同位素地质学

1.3发展现状
• 同位素地质学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发 展起来的一门新兴学科，是地质学的一个新的分支。半个世纪以 来，同位素地质学获得了迅速发展，渗透到地质学、地球化学的 各个方面，对解决一系列重大基础地学问题发挥了关键性的作用。 它是地球科学定量化的重要标志，是“数字地球”的重要组成部 分。
• 我国始于二十世纪五十年代，已形成了一定的规模，，应用于地 球科学的基础研究，国土资源的调查，矿产资源、能源的开发以 及地质环境和地质灾害的监控等。建有同位素地质年代学实验室 和稳定同位素地球化学实验室 ，在同位素地质基本理论的研究和 重大地质基础问题的研究方面，做出了重要的贡献
1.4应用领域
• 同位素技术在工业、农业、医学、资源 环境、军事科研诸多领域的 应用已获得 了显著的经济效益、社会效益、环境效 益。
• 地质学发展的四大支柱（同位素、MS、 GPS、GIS）
1.4应用领域
– 测定地质年龄—同位素地质年代学、地质年 代表
– 测定沉积物年龄 – 用于考古 – 地质作用示踪及地质体形成温度（同位素地
质温度计） – 环境同位素示踪体系及环境评价—城乡环境
污染查定、地下水渗透、水渗漏、 大气环境 同位素鉴别
示踪特征：当一个自然体系发生变化形成新的体系时，其元素组成 和母子体比值将随之发生变化，但是，只要发生变化的时间不是 相当漫长，体系的同位素组成仍保持原来的特征，这种特征与原 体系母子体的比值密切相关，只要通过一定的方法确定体系发生 变化时的子体同位素组成，就可追索原体系的地球化学特征和演 化历史。这种示踪特征对于近代岩浆作用具有特别意义，如通过 新生代玄武岩的研究可以了解地幔源的地球化学特征和演化史。 由于地球已经经历了复杂的化学过程，形成了上、下地壳及上、 下地幔等层圈构造，长期的母子体分异、核过程和同位素分馏作 用已造成了不同层圈放射成因子体同位素和轻质量稳定同位素组 成上的明显差异，因此，根据成岩成矿物质的同位素组成可以推 断物质的来源及不同源区之间的混合情况。上述二个方面构成了 同位素示踪研究的正演和反演两条不同的途径。
• 物理化学特征：自然界的同位素分馏效应是物 理、化学、生物化学等过程所引起的，而一切 过程的速度、化学过程的平衡常数等均与环境 的物理化学条件（温度、压力、氧逸度、pH值 等）密切相关，因此根据体系中不同矿物相在 轻元素同位素组成上的差异。可以反推、计算 体系曾经存在过的物理化学条件。
• 同位素丰度变化的四个特征便构成了同位素地 质年代学和稳定同位素地球化学最基本的基础 理论和研究范畴
的同位素 • 轻稳定同位素---H、 He、O、C、S；放射成因稳定同
位素—87Sr
1.1定义
• 同位素丰度
– 一种元素中各种同位素所占有的原子百分数 称为同位素丰度或同位素组成。
1.1[定义
• 自然界同位素丰度（组成）变化特征
– 绝对时标特征：放射性衰变、核裂变的速度 不受外界温、压、电磁场等物化条件的影响， 一个自然体系形成之后，一直保持母子体元 素比值不变或母子体比值变化遵循一定规律 的体系，只要测定体系现在的子体同位素组 成和母子体比值，就可计量体系所经历的时 间，这一特征是同位素地质年代学的理论基 础。
• 稳定同位素（Stable Isotope)—其原子核是稳定的，迄
今未发现它们能自发地衰变为其它同位素（原子存在 的时间> 1017 ),或者半衰期>1015的同位素如有的元素 仅由稳定同位素组成，如18O、 34S、 13C。目前已发 现稳定同位素274种，原子序数<83。原子量低于209
1.1定义
能量特征：自然界的核裂变、衰变过程同时也产 生可观的能量，这些能量构成了地球演化的主 要能源。可以通过放射性母子体同位素组成与 分布的研究，探讨地球各区域或各层圈的能量 分布情况。同时，核过程所产生的射线、粒子 与碎片的动能将在物质中留下径迹和辐射损伤， 这些构成了裂变径迹年代学、热发光年代学和 电子自旋共振年代学等的研究领域。
1.4发展趋势
• 质谱仪的测试精度、灵敏度更高，本底更低。使得轻 同位素组成质量差很少的同位素）的测定成为可能。 MS-ICP磁质谱仪测试精度可达PPT级（10-12 ）
• 宇宙成因的核素成因的同位素示踪（85Kr 、26Al、 10Be、36Cl)
• 同位素分馏系数的测定（更多矿物对之间） • 同位素地球化学动力学 • 稀有稀土元素同位素地质年代学 • 成矿元素同位素研究，如铜、锌、铁等
表。
• 玛丽和皮埃尔的长女伊伦与约里奥 1934年，用α粒子 轰击铅、硼、镁， 通过核反应方法制造出放射性同位 素，首次获得人工放射性物质。
Байду номын сангаас
1.2发展历史
• 同位素研究的进展与核武器和核能利用息息相关 – 爱因斯坦（1905）提出相对论和质能关系E=MC*C。 原子核裂变后 少掉的质量转化为巨大的能量。 – 1939年，几乎同时，约里奥·居里、费米、西拉德、 玻尔等分别完成了 铀链式反应方面的实验，共同为 原子能的释放作出了贡献 。 – 1942年费米建成核反应堆，成功完成自持式链式裂 变反应，可控核能释放。
豆科植物内的分布和转移 实验并获成功，首创同位素 示踪法（isotopic tracer method）
