对对于于一一个个特特定定的的同同位位素素计计时时体体系系，若若矿矿物物的的封封闭闭温温度度较较高高并并接接近近于于矿矿物物的的形形成成温温度度，测测定定的的年年龄龄可可代代表表矿矿物物的的形形成成年年龄龄；若若矿矿物物的的封封闭闭温温度较低，则所测定的年龄就不能代表矿物的形成年龄。度较低，则所测定的年龄就不能代表矿物的形成年龄。u因因此此，必必须须选选择择同同位位素素计计时时体体系系那那些些具具有有较较高高封封闭闭温温度度的的矿矿物物进进行行形形成成
28、年年龄龄测测定定。由由封封闭闭温温度度较较低低的的矿矿物物所所获获得得的的年年龄龄只只能能代代表表矿矿物物的的冷冷却年龄却年龄。31放射性同位素年龄的地质含义放射性同位素年龄的地质含义放射性同位素年龄的地质含义放射性同位素年龄的地质含义（1）结结结结晶晶晶晶年年年年龄龄龄龄：对于火成岩体，矿物的结晶年龄记录了岩石的岩浆作用年龄；对于变质岩，如果变质矿物的结晶温度低于其封闭温度，则矿物一经形成，同位素时钟就立即启动、开始计时，从而记录下变质岩的结晶年龄。（2）冷冷冷冷却却却却年年年年龄龄龄龄：对对于于火火成成岩岩体体，冷冷却却年年龄龄是是指指岩岩体体固固结结之之后后的的冷冷却却过过程程中中，达达
29、到到矿矿物物的的封封闭闭温温度度时时同同位位素素时时钟钟开开始始启启动动记记录录下下来来的的年年龄龄。对于变质岩，矿物在变质高峰期结晶生成，之后冷却过程中达到矿物的封闭温度时同位素时钟启动记录下来的年龄。（3）变变变变质质质质年年年年龄龄龄龄：是是指指变变质质作作用用高高峰峰期期的的年年龄龄。变质年龄的确定方法取决于变质作用级别。对于低级变质，可选用封闭温度较高的某些特定矿物来确定变质年龄；对于高级变质，则往往采用全岩的Rb-Sr或Sm-Nd同位素体系来推断。（4）地地地地壳壳壳壳形形形形成成成成年年年年龄龄龄龄：是指一个新的大陆地壳体从地幔分异出来的时间，通常通过Sm-Nd模式来计算获得。（
30、5）地地地地壳壳壳壳存存存存留留留留年年年年龄龄龄龄：对来自大陆地壳块体剥蚀下来的沉积岩进行Sm-Nd同位素分析，可计算获得一个地壳滞留年龄（tCR），反映地壳形成年龄。该年龄比地层年龄值大。32(三)RbSr法自然界Rb有两个同位素：85Rb72.15%稳定同位素 87Rb27.85%放射性同位素 衰变方式：自然界Sr有四个同位素：88Sr82.56%87Sr7.02%（部分是由87Rb衰变而成，部分是矿物、岩石形成时固有的）86Sr 9.86%（是非放射成因，自地球形成后为一常数）84Sr0.56%331.原 理 可由87Rb衰变而产生的87Sr，根据放射性同位素年龄测定公式（1）：87S
31、r（样品）87Sr（初始）=87Rb（样品）(et-1）(1)(10-11年-1)87Sr(样品)=87Sr(初始)+87Rb(样品)(et-1）质谱仪上测定同位素比值要比测定绝对值来得精确，86Sr自地球形成以来其原子总数基本保持不变，为一常数，为此：(87Sr/86Sr)样=(87Sr/86Sr)初+(87Rb/86Sr)样（et-1）(2)利用(2)式,其年龄公式为：t=(1/)ln1+(87Sr/86Sr)样（87Sr/86Sr)初/(87Rb/86Sr)样342.RbSr模式年龄测定 从上式可见，在计算年龄t值时，除了要知道值外，还需对样品中初始锶有一个适当的估计。不同岩类样品混入的
32、初始锶(87Sr/86Sr)0是不同的。地幔、陨石、月岩（87Sr/86Sr)初=0.6999 地壳源地质体（87Sr/86Sr)初=0.7120 花岗质岩石（87Sr/86Sr)初35 例：例：例：例：测某花岗岩的样品：（87Sr/86Sr)样，（87Rb/86Sr)样；代入公式 (亦可查表)；样样品品采采集集：Rb没有自己的独立矿物，只能以类质同像的方式进入含钾矿物晶格。（Rb+1.48K+1.33）花岗岩:锂云母、钾长石、其它云母类矿物；沉积岩：沉积自生矿物海绿石；变质岩：蚀变钾长石、蚀变云母类矿物；方法缺点方法缺点：对初始锶的估计是人为的、粗略的，计算年龄值误差大。363.RbSr等时
