1、會計學(xué)1中國地質(zhì)大學(xué)春地球化學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)春地球化學(xué)(d qi hu xu)第一頁，共92頁。同位素地球化學(xué)同位素地球化學(xué)(d qi hu xu)(d qi hu xu)第1頁/共92頁第二頁，共92頁。應(yīng)用：地球熱源、地質(zhì)時鐘、礦物巖石形成溫應(yīng)用：地球熱源、地質(zhì)時鐘、礦物巖石形成溫度測定、成巖成礦地球化學(xué)機理推斷度測定、成巖成礦地球化學(xué)機理推斷(tudun)(tudun)、地殼演化歷史示蹤以及地質(zhì)作用、地殼演化歷史示蹤以及地質(zhì)作用指示劑；指示劑；第2頁/共92頁第三頁，共92頁。第3頁/共92頁第四頁，共92頁。巖物源區(qū)的特征等。第4頁/共92頁第五頁，共92頁。第5頁/共92頁第六頁，共9

2、2頁。第6頁/共92頁第七頁，共92頁。第7頁/共92頁第八頁，共92頁。第8頁/共92頁第九頁，共92頁。n硫、碳同位素地球化學(xué)；第9頁/共92頁第十頁，共92頁。位素分析技術(shù)；一、同位素分餾(fnli)和衰變反應(yīng)第10頁/共92頁第十一頁，共92頁。元元 素素 周周 期期 表表第11頁/共92頁第十二頁，共92頁。第12頁/共92頁第十三頁，共92頁。第13頁/共92頁第十四頁，共92頁。每一方格代表(dibio)一個核素，每個核素是由一定數(shù)目質(zhì)子(Z)和中子(N)組成的核。陰影方格代表(dibio)穩(wěn)定原子，白色方格代表(dibio)不穩(wěn)定的或放射性核素。同位素是具有相同Z值不同N值的原

3、子。同中子異位素(isotone)具有相同N值不同Z值。同量異位素(isobar)是A值相同，Z值和N值不同的原子。只有同位素是同一元素的原子，因此具有相同的化學(xué)性質(zhì)。部部分分核核素素圖圖Z=6N=10A=12第14頁/共92頁第十五頁，共92頁。同同位位素素穩(wěn)定同位素穩(wěn)定同位素放射性同位素放射性同位素宇宙成因放射性同位素宇宙成因放射性同位素:14C等等人造放射性同位素人造放射性同位素:137Cs 等等原生放射性同位素原生放射性同位素: 238U等等 同位素分類同位素分類(fn li)：第15頁/共92頁第十六頁，共92頁。；同位素分類同位素分類(fn li)：第16頁/共92頁第十七頁，共9

4、2頁。放射性成因同放射性成因同位素位素87Sr143Nd206Pb207Pb208Pb177Hf放射性同位放射性同位素素87Rb147Sm238U235U232Th176Lu母母體體子子體體同位素分類同位素分類(fn li)：第17頁/共92頁第十八頁，共92頁。 放射性成因同位素可以放射性成因同位素可以(k(ky y) )是穩(wěn)定的，也可以是穩(wěn)定的，也可以(k(ky y) )是放射性的；是放射性的；例如：例如： 87Rb（放射性同位素）衰變（放射性同位素）衰變(shuibin)成成87Sr， 87Sr不在發(fā)生衰變不在發(fā)生衰變(shuibin)（“穩(wěn)定同穩(wěn)定同位素位素”）238234226222

5、210206UTh.RaRn.Pb.Pb235231227223211207UTh.ThRa.Bi.Pb232228224220212208ThRa.RaRn.Pb.Pb放放射射性性同同位位素素放射性成因放射性成因(chngyn)同位素同位素放放射射性性成成因因同同位位素素放射性同位素放射性同位素第18頁/共92頁第十九頁，共92頁。第19頁/共92頁第二十頁，共92頁。4122AAZZMMHeRnRa4222286226881AAZZMMQ例例 如：如：衰變衰變(shuibin): (shuibin): 原子核自發(fā)地放射出原子核自發(fā)地放射出粒粒子和中微子而發(fā)生的放射性衰變子和中微子而發(fā)生的放

6、射性衰變(shuibin). (shuibin). 分分為為和兩種類型和兩種類型. .A.+A.+衰變衰變(shuibin):(shuibin):原子核自發(fā)放射出原子核自發(fā)放射出+粒粒子。子。+粒子又稱正電子，是質(zhì)量與電子相等而帶粒子又稱正電子，是質(zhì)量與電子相等而帶正電荷的粒子。正電荷的粒子。ArK40184019例例 如：如：第20頁/共92頁第二十一頁，共92頁。B.-衰變: 原子核自發(fā)地放射出-粒子，-相當(dāng)于電子(dinz)，帶有一個負(fù)電荷。1AAZZMMQSrRb87388737CaK40204019例例 如：如： 電子捕獲:是衰變的逆反應(yīng)(并非可逆反應(yīng))。原子核自發(fā)地從K或L層電子軌

