第六章同位素地球化學(xué)

1、1第六章 同位素地球化學(xué)是研究地殼和地球中核素的形成、豐度及其在地質(zhì)作用中分餾和衰變規(guī)律的科學(xué)。 同位素地球化學(xué)同位素地球化學(xué) 2同位素地球化學(xué)在解決地學(xué)領(lǐng)域問題的獨(dú)到之處： 1）每一對(duì)放射性同位素都是一只時(shí)鐘，自地球形成以來它們時(shí)時(shí)刻刻地，不受干擾地走動(dòng)著，這樣可以測(cè)定各種地質(zhì)體的年齡，尤其是對(duì)隱生宙的前寒武紀(jì)地層及復(fù)雜地質(zhì)體。 2）同位素成分的變化受到作用環(huán)境和作用本身的影響，為此，可利用同位素成分的變異來指示地質(zhì)體形成的環(huán)境條件、機(jī)制，并能示蹤物質(zhì)來源。 3）由于某些礦物同位素成分變化與其形成的溫度有關(guān)，為此可用來設(shè)計(jì)各種礦物對(duì)的同位素溫度計(jì)，來測(cè)定成巖成礦溫度。 另外亦可用來進(jìn)行資源勘

2、查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害防治資源勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害防治等。3 一自然界引起同位素成分變化的原因 二同位素年代學(xué) 三穩(wěn)定同位素地球化學(xué) 第六章 同位素地球化學(xué)4一、自然界引起同位素成分變化的原因u核素的性質(zhì) u同位素分類 u同位素成分的測(cè)定及表示方法 u自然界引起同位素成分變化的原因5一、自然界引起同位素成分變化的原因（一）核素的性質(zhì) 1.1.什么叫核素什么叫核素? ? 由不同數(shù)量的質(zhì)子和中子按一定結(jié)構(gòu)組成各種元素的原子核稱為核素核素，任何一個(gè)核素都可以用a=p+n這三個(gè)參數(shù)來表示。 具有相同質(zhì)子數(shù)，不同數(shù)目中子數(shù)所組成的一組核素稱為。 o的質(zhì)子數(shù)p=8，但中子數(shù)分別為8、9、10，因此，氧

3、有質(zhì)量數(shù)分別為16o、 17o、18o三個(gè)同位素。6(一) 核素的性質(zhì) (1)(1)核素具有電荷：核素具有電荷：一個(gè)質(zhì)子帶有一個(gè)單位的正電荷，原子的核電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，并由此決定原子的核外電子數(shù)。核電荷數(shù)一旦改變就變成了另外一種元素，同時(shí)核電荷數(shù)也影響著核的組成及結(jié)構(gòu)，即決定核的穩(wěn)定性。 (2)(2)核素具有質(zhì)量核素具有質(zhì)量：核素因含有不同數(shù)量的質(zhì)子和中子，而具有不同的質(zhì)量。 (3)(3)核素具有豐度：核素具有豐度：自然界的核素具有兩種豐度。 一是核素的絕對(duì)豐度核素的絕對(duì)豐度，是指自然界各種核素存在的總量，它與組成核素的核子是指自然界各種核素存在的總量，它與組成核素的核子數(shù)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，反映核

4、素的穩(wěn)定性。數(shù)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，反映核素的穩(wěn)定性。 當(dāng)原子序數(shù)z20時(shí)，n/p=1，核素最穩(wěn)定，絕對(duì)豐度高； 當(dāng)20z83時(shí)，n/p偏離1或1.5，核素不穩(wěn)定，絕對(duì)豐度低。 二是核素的相對(duì)豐度核素的相對(duì)豐度，是指元素同位素所占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)是指元素同位素所占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，例如大氣中三個(gè)氧同位素的相對(duì)豐度是: 16o：99.763%； 17o：0.0375%；18o：0.1995%。7 (4)(4)核素具有能量：核素具有能量：原子核聚集高質(zhì)量的粒子于一個(gè)極小的體積內(nèi)，因此，原子核內(nèi)孕含著巨大的能量，即核能，也稱“”。結(jié)合能越高核素越穩(wěn)定；結(jié)合能低（如h、n、li、be及高質(zhì)量數(shù)的核素）的核素不穩(wěn)定

5、。在核衰變過程中，一部分核能通過放射出各種粒子及射線而被釋放出來。 (5)(5)核素具有放射性：核素具有放射性：所謂放射性即不穩(wěn)定核素通過放射出粒子及所謂放射性即不穩(wěn)定核素通過放射出粒子及輻射能量，而自發(fā)地調(diào)整核內(nèi)的組成和結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的核素的現(xiàn)輻射能量，而自發(fā)地調(diào)整核內(nèi)的組成和結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的核素的現(xiàn)象象，稱為。放射性衰變的結(jié)果，使核素的質(zhì)量、能量和核電荷數(shù)都發(fā)生變化，從而變?yōu)榱硗庖环N元素。(一) 核素的性質(zhì)8(二) 同位素分類 從核素的穩(wěn)定性來看，自然界存在兩大類同位素： 一類是其核能自發(fā)地衰變?yōu)槠渌说耐凰兀Q為放射性同位素放射性同位素； 另一類是其核是穩(wěn)定的，到目前為止，還沒有發(fā)

6、現(xiàn)它們能夠衰變成其它核的同位素，稱為穩(wěn)定同位素穩(wěn)定同位素。 然而，核素的穩(wěn)定性是相對(duì)的，它取決于現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)放射性元素半衰期的檢出范圍，目前一般認(rèn)為，凡是原子存在的時(shí)間大于年的就稱穩(wěn)定同位素，反之則稱為放射性同位素 。 9(三) 同位素成分的測(cè)定及表示方法 一般來說質(zhì)量數(shù)a209的同位素大部分是穩(wěn)定的，只有少數(shù)是放射性的,如14c，40k，87rb；而質(zhì)量數(shù)大于209的同位素全部屬于放射性同位素。 一種元素可由不同數(shù)量的同位素組成。自然界中同位素最多的是sn元素，有10個(gè)同位素： 112112，114114，115115，116116，117117，118118，119119，12012

7、0，122122，124124sn sn 自然界也存在只有一種同位素單獨(dú)組成的元素： be、f、na、p等27種。其余大多數(shù)由25種同位素組成。10(三) 同位素成分的測(cè)定及表示方法 一個(gè)完整的同位素樣品的研究包括樣品的采集、加工、化樣品的采集、加工、化學(xué)制樣、測(cè)定及結(jié)果的計(jì)算學(xué)制樣、測(cè)定及結(jié)果的計(jì)算和解釋解釋等環(huán)節(jié)。下面簡(jiǎn)單介紹一下化學(xué)制樣及質(zhì)譜儀測(cè)定方法。 1.1.制樣制樣 將地質(zhì)樣品分解，使待測(cè)元素的同位素轉(zhuǎn)化為在質(zhì)譜儀上 測(cè)定的化合物，輕穩(wěn)定同位素一般制成氣體樣品。 例如：氧同位素有兩種制樣方法： （1）還原法: 高溫條件下與c還原成co； （2）氧化法: 用f或鹵化物氧化，生成o2（