33、线法 假设假设假设假设:一组同源样品在同一时间形成；母源中Sr在样品形成时，同位素已均一化，为此，样品中的初始值（87Sr/86Sr）各处相同；通常情况下，由于矿物成分上的差异，各样品中Rb/Sr比值是不同的，经过时间t以后，各样品的（87Sr/86Sr)样、(87Rb/86Sr)样不同。(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)样样=(=(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)初初+(+(8787Rb/Rb/8686Sr)Sr)样样（e ett-1-1）Y=ax+b,Y=ax+b,其中其中Y Y：(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)样样 a a：斜率（：斜率（e ett-1-1）x
34、x：(8787Rb/Rb/8686Sr)Sr)样样 b b：截距（：截距（8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)0 0 (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)样样=(=(8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)初初+(+(8787Rb/Rb/8686Sr)Sr)样样（e ett-1-1）38 实际工作中如何获得 t 和（87Sr/86Sr)0：采集一组同源样品(岩石+矿物)；测得每个样品的(87Sr/86Sr)样和(87Rb/86Sr)样比值；即可在座标图上,或用最小二乘法拟合成一条直线,获知直线的斜率：tg=(et-1)，即可求出样品的等时线年龄。t=ln(1+tg)/tg=D/N=(
35、87Sr/86Sr)样-(87Sr/86Sr)0/(87Rb/86Sr)样 等时线与纵坐标的交点截距b，为初始锶（87Sr/86Sr)0395.RbSr同位素系统的地球化学应用 测定复杂地质体测定复杂地质体(陨石、月球陨石、月球)的年龄；的年龄；探索岩石成因，成岩物质来源及地壳及上地幔演化等。探索岩石成因，成岩物质来源及地壳及上地幔演化等。1)1)测定复杂地质体年龄测定复杂地质体年龄 假设：假设：假设：假设：岩体基本保持封闭体系全岩样品的等时线的斜率仍能代表成岩时间；变质作用过程Sr同位素在新生变质矿物中进行了均一化,出现了一个新的变质作用初始值(87Sr/86Sr)1 成岩年龄测定：采集全岩
36、样品作等时线 变质年龄测定：挑选含Rb的变质矿物作等时线。40成岩和变质作用中RbSr等时线图412)2)确定成岩物质来源及地壳及上地幔演化确定成岩物质来源及地壳及上地幔演化不不同同岩岩浆浆源源区区具具有有不不同同的的RbRb、SrSr同同位位素素体体系系，为为此此可可用用其其8787Sr/Sr/8686SrSr比值探讨其源区。比值探讨其源区。据研究表明：公认玄武质无球粒陨石87Sr/86Sr比值（BABI）可作为地球形成时(45亿年前)的初始比值（0.69897)。未被混染的起源于上地幔的现代玄武岩的87Sr/86Sr比值可作为现代上地幔87Sr/86Sr比值，平均。大陆地壳在25亿年形成S
37、iAl层，其现代SiAl层岩石87Sr/86Sr比值为。陆壳形成过程中K更富集(Rb,87Rb87Sr)，为此现代陆壳87Sr/86Sr比值高。作出上地幔和大陆地壳Sr同位素演化图解。42 把国内外各地各时期花岗岩(87Sr/86Sr)和t投入Sr演化图解上，则清楚地显示出不同源区的岩浆：玄武岩演化区；大陆地壳演化线附近；两者之间过渡区。结合其它地质、地球化学证据，分析讨论岩浆的源区和成因。结合其它地质、地球化学证据，分析讨论岩浆的源区和成因。43(四)SmNd法自然界Sm和Nd都有7个同位素：441.原 理 与87Rb87Sr体系相似，根据放射性同位素年龄测定公式：143Nd=147Sm(e
38、t-1）(1)(10-12年-1)144Nd为稳定同位素，为一常数，为此：主主要要适适合合对对古古老老岩岩石石的的测测年年（1010亿亿年年），由由于于硅硅铝铝质质岩岩石石中中Sm/NdSm/Nd比比之之差差异异很很小小，而而在在铁铁镁镁质质和和超超铁铁镁镁质质岩岩石石中中变变化化大大，该该方方法法故不适合对酸性岩测年，而适合对古老的基性和超基性岩石测年。故不适合对酸性岩测年，而适合对古老的基性和超基性岩石测年。t=(1/)ln1+(t=(1/)ln1+(t=(1/)ln1+(t=(1/)ln1+(143143143143Nd/Nd/Nd/Nd/144144144144Nd)Nd)Nd)Nd)
