中国地质大学-2012春地球化学课件-第5章1

①α衰变：原子核自发地放射出α粒子而发生的
衰变。
ZAM1
M A－4
Z－2 2
例 如：
226 88
Ra
222 86
Rn
24He
②β衰变: 原子核自发地放射出β粒子和中微
子而发生的放射性衰变. 分为β＋和－两种类型.
A.β+衰变:原子核自发放射出β+粒子。β+粒
子又称正电子，是质量与电子相等而带正电荷
University Press. ➢ Robin Gill, Chemical Fundamentals of Geology,1996, Chapman &
Hall. ➢ Mason, B., Moore, C.B. Principles of Geochemistry. (4th ed.). 1982,
➢ 郑永飞主编. 1999. 化学地球动力学，北京：科学出版社郑永 飞, 陈江峰(编著). 2000. 稳定同位素地球化学. 北京：科学 出版社.
➢ 于津生,李耀菘(主编), 1997. 中国同位素地球化学研究.北京： 科学出版社.
➢ 陈文寄,彭贵 (主编). 1991, 年轻地质体系的年代测定. 北京: 地震出版社.
应用：地球热源、地质时钟、矿物岩石形成 温度测定、成岩成矿地球化学机理推断、地 壳演化历史示踪以及地质作用指示剂；
同位素地质年代学的定义
地质年代学 (geochronology): 研究岩层形成的 年代顺序及测定其年龄值的学科。地质年代学包 括相对地质年代学和同位素地质年代学两大分支。 相对地质年代学的研究对象：地层、岩石、古生 物和古地磁。 同位素地质年代学（Isotopic geochronology)， 又称绝对地质年代学。它是研究同位素地质记时 方法并用以研究各种地质体的形成时间和演化历 史的一门地质科学。
这两类同位素在原子序数和质量数上具有明显的区别： 凡是原子序数大于83，质量数大于209的同位素都是放射 性同位素；在原子序数小于83、质量数小于209的同位素 中，除14C、40K、87Rb具放射性外，其余都是稳定同位素。
部
Z=6 分 核
N=10
素
图
A=12
每一方格代表一个核素，每个核素是由一定数目质子(Z)和中子(N)组成的核。阴影 方格代表稳定原子，白色方格代表不稳定的或放射性核素。同位素是具有相同Z值 不同N值的原子。同中子异位素(isotone)具有相同N值不同Z值。同量异位素(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
第五章 同位素地球化学
Isotope Geochemistry
—同位素地球化学
同位素地球化学是研究地球和宇宙体中 核素的形成、丰度、以及在自然作用中 分馏和衰变规律的科学；
是地球化学中一门新兴的边缘学科和一 个独立的分支。
三个分支：
同位素地质年代学(Geochronology) 同位素地球化学 稳定同位素(stable isotopes)地球化学
87 Sr 86 Sr
=
87 Sr 86 Sr
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
1. 同位素衰变定律
N N0et
(1)
其中：N0为放射性同位素在t=0时的原子数； N为放射性同位素经时间t衰变后剩余的原 子数； λ为放射性同位素的衰变常数；
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
参考书目
➢ Faure G. and Mensing T. Isotopes: Principles and Applications (Third Edition), 2005
➢ Faure G. 1986. Principles of isotope geology (2nd edition), John Wiley & Sons,
Prentice Hall. ➢ Yuan-Hui Li. A compendium of Geochemistry. 2000, Princeton
University Press. ➢ Fancis Albarede, Geochemistry. A introducion. 2003, Cambridge
据上述参数 求解时间t:
t
1
ln
D Ds
N
Ds
D Ds
0
1
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
例如，对于衰变反应：87Rb→87Sr+β， 87Rb为放射性同位素 87Sr为放射性成因同位素 则在经过时间t衰变后：
87Sr= 87Sr 0+87Rb(eλt-1)
该方程是同位素定年基本原理的表达式
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能 直接测定单个同位素的原子数，因此在同位素年代学方法中， 必须选取子体元素的其它同位素作参照，来进行同位素比值 的测定。记参照的同位素为Ds，并使等式两边同除以Ds，则：
（“稳定同位素”）
放射性同位素
放
放 238U 234 Th ...... 226 Ra 222 Rn ...... 210 Pb ...... 206 Pb
射
射
性
性 235 U 231 Th ...... 227 Th 223 Ra ...... 211 Bi ...... 207 Pb
成
同
因
位 素
John Wiley & Sons. ➢ Krauskopf, K.B. Introduction to Geochemistry.(3rd ed.). 1995,
McGraw-Hill Book Company.
参考书目
➢ 陈岳龙，杨忠芳，赵志丹. 同位素地质年代学与地球化学. 北 京:地质出版社.
➢ 陈文寄,计凤桔,王非(主编). 1999.年轻地质体系的年代测定 (续)——新方法、新进展. 北京:地震出版社.