8、精度高）。11 2.2.質(zhì)譜儀測(cè)定：質(zhì)譜儀測(cè)定： 質(zhì)譜儀是目前同位素成分測(cè)定的主要手段（mat261，mat251）。其是：把待測(cè)元素的原子或分子正把待測(cè)元素的原子或分子正離子化，并引入電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，帶正電的質(zhì)點(diǎn)因質(zhì)量不離子化，并引入電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，帶正電的質(zhì)點(diǎn)因質(zhì)量不同而被分離測(cè)定。同而被分離測(cè)定。 3.3.同位素成分表示方法：同位素成分表示方法： 1)絕對(duì)比率（r）：用兩個(gè)同位素比值直接表示，例如32s/34s，12c/13c等； 2)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品r的絕對(duì)比率差（r） r = r樣品 - r標(biāo)準(zhǔn) 12 3）樣品相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品r的偏離程度（千分率）： 例如對(duì)34s/32s相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品

9、的富集程度， 即以 34s 來表示： 習(xí)慣上把微量（較小相對(duì)豐度）微量（較小相對(duì)豐度）同位素放在r的分子上，這樣可以從樣品的值，直接看出微量同位素比標(biāo)準(zhǔn)樣品是富集了，還是貧化了。 0 0表示表示3434s s比標(biāo)準(zhǔn)樣品是富集了；比標(biāo)準(zhǔn)樣品是富集了； 0 0表示表示3434s s比標(biāo)準(zhǔn)樣品是貧化了。比標(biāo)準(zhǔn)樣品是貧化了。 3.3.同位素成分表示方法：同位素成分表示方法： 13 4 4）同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品）同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品元元 素素標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn) 樣樣縮縮 寫寫hh、o o大洋水平均大洋水平均smowsmowc c美國南卡羅萊納州，皮迪組的美洲箭石（已耗盡）美國南卡羅萊納州，皮迪組的美洲箭石（已耗盡）pdbp

10、dbc c索洛霍芬石灰?guī)r索洛霍芬石灰?guī)rnbs20nbs20s s美國亞利桑那州坎寧迪亞布洛鐵隕石中的隕硫鐵美國亞利桑那州坎寧迪亞布洛鐵隕石中的隕硫鐵cdcd 同位素分析資料要能夠進(jìn)行世界范圍內(nèi)的比較，就必須建立世界性的標(biāo)準(zhǔn)樣品。世界標(biāo)準(zhǔn)樣品的條件： 在世界范圍內(nèi)居于該同位素成分變化的中間位置，可以做為零在世界范圍內(nèi)居于該同位素成分變化的中間位置，可以做為零點(diǎn)；點(diǎn)； 標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素成分要均一；標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素成分要均一； 標(biāo)準(zhǔn)樣品要有足夠的數(shù)量；標(biāo)準(zhǔn)樣品要有足夠的數(shù)量； 標(biāo)準(zhǔn)樣品易于進(jìn)行化學(xué)處理和同位素測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)樣品易于進(jìn)行化學(xué)處理和同位素測(cè)定。14 放射性同位素經(jīng)過自然衰變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌氐?/p>

11、同位素，結(jié)果母元素同位素不斷減少，而子元素同位素不斷增加，從而改變著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種特性，不受外界物化條件的影響。 1)1)衰變衰變: : 放射性母核放出粒子（粒子由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，粒子實(shí)際上是 ）： x：母核，y：子核；z：原子序數(shù)，a：質(zhì)量數(shù)，e：能量 (鐳) （氡） 由上式可見，新核的同位素原子序數(shù)比母 核少2，質(zhì)量數(shù)少4。自然界的重同位素 235u、238 u、232th等以衰變?yōu)橹鳌?四) 自然界引起同位素成分變化的原因eheyxazaz)(4242ehernra)(42222862268842he核 2)2)衰變：衰變：自然界多數(shù)為衰變

12、，即放射性母核中的一個(gè)中子分裂為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子（即粒子），同時(shí)放出反中微子 ，通式為： 衰變結(jié)果，核內(nèi)減少1個(gè)中子，增 加1個(gè)質(zhì)子，新核的質(zhì)量數(shù)不變，核 電荷數(shù)加1，變成周期表上右側(cè)相鄰 的新元素。 例如： 3)3)電子捕獲：電子捕獲：是母核自發(fā)地從核外電子殼層捕獲1個(gè)電子，通常在k層上吸取1個(gè)電子（e），與質(zhì)子結(jié)合變成中子，質(zhì)子數(shù)減少1個(gè)（是衰變逆向變化），通式為： 這樣，其衰變產(chǎn)物核質(zhì)量數(shù)不變， 質(zhì)子數(shù)（核電荷數(shù)）減1，變成周期 表上左鄰的新元素：eyxazaz1esrrb87388737ecak40204019eyexazaz1earek4018401916pbu20678238pb

13、th20846232pbu20747235 4)4)重核裂變：重核裂變：重放射性同位素自發(fā)地分裂為23片原子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飛散，如238u，235u，232th都可以發(fā)生這種裂變。 在自然界中，有些同位素只需通過一次某種固定形式的衰變，即可變成某種穩(wěn)定同位素： 但是，有些放射性同位素需經(jīng)過一系列的各種衰變才能變化成穩(wěn)定同位素：srrb8738873717 2. 2.同位素分餾效應(yīng)同位素分餾效應(yīng): : 1)同位素分餾效應(yīng)：同位素分餾效應(yīng)：在地質(zhì)作用過程中，由于質(zhì)量差異所導(dǎo)致輕穩(wěn)定同位素(z20)相對(duì)豐度發(fā)生改變的過程。 2)引起分餾效應(yīng)的原因：。 也稱質(zhì)量分餾, 同位

14、素之間因質(zhì)量差異而引起的與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)的不同，(如密度、比重、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等微小的差別)，這樣在蒸發(fā)、凝聚、升華、擴(kuò)散等自然物理過程中，使得輕、重同位素分異。 例如：蒸發(fā)作用強(qiáng)烈的死海（約旦、巴勒斯坦國之間）咸水中h218o含量最高。單向多次反復(fù)的物理過程，同位素分餾效應(yīng)最明顯。 18 ：就是在化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物和生成物之間由于物態(tài)、相態(tài)及化學(xué)鍵性質(zhì)的變化，使輕重同位素分別富集在不同分子中而發(fā)生分異，稱同位素交換反應(yīng)同位素交換反應(yīng)。 例如：大氣圈與水圈之間發(fā)生氧同位素交換反應(yīng) (0:=1.074, 25:=1.006) 大量實(shí)測(cè)資料表明：價(jià)態(tài)和相態(tài)差別大的化學(xué)反應(yīng)，同位素交換價(jià)態(tài)和相態(tài)差別大的化