7、道上吸取一個電子(多為K層捕獲)，與一個質(zhì)子(zhz)結(jié)合變成一個中子。重核裂變：重同位素自發(fā)地分裂為2-3片原子量大致相同的碎片(su pin)，各以高速度向不同方向飛散。MeMAZAZ1AreK40184019第21頁/共92頁第二十二頁，共92頁。第22頁/共92頁第二十三頁，共92頁。0tNN e1. 同位素衰變同位素衰變(shuibin)定律定律其中其中(qzhng)：N0為放射性同位素在為放射性同位素在t=0時的原子數(shù)；時的原子數(shù)； N為放射性同位素經(jīng)時間為放射性同位素經(jīng)時間t衰變后剩余的原衰變后剩余的原 子數(shù)；子數(shù)； 為放射性同位素的衰變常數(shù)；為放射性同位素的衰變常數(shù)；(1)第2

8、3頁/共92頁第二十四頁，共92頁。第24頁/共92頁第二十五頁，共92頁。*0DNN*(1)tDN e放射性成因同位素原子數(shù)放射性成因同位素原子數(shù)D D* *等于消耗等于消耗(xioho)(xioho)的母的母體原子數(shù)：體原子數(shù)：(2)將等式(dngsh)(1)代入等式(dngsh)(2)可以得到下式：*0(1)tDNe或第25頁/共92頁第二十六頁，共92頁。如果如果t=0t=0時，放射性成因同位素原子時，放射性成因同位素原子(yunz)(yunz)數(shù)為數(shù)為D0D0，經(jīng)時間，經(jīng)時間t t后它原子后它原子(yunz)(yunz)總數(shù)為：總數(shù)為：放射性衰變放射性衰變(shuibin)定律定律（

9、Law of Radio activity)0(1)tDDN e該方程該方程(fngchng)(fngchng)是同位素定年基本原理是同位素定年基本原理的表達(dá)式的表達(dá)式第26頁/共92頁第二十七頁，共92頁。第27頁/共92頁第二十八頁，共92頁。 由于質(zhì)譜分析只能測定同一元素的同位素比值由于質(zhì)譜分析只能測定同一元素的同位素比值(bzh)，不能直接測定單個同位素的原子數(shù)，因此在同位素年代學(xué)方法中，必須選取子體元素的其它同位素作參照，來進行同位素比值，不能直接測定單個同位素的原子數(shù)，因此在同位素年代學(xué)方法中，必須選取子體元素的其它同位素作參照，來進行同位素比值(bzh)的測定。記參照的同位素為的

10、測定。記參照的同位素為Ds，并使等式兩邊同除以，并使等式兩邊同除以Ds，則：，則：放射性衰變放射性衰變(shuibin)定律定律（Law of Radio activity)10tssseDNDDDD第28頁/共92頁第二十九頁，共92頁。式中：式中：D/DS代表代表(dibio)樣品現(xiàn)今的同位素原子數(shù)比值，用質(zhì)譜測定；樣品現(xiàn)今的同位素原子數(shù)比值，用質(zhì)譜測定；(D/DS) 0是樣品初始同位素原子數(shù)比值；是樣品初始同位素原子數(shù)比值； N/DS是母體同位素與參照同位素原子數(shù)比值，一般用同位素稀釋法是母體同位素與參照同位素原子數(shù)比值，一般用同位素稀釋法計算獲得；計算獲得；是衰變常數(shù)。是衰變常數(shù)。10

11、teDsNDsDDsD據(jù)上述據(jù)上述(shngsh)參數(shù)求解時參數(shù)求解時間間t:01ln1DDDsDstNDs第29頁/共92頁第三十頁，共92頁。例如，對于衰變反應(yīng)例如，對于衰變反應(yīng)(fnyng)：87Rb87Sr+，87Rb為放射性同位素為放射性同位素87Sr為放射性成因同位素為放射性成因同位素則在經(jīng)過時間則在經(jīng)過時間t衰變后：衰變后： 87Sr= 87Sr 0+87Rb(et-1)8787878686860SrSrRb=+(e1)SrSrSrt第30頁/共92頁第三十一頁，共92頁。第31頁/共92頁第三十二頁，共92頁。第32頁/共92頁第三十三頁，共92頁。第33頁/共92頁第三十四頁

