同位素地球化学复习题.docx

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同位素地球化学复习题

同位素地球化学复习题

1.1同位素地球化学的基本任务

 1）研究自然界同位素的起源、演化和衰亡历史；

2）研究同位素在宇宙体、地球和各地质体中的分布分配、不同地质体中的丰度及典型地质过程中活化与迁移、富集与亏损、衰变与增长的规律；阐明同位素组成变异的原因。

据此来探讨地质作用的演化历史及物质来源；

3）利用放射性同位素的衰变定律建立一套行之有效的同位素计时方法，测定不同天体事件和地质事件的年龄，并作出合理的解释，为地球和太阳系的演化确定时标。

4）研究同位素分馏与温度的关系，建立同位素温度计，为地质体的形成与演化研究提供温标。

1.2同位素地球化学的一些基本概念

核素 同位素同量异位素 稳定同位素 放射性同位素 重稳定同位素 轻稳定同位素

2.1              质谱仪的基本结构

四个部分：

进样系统离子源质量分析器离子接收器

2.2 衡量质谱仪的技术标准有哪些

质量数范围分辨率灵敏度精密度与准确度

2.3固体质谱分析为什么要进行化学分离

具相同质量的原子和分子离子的干扰; 主要元素基体中微量元素的稀释;低的离子化效率;不稳定发射。

2.5 同位素稀释法是用于元素含量分析还是用于同位素比值分析？

    元素含量分析

2.6  氢气的制取方法？

（有哪些还原剂）

U－还原法 Zn－还原法 Mg－还原法 Cr－还原法

2.7 氧同位素的制样方法有哪些？

1.大量水样氧同位素制样方法？

2.硅酸盐氧同位素的BrF5法制样原理？

3.碳酸盐样品的磷酸盐制样法（McCrea法）

    2.8 水中溶解碳的提取与制样McCrea法

2.9硫化物硫同位素直接制样法

2.10硫酸盐的硫同位素制样法（直接还原法）

把硫酸盐、氧化铜、石英粉按一定比例混合（置于石英管中）在真空条件下加热到1120℃左右时，硫酸盐被还原而转变成二氧化硫。

2.11 了解下列质谱仪

1.热电离质谱仪（MAT260，261，262，Triton，GV354）

2.气体质谱仪（MAT251，252，253，DeltaPlus，GVIsoprime等）

3.惰性气体质谱仪，如MM1200、MI1201-IG、GV5400

4.MC-ICP-MS（LA-MC-ICP-MS）：

如Neptune、NuPlasma

5.SHRIMP：

SHRIMPII离子探针质谱

本章重点

?

        同位素分析结果的表达方式

?

        稳定同位素（C、H、O、S）的国际标准

?

        同位素分馏基本理论

–    热力学分馏

–    动力学分馏

?

        分馏系数α及其与δ值之间的关系

?

        同位素相对富集系数（△）及其加和性

?

        同位素地质温度计

3.1 同位素分析结果的表达方式

δ‰=（R样-R标）/R标×1000

        =（R样/R标-1）×1000

δ‰=（R样-R标）/R标×1000

       =（R样/R标-1）×1000

3.3 分馏系数α及其与δ值之  间的关系

1.定义：

αA-B=RA/RB

2.1000lnα≈△A-B＝δA－δB

3.4 同位素相对富集系数（△）及其加和性

?

        某同位素在A-B-C三种矿物中有δA>δB>δC，则

△A-C=△A-B+△B-C

△B-C=△A-C-△A-B

△A-B=△A-C-△B-C

3.5 同位素地质温度计

?

        同位素分馏方程

             1000lnα=A×106/T2+B

?