15、學(xué)反應(yīng)，同位素交換反應(yīng)更明顯。反應(yīng)更明顯。 ：動(dòng)植物及微生物在生存過程中經(jīng)常與介質(zhì)交換物質(zhì)、并通過生物化學(xué)過程引起同位素分餾。 例如：植物通過光合作用，使12c更多地富集在有機(jī)體中，因此生物成因地質(zhì)體如煤、油、氣等具有高的12c。21816221618222oohooh19 ：其實(shí)質(zhì)是質(zhì)量不同的同位素分子具有不同的分子振動(dòng)頻率和化學(xué)健強(qiáng)度（從熱力學(xué)角度上來講h218o的內(nèi)能、熱容、熵與h216o是不同的），因輕同位素形成的鍵因輕同位素形成的鍵比重同位素更易破裂比重同位素更易破裂，這樣在化學(xué)反應(yīng)中輕同位素分子的反應(yīng)速率高于重同位素分子。 例如：c+16o2c16o2 平衡常數(shù)k1 c+16o18

16、oc16o18o 平衡常數(shù)k2 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定k1/k2=1.17203)：同位素分餾作用的大小，一般用分餾系數(shù)來表示： （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- 氣態(tài)氰氫酸 液態(tài)氰氫酸根 經(jīng)過一段時(shí)間后，兩部分的13c/12c比值都發(fā)生了變化，其分餾系數(shù)為： =（13c/12c）hcn /（13c/12c）cn- （ 偏離偏離1 1愈大，分餾作用愈強(qiáng)；愈大，分餾作用愈強(qiáng)； 接近接近1 1，表示分餾作用愈弱），表示分餾作用愈弱） a = =(r(ra a/r/r標(biāo)標(biāo))-1)-110001000 (r(ra a/r/r標(biāo)標(biāo))= (

17、)= (a /1000)+1 1000)+1 r ra a = = ( (a /1000)+11000)+1. r r標(biāo)標(biāo)同樣同樣: r rb b= = ( (b /1000)+11000)+1. r r標(biāo)標(biāo)分餾系數(shù)分餾系數(shù) a-b = ra/rb = = ( (a /1000)+11000)+1 ( (b /1000)+11000)+1對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù): : lna-b = ln ( (a /1000)+11000)+1 ( (b /1000)+11000)+1 lna-b= lnra lnrb = ln ( (a /1000)+11000)+1 _ ln ( (b /100

18、0)+11000)+1由于由于1000, 則則ln ( (/1000)+11000)+1 /10001000 , 所以上式寫為所以上式寫為: lna-b= ( (a_b)/10001000 令令a_b =a_b ,則則a_b = 10001000 lna-b 22二、同位素年代學(xué)u放射性衰變定律 u放射性同位素年齡測(cè)定 urbsr法usmnd法uk-ar23 (一)放射性衰變定律 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內(nèi)部發(fā)生衰變，其結(jié)果是從一個(gè)核素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)核素； 衰變是自發(fā)的、永久不息的一種恒制反應(yīng)，而且衰變是按一定比例的； 衰變反應(yīng)不受任何溫度、壓力、元素的存在

19、形式及其物理化學(xué)條件的影響； 衰變前核素和衰變后核素的原子數(shù)，只是時(shí)間的函數(shù)。 24 一般把正在衰變的核素稱為衰變的產(chǎn)物稱為。 在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)放射性母核衰變?yōu)樽雍说脑訑?shù)與在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)放射性母核衰變?yōu)樽雍说脑訑?shù)與母核的原子數(shù)成正比。母核的原子數(shù)成正比。 用以下式子表示： -dn/dt=n-dn/dt=n 其中， n：在t時(shí)刻未衰變完母核的原子數(shù) dn/dt：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所衰變的原子數(shù) ：衰變速率常數(shù)（單位時(shí)間內(nèi)衰變幾率）1/年、1/秒 -：表示dt時(shí)間內(nèi)母核的變化趨勢(shì)是減少的 (一)放射性衰變定律 25(一) 放射性衰變定律 變換上式： -dn/dt=ndn/n=

20、 -dt ：t0時(shí)刻母核的原子數(shù)為n0，經(jīng)過t時(shí)到達(dá)t時(shí)刻，母核的原子數(shù)為n，n的數(shù)值可以通過對(duì)上式的積分求得： lnn-lnn0= -(t-t0)= -t (據(jù)積分公式) lnn/n0= -t (對(duì)數(shù)運(yùn)算法則) n/n0=e-t (取掉自然對(duì)數(shù)) t t時(shí)刻母核的原子數(shù)：時(shí)刻母核的原子數(shù)：n=n0 e-t，這是一切放射性衰變的基本公式這是一切放射性衰變的基本公式 變換上式： n0=n et，n/n0= e-t （t、t1/2、單位：年）即母核衰變?yōu)槠湓訑?shù)一半所經(jīng)歷即母核衰變?yōu)槠湓訑?shù)一半所經(jīng)歷的時(shí)間。的時(shí)間。由上式： n/n0= e-t，n/n0=1/2，1/2= e-t（兩邊取對(duì)數(shù)） l

21、n2=t，t=0.693/nnttt00ttnndtndn00/26 放射性同位素（n）隨時(shí)間衰減，子核（d）隨時(shí)間增長(zhǎng)的理論曲線及放射性原子衰變模型d=nd=n0 0-n=ne-n=nett-n=n(e-n=n(ett-1)-1)27(二) 放射性同位素年齡測(cè)定 假設(shè)：假設(shè)：以d表示由經(jīng)過t（t0t）母核衰變成的子核數(shù)，則： d=n0-n 把n0=net代入 經(jīng)整理得： d/n是現(xiàn)存子核和母核的原子數(shù)比值。 這兩式是同位素年齡測(cè)定的基本公式這兩式是同位素年齡測(cè)定的基本公式，不同的同位素年齡測(cè)定方法都是以此為計(jì)算公式的。 ) 1(ttennned28 1)應(yīng)有適當(dāng)?shù)陌胨テ趹?yīng)有適當(dāng)?shù)陌胨テ?，這樣

22、才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時(shí)母核也未衰變完。如果半衰期太長(zhǎng)，就是經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史也積累不起顯著數(shù)量的子核；如果半衰期太短，沒有多久母核幾乎衰變完了。 2)所測(cè)定同位素的衰變常數(shù)的精度能滿足要求所測(cè)定同位素的衰變常數(shù)的精度能滿足要求。 3)放射性同位素應(yīng)具有較高的地殼豐度放射性同位素應(yīng)具有較高的地殼豐度，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，能以足夠的精度測(cè)定它和它所衰變的子體含量。 4)礦物、巖石結(jié)晶時(shí)，只含某種放射性同位素礦物、巖石結(jié)晶時(shí)，只含某種放射性同位素，而不含與之有蛻變關(guān)系的子體或雖含部分子體，其數(shù)量亦是可以估計(jì)的。要利用以上公式來測(cè)定巖石、礦物的年齡，應(yīng)滿足以下條件：要利用以上公式來測(cè)定巖石、礦