本章主要内容：
同位素分馏和衰变反应； 铷-锶测年及同位素地球化学 ； 钐-钕测年及同位素地球化学 ； 铀-钍-铅测年和铅同位素地球化学； 钾-氩法及其它地质计时方法； 氢氧同位素地球化学 ； 硫、碳同位素地球化学；
D Ds
D Ds
0
N Ds
et 1
D D N et 1
Ds Ds 0 Ds
式中：
D/DS代表样品现今的同位素原子数比值，用质谱测定； (D/DS) 0是样品初始同位素原子数比值； N/DS是母体同位素与参照同位素原子数比值，一般用同位素稀释 法计算获得；
λ是衰变常数。
放射性成因同位素原子数D*等于消耗的母体原子数：
D* N0 N
(2)
将等式(1)代入等式(2)可以得到下式：
D* N 0(1 et )
或
D* N (et 1)
放射性衰变定律 （Law of Radio activity)
如果t=0时，放射性成因同位素原子数为D0，经时
间t后它原子总数为：
D D0 N (et 1)
➢ Ottonello, G. Principles of Geochemistry. 1997, Columbia University Press.
参考书目
➢ Brownlow, A.H. Geochemistry. (2nd.). 1996. Prentice Hall. ➢ Faure, G. Principles and Applications of Geochemistry. (2nd.). 1998,
A Z
M
e Z A1 M
K 40
19
e

40 18
Ar
④重核裂变：重同位素自发地分裂为2-3片原子
量大致相同的碎片，各以高速度向不同方向飞
散。
（二）同位素地质年代学的基本原理
1902年Rutherford通过实验发现放射性同位素衰变不 同于一般的化学反应，具有如下性质： （1）衰变作用发生在原子核内部，反应结果由一种核素 变成另一种核素； （2）衰变自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例； （3）衰变反应不受温度、压力、电磁场和原子核存在形 式等物理化学条件的影响； （4）衰变前和衰变后核数的原子数只是时间的函数
同位素分类：
母 体
放射性同位素 87Rb 147Sm 238U 235U 232Th 176Lu
放射性成因同 位素 87Sr 143Nd 206Pb 207Pb 208Pb 177Hf
子 体
放射性成因同位素可以是稳定的，也可以是放射性的； 例如：
➢ 87Rb（放射性同位素）衰变成87Sr， 87Sr不在发生衰变
同位素的分类
自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射 性同位素和稳定同位素两大类。
同位素的基本知识（续）
放射性同位素—原子核是不稳定的，它们以一定方式自 发地衰变成其它核素的同位素。例如：
87Rb 87Sr + a beta particle
147Sm→143Nd+α+E 稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的变化不 能被觉察。目前认为，凡原子能稳定存在的时间大于 1017年的就称为稳定同位素，反之则称放射性同位素。
同位素地质年代学的研究内容
准确地测定矿物和岩石中放射性母体和 子体的含量，然后根据放射性衰变定律 计算出岩石和矿物的年龄。 研究的对象：岩浆岩、沉积岩、变质岩、 矿床、土壤； 同位素研究的另一大分支是同位素体系 示踪，例如研究岩浆岩的源区特征及演 化；沉积岩物源区的特征等。
同位素地质年代学
Radiometric dating A time machine to the past
的粒子。
ZAM
M A
Z 1
Q
例 如： 1490K 1480Ar
B.β-衰变: 原子核自发地放射出β-粒子，β-相当 于电子，带有一个负电荷。
ZAM
M A
Z 1
Q
例 如：
87 37
Rb
87 38
Sr
40 19
K
40 20
Ca
③ 电子捕获:是β衰变的逆反应(并非可逆反应)。 原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子 (多为K层捕获)，与一个质子结合变成一个中子。
➢ Dickin Alan P. 1995. Radiogenic isotope geology. Cambridge University Press.
➢ Hoefs J. 2001. Stable isotope geochemistry (4th edition). Springer Verlag, Berlin
一、同位素分馏和衰变反应
（一）同位素的基本知识； （二）同位素地质年代学的基本原理； （三）同位素地质年代学的基本假设； （四）同位素地质年代学的基本术语； （五）等时线质量评估； （六）放射成因同位素分析技术；
元素周期表
（一）同位素的基本知识
同位素的定义
同位素(isotope)—是具有相同质子数和不同中子数 的一组核素。由于核素具有相同的质子数，它们属于 同一元素，具有相同的核外电子排布结构和非常相似 的化学性质，但由于中子数不同因而质量数不同。
的化学性质。
同位素分类：
同
稳定同位素
原生放射性同位素: 238U等
位
素
放射性同位素
人造放射性同位素:137Cs 等
宇宙成因放射性同位素:14C等
同位素分类：
放射性同位素：原子核是不稳定的，它 们以一定方式自发地衰变成其它核素的 同位素（又称为放射性母体同位素）； 放射性成因同位素：通过放射性衰变形 成的同位素（又称为放射性子体同位 素） ；
➢ Ozima M, Podosek F A. 2002. Noble gas geochemistry (2nd edition), Cambridge Press
➢ Faure G. 2001. Origin of igneous rocks: the isotopic evidence, Springer.
232Th 228 Ra ...... 224 Ra 220 Rn ...... 212 Pb ...... 208 Pb
同 位
放射性成因同位素
素
核衰变
放射性同位素的原子核在质子与中子组 成上处于能量不稳定状态，它将自动发 生衰变转变为稳定同位素，这种过程称 为核衰变或蜕变。 放射性核素在衰变过程中遵守能量、质 量和电荷守恒定律，具有一定的规律性。 重要的衰变形式有以下几种：