最新西北大学地球化学课件第五章.pptx

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5同位素地球化学,主要内容（重点为同位素分馏和衰变的有关概念和理论，Rb-Sr计算原理和方法，UTh一Pb年龄计算原理和方法，O、C、S同位素分馏及其应用）,14C法;ReOs法,有关放射性衰变的基本理论Rb-Sr衰变体系UThPb衰变体系KAr衰变体系其它测年法介绍：

SmNd法;等稳定同位素基础;5.7氢、氧同位素地球化学5.8碳同位素地球化学;5.9硫同位素地球化学,5同位素地球化学,5.1有关放射性衰变的基本理论,5.1.1原子核组成-核素,核素图,同位素同中异位素同量异位素,核素图,核素图原子序数20时,质子:

中子=1:

1.6最稳定.,原子序数（质子数）或中子数是“幻数”的元素丰度高幻数2、8、14、20、50、82、126,双幻数2He8O416,14Si20Ca2840,82Pb208,13Al18Ar36Kr54Xe273886136,中子数83Bi209是幻数,7N15,12Mg26,19K39,38Sr56Ba8813839Y57La8913940Zr58Ce9014059Pr14160Nd14262Sm144,质子数是幻数,50Sn82Pb204（10个同位素）82Pb20682Pb207,奇偶同位素,奇偶同位素,锡的同位素,锡的同位素相对丰度,元素的同位素组成,1.1H99.98442H0.01563H310-16,2.3He0.000137,4He99.999863,3.6Li7.42,7Li92.58,4.9Be100,5.10B19.61,11B80.39,6.12C98.893,13C1.107,7.14N99.6337,13.14.,15.,16.,17.,18.,26Mg11.1727Al10028Si92.21,29Si4.70,30Si3.09,31P100,32S95.018,33S0.750,34S4.215,36S0.017,35Cl75.529,37Cl24.417,36Ar0.337,23.,24.,25.,26.,47Ti7.2848Ti73.9449Ti5.51,50Ti5.34,50V0.24,51V99.76,50Cr4.31,52Cr83.76,53Cr9.55,54Cr2.38,55Mn100,54Fe5.82,56Fe91.66,31.,32.,33.,34.,66Zn27.8167Zn4.1168Zn18.57,70Zn0.62,69Ga60.4,71Ga39.6,70Ge20.52,72Ge27.43,73Ge7.76,74Ge36.54,75As100,74Se0.87,76Se9.02,37.,38.,39.,40.,41.,85Rb72.1587Rb27.8584Sr0.56,86Sr9.86,87Sr7.02,88Sr82.56,89Y100,90Zr51.46,91Zr11.23,92Zr17.11,94Zr17.40,96Zr2.80,93Nb100,续表1.8,74.,76.,180W0.135182W26.41,183W14.40,184W30.64,186W28.41,75.185Re37.07,187Re62.93,184Os0.018,186Os1.59,187Os1.64,188Os13.3,189Os16.1,79.80.,81.,82.,198Pt7.21197Au100196Hg0.146,198Hg10.02,199Hg16.84,200Hg23.13,201Hg13.22,292Hg29.80,204Hg6.85,203Tl29.50,205Tl70.50,204Pb1.48,206Pb23.60,续表,5同位素地球化学5.1,有关放射性衰变的基本理论,5.1.2放射性衰变反应和衰变定律5.1.2.1放射性衰变：

某种元素的原子核自发地放射出粒子（或射线）而转变成其它元素的原子核的过程叫放射性衰变。

这类核素称为天然放射性同位素，共约64种，大多数A210.半衰期：

任一放射性核素衰变掉初始原子数一半所需的时间。

天然放射性衰变的类型有:

2,1）衰变-原子核自发地放射出粒子（即氦核4He）而转变成,其它元素原子核的过程叫衰变.衰变的母核与子核原子序数相差2,质量数相差4.,例如，226,222,88862,RaRn+4He,2）-衰变-原子核自发地放射出-粒子（即电子）而转变成其它元素原子核的过程叫-衰变.实质是母核内一个中子分裂为一个质子、一个电子（即-质点，被射出核外）；例如:

87,87,K40,37381920,RbSr+-；40Ca+-;,-衰变的母核比子核原子序数减少1,质量数相等.,5.1.2.1放射性衰变：

3）电子捕获-原子核自发地从K层或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。

衰变产物核质量数不变，核电荷数减1。

例如：

19K+e40-,4018Ar；,57La+e56Ba138-138,4）轻核聚变-两个或多个轻原子核聚合成一个重核。

5同位素地球化学,5.1有关放射性衰变的基本理论,5.1.2.1放射性衰变：

5）重核裂变-一个重核分裂为两个或几个中等质量的碎片,同时放出中子和能量的衰变叫重核裂变。

分为自发裂变和诱发裂变。

自然界只有235U和238U可发生重核裂变:

92U235,30Zn+65Tb,诱发裂变-被轰击的核叫靶核;投射的核叫弹核或核弹（中子、质子、粒子.等）.弹核的动能:

10mev放出单个中子、质子、粒子、2H;10-25mev放出二个中子或一中子一质子;25-100mev放出三个粒子;100-400mev可把靶核轰散,放出多个轻核,放出多个中子、质子、粒子、介子.,5同位素地球化学,5.1有关放射性衰变的基本理论,5.1.2.1放射性衰变：

6）+衰变-原子核自发地放射出+粒子（即正电子）而转变成其它元素原子核的过程叫+衰变.实质是母核内一个质子分解为一个中子、一个正电子和一个中微子.P+=N+e+r+Q,例如:

8O14,7N+e+r+Q14+,+衰变的母核与子核原子序数相差1,质量数相等.7）r衰变-在原子核放射性衰变时,伴随放射出r射线,即r衰变.r射线是波长很短的电磁波,r射线的一个量子即一个光子.当处于激发态（不稳定态）基态（稳定态）时放出r射线.,5同位素地球化学,5.1有关放射性衰变的基本理论,5.1.2.1放射性衰变：

分支衰变-一种母核同时有二种衰变方式叫做分支衰变。

单衰变-放射性母核经过一次衰变就变为稳定子核的衰变方式叫做单衰变。

系列衰变-放射性母核需要经过多次衰变才能变为稳定子核的衰变方式叫系列衰变。

衰变系列:

从放射性同位素母核经过多个中间放射性子核直到最后稳定的子核,这一个系列叫做衰变系列.,5同位素地球化学,5.1有关放射性衰变的基本理论,分支衰变,母体与子体关系,单衰变表,238U系列衰变,238U+8+6-,206Pb,238U系列衰变,235U+7+4-,207Pb,232Th系列衰变,232Th+6+4-,208Pb,232Th系列衰变,5.1.2放射性衰变反应和衰变定律5.1.2.2衰变定律1）衰变定律公式卢瑟福认为:

放射性元素在单位时间内衰变掉的原子数与现存的母核数成正比,其公式为:

或No=Net,5.1.2放射性衰变反应和衰变定律5.1.2.2衰变定律,2）年龄公式,D*=N-N=Net-No现,5.1.1放射性衰变反应和衰变定律5.1.1.2衰变定律3）半衰期（T1/2）,半衰期（T1/2）:

指放射性母核衰变掉一半原子数所用的时间.N0,2,N=代入衰变定律公式:

N=N0.e-t,0,N0/2=N.e-T1/2,（）=e-T1/2ln（1/2）=-T1/2ln2=T1/2T1/2=ln2/；T1/2=0.693/,3）半衰期（T1/2）,5同位素地球化学,5.1有关放射性衰变的基本理论5.1.3天然放射性同位素计时原理和前提:

同位素计时原理:

如果所研究体系中母体和子体原子数的变化归因放射性衰变,就可通过测定体系（岩石矿物）中子母体含量,并依据衰变定律计算出该体系（岩石矿物）的地质年龄.同位素计时前提:

（1）衰变的最终产物是稳定同位素;

（2）已知衰变常数的精确值;（3）已知母体同位素的种类和相对丰度;（4）体系（岩石矿物）形成时不存在稳定子同位素;如果有,必先扣除.（5）体系（岩石矿物）形成以来是封闭的,子母同位素不失不得.,常用测年母核,地质年代表,5.1.3同位素测定方法,1）化学制样:

将预测元素完全转化为需制备的气相，流程中不能形成其非气相化合物；试剂和设备不能带入玷污；处理过程中不存在同位素的分馏2）质谱仪测定：

与电子计算机联用，数据处理及提高仪器的自动化程度。

5同位素地球化学,5.2Rb-Sr衰变体系5.2.1自然界中的铷和锶1）铷的概述:

铷的同位素:

3785Rb-72.15%,稳定同位素;87Rb-27.85%,放射性同位素,T1/2=48.8亿年.铷在造岩矿物中含量:

锂云母黑云母白云母正长石钠闪石辉石石英N%0.09%0.084%0.056%0.03%0.007%0.000N%铷在岩石中含量:

超基性岩-基性岩-中性岩-酸性岩铷的含量少多地核-下地幔-上地幔-下地壳-上地壳（单位PPM）022.611113,5同位素地球化学,5.2Rb-Sr衰变体系,5.2.1自然界中的铷和锶2）自然界中的锶锶的同位素:

84Sr-0.56%;86Sr-9.86%;,稳定同位素,87Sr-7.00%,放射成因子核,不断增加88Sr-82.58%.含量的原因？

38锶的类质同象有二个系列:

Ca2+（0.99A06配位和1.03A08配位）-Sr2+-Ba2+Na+-K+-Rb+-Sr2+-Ba2+（0.98A0）（1.38A0）（1.57A0）（1.21A0）（1.44A0）各类岩石超基性岩-基性岩-中性岩-酸性岩锶在岩石中的含量少多少锶在沉积岩矿物中含量高,CaCO3霞石和Ca3（PO4）2磷灰石.,5.2Rb-Sr衰变体系,5同位素地球化学5.2.1自然界中的铷和锶,锶同位素,5.2.1自然界中的铷和锶,3）地球锶演化:

地球锶同位素的演化大约在46亿年左右开始的,那时原始锶的（87Sr/86Sr）比值为0.699（BABI）,以玄武质无球粒陨石的（87Sr/86Sr）比值作为标准。

地球形成后,由于87Rb不断衰变成87Sr,而86Sr保持不变,所以随时间推移锶同位素（87Sr/86Sr比值）不断增长。

在上地幔,由于Rb/Sr比值不均一,锶同位素增长线是以BABI为起点的一组发散曲线，其中A1、A、A2线代表正常地幔演化范围，B线代表地幔Rb亏损区的演化线。

在地球形成的初期，（87Rb/86Sr）比值较大,因此（87Sr/86Sr）比值增长较快，锶增长线A1AA2线斜率较大。

在距今29亿年时,地幔分异出地壳C线,Rb元素随之向地壳迁移,至使上地幔的（87Sr/86Sr）比值增长减慢（A1AA2线斜率变小，曲线趋平）。

5.2.1自然界中的铷和锶,3）地球锶演化:

现今未亏损地幔的（87Sr/86Sr）比值介于0.704-0.706（A1、A、A2线）;上地幔Rb亏损区的87Sr/86Sr比值为0.702-0.704（B线）。

在地壳（C线）:

29亿年前地壳形成时（87Sr/86Sr）初始值为0.7025。

其后,由于Rb的富集,大陆壳（Rb/Sr）比值大约是上地幔的十倍，且富含放射成因锶87Sr*，锶同位素沿着（Rb/Sr）=0.15的直线（C线）快速增长，现今大陆壳的（87Sr/86Sr）比值为0.719。

5.2.1自然界中的铷和锶4）（87Sr/86Sr）0的应用,5.2.1自然界中的铷和锶,4）（87Sr/86Sr）0的应用