        同位素馏分曲线

注意：

分馏方程中T为绝对温度（OK）

3.5 同位素地质温度计

1000lnα石英-水=3.38×106/T2-3.40

1000lnα石英-方解石=0.6×106/T2

1000lnαPy-Gn=1.03×106/T2

1000lnαPy-Sp=0.3×106/T2

4. 本章重点

1.氢-氧同位素的纬度效应、大陆效应、高度效应、季节效应

2.海水的氢-氧同位素组成是多少？

引起海水的δ18O和δD微小变化的原因有哪些？

3.海底火山是怎样影响局部海水同位素组成的？

4.大气降水来源的热泉水的氢氧同位素组成特征？

5.岩浆水、初生水的概念与氢氧同位素组成特征

6.火成岩的氢氧同位素组成特征、演化规律及其与矿物序列的关系？

7.影响火成岩氢氧同位素组成特征的因素有哪些？

8．Z=2.048（δ13C+50）+0.498（δ18O+50）是利用碳氧同位素来判别碳酸盐岩的沉积环境的判别方程，临界值是120。

你能判断Z>120是属于海相还是属于淡水相吗？

4.9 成矿温度、成矿液体的氧同位素值

已知 1000lnα石英-水=3.38×106/T2-3.40

           1000lnα方解石-水=2.78×106/T2-3.40

     计算成矿温度、成矿液体的氧同位素值。

流体包裹体直接测定法

二、同位素平衡温度计算法

即根据矿物-水的平衡分馏方程由矿物的氢氧同位素组成计算成矿溶液的氢氧同位素组成

4.11 甲烷碳同位素组成与母岩成熟度的关系?

由于有机母质上的CH2D官能团内C-C键的亲和力要比CH3官能团内C-C键的强，所以只有在热力增强的条件下才可使C-CH2D键断开，这使得甲烷在成熟度增加时氘的浓度也会相对富集

4.12 在甲烷同系物烷类气中，热解成因的烃类气分子的δD值随其碳数的增加而变化的规律是什?

在甲烷同系物烷类气中，热解成因的烃类气分子的δD值随其碳数的增加而增大，即：

δDCH4<δDC2H6<δDC3H8<δDC4H10

5.1  稳定碳同位素的比值是哪两个同位素      R=13C/12C

δ13C＝（R样品/R标准-1）×1000          国际标准：

PDB

5.3是氧化型的碳富集13C还是还原型碳富集13C       （氧化型的）

5.4 大气中的CO2的δ13C平均值是多少，海相碳酸盐岩的δ13C大约是多少

5.5 海相碳酸盐和淡水碳酸盐哪个更富集13C

海相和非海相碳酸盐岩的碳同位素组成的这种差异要能主要是由沉积环境的不同所引起。

在非海相碳酸盐形成过程中，土壤中的有机质不断进入沉积盆地，使沉积盆地12C浓度相对增加。

5.6 变质作用会使碳酸盐岩的碳同位素组成更富集12C还是13C？

在变质反应过程中，释放出的CO2优先富集13C，从而使形成的碳酸盐矿物相对富12C。

据估计，CO2中13C比方解石中高6‰左右。

5.7 解读“δ13C等值线以及方解石和石墨的稳定场与热液物理化学条件的关系”图（即logfO2-pH相图）

5.8控制海水碳同位素组成的主要因素是什么？

说明理由。

?

        有机碳库与无机碳库的相对比例：

由于有机质优先富集12C，生物的大量绝灭将导致沉积物中有机质埋藏率的增加，从而使海洋沉积物中δ13C的值降低，相反，当生物出现复苏和大规模繁盛时，较轻的12C加入到有机质中，海洋沉积物中有机碳δ13C的值将会升高。

?

        构造运动将深部贫13C的“毒化”水带至表层水，两种海水混合后以无机碳酸盐的形式沉淀下来

?

        海平面下降，导致陆地和大陆架大面积暴露，有机碳的氧化强度增加

?

        冰川作用，导致海平面升降，改变海洋和大陆架的生态环境，使生物发生集群绝灭

5.10 海相有机碳和陆相有机碳哪个更富集12C？

?

        海相沉积有机碳的δ13C值为-20‰左右，淡水沉积有机碳的平均δ13C值为-25‰左右，有的甚至低达-30‰。

5.12  什么是原油碳同位素类型曲线？

有什么意义？

?

        原油中所含的分子具有完全不同的结构，其中最重要的类型有饱和烃、芳烃、非烃和沥青质，它们的同位素组成差异明显。

由原油中这些组分的碳同位素组成按一定顺序排列构成的曲线叫原油类型曲线。

5.14 在天然气中，甲烷及其同系物的同位素组成与成熟度的关系是什么？

?

        甲烷的δ13C值都随有机母质热成熟度的增加而增大。

5.1有机成因的甲烷同系物碳同位素变化规律是什么？

无机成因的天然气又是什么规律？

油型气：

δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4

煤型气：

δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4

无机成因：

δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4

5.16油型气与煤型气中甲烷同系物的碳同位素的区别？

（答案同上）

6.1写出δ34S的表达式          R=34S/32S

δ34S＝（R样品/R标准-1）×1000         国际标准：

CDT

6.2硫同位素平衡分馏的价态规则与矿物序列。

矿物序列；34S富集系列形成主要取决矿物的晶体化学性质，化学键的特点，金属-硫的键合强度越大，矿物越富集34S。

Ü     对硫化物矿物δ34S：

辉鉍矿（Bi2S3）<辉锑矿（Sb2S3）<辉铜矿（Cu2S）<方铅矿（PbS）<斑铜矿（Cu5FeS4）<黄铜矿（CuFeS2）<闪锌矿（ZnS）<黄铁矿（FeS2）<辉钼矿（MoS2）