39、样样样样（143143143143Nd/Nd/Nd/Nd/144144144144Nd)Nd)Nd)Nd)初初初初/(/(/(/(147147147147Sm/Sm/Sm/Sm/144144144144Nd)Nd)Nd)Nd)样样样样 452.SmNd模式年龄 假假设设：原始地幔岩浆库是一个具有球粒陨石Sm/Nd比值的均均均均一一一一岩岩岩岩浆浆浆浆库库库库（CHUR），并假定地壳岩石的Sm/Nd比值在从均均均均一一一一岩岩岩岩浆浆浆浆库库库库源区分离后保持不变，则地壳岩石在时间t的（143Nd/144Nd)0值就是CHUR源区在时间t的演化值，即：（143143NdNd144144NdNd）
40、CHURCHUR，（147147SmSm144144NdNd）CHURCHUR。均一岩浆库均一岩浆库均一岩浆库均一岩浆库现今比值：现今比值：462.SmNd模式年龄对地壳样品：对地壳样品：由于样品派生于CHUR源区，因此有：联立（）和（），tTCHUR，则：由于地壳从地幔中分异，地幔发生了亏损，所以亏损地幔的模式年由于地壳从地幔中分异，地幔发生了亏损，所以亏损地幔的模式年龄龄T TDMDM：以 大 洋 中 脊 玄 武 岩 为 代 表，（143Nd/144Nd)DM=0.51315;（147Sm/144Nd)DM=0.2135;473.Nd同位素地球化学NdNd同位素具有以下特点：同位素具有以下
41、特点：（1）Sm、Nd具有相似的地球化学性质，除岩浆作用外，SmNd比值一般不会发生变化。（2）一些太古宇样品与球粒陨石的143Nd/144Nd比值相当，表明地球早期演化阶段的Nd同位素初始值与球粒陨石Nd同位素初始值非常一致。（3）年轻火山岩的Nd同位素研究表明，143Nd/144Nd与87Sr/86Sr原子丰度比值呈现良好的负相关性。因此，Nd同位素在探讨地幔、地壳演化、壳幔交换、岩石成因和物质来源等方面有十分重要的意义。NdNd同位素初始比值获得方法：同位素初始比值获得方法：1.1.等时线法；等时线法；2.2.已知年龄样品可以直接计算。已知年龄样品可以直接计算。483.Nd同位素地球化学
42、由于在整个地质时期143Nd/144Nd的原子丰度比值变化很小，引入 NdNd参数，用来描述现今样品相对CHUR现今的偏差值，其表达式为：在地球演化过程中，大离子亲石元素一般优先富集在地壳上部的岩石中，为了确切地表示地壳岩石中Nd、Sr同位素组成的变化，引入fSm/Nd参数，其表达式为：该参数是表示现今样品相对于现今CHUR的偏差，对于地壳岩石一般在之间，平均为。493.Nd同位素地球化学 NdNd参数与 f 参数的关系：NdNd（t t）参数大于0，表明物质来自亏损地幔；小于0，来自地壳或富集型地幔源；接近0，来自球粒陨石型未分异的原始地幔。503.Nd同位素地球化学对于对于SrSr同位素也
43、有同位素也有：是地球均一储库（U.R）现今的同位素比值，分别为0.7045和0.0827；和 分别是t时刻样品和地球均一储库的同位素比值。和受海水蚀变的蛇绿岩受海水蚀变的蛇绿岩大大洋洋中中脊脊玄玄武武岩岩、海海岛岛玄武岩玄武岩地壳麻粒地壳麻粒岩相岩石岩相岩石5354（五）K-Ar法年龄测定法法 钾有三种同位素组成：39K、40K和41K。它们的相对丰度为：39K=93.2581%，40K=0.01167%，41K=6.73021%。其中40K是放射性同位素，通过和电子捕获二种衰变方式，前者占40K总衰变的88%,后者占12%，其衰变反应如下：40404040K+e K+e K+e K+e 40
44、404040ArArArAr 记衰变常数为e；40404040K K K K 40404040Ca+Ca+Ca+Ca+记衰变常数为。因此40K的总衰变常数=e+。根据放射性同位素衰变定律，在钾、钙、氩的封闭体系中，可用下式表达：40404040Ar+Ar+Ar+Ar+40404040Ca=Ca=Ca=Ca=40404040K(eK(eK(eK(etttt-1)-1)-1)-1)55 t=(1/)ln(t=(1/)ln(t=(1/)ln(t=(1/)ln(e e e e/)(/)(/)(/)(40404040Ar*/Ar*/Ar*/Ar*/40404040K)+1 K)+1 K)+1 K)+1