23、物的年齡，應(yīng)滿足以下條件：29 5)保存放射性同位素的礦物或巖石自形成以后一直保持保存放射性同位素的礦物或巖石自形成以后一直保持封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)，即沒有增加或丟失放射性同位素及其衰變產(chǎn)物。 目前新生代前, 較為成熟和常用的同位素測(cè)年方法有： uthpbuthpb法法 karkar法法 rbsr rbsr 法法 smndsmnd法法 reosreos法等法等 測(cè)定第四紀(jì)同位素年代的方法 有14c法 要利用以上公式來測(cè)定巖石、礦物的年齡，應(yīng)滿足以下條件：要利用以上公式來測(cè)定巖石、礦物的年齡，應(yīng)滿足以下條件：30當(dāng)溫度降低到能使計(jì)時(shí)體系達(dá)到封閉狀態(tài)時(shí)，即子體由當(dāng)溫度降低到能使計(jì)時(shí)體系達(dá)到封閉狀態(tài)時(shí)，

24、即子體由于熱擴(kuò)散導(dǎo)致的丟失量可以忽略不計(jì)時(shí)，子體才開始積累，這個(gè)開始計(jì)于熱擴(kuò)散導(dǎo)致的丟失量可以忽略不計(jì)時(shí)，子體才開始積累，這個(gè)開始計(jì)時(shí)的溫度就是時(shí)的溫度就是封閉溫度封閉溫度，所測(cè)得的年齡稱為或。u 對(duì)于一個(gè)特定的同位素計(jì)時(shí)體系，若礦物的封閉溫度較高并接近于對(duì)于一個(gè)特定的同位素計(jì)時(shí)體系，若礦物的封閉溫度較高并接近于礦物的形成溫度，測(cè)定的年齡可代表礦物的形成年齡；若礦物的封閉溫礦物的形成溫度，測(cè)定的年齡可代表礦物的形成年齡；若礦物的封閉溫度較低，則所測(cè)定的年齡就不能代表礦物的形成年齡。度較低，則所測(cè)定的年齡就不能代表礦物的形成年齡。u 因此，必須選擇同位素計(jì)時(shí)體系那些具有較高封閉溫度的礦物進(jìn)行因此

25、，必須選擇同位素計(jì)時(shí)體系那些具有較高封閉溫度的礦物進(jìn)行形成年齡測(cè)定。由封閉溫度較低的礦物所獲得的年齡只能代表礦物的形成年齡測(cè)定。由封閉溫度較低的礦物所獲得的年齡只能代表礦物的冷冷卻年齡卻年齡。31（1）對(duì)于火成巖體，礦物的結(jié)晶年齡記錄了巖石的巖漿作用年齡；對(duì)于變質(zhì)巖，如果變質(zhì)礦物的結(jié)晶溫度低于其封閉溫度，則礦物一經(jīng)形成，同位素時(shí)鐘就立即啟動(dòng)、開始計(jì)時(shí)，從而記錄下變質(zhì)巖的結(jié)晶年齡。（2）對(duì)于火成巖體，冷卻年齡是指巖體固結(jié)之后的冷卻過程中，達(dá)對(duì)于火成巖體，冷卻年齡是指巖體固結(jié)之后的冷卻過程中，達(dá)到礦物的封閉溫度時(shí)同位素時(shí)鐘開始啟動(dòng)記錄下來的年齡。到礦物的封閉溫度時(shí)同位素時(shí)鐘開始啟動(dòng)記錄下來的年齡。

26、對(duì)于變質(zhì)巖，礦物在變質(zhì)高峰期結(jié)晶生成，之后冷卻過程中達(dá)到礦物的封閉溫度時(shí)同位素時(shí)鐘啟動(dòng)記錄下來的年齡。（3）是指變質(zhì)作用高峰期的年齡。是指變質(zhì)作用高峰期的年齡。變質(zhì)年齡的確定方法取決于變質(zhì)作用級(jí)別。對(duì)于低級(jí)變質(zhì)，可選用封閉溫度較高的某些特定礦物來確定變質(zhì)年齡；對(duì)于高級(jí)變質(zhì)，則往往采用全巖的rb-sr或sm-nd同位素體系來推斷。（4）是指一個(gè)新的大陸地殼體從地幔分異出來的時(shí)間，通常通過sm-nd模式來計(jì)算獲得。（5）對(duì)來自大陸地殼塊體剝蝕下來的沉積巖進(jìn)行sm-nd同位素分析，可計(jì)算獲得一個(gè)地殼滯留年齡（tcr），反映地殼形成年齡。該年齡比地層年齡值大。32(三) rbsr法 自然界rb有兩個(gè)同

27、位素： 85rb 72.15% 穩(wěn)定同位素 87rb 27.85% 放射性同位素 衰變方式： 自然界sr有四個(gè)同位素： 88sr 82.56% 87sr 7.02% （部分是由87rb衰變而成，部分是礦物、巖石形成時(shí)固有的） 86sr 9.86%（是非放射成因，自地球形成后為一常數(shù)） 84sr 0.56%esrrb87388737331. 原 理 可由87rb衰變而產(chǎn)生的87sr，根據(jù)放射性同位素年齡測(cè)定公式（1）： 87sr（樣品）87sr（初始）=87rb（樣品） (et-1） (1) (=1.4710-11年-1) 87sr(樣品)=87sr(初始) + 87rb(樣品) (et-1）

28、質(zhì)譜儀上測(cè)定同位素比值要比測(cè)定絕對(duì)值來得精確，86sr自地球形成以來其原子總數(shù)基本保持不變，為一常數(shù)，為此： (87sr/86sr)樣=(87sr/86sr)初+(87rb/86sr)樣（et-1） (2) 利用(2)式,其年齡公式為： t=(1/)ln1+(87sr/86sr)樣（87sr/86sr)初/(87rb/86sr)樣342. rbsr模式年齡測(cè)定 從上式可見，在計(jì)算年齡t值時(shí)，除了要知道值外，還需對(duì)樣品中初始鍶有一個(gè)適當(dāng)?shù)墓烙?jì)。 不同巖類樣品混入的初始鍶(87sr/86sr)0是不同的。 地幔、隕石、月巖（87sr/86sr)初=0.6999 地殼源地質(zhì)體（87sr/86sr)初

29、=0.7120 花崗質(zhì)巖石（87sr/86sr)初=0.710035 測(cè)某花崗巖的樣品： （87sr/86sr)樣=2.283，（87rb/86sr)樣=558.8； 代入公式 t=198.31ma (亦可查表)； 樣品采集樣品采集：rb沒有自己的獨(dú)立礦物，只能以類質(zhì)同像的方式進(jìn)入含鉀礦物晶格。 （rb+ 1.48 k+ 1.33 ） 花崗巖: 鋰云母、鉀長(zhǎng)石、其它云母類礦物； 沉積巖：沉積自生礦物海綠石； 變質(zhì)巖：蝕變鉀長(zhǎng)石、蝕變?cè)颇割惖V物； 方法缺點(diǎn)方法缺點(diǎn)：對(duì)初始鍶的估計(jì)是人為的、粗略的，計(jì)算年齡值誤差大。363. rbsr等時(shí)線法 : 一組同源樣品在同一時(shí)間形成； 母源中sr在樣品形成