价态规则；氧化态富重硫，还原态富轻硫，同位素交换平衡时含硫化合物中34S的富集序列为：

SO42-＞SO32-＞SO2＞SCO＞Sx≈H2S≈HS-＞S2-。

在平衡条件下，两种含硫化合物中硫的氧化态差别越大，它们的同位素分馏系数越大。

6.3细菌还原作用形成的硫的同位素组成有什么特征？

有两个明显的特征:

①还原形成的硫化氢或硫化物中32S的富集明显超过原始硫酸盐,δ34S通常为负值;

②硫化氢或硫化物32S的富集随还原程度而变化,表现为δ34S具有大的波动范围

6.4影响有机还原作用形成的H2S的硫同位素组成的因素有哪些？

①温度②反应速度③反应物消耗程度④酶的作用

6.5影响岩浆岩中硫同位素组成的因素

岩浆源区的物质成分；岩浆结晶分异作用；同化混染作用

6.6陨石、海水、地幔硫的同位素δ34S分别是多少？

  0左右 20.0‰左右 0左右

6.7沉积岩的硫同位素组成特征是什么？

变化范围大；分布弥散；相对富集32S同位素；这是硫在自然界经历生物循环的重要标志。

6.8试论述体系的开放性与还原作用形成的H2S的硫同位素组成的关系。

1.对反应物与产物都是开放的；2.对产物是开放的，对反应物是封闭的；3.对产物和反应物都是封闭的

6.9影响热液矿床中硫化物硫同位素组成的因素有哪些？

f（δ34Si）=f（δ34SΣ,I,T,pH,fO2）

6.10解读闪锌矿-重晶石体系中logfO2-pH-δ34S图解

6.11热液系统中总硫同位素组成的确定

1.物理-化学平衡法（IgfO2-pH-δ34Si）

2.矿物共生组合比较法（这是根据矿物沉淀的化学环境来估计成矿溶液的总硫同位素组成的方法）

3.平克尼（pinckney）和拉芙特（Rafter）法

6.12硫同位素温度计的应用

已知1000lnα黄铁矿-闪锌矿=0.356×106/T2+0.02

1000lnα闪锌矿-方铅矿=0.963×106/T2-0.57

  写出黄铁矿-方铅矿的硫同位素分馏方程   （1000lnα黄铁矿-方铅矿=？

？

）

7.1主要放射性衰变形式

α；β；电子捕获（K层捕获）

7.2放射性衰变定律及年龄计算公式

△N∝N?

△t

 N/N0=e-λt   或   N=N0e-λt    （4）

Dr=Neλt–N=N（eλt-1）  （7）

7.3半衰期及计算公式（半衰期与衰变常数的换算关系）

半衰期（Half-life）：

母核衰变为其原核数的一半所经历的时间，用T1/2表示。

N/N0=e-λt两边取对数：

-ln2=-λT1/2  T1/2≈0.693/λ               7.4等时线、等时线斜率及其与年龄年龄的关系

 87Sr=87Sr0+87Rb（eλt-1）         （13）

这样，我们就可以把Rb-Sr年龄的基本公式转变为一直线方程：

Y=a+bX    其中b=eλt-1

 来源于直线斜率：

b=eλt-1

 8.1铅同位素的基本概念

原生铅 原始铅 初始铅 放射性成因铅 正常铅 异常铅 矿石铅 岩石铅

8.2单阶段演化模式

基本思路:

的积累。

自地球形成开始铅同位素在某一具有正常的U/Pb、Th/Pb比值的体系中演化，由于U、Th的衰变作用不断积累了放射成因的206Pb、207Pb、208Pb，直到形成含铅矿物，才脱离原来的体系。

含铅矿物形成之后，直到测定时仍保持原有的封闭状态，该矿物的铅同位素组成基本保持不变，它记录了从地球形成到矿物结晶这段时间放射成因铅

⑴地球形成初期U、Th、Pb的分布是均匀的，地球形成后U/Pb、Th/Pb比值才出现区域性的差异。

⑵地球初期原始铅的同位素组成为CanyonDiablo陨硫铁铅同位素组成（a0、b0、c0）。

⑶体系保持封闭系统，即自始至终在一个正常的U、Th-Pb系统中衰变。

⑷普通铅矿物形成之后Pb与U、Th分离,其同位素组成基本保持不变。

8.3单阶段演化的主要参数（μ、ω、Th/U比值）的计算方法与公式

8.4两阶段演化模式

该模式假定，普通铅的演化从地球形成时（45.7×108a前）开始直到37×108a前为第一演化阶段，其238U/204Pb为7.19，282Th/204Pb为32.2l，Th/U为4.62。