12、，共92頁。放射性成因放射性成因(chngyn)同同位素丟失位素丟失放射性成因放射性成因(chngyn)積累積累的子體同位素小的子體同位素小于于N(et-1)0(1)tDDN e放射性同位放射性同位素丟失素丟失(dis)放射性同位素和放射性同位素和其子體同位素增加其子體同位素增加同位素體系保持封閉性同位素體系保持封閉性影響同位素體系封閉性的因素有哪些？影響同位素體系封閉性的因素有哪些？第34頁/共92頁第三十五頁，共92頁。第35頁/共92頁第三十六頁，共92頁。 同位素地質(zhì)同位素地質(zhì)(dzh)年代學(xué)的假設(shè)（前提條年代學(xué)的假設(shè)（前提條件）件）二、關(guān)于二、關(guān)于(guny)衰變常數(shù)（衰變常數(shù)（）的

13、假設(shè)）的假設(shè) The decay constant of the parent nuclide is independent of time and is not affected by the physical conditions to which the nuclide may have been subjected and its value is known accurately.一般而言：放射性同位素一般而言：放射性同位素(negatrons, positrons and -particles)的衰變常數(shù)與溫度、壓力、的衰變常數(shù)與溫度、壓力、extranuclear 環(huán)境環(huán)境(例如

14、例如(lr)：electron density;)無關(guān)；無關(guān)；放射性同位素放射性同位素(electron capture)的衰變常數(shù)與的衰變常數(shù)與extranuclear 環(huán)環(huán)境境(例如例如(lr)：electron density;)有關(guān)；有關(guān)；例如例如(lr)：7Be和和131Ba第36頁/共92頁第三十七頁，共92頁。 同位素地質(zhì)同位素地質(zhì)(dzh)年代學(xué)的假設(shè)（前提年代學(xué)的假設(shè)（前提條件）條件）三、關(guān)于三、關(guān)于(guny)D0的假設(shè)的假設(shè)(Initial Abundance of Radiogenic Daughters) An appropriate value of D0 is u

15、sed in the calculation based on either knowledge of the chemical properties of the daughter element or its isotope composition in the terrestrial reservoir from which the rock or mineral originated.例如(lr)：1）富K礦物(biotite, muscovite, lepidolite)的K-Ar定年 40K 40Ar D0 =02）鋯石的UPb，Th-Pb定年 第37頁/共92頁第三十八頁，共92

16、頁。 同位素地質(zhì)同位素地質(zhì)(dzh)年代學(xué)的假設(shè)（前提條年代學(xué)的假設(shè)（前提條件）件）四、關(guān)于四、關(guān)于(guny) D和和N測試值的代表性測試值的代表性高精度的同位素制樣和質(zhì)譜測定高精度的同位素制樣和質(zhì)譜測定(cdng)技術(shù)技術(shù)第38頁/共92頁第三十九頁，共92頁。第39頁/共92頁第四十頁，共92頁。為表面年齡或冷卻年齡。封閉溫度與冷卻歷史有關(guān)。礦物巖石冷卻速度越慢，發(fā)生全部或部分子體丟失的時間越長, 相應(yīng)的封閉溫度和表面年齡就越低。反之冷卻速度較快，子體發(fā)生丟失的時間越短，封閉溫度和表面年齡就越高。第40頁/共92頁第四十一頁，共92頁。對于特定的同位素計時體系，如果礦物的封閉溫度較高并接

17、近于礦物形成溫度，測定的年齡可以代表礦物形成年齡。如果礦物封閉溫度較低，所測定的年齡不能代表礦物形成年齡，只能代表達(dá)到同位素體系封閉溫度時至今的時間(shjin)。 因此必須選擇同位素計時體系那些具有較高封閉溫度的礦物進行測年。從封閉溫度較低礦物獲得的年齡只能代表礦物的冷卻年齡，只有在快速冷卻條件下才能接近于巖石或礦物的形成年齡。第41頁/共92頁第四十二頁，共92頁。第42頁/共92頁第四十三頁，共92頁。第43頁/共92頁第四十四頁，共92頁。對同一地質(zhì)體選用不同(b tn)測年方法常得出不同(b tn)的年齡值，所代表的地質(zhì)意義不同(b tn)。研究表明：一個緩慢冷卻的巖體不同(b tn