1.2发展历史
• A.Holmes 首次提出用元素的稳定同位素组成研究地质 问题
– 1932建议用钙同位素组成的变化来探讨岩石成因， – 1937和1938年用铅同位素组成的变化来探讨铅矿石的成因 – 1937用18个K-Ar年龄和12个U-Pb年龄，提出第一个地质年代
1.1定义
放射性(Radioactivity)---不稳定原子的原子 核能够自发地调整为更稳定的状态的一 种性质，由母体（Parent) decay 为子体 （Daughter)，同时放出射线。
1.1定义
放射性同位素 1、能放出各种不同的射线。有的放
出α射线，有的放出β射线，有的放出γ射线或者同时放 出其中的两种射线。还有中子射线。其中，α射线是一 束α粒子流，带正电荷，β射线就是电子流，带有负电 荷。
1.4应用领域
– 生物化学和分子生物学中同位素示踪。用同位素作 为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如标 记食物，药物和代谢物质等） 代替相应的非标记化 合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核 物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或 体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽 然 不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质 量之差，通过质谱仪，气相层析仪， 核磁共振等质 量分析仪器来测定。
1.2发展历史
– 1945年7月美国第一颗原子弹爆炸成功 – 1945年8月6日和8月9日，美在日本广岛和长
崎各投下一颗原子弹。
• A.O.Nier(1939)研制出同位素比值质谱计， 提高了同位素比值分析精度。
• H.C.Urey(1947)奠定了同位素分馏的理论 基础（同位素物质热力学性质）。
1.2发展历史
• 1869年俄国门捷列夫和德国的迈耶同时发现元素周期表 • W.Crookes(1886),F.Soddy(1910)第一次论述了同位素的概念 • 1895年11月8日傍晚，德物理学家伦琴(1845~1923)在沃兹堡大学
实验室，做阴极射线的实验(阴极射线实验是在抽空的电子管中， 由阴极发出的电子在电场加速下所形成的电子流。确认电子的存 在，是两年以后的事情),发现了X光。 • 1896年，亨利·贝克勒耳从爸爸那里选了一种荧光物质铀盐，学名 叫硫酸钾铀，想研究一下一年前伦琴发现的X射线到底与荧光有 没有关系,结果发现铀的天然放射性，第一个放射性元素被发现。
1.2发展历史
• 玛丽、皮埃尔 1902从沥青矿渣中提炼出放射性元素— —镭。
• 1904年英国物理学家卢福首先提出 放射性同位素测年 方法。
• J.J.Thomson(1912)发现稳定同位素 • A.J.Dempster(1918),F.W.Aston(1919)研制出质谱仪 • Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb进行铅盐在
– 农业上的应用-制种等
1.4应用领域
• 地学上同位素地质应用领域
– 陨石、月岩及行星挥发分 – 行星形成历史和过程 – 地球早期历史 – 地幔特点和演化及壳幔相互作用 – 生命起源和演化 – 水圈、大气圈、生物圈及岩石圈相互作用与关系 – 自然环境变化及人—地相互关系 – 地球化学成矿动力学 – 第四纪以来全球气候变迁及冰心同位素纪录 – 同位素水文学
1 同位素地质学 研究现状与应用前景
1.1定义
• 同位素—原子核内质子数相同而中子数不同的一类原 子（元素周期表--同一个位置，原子序数相同而原子质 量不同
• —39K 40K 41K ---- 36Ar 38Ar 40Ar
•
93.10% 0.01% 6.89% 0.31% 0.06% 99.63%
放射性同位素（Radioactive or Unstable Isotope)，其
原子核能自发地衰变成其他的同位素，最终变为稳定 的放射成因同位素 半衰期很长的 如： 238U、 87Rb、 147Sm 、230Th；长寿命的衰变物子体 如： 234U 、 230Th 、 226Ra；天然发生的核反应形成的 如14C、 10Be 、 32Si；已知有1200种放射性同位素，天然存在 的放射性同位素约60种，其余为人工放射性同位素。
2、放出的射线由不同原子核本身决定。例如钴－ 60原子核每次发生衰变时，都要放射出三个粒子：一 个β粒子和两个光子，钴－60最终变成了稳定的镍－60。
3、具有一定的寿命。人们将开始存在的放射性同 位素的原子核数目减少到一半时所需的时间，称为半 衰期。例如钴－60的半衰期大约是5年。
1.1定义
• 稳定同位素组成，如O、S； • 仅由放射性同位素组成 ，如U、Th； • 既有稳定的又有放射性同位素，如85Rb 87Rb→ 87Sr； • 只有一种同位素 如Be,Na,Al,F等21个元素； • 一般2—5种， • 同位素最多的元素，如Sn 有10种稳定的，16种放射性