同位素地學(xué)5同位素示蹤

1、主主 講講 人：劉人：劉 繼繼 順順同位素地質(zhì)學(xué)同位素地質(zhì)學(xué)研究生學(xué)位課程研究生學(xué)位課程第五講：同位素示蹤第五講：同位素示蹤放射性衰變除計(jì)時(shí)外，示蹤研究。放射性衰變除計(jì)時(shí)外，示蹤研究。一個(gè)自然體系形成、從一種狀態(tài)變化為另一種一個(gè)自然體系形成、從一種狀態(tài)變化為另一種狀態(tài)，衰變體系母子體按各自地球化學(xué)習(xí)性改狀態(tài)，衰變體系母子體按各自地球化學(xué)習(xí)性改變，只要這種變化不是延續(xù)相當(dāng)長時(shí)期，過程變，只要這種變化不是延續(xù)相當(dāng)長時(shí)期，過程前后子體同位素組成保持不變，只有經(jīng)歷相當(dāng)前后子體同位素組成保持不變，只有經(jīng)歷相當(dāng)長時(shí)期后，子體同位素將按新的母子體關(guān)系改長時(shí)期后，子體同位素將按新的母子體關(guān)系改變變-同位素長時(shí)

2、效應(yīng)。同位素長時(shí)效應(yīng)。同位素的長時(shí)效應(yīng)和母子體作為元素的短時(shí)效同位素的長時(shí)效應(yīng)和母子體作為元素的短時(shí)效應(yīng)相結(jié)合，可正演或反演探討體系形成的地球應(yīng)相結(jié)合，可正演或反演探討體系形成的地球化學(xué)過程和演化歷史化學(xué)過程和演化歷史-同位素示蹤。同位素示蹤。 5.11地球參考系中某些重要的參考數(shù)據(jù)地球參考系中某些重要的參考數(shù)據(jù) 5. 1示蹤示蹤同位素表示法同位素表示法 5.12I值值5. 1示蹤示蹤同位素表示法同位素表示法 直接表示測定的樣品體系同位素組成直接表示測定的樣品體系同位素組成I Im m與平均地球與平均地球I IE E的相對(duì)的相對(duì) 5.13fP/Ds值值偏差，有：偏差，有：也可取巖石形成后時(shí)間也

3、可取巖石形成后時(shí)間t t內(nèi)的（內(nèi)的（P/DP/Ds s）m m平均的相對(duì)平均的相對(duì)偏差，有偏差，有也可以取整個(gè)地球年齡時(shí)間內(nèi)的平均偏差，有也可以取整個(gè)地球年齡時(shí)間內(nèi)的平均偏差，有 5. 2部分熔融的同位素部分熔融的同位素 部分熔融的微量元素定量演化模型部分熔融的微量元素定量演化模型: :不相容大不相容大離子親石元素如離子親石元素如RbRb，SrSr，U U，PbPb，REEREE部分熔部分熔融過程中將向巖漿液相富集，放射性衰變體融過程中將向巖漿液相富集，放射性衰變體系的母子體元素多屬于這一類。各元素固系的母子體元素多屬于這一類。各元素固/ /液液相分配系數(shù)差，造成了巖漿與殘留固相中母相分配系數(shù)

4、差，造成了巖漿與殘留固相中母子體比值發(fā)生改變。對(duì)于批式平衡部分熔融子體比值發(fā)生改變。對(duì)于批式平衡部分熔融過程，設(shè)過程，設(shè)D DP P和和D DD D分別為母、子體固液相總分配分別為母、子體固液相總分配系數(shù)。根據(jù)公式（系數(shù)。根據(jù)公式（5.195.19）和（）和（5.205.20），部分），部分熔融后熔體相和殘留相的母子體比值（熔融后熔體相和殘留相的母子體比值（P/DP/D）t t和（和（P/DP/D）s s分別有：分別有：4.2部分熔融的同位素部分熔融的同位素 經(jīng)處理：地殼和殘留地幔的Nd，Sr同位素關(guān)系為母子體元素在常見礦物相的固母子體元素在常見礦物相的固/ /液分配系數(shù)液分配系數(shù) 5. 3同

5、位素混合體系同位素混合體系 同位素混合體系系指被研究的自然體系（對(duì)象）同位素混合體系系指被研究的自然體系（對(duì)象）若干個(gè)具不同同位素組成的原始體系，不同比若干個(gè)具不同同位素組成的原始體系，不同比例混合而成的新同位素體系。圖例混合而成的新同位素體系。圖6.126.12表示。表示。同位素混合體系是了解地球各層圈及派生巖漿同位素混合體系是了解地球各層圈及派生巖漿的演化過程、巖石水體等各種體系的物質(zhì)來源的演化過程、巖石水體等各種體系的物質(zhì)來源的重要示蹤方法。的重要示蹤方法。5.315.31二元混合體系二元混合體系二元混合體系：以鍶同位素為例來說明二元混合體二元混合體系：以鍶同位素為例來說明二元混合體系中

6、應(yīng)遵循的同位素關(guān)系。對(duì)二元混合，系中應(yīng)遵循的同位素關(guān)系。對(duì)二元混合，I=II=IA AXXA AI IB BXXB BI IA AXXA AI IB B（1X1XA A）XA，XB是指分母同位素在混合體系中各自所占的比是指分母同位素在混合體系中各自所占的比例，例，I，IA，IB為研究體系和兩個(gè)原始體系（源區(qū)）的為研究體系和兩個(gè)原始體系（源區(qū)）的同位素比值。同位素（如隕石中氬），同位素比值。同位素（如隕石中氬），IA，IB是不變是不變的，據(jù)測得的的，據(jù)測得的I可求可求XA，XB。一般原始體系體積或重。一般原始體系體積或重量的比例關(guān)系，分母同位素濃度，而不是分母同位素量的比例關(guān)系，分母同位素濃度，