45、40404040Ar*=(e/)Ar*=(e/)Ar*=(e/)Ar*=(e/)40404040K(eK(eK(eK(etttt-1)-1)-1)-1)式中：t是由40K衰变成40Ar所积累的时间。氩同位素广泛存在于空气和各种岩石矿物中，为了把由40K衰变而成的40Ar与其它的40Ar相区别，用40Ar*来表示，上式改为：40404040Ar=(Ar=(Ar=(Ar=(e e e e/)/)/)/)40404040K(eK(eK(eK(etttt-1)-1)-1)-1)其中40Ar占总衰变量为e/，因此有：上式是K-Ar法年龄计算的基本公式。在实际应用中，把样品分成两份，一份样品通过同位素稀释
46、法计算或通过测定K含量计算40K；另一份样品确定40Ar，早期采用体积法计算获得40Ar，但准确度不高，目前主要采用同位素稀释法计算获得40Ar。56K-ArK-ArK-ArK-Ar法获得年龄的可靠性法获得年龄的可靠性法获得年龄的可靠性法获得年龄的可靠性：除了正确地测定衰变常数外，还必必须须保保证证样样品品对对于于钾钾和和氩氩是是封封闭闭体系体系，在岩石或矿物形成后没有发生过钾和氩的带入和带出。但钾是活泼的碱金属元素，氩一般呈气态，容易发生扩散，对受热作用较为敏感，在岩石或矿物形成后所经历的地质作用（如区域变质、接触变质、热液活动和构造运动等）中有可能发生迁移，使得K-Ar年龄偏低，或者代表的
47、是最后一次热事件的年龄。因此，在K-Ar法年龄解释中，必须注意热事件的影响。另一方面，样品中混入大气氩或过剩氩的存在，使得年龄偏老，因而必须对混入的大气氩进行校正或对过剩氩进行检查。57K-ArK-ArK-ArK-Ar法的优点：法的优点：法的优点：法的优点：钾是常量元素，可进行K-Ar分析的矿物相当多。但考虑到岩石或矿物对氩的保存性，并不是所有的岩石或含钾矿物都能用作K-Ar法年龄测定的对象。一般认为，角闪石、黑云母、白云母、高温碱长石角闪石、黑云母、白云母、高温碱长石等是K-Ar法年龄测定的理想矿物，新鲜的粗面岩、玄武岩、辉绿岩粗面岩、玄武岩、辉绿岩等也可给出地质意义的年龄，沉积地层中的海绿
48、石海绿石和伊利石伊利石，作为沉积过程中形成的自生矿物，在研究沉积地层的年龄中受到重视。58 39 39 39 39K K K Kn(n(n(n(快中子快中子快中子快中子)39393939ArArArArp(p(p(p(质子质子质子质子)T)T)T)T1/21/21/21/2=126 a=126 a=126 a=126 a 39393939Ar=Ar=Ar=Ar=39393939KT()()d KT()()d KT()()d KT()()d（1 1 1 1）T：辐照时间；()：能量为 的中子流密度；()：能量为 的中子流捕获面积；：能量 20世纪60年代开始发展起来的40Ar-39Ar法（又称快
49、快中中子子法法），是通过用快中子照射矿物或岩石样品，使其中的39K通过核反应转化成39Ar为基础来进行年龄测定的。2.2.4040Ar-Ar-3939ArAr法法根据K-Ar 定年公式：40404040Ar*=(Ar*=(Ar*=(Ar*=(e e e e/)/)/)/)40404040K(eK(eK(eK(etttt-1)-1)-1)-1)（2 2 2 2）（2）/（1）并整理得：40404040Ar*/Ar*/Ar*/Ar*/39393939Ar=(eAr=(eAr=(eAr=(etttt-1)/J-1)/J-1)/J-1)/J 其中：J=J=J=J=（/e e e e）(39393939
50、K/K/K/K/40404040K)T()()dK)T()()dK)T()()dK)T()()d 因此有：t=1/ln(J(t=1/ln(J(t=1/ln(J(t=1/ln(J(40404040Ar*/Ar*/Ar*/Ar*/39393939Ar)+1Ar)+1Ar)+1Ar)+1 59根据K-Ar 定年公式：40404040Ar*=(Ar*=(Ar*=(Ar*=(e e e e/)/)/)/)40404040K(eK(eK(eK(etttt-1)-1)-1)-1)（2 2 2 2）（2）/（1）并整理得：40404040Ar*/Ar*/Ar*/Ar*/39393939Ar=(eAr=(eAr