18、)礦物的封閉溫度不同(b tn)，不同(b tn)的同位素體系在同種礦物中的封閉溫度也不同(b tn)。同位素年齡時鐘是在低于封閉溫度時才開始啟動。第44頁/共92頁第四十五頁，共92頁。第45頁/共92頁第四十六頁，共92頁。（1）應(yīng)當(dāng)選用適當(dāng)?shù)姆派湫酝凰伢w系的半衰期，這樣）應(yīng)當(dāng)選用適當(dāng)?shù)姆派湫酝凰伢w系的半衰期，這樣(zhyng)才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時保留有未衰變的母核。才能積累起顯著數(shù)量的子核，同時保留有未衰變的母核。（2）測定對象處于封閉體系中，母體和子體核素只因衰變反應(yīng)而改變，不存在它們的丟失和從外部體系的帶入。目前在地球科學(xué)研究中對新生代前的事件廣泛應(yīng)用的年代學(xué)方法有）測

19、定對象處于封閉體系中，母體和子體核素只因衰變反應(yīng)而改變，不存在它們的丟失和從外部體系的帶入。目前在地球科學(xué)研究中對新生代前的事件廣泛應(yīng)用的年代學(xué)方法有U-Th-Pb法，法，Rb-Sr法，法，Sm-Nd法，法，K-Ar法等，第四紀(jì)研究的年代學(xué)方法主要為法等，第四紀(jì)研究的年代學(xué)方法主要為14C法。法。第46頁/共92頁第四十七頁，共92頁。1.等時線 (Isochrons)2. 具有相同年齡(t)和初始(D/Ds)0比值的一套同成因巖石(ynsh)或礦物形成一條直線，稱之為等時線。10tssseDNDDDDExperience indicates that, in some cases, lava

20、 flows erupted by the same volcano in a short interval of time have different values of D0.（四）同位素地質(zhì)（四）同位素地質(zhì)(dzh)(dzh)年代學(xué)的基本術(shù)語年代學(xué)的基本術(shù)語第47頁/共92頁第四十八頁，共92頁。（四）同位素地質(zhì)（四）同位素地質(zhì)(dzh)(dzh)年代學(xué)的基本術(shù)語年代學(xué)的基本術(shù)語3691Ka=10 y1Ma=10 y1Ga=10 y2. 年齡年齡(ninlng)單位單位e.g. The age of this rock is 100Ma, which means that it has

21、 existed for 100 million years (My).第48頁/共92頁第四十九頁，共92頁。第49頁/共92頁第五十頁，共92頁。第50頁/共92頁第五十一頁，共92頁。分析分析(fnx)誤差誤差(Analytical error)t和和(D/Ds)0不確定性不確定性系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差(systematic error)1. 盡可能地消除(xioch)這些誤差對結(jié)果的影響；2.Unweighted Regression;3.Weighted Regression;Faure,2005第51頁/共92頁第五十二頁，共92頁。第52頁/共92頁第五十三頁，共92頁。（五）等時線質(zhì)

22、量（五）等時線質(zhì)量(zhling)(zhling)評估評估( (李李志昌志昌2002)2002)第53頁/共92頁第五十四頁，共92頁。差回歸分析中給出的相關(guān)系數(shù)一樣；第54頁/共92頁第五十五頁，共92頁。評價(pngji)指標(biāo)(MSWD): mean sum of weighted deviationsMSWD2Sn其中(qzhng)：n is the number of samples being regressed ;2iiiSYmXbZ第55頁/共92頁第五十六頁，共92頁。2iiiSYmXbZYi,Xi= measured values of the X and Y paramet

23、ers of each data point;m= slope of the best-fit straight line;b= intercept on the Y-axis of the best-fit straight line;Zi=weighting term for each sample in the regression;第56頁/共92頁第五十七頁，共92頁。等時線擬和的樣品點不完全滿足等時線條件。等時線質(zhì)量等時線質(zhì)量(zhling)評評估估(李志昌李志昌2002)第57頁/共92頁第五十八頁，共92頁。第58頁/共92頁第五十九頁，共92頁。第59頁/共92頁第六十頁，共

24、92頁。第60頁/共92頁第六十一頁，共92頁。第61頁/共92頁第六十二頁，共92頁。第62頁/共92頁第六十三頁，共92頁。稀釋劑第63頁/共92頁第六十四頁，共92頁。Isotope dilution analysis銣同位素為例Rbmixture Rbsample + Rbspike第64頁/共92頁第六十五頁，共92頁。87Rbsam + 87Rbspi85Rbsam + 85Rbspi87Rb85Rb()mix=87Rb85Rb()measured=第65頁/共92頁第六十六頁，共92頁。第66頁/共92頁第六十七頁，共92頁。第67頁/共92頁第六十八頁，共92頁。AANSmBBNSAbNAbSRAbNAbS第68頁/共92頁第六十九頁，共92頁。BNBSNmmSAbAbRRRRSNBNBSNmmSSN