30、時(shí)，同位素已均一化，為此，樣品中的初始值（87sr/86sr）各處相同； 通常情況下，由于礦物成分上的差異，各樣品中rb/sr比值是不同的，經(jīng)過時(shí)間t以后，各樣品的（87sr/86sr)樣、(87rb/86sr)樣不同。( (8787sr/sr/8686sr)sr)樣樣=(=(8787sr/sr/8686sr)sr)初初+(+(8787rb/rb/8686sr)sr)樣樣（e ett-1-1） y=ax+b, y=ax+b, 其中其中y y：( (8787sr/sr/8686sr)sr)樣樣 a a：斜率（：斜率（e ett -1 -1） x x：( (8787rb/rb/8686sr)sr)

31、樣樣 b b：截距（：截距（8787sr/sr/8686sr)sr)0 0 ( (8787sr/sr/8686sr)sr)樣樣=(=(8787sr/sr/8686sr)sr)初初+(+(8787rb/rb/8686sr)sr)樣樣（e ett-1-1）38 實(shí)際工作中如何獲得 t 和（87sr/86sr)0： 采集一組同源樣品(巖石+礦物)； 測(cè)得每個(gè)樣品的(87sr/86sr)樣和(87rb/86sr)樣比值； 即可在座標(biāo)圖上, 或用最小二乘法擬合成一條直線,獲知直線的斜率：tg=(et-1)，即可求出樣品的等時(shí)線年齡。 t=ln(1+tg)/ tg=d/n=(87sr/86sr)樣-(87

32、sr/86sr)0/(87rb/86sr)樣 等時(shí)線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)截距b，為初始鍶（87sr/86sr)0395. rbsr同位素系統(tǒng)的地球化學(xué)應(yīng)用 測(cè)定復(fù)雜地質(zhì)體測(cè)定復(fù)雜地質(zhì)體( (隕石、月球隕石、月球) )的年齡；的年齡； 探索巖石成因，成巖物質(zhì)來源及地殼及上地幔演化等。探索巖石成因，成巖物質(zhì)來源及地殼及上地幔演化等。 1) 1) 測(cè)定復(fù)雜地質(zhì)體年齡測(cè)定復(fù)雜地質(zhì)體年齡 巖體基本保持封閉體系全巖樣品的等時(shí)線的斜率仍能代表成巖時(shí)間； 變質(zhì)作用過程sr同位素在新生變質(zhì)礦物中進(jìn)行了均一化, 出現(xiàn)了一個(gè)新的變質(zhì)作用初始值(87sr/86sr)1 成巖年齡測(cè)定：采集全巖樣品作等時(shí)線 變質(zhì)年齡測(cè)定：挑選

33、含rb的變質(zhì)礦物作等時(shí)線。 40成巖和變質(zhì)作用中rbsr等時(shí)線圖412)2)確定成巖物質(zhì)來源及地殼及上地幔演化確定成巖物質(zhì)來源及地殼及上地幔演化不同巖漿源區(qū)具有不同的不同巖漿源區(qū)具有不同的rbrb、srsr同位素體系，為此可用其同位素體系，為此可用其8787sr/sr/8686srsr比值探討其源區(qū)。比值探討其源區(qū)。 據(jù)研究表明： 公認(rèn)玄武質(zhì)無球粒隕石87sr/86sr比值（babi）可作為地球形成時(shí)(45億年前)的初始比值（0.69897)。 未被混染的起源于上地幔的現(xiàn)代玄武巖的87sr/86sr比值可作為現(xiàn)代上地幔87sr/86sr比值，0.70200.7060，平均0.704。 大陸地殼

34、在25億年形成sial層，其現(xiàn)代sial層巖石87sr/86sr比值為0.7190。 陸殼形成過程中k更富集(rb,87rb87sr)，為此現(xiàn)代陸殼87sr/86sr比值高。作出上地幔和大陸地殼sr同位素演化圖解。42 把國內(nèi)外各地各時(shí)期花崗巖(87sr/86sr)和t投入sr演化圖解上，則清楚地顯示出不同源區(qū)的巖漿： 玄武巖演化區(qū)；大陸地殼演化線附近；兩者之間過渡區(qū)。 結(jié)合其它地質(zhì)、地球化學(xué)證據(jù)，分析討論巖漿的源區(qū)和成因。結(jié)合其它地質(zhì)、地球化學(xué)證據(jù)，分析討論巖漿的源區(qū)和成因。43(四) smnd法 自然界sm和nd都有7個(gè)同位素：atendsm112/1143147621006. 16044

35、1. 原 理 與87rb87sr體系相似，根據(jù)放射性同位素年齡測(cè)定公式： 143nd=147sm (et-1） (1) (=6.5410-12年-1) 144nd為穩(wěn)定同位素，為一常數(shù)，為此：) 1()/()/()/(1441470144143144143tssendsmndndndnd主要適合對(duì)古老巖石的測(cè)年（主要適合對(duì)古老巖石的測(cè)年（1010億年），由于硅鋁質(zhì)巖石中億年），由于硅鋁質(zhì)巖石中sm/ndsm/nd比之差異很小，而在鐵鎂質(zhì)和超鐵鎂質(zhì)巖石中變化大，該方法比之差異很小，而在鐵鎂質(zhì)和超鐵鎂質(zhì)巖石中變化大，該方法故不適合對(duì)酸性巖測(cè)年，而適合對(duì)古老的基性和超基性巖石測(cè)年。故不適合對(duì)酸性巖測(cè)

36、年，而適合對(duì)古老的基性和超基性巖石測(cè)年。452. smnd模式年齡 假設(shè)：假設(shè)：原始地幔巖漿庫是一個(gè)具有球粒隕石sm/nd比值的（chur），并假定地殼巖石的sm/nd比值在從源區(qū)分離后保持不變，則地殼巖石在時(shí)間t的（143nd/144nd )0值就是chur源區(qū)在時(shí)間t的演化值，即： ) 1()/()/()/(1441471441430144143tssendsmndndndnd27. 6) 1()/()/()()/(144147144143144143tchurchurchurendsmndndtndnd（143143ndnd144144ndnd）churchur0.5126380.512

37、638，（147147smsm144144ndnd）churchur0.19670.1967。現(xiàn)今比值：現(xiàn)今比值：462. smnd模式年齡28. 6) 1()/()/()()/(144147144143144143tsssendsmndndtndnd對(duì)地殼樣品：對(duì)地殼樣品：由于樣品派生于chur源區(qū)，因此有：)()/()()/(144143144143tndndtndndchurs)/()/()/()/(1ln/1144147144147144143144143schurschurchurndsmndsmndndndndt聯(lián)立（6.27）和（6.28），ttchur，則：由于地殼從地幔中分異

