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1、第五章 同位素地球化学,变质砾岩中花岗岩质砾石中的锆石年龄，其地质含义是花岗岩的形成年龄，应该早于砾岩的地层年龄。 谐和线年龄，上交点年龄为 257352Ma。 表面加权年龄，2580Ma。 谐和线年龄和表面加权年龄结果很相近，结果是可信的。 综合来说：花岗岩的形成时代为257352Ma是可信的。砾岩的地层年龄应晚于2573Ma。根据目前的年龄结果，不支持砾岩比郭家窑组老的认识。,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过程中分镏和衰变规律的科学。 所谓同位素是指同一元素原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子，它们在元素周期中占据同一个位置。 例如，硫有4个同位素，它
2、们分别为32S、33S、34S和35S，这4个同位素都有16个质子，因而它们都位于元素周期表第三周期第A族。一个元素可以由一种或几种同位素组成。,Neutron number vs. proton number for stable nuclides,一、核素及核素图,自然界存在两类同位素： 一类是放射性同位素，它们能够自发地衰变形成其它同位素，最终转变为稳定的放射成因同位素； 另一类是稳定同位素，它们不自发地衰变形成其它同位素或由于衰变期长其同位素丰度变化可忽略不计。,放射性同位素丰度的变异记载着地质作用的时间，同时它们又是地质过程有效的示踪剂，而对于稳定同位素丰度的变异或分镏除了示踪地质过
3、程外，还可指示地质过程中的物理化学条件等。 同位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演化，主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值的信息，为地球科学从定性到定量的发展作出了重要贡献。,放射性衰变,自然界中部分核素在能量上处于不稳定状态，自发地从某一核素衰变成为另一核素，并伴随各种粒子形式的能量释放的过程称为放射性衰变。 发生放射性衰变的同位素称放射性同位素，或母体同位素(radioactive parent nucleus )。 放射性衰变过程中及最终形成的稳定同位素称为放射成因同位素或子体同位素(radiogenic
4、 daughter nuclei) 。,1 放射性同位素衰变反应和衰变定律 一、 放射性同位素衰变反应 在自然界，放射性同位素大约有64种，它们大多数的质量数大于210。这些放射性同位素不断自发地发射出质点和能量，改变同位素组成并转变成稳定的核素，这种过程称核衰变反应或蜕变。衰变反应是引起放射性同位素丰度变化的主要原因，天然放射性同位素的衰变反应种类如下：,放射性同位素衰变方式,Nuclei can spontaneously transform to lower mass nuclei by one of four processes a-decay b-decay electron cap
5、ture spontaneous fission Each process transforms a radioactive parent nucleus into one or more daughter nuclei.,a-decay,Emission of an a-particle or 4He nucleus (2 neutrons, 2 protons),The parent decreases its mass number by 4, atomic number by 2. Example: 238U - 234Th + 4He Mass-energy budget: 238U
6、 238.0508 amu 234Th 234.0436 4He 4.00260 mass defect 0.0046 amu = 6.84x10-13 J/decay = 1.74x1015 J/kg 238U = 414 kilotons/kg,This is the preferred decay mode of nuclei heavier than 209Bi with a proton/neutron ratio along the valley of stability,b-decay,Emission of an electron (and an antineutrino) d
7、uring conversion of a neutron into a proton,The mass number does not change, the atomic number increases by 1. Example: 87Rb - 87Sr + e + n Mass-energy budget: 87Rb 86.909186 amu 87Sr 86.908882 mass defect 0.0003 amu = 4.54x10-14 J/decay = 3.14x1014 J/kg 87Rb = 75 kilotons/kg,b+-decay and electron c
8、apture,Emission of a positron (and a neutrino) or capture of an inner-shell electron during conversion of a proton into a neutron,The mass number does not change, the atomic number decreases by 1. Examples: 40K - 40Ar + e+ + n 50V+ e - 50Ti + n + g In positron emission, most energy is liberated by r