7、而不是分母同位素比例。比例。 C C，C CA A，C CB B分別為混合體系和源分別為混合體系和源A A，B B的分母同的分母同位素濃度，位素濃度，279X279XA A混合體系中來自源混合體系中來自源A A的重量分?jǐn)?shù)，的重量分?jǐn)?shù)，求解方程，得：求解方程，得：同位素比值和分母同位素間二元混合關(guān)系。二同位素比值和分母同位素間二元混合關(guān)系。二組份同位素比差異不大，可把分母同位素濃度近組份同位素比差異不大，可把分母同位素濃度近似地以元素濃度代替。方程（似地以元素濃度代替。方程（6.90）元素和其相）元素和其相應(yīng)同位素的二元混合方程。二元混合體系，應(yīng)同位素的二元混合方程。二元混合體系，I和和1/C應(yīng)

8、符合線性關(guān)系。應(yīng)符合線性關(guān)系。 二元混合體系中的二種同位素，（二元混合體系中的二種同位素，（6.906.90）得：）得： 可得可得 P1I1+P2I1I2+P3I2+P4=0 P P1 1=C=CA1A1C CB2B2I IA2A2-C-CB1B1C CA2A2IIB2B2P P2 2=C=CB1B1C CA2A2-C-CA1A1C CB2B2P P3 3=C=CA1A1C CB2B2I IB1B1-C-CB1B1C CA2A2I IA1A1P P4 4=C=CB1B1C CA2A2I IA1A1-C-CA1A1C CB2B2I IB1B1I IA2A2一雙曲線方程，縱橫坐標(biāo)分別為二種同位素的

9、一雙曲線方程，縱橫坐標(biāo)分別為二種同位素的比值。通用二元混合方程的同位素表達(dá)式。比值。通用二元混合方程的同位素表達(dá)式。 二種同位素關(guān)系的二元混合體系，具圖二種同位素關(guān)系的二元混合體系，具圖5.6所示形狀，所示形狀，雙曲線的端點(diǎn)坐標(biāo)分別為二個(gè)源區(qū)的同位素組成雙曲線的端點(diǎn)坐標(biāo)分別為二個(gè)源區(qū)的同位素組成（IA1，IA2）和（）和（IB1，IB2）。測定了一系列具有二）。測定了一系列具有二個(gè)相同源區(qū)但比例不同的巖石樣，得到一條雙曲線。個(gè)相同源區(qū)但比例不同的巖石樣，得到一條雙曲線。雙曲線斜率雙曲線斜率r=CA1CB2/CB1CA2。當(dāng)。當(dāng)r=1二個(gè)源區(qū)中兩二個(gè)源區(qū)中兩種元素的濃度比相等，種元素的濃度比相等

10、，I1與與I2構(gòu)成線性關(guān)系。構(gòu)成線性關(guān)系。二種同位素的二元混合方程采用二種同位素的二元混合方程采用87Sr/86Sr143Nd/144Nd，87Sr/86Sr18O/16O，以及，以及207Pb/204Pb206Pb/204Pb，后者是同一種元素的兩種同位素，混，后者是同一種元素的兩種同位素，混合曲線恒為一直線。合曲線恒為一直線。 5.325.32多元混合體系多元混合體系 Ii第i個(gè)子體元素在混合體系中的同位素比值；Ci第i個(gè)子體元素在混合體系中分母同位素濃度; N為所研究同位素比值和濃度個(gè)數(shù)，研究樣品數(shù)；m為源區(qū)數(shù)目 多元混合體系僅具理論意義，尚無實(shí)際應(yīng)用。多元混合體系僅具理論意義，尚無實(shí)際

11、應(yīng)用。取決于取決于N，m值關(guān)系及對(duì)每一樣品是否同時(shí)測量值關(guān)系及對(duì)每一樣品是否同時(shí)測量同位素比值和濃度不同而有不同的解法。同位素比值和濃度不同而有不同的解法。三元混合體系三元混合體系 作圖，構(gòu)成三元混合曲面方程。宏觀上地幔、作圖，構(gòu)成三元混合曲面方程。宏觀上地幔、下地殼、上地殼物質(zhì)的循環(huán)構(gòu)成了三元混合。下地殼、上地殼物質(zhì)的循環(huán)構(gòu)成了三元混合。地幔中各種不同同位素特征的源區(qū)用三元混合地幔中各種不同同位素特征的源區(qū)用三元混合模型理論比二元混合更符合玄武巖中所觀察到模型理論比二元混合更符合玄武巖中所觀察到的同位素資料的同位素資料 5.335.33AFCAFC模式中的同位素模式中的同位素同化混染和分離結(jié)

12、晶混合時(shí)同位素比值關(guān)系方程同化混染和分離結(jié)晶混合時(shí)同位素比值關(guān)系方程, ,只在特殊情況下有解。只在特殊情況下有解。I Im m為以為以C Cm m作為分母同位素的某元素在巖漿中的作為分母同位素的某元素在巖漿中的同位素比值；同位素比值；I Ia a為以為以C Ca a作為分母同位素的某元素在圍巖中的作為分母同位素的某元素在圍巖中的同位素比值；同位素比值；I Im m和和1/C1/Cm m之間無線性相關(guān)性。之間無線性相關(guān)性。某一元素和同位素，結(jié)晶分異同化混染模式某一元素和同位素，結(jié)晶分異同化混染模式和簡單的混合模式相比，具相同和簡單的混合模式相比，具相同I Im m1/C1/Cm m線性線性關(guān)系，具相同關(guān)系，具相同1/Ca