38、，地幔發(fā)生了虧損，所以虧損地幔的模式由于地殼從地幔中分異，地幔發(fā)生了虧損，所以虧損地幔的模式年齡年齡t tdmdm：)/()/()/()/(1ln/1144147144147144143144143sdmsdmdmndsmndsmndndndndt以大洋中脊玄武巖為代表，（1 4 3nd/1 4 4nd)d m=0.51315; （147sm/144nd)dm=0.2135;473. nd同位素地球化學(xué)ndnd同位素具有以下特點(diǎn)：同位素具有以下特點(diǎn)：（1）sm、nd具有相似的地球化學(xué)性質(zhì)，除巖漿作用外，smnd比值一般不會(huì)發(fā)生變化。（2）一些太古宇樣品與球粒隕石的143nd/144nd比值相當(dāng)

39、，表明地球早期演化階段的nd同位素初始值與球粒隕石nd同位素初始值非常一致。（3）年輕火山巖的nd同位素研究表明，143nd/144nd與87sr/86sr原子豐度比值呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)性。因此，nd同位素在探討地幔、地殼演化、殼幔交換、巖石成因和物質(zhì)來源等方面有十分重要的意義。ndnd同位素初始比值獲得方法：同位素初始比值獲得方法：1.1. 等時(shí)線法；等時(shí)線法；2.2. 已知年齡樣品可以直接計(jì)算。已知年齡樣品可以直接計(jì)算。483. nd同位素地球化學(xué)由于在整個(gè)地質(zhì)時(shí)期143nd/144nd的原子豐度比值變化很小，引入 ndnd參數(shù)，用來描述現(xiàn)今樣品相對(duì)chur現(xiàn)今的偏差值，其表達(dá)式為：)31.

40、 6(10 1)/()/()0(4144143144143chursndndndndnd)32. 6(10 1)()/()()/()(4144143144143tndndtndndtchursnd在地球演化過程中，大離子親石元素一般優(yōu)先富集在地殼上部的巖石中，為了確切地表示地殼巖石中nd、sr同位素組成的變化，引入fsm/nd參數(shù)，其表達(dá)式為：)33. 6(1)/()/(144147144147/chursndsmndsmndsmf該參數(shù)是表示現(xiàn)今樣品相對(duì)于現(xiàn)今chur的偏差，對(duì)于地殼巖石一般在-0.3-0.5之間，平均為-0.4。493. nd同位素地球化學(xué) ndnd參數(shù)與 f 參數(shù)的關(guān)系：

41、7 .24)34. 6()0()(/ndndndsmndndqtqft ndnd（t t）參數(shù)大于0，表明物質(zhì)來自虧損地幔； 小于0，來自地殼或富集型地幔源； 接近0，來自球粒隕石型未分異的原始地幔。503. nd同位素地球化學(xué)對(duì)于對(duì)于srsr同位素也有同位素也有：)35. 6(10 1)/()/()0(4.86878687russrsrsrsrsr)36. 6(10 1)()/()()/()(4.86878687tsrsrtsrsrtrussr)37. 6(1)/()()/(.86878687/russrrbsrrbtsrrbf)38. 6()0()(/tqftsrsrrbndnd 是地球均

42、一儲(chǔ)庫（u.r）現(xiàn)今的同位素比值，分別為0.7045和0.0827；rusrsr.8687)/(rusrrb.8687)/(和 分別是t時(shí)刻樣品和地球均一儲(chǔ)庫的同位素比值。)()/(8687tsrsrs)/(.8687tsrrbru（和)32. 6(10 1)()/()()/()(4144143144143tndndtndndtchursndendsm1431476260受海水蝕變的蛇綠巖受海水蝕變的蛇綠巖大洋中脊玄大洋中脊玄武巖、海島武巖、海島玄武巖玄武巖地殼麻粒地殼麻粒巖相巖石巖相巖石5354（五）k-ar法年齡測(cè)定 1.k-ar1.k-ar法法 鉀有三種同位素組成：39k、40k和41k

43、。它們的相對(duì)豐度為：39k=93.2581%，40k=0.01167%，41k=6.73021%。其中40k是放射性同位素，通過和電子捕獲二種衰變方式，前者占40k總衰變的88%, 后者占12%，其衰變反應(yīng)如下： 記衰變常數(shù)為e； 記衰變常數(shù)為。 因此40k的總衰變常數(shù)=e+。根據(jù)放射性同位素衰變定律，在鉀、鈣、氬的封閉體系中，可用下式表達(dá)： 55 式中：t是由40k衰變成40ar所積累的時(shí)間 。氬同位素廣泛存在于空氣和各種巖石礦物中，為了把由40k衰變而成的40ar與其它的40ar相區(qū)別，用40ar*來表示，上式改為： 其中40ar占總衰變量為e/，因此有： 上式是k-ar法年齡計(jì)算的基本公

44、式。在實(shí)際應(yīng)用中，把樣品分成兩份，一份樣品通過同位素稀釋法計(jì)算或通過測(cè)定k含量計(jì)算40k；另一份樣品確定40ar，早期采用體積法計(jì)算獲得40ar， 但準(zhǔn)確度不高，目前主要采用同位素稀釋法計(jì)算獲得40ar。 56 ： 除了正確地測(cè)定衰變常數(shù)外，還必須保證樣品對(duì)于鉀和氬是封閉必須保證樣品對(duì)于鉀和氬是封閉體系體系，在巖石或礦物形成后沒有發(fā)生過鉀和氬的帶入和帶出。 但鉀是活潑的堿金屬元素，氬一般呈氣態(tài)，容易發(fā)生擴(kuò)散，對(duì)受熱作用較為敏感，在巖石或礦物形成后所經(jīng)歷的地質(zhì)作用（如區(qū)域變質(zhì)、接觸變質(zhì)、熱液活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等）中有可能發(fā)生遷移，使得k-ar年齡偏低，或者代表的是最后一次熱事件的年齡。 因此，在k-

45、ar法年齡解釋中，必須注意熱事件的影響。另一方面，樣品中混入大氣氬或過剩氬的存在，使得年齡偏老，因而必須對(duì)混入的大氣氬進(jìn)行校正或?qū)^剩氬進(jìn)行檢查。57鉀是常量元素，可進(jìn)行k-ar分析的礦物相當(dāng)多。但考慮到巖石或礦物對(duì)氬的保存性，并不是所有的巖石或含鉀礦物都能用作k-ar法年齡測(cè)定的對(duì)象。一般認(rèn)為，角閃石、黑云母、白云母、高溫堿長(zhǎng)石角閃石、黑云母、白云母、高溫堿長(zhǎng)石等是k-ar法年齡測(cè)定的理想礦物，新鮮的粗面巖、玄武巖、輝綠巖粗面巖、玄武巖、輝綠巖等也可給出地質(zhì)意義的年齡，沉積地層中的海綠石海綠石和伊利石伊利石，作為沉積過程中形成的自生礦物，在研究沉積地層的年齡中受到重視。58 t：輻照時(shí)間；(