9、emote matter-antimatter annihilation. In electron capture, a gamma ray carries off the excess energy.,Spontaneous Fission,Certain very heavy nuclei, particular those with even mass numbers (e.g., 238U and 244Pu) can spontaneously fission. Odd-mass heavy nuclei typically only fission in response to n
10、eutron capture (e.g., 235U, 239Pu),1 -衰变 原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子（质点），质点被射出核外，反应通式为：AZMAZ+1M+，其中Z为核电荷数，A为质量数。衰变结果，核内减少一个中子，增加一个质子，质量数不变，核电荷数增加1，变为周期表右侧的相邻元素。如：8737Rb8738Sr+、 4019K4020Ca+，其中8737Rb与8738Sr、4019K与4020Ca称为同量异位素。,2 电子捕获 它是-衰变的逆反应（并非可逆反应），是原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层捕获），与一个质子结合变成一个中子，反应通式为：AZ
11、M+eAZ-1M，衰变结果，质量数不变，核电荷数减1，变为周期表左邻元素。如：4019K+e4018Ar。,3 -衰变 重核放射出由2个质子和2个中子组成的质点（即He核），衰变反应为：AZM+eA-4Z-2M+，衰变结果，质量数减4，核电荷数减2，在元素周期表上向左移动2格。如：22688Ra22286Rn+42He。,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。如：238U、235U和232Th等重核都可能发生这种裂变。 在自然界中，有些放射性同位素只通过一次某一种固定形式的衰变过程就转变为某种稳定同位素，从而停止了放射性衰变，如8737Rb8738Sr+，而其它一些放
12、射性同位素，如238U、235U和232Th等原子核要通过一系列的衰变和衰变，形成许多中间过渡的放射性同位素，最终才转化为铅同位素，从而结束了其放射性衰变过程。,Radioactive and rediogenic elements,二、衰变定律 1902年Rutherford通过实验发现放射性同位素衰变反应不同一般的化学反应，具有如下性质： (1)衰变作用是发生在原子核内部的反应，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。通常
13、我们把衰变前的核素称为母体（母核），而衰变后新形成的核素称为子体（子核）。,放射性母体同位素单位时间的衰变量与该母体同位素的原子数(N)成正比,引入衰变常数 、积分和移项 ：,值的意义,是比例常数，后来称之为衰变常数，量纲为时间的倒数。其意义为一个放射性核素的原子在在所描述的时间范围内发生衰变的概率(probability)。,半衰期,母体同位素原子半数发生衰变所经历的时间，常用t1/2表示，用以衡量放射性母体同位素发生放射性衰变的相对快慢。其表达式为： t1/2=0.693/,母体(N)和子体同位素(D)存在如下关系：N0=N+D,D,N,Evolution of daughter isot
14、opes,Concentration ratios,*,同位素定年原理,自然条件下，同位素放射性衰变过程是不可逆的，且其衰变速率及放射性子体的性质不受外界的影响。母-子体同位素确定的对应关系和恒定的衰变速率构成了同位素定年的理论基础。,四、同位素定年的基本要求,1)应有适当的半衰期，这样才能积累起显著数量的子核，同时母核也未衰变完。如果半衰期太长，就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰期太短，没有多久母核几乎衰变完了。 2)所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求。 3)放射性同位素应具有较高的地壳丰度，在当前的技术条件下，能以足够的精度测定它和它所衰变的子体含量。 4)矿物、
15、岩石结晶时，只含某种放射性同位素，而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体，其数量亦是可以估计的。,常用放射性同位素体系,同位素年代学方程,与地质事件对应的地质体形成时即含一定量的放射成因子体同位素，故现在地质样品放射子体同位素由两部分组成，即初始部分和放射母体同位素衰变形成部分： 故自然界放射性子体增长公式：,相对元素含量变化，放射性衰变引起的同位素组成变化是微小的，对其绝对含量或原子数的测定，常规分析方法难于满足测定要求，而事实上高精度的同位素质谱只能测定同位素比值。因此，以同一元素的稳定同位素作为参照，测定放射成因同位素比值在地质上和实验室分析技术上更具意义和可行性。,要确定地质样品的形
16、成时代T，需已知三个比值，即子体同位素初始和现在比值及母子体同位素现在比值。 子体同位素（如143Nd/144Nd）比值和母子体同位素（如147Sm/144Nd）比值可由直接测定和间接计算得出，但子体同位素初始比值（如143Nd/144Nd(0)）是未知的。 因此，除非假设样品形成时子体同位素的初始比值，单一样品同位素分析难于确定地质体的形成时代,如果在t=0时，在所研究的地球化学体系中存在初始子体同位素，记作D0，则t时刻，子体同位素的原子数总数为： D= D0 +D* D/DS=(D0/DS)+ N/DS(et-1) 习惯上，将上式中(D0/DS)写作(D/DS)0，则： D/DS=(D/DS) 0+ N/DS(et-1) 式中：D/DS是代表样品现今的同位素原子数比值，用质谱直接测定获得；(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，一般通过同位素稀释法分析计算获得；是衰变常数。 t=1/ln( D/DS)- (D/DS) 0/ N/D