46、)：能量為 的中子流密度；()：能量為 的中子流捕獲面積；：能量 20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的40ar-39ar法（又稱快中子法快中子法），是通過用快中子照射礦物或巖石樣品，使其中的39k通過核反應(yīng)轉(zhuǎn)化成39ar為基礎(chǔ)來進(jìn)行年齡測(cè)定的。2.2.4040ar-ar-3939arar法法根據(jù)k-ar 定年公式： ） （2）/（1）并整理得： 其中： 因此有： 59根據(jù)k-ar 定年公式： （2）/（1）并整理得： 其中： 因此有：式中：40ar*/39ar 由質(zhì)譜測(cè)定，j為每次快中子照射樣品的參數(shù)，無量綱，可由每次照射的標(biāo)準(zhǔn)樣品（年齡已知）的（40ar*/39ar)s標(biāo)定： ) (s代表標(biāo)準(zhǔn)樣品

47、，這樣就可以計(jì)算樣品的年齡)用上述方法所得到的年齡稱為“全部全部arar釋放年齡釋放年齡”。這些年齡與常規(guī)的k-ar年齡存在同樣的局限性，因?yàn)樗鼈兌既Q于以下假設(shè)，即放射成因40ar沒有從樣品中逃脫過，也沒有過剩40ar的存在。然而，該方該方法避開了鉀和氬在樣品中的不均一分布問題，因此只需一份樣品測(cè)定法避開了鉀和氬在樣品中的不均一分布問題，因此只需一份樣品測(cè)定即可，而且只需求氬的同位素比值即可，而且只需求氬的同位素比值。60 月球玄武巖的40ar-39ar的年齡譜圖上顯示出了三個(gè)年齡，除了一個(gè)39億年的玄武巖年齡值外，還顯示出了38億年和27億年的年齡，后兩個(gè)年齡很可能反映月球玄武巖在38億年

48、前和27億年前經(jīng)受過兩次熱事件。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要對(duì)空氣氬進(jìn)行校正，并對(duì)干擾元素的校正。61三、穩(wěn)定同位素地球化學(xué)基本概念 氧、氫同位素地球化學(xué)鉛同位素地球化學(xué)62(一) 基本概念 穩(wěn)定同位素又分重穩(wěn)定同位素和輕穩(wěn)定同位素。 1 1、輕穩(wěn)定同位素、輕穩(wěn)定同位素： 1）原子序數(shù)z20，a/a10% (a 為兩同位素質(zhì)量差)； 2）發(fā)生同位素成分變化的主要原因是同位素分餾作用，其反應(yīng)是可逆的。 例：o、h、s、c、n元素的同位素。 (1)(1)原子量低。原子量低。(2)(2) 同位素之間的相對(duì)質(zhì)量差大。同位素之間的相對(duì)質(zhì)量差大。(3)(3)化合物一般具有高度的共價(jià)鍵?；衔镆话憔哂懈叨鹊墓矁r(jià)鍵。

49、(4)(4)元素有多個(gè)化學(xué)價(jià)，氧化態(tài)和還原態(tài)，如元素有多個(gè)化學(xué)價(jià)，氧化態(tài)和還原態(tài)，如s s和和c c；或化合物有多；或化合物有多種狀態(tài)，氣、液、固態(tài)，如種狀態(tài)，氣、液、固態(tài)，如hh和和oo。(5)(5)低豐度的同位素應(yīng)足夠檢測(cè)，以便保證質(zhì)譜分析精度。低豐度的同位素應(yīng)足夠檢測(cè)，以便保證質(zhì)譜分析精度。63(一) 基本概念 2 2、重穩(wěn)定同位素、重穩(wěn)定同位素： 1）原子序數(shù)z20，a/a10%； 2）發(fā)生同位素成分變化的主要原因是放射性核素不斷衰變的結(jié)果所造成的，這種變化是不可逆的。 238u206pb、235u207pb、232th208pb， 其中87sr、143nd、206pb、207pb、2

50、08pb是重穩(wěn)定同位素。 srrb8787ndsm14314764(二) 氧、氫同位素地球化學(xué) （一）自然界氧、氫同位素分餾的主要原因（一）自然界氧、氫同位素分餾的主要原因 1.1.蒸發(fā)蒸發(fā) 凝聚分餾：凝聚分餾： 氫有兩種穩(wěn)定同位素（h、d），氧有三種同位素（16o、17o、18o）；水可能有九種同位素分子組合： hh2 21616o hdo hd1616o do d2 21616o o h h2 21717o hdo hd1717o do d2 21717o o h h2 21818o hdo hd1818o do d2 21818oo 水在蒸發(fā)過程中輕水分子h216o比重水分子d218o易

51、于富集在蒸汽相中，而凝聚作用相反，重的水分子優(yōu)先凝結(jié)。因此在氣、液相之間發(fā)生h、o同位素的物理分餾。65 由于水分子經(jīng)過反復(fù)多次蒸發(fā)凝聚過程使得內(nèi)陸及高緯度兩極地區(qū)的蒸氣相（雨、雪）中集中了最輕的水（18o、d趨向更大負(fù)值）；大洋及赤道地區(qū)出現(xiàn)重水（18o、d趨向更大正值）。這就是“” （見圖） 。66 2. 2.水水 巖同位素交換反應(yīng)巖同位素交換反應(yīng) 當(dāng)大氣降水同巖石接觸，水與礦物（巖石）之間發(fā)生氧同位素交換反應(yīng)： 1/2si16o2+h218o 1/2si18o2+h216o (25，=1.0492) 其結(jié)果是巖石中富集了18o，水中富集了16o。由于大部分巖石中氫的含量很低，因此，在水巖

52、交換反應(yīng)中氫同位素成分變化不大。 3.3.礦物晶格的化學(xué)鍵對(duì)氧同位素的選擇礦物晶格的化學(xué)鍵對(duì)氧同位素的選擇 實(shí)驗(yàn)證明： a. siosi鍵礦物18o最富; 島狀島狀 單鏈單鏈 雙鏈雙鏈 層狀層狀 架狀架狀b. sioal，siomg，siofe 其次; c. 含（oh）的礦物 18o最貧。67 4 4生物化學(xué)作用生物化學(xué)作用 ： 2h216o+c18o2 2(hc18oh)n+16o2 光合作用的實(shí)質(zhì)是水的去氫作用，植物將水分解，吸收其中的h與co2結(jié)合成有機(jī)化合物分子。實(shí)測(cè)活的生物體、有機(jī)體、生物碳酸鹽都具有高的18o。 自然界中由于以上氧同位素的分餾作用，使得在不同地質(zhì)體中，氧同位素成分有

53、明顯變化，： 有機(jī)體和co2中 18o/16o：2.110-3，最高 地表水（h2o） 18o/16o：1.9810-3，最低 巖漿巖、變質(zhì)巖以及高溫形成的碳酸鹽巖居中1 8o/1 6o：2.012.0410-3 沉積巖中比較富18o681.1.討論有關(guān)巖石成因的問題討論有關(guān)巖石成因的問題 幔 源 鎂 、 鐵 質(zhì) 巖 石幔 源 鎂 、 鐵 質(zhì) 巖 石1 81 8o /o /1 61 6oo 與 球 粒 隕 石 基 本 一 致與 球 粒 隕 石 基 本 一 致（2.032.042.032.041010-3-3），其），其 1818oo變化范圍很窄變化范圍很窄(57) (57) 。這是用氧同。這是

54、用氧同位素來判斷幔源巖石的重要證據(jù)之一。位素來判斷幔源巖石的重要證據(jù)之一。這與礦物化學(xué)鍵對(duì)18o同位素選擇富集有關(guān)。 而花崗巖值較高，而且變化范圍較大，主要是其成因及源區(qū)較復(fù)雜所致： “i”型花崗巖 18o10 “s”型花崗巖 18o10 （二）氧同位素的應(yīng)用（二）氧同位素的應(yīng)用 692. 2. 分析礦床成因分析礦床成因利用氧、氫同位素成分來判斷成礦溶液的來源，從而討論有關(guān)礦床的成因問題。自然界各種產(chǎn)狀水的氫、氧同位素組成： 1 1）原生水、巖漿水）原生水、巖漿水 來自于地幔的與鐵、鎂超基性巖平衡的水稱為來自于地幔的與鐵、鎂超基性巖平衡的水稱為原生水原生水； 巖漿水巖漿水指的是高溫硅酸鹽熔體所

55、含的水及其分異作用形成的水指的是高溫硅酸鹽熔體所含的水及其分異作用形成的水. 因?yàn)樗鼈兲幱诟邷丨h(huán)境（t1000），1，原生水和巖漿水的氫、氧同位素成分接近于巖石。 18o=+59， d= -50 -85 （以變化范圍窄為特征）（以變化范圍窄為特征） 非幔源巖漿水一般具有較大的同位素組成的變化范圍，巖漿水與原非幔源巖漿水一般具有較大的同位素組成的變化范圍，巖漿水與原生水的共同特征是生水的共同特征是高溫弱分餾高溫弱分餾。70 2 2）變質(zhì)水）變質(zhì)水 在變質(zhì)過程中與變質(zhì)巖平衡的水，含在變質(zhì)礦物的包體中。由于來源復(fù)雜、產(chǎn)狀多變，多具混合成因特征。因此，同位素成分變化較寬。 18o= -16+25 d=

56、 -20 -140 高溫變質(zhì)水與巖石達(dá)到同位素交換平衡，因此，變質(zhì)熱液的同位素組成指示變質(zhì)環(huán)境、原巖性質(zhì)和流體來源。 3 3）封存水、深成熱鹵水）封存水、深成熱鹵水 為海水或大氣降水深循環(huán)或長(zhǎng)期封存的產(chǎn)物為海水或大氣降水深循環(huán)或長(zhǎng)期封存的產(chǎn)物。這種水以高溫、高礦化度為特征，具有較大的攜帶和攝取礦質(zhì)的能力。 18o= -16+25 d= -25 -120 多數(shù)產(chǎn)于沉積巖中的封存熱鹵水具有較高的 18o值，其最高值出現(xiàn)在生物成因的沉積巖中，水/巖比值較低，水同位素組成接近巖石。71 4 4）大氣降水）大氣降水 指通過大氣循環(huán)的水，如雨、雪、冰，河湖水及進(jìn)入地下流動(dòng)的低指通過大氣循環(huán)的水，如雨、雪、

57、冰，河湖水及進(jìn)入地下流動(dòng)的低溫地下水。溫地下水。其同位素成分變化大，d變差范圍大于18o，主要由物理分餾控制，沿分布。 18o=+5-50 d=+100-350 高嶺石高嶺石線線72 在同位素交換平衡反應(yīng)中，同位素分餾系數(shù)是絕對(duì)溫度t的函數(shù)。 簡(jiǎn)化后得：1000ln=a106/t2 + b （a，b為可從實(shí)驗(yàn)室測(cè)得得待定常數(shù)） 內(nèi)部溫度法內(nèi)部溫度法：根據(jù)共生礦物對(duì)之間的同位素分餾作用來測(cè)定同位素地質(zhì)溫度；如：石英磁鐵礦氧同位素溫度計(jì)。 外部溫度法外部溫度法：礦物與水之間的同位素平衡迅速（幾天或幾小時(shí)），可直接用于礦物流體相的地質(zhì)測(cè)溫，稱為外部測(cè)溫法。 3. 3.氧同位素溫度計(jì)氧同位素溫度計(jì) 7

58、3礦物水 a b 溫度區(qū)間(oc) 石英水 3.38 -3.40 200500 堿長(zhǎng)石水 2.15 -3.82 350500 方解石水 2.78 -3.40 0800 白云母水 2.38 -3.89 35065074 例例：以石英、方解石共生礦物對(duì)為例： 1000 ln石英-水=3.38106t-2 -3.40 1000 ln方解石-水=2.78106t-2-3.40 則石英方解石氧同位素溫度計(jì)為： 1000 ln石-方=(3.38-2.78)(106t-2)+ -3.40 -（-3.40） 1000 ln石-方=石-方=0.60（106t-2） 外部測(cè)溫法，可用來計(jì)算水介質(zhì)的氫、氧同位素組成

59、。其條件是，當(dāng)某礦物的氫、氧同位素組成及其形成溫度是可知時(shí)，便可根據(jù)有關(guān)方程，計(jì)算出介質(zhì)水的氫、氧同位素組成： 1000 ln礦物水=18o礦18o水=(/t2)+b 其中18o礦、t已知，a、b是待定常數(shù)，則可計(jì)算出成礦溶液的h、o同位素組成。75與公共介質(zhì)達(dá)到同位素平衡； 注意a、b常式適用一定溫度區(qū)間的； 平衡“凍結(jié)”后，避免后期作用干擾。76 （三）鉛同位素地球化學(xué)u-th-pbu-th-pb體系地質(zhì)年代學(xué)體系地質(zhì)年代學(xué) u有3種天然放射性同位素，它們是 238u、235u、234u，th只有一個(gè)同位素232th屬于放射性同位素。自然界的其它放射性同位素都是短壽命的，數(shù)量極微。epbt

60、hepbuepbu46476820823220723520623877（三）鉛同位素地球化學(xué)u-th-pbu-th-pb體系體系 )41. 6() 1)(/()/()/()40. 6() 1)(/()/()/()39. 6() 1)(/()/()/(321204232020420820420820423502042072042072042380204206204206tttepbthpbpbpbpbepbupbpbpbpbepbupbpbpbpb)42. 6() 1/() 1(88.137/1)1/() 1(/)/()/()/()/(121223823502042062042060204207