大约在37×108a前，由于发生分离事件，正常铅的演化进入第二阶段，即地壳阶段。

由于地壳比地幔富含铀和钍，所以第二阶段的238U/204Pb为9.74，232Th/204Pb为37.19，Th/U为3.78。

在上述两个阶段中，铅同位素都是在封闭的系统内演化的。

8.5铅同位素地幔不均一性的证据有哪些？

?

        分布分散，不同构造环境中的地幔铅的同位素组成不同

?

        铅－铅二次等时线的存在

8.6铅同位素组成的块体效应与铅同位素构造省

地质研究表明，地壳是由大大小小的块体（板块、微板块等）拼合而成，不同的构造块体具有不同的演化历史，加之深部地幔也存在不均一性，导致了不同的块体具有不同的结构及地球物理与地球化学特征。

地壳的大规模横向化学不均一性已从地壳厚度、波速结构与热流的区域性明显差异得到证实。

不同的构造块体具有显著不同地地球化学特性。

无论是元素还是同位素，不同的构造块体间都显示出显著的差异。

8.7 血型铅及其J型铅的意义

Ø      不同矿种或不同类型矿床的Pb同位素组成都有自已特定的变化范围，有人把这种Pb同位素组成的特定变化称为“血型铅”。

血型铅可作为找矿评价标志。

Ø      放射成因Pb高，Pb模式年龄小于地层年龄或为负值的J型铅是密西西比河谷型Pb-Zn矿的血型铅206Pb/207Pb比值为1.38-1.42是寻找该类型矿床最有利标志。

9.1BABI的含意？

其值是>0.7000还是<0.7000？

（170页）

9.2哪些岩石是来自地幔的？

基性－超基性岩；碳酸岩；碱性岩；金伯利岩及其中的包体

9.3锶同位素地幔不均一性的证据有哪些？

1.不同区域内的玄武岩具有明显不同的初始87Sr/86Sr，如海岛玄武岩的平均值为0.7037，大陆玄武岩的平均值大于0.7037，大洋中脊玄武岩的平均值则低于0.7037。

2.因此地幔Rb-Sr等时线的出现乃是地幔中锶同位素长期处于不均一状态的一个重要证据。

3.碳酸岩的锶同位素组成反映这些岩石的初始87Sr/86Sr也具有较明显的变化，表明地幔的锶同位素组成是不均一的。

4.上地幔中锶同位素组成的不均一性有随时间而变化的趋势

9.4一中生代花岗岩体，其（87Sr/86Sr）i=0.7132，试应用右图说明它的可能成因（图9-18）

9.5分析不同构造环境中的玄武岩的锶同位素组成分布直方图，说明了什么问题？

（图9-19）

9.6影响海水锶同位素组成的因素有哪些？

?

         海水的87Sr/86Sr是变化的（0.70675~0.7090）。

这种变化主要决定于海水锶的3个来源区的锶同位素组成以及由它们所提供的锶在海水锶中所占的比例。

据GFaure等（1965）研究，海水的锶同位素组成可由下列公式表示：

10.1       写出（143Nd/144Nd）的增长方程

10.2已知λ147Sm=6.54×10-12年-1，计算147Sm的半衰期。

10.3tDM、t2DM、tCHUR、εNd、fSm/Nd和fRb/Sr的含意是什么，及计算公式

 10.3tDM、t2DM、tCHUR、εNd、fSm/Nd和fRb/Sr的含意是什么，及计算公式

10.4根据钐钕及其同位素的地球化学特点，钐钕法测年主要应用对象有哪些？

超镁铁质岩石；前寒武纪变质岩的原岩年龄；高级变质岩的变质年龄（利用变生矿物）；金属矿床测年

10.5什么是锶-钕同位素的地幔系（排）列？

幔源岩浆岩的锶-钕同位素组成之间存在明显的负相关关系。

在143Nd/144Nd—78Sr/86Sr图上及εNd（t）—εSr（t）图上，这些幔源岩石的数据点沿一直线分布，该直线即称地幔系列，代表幔源物质的锶-钕同位素组成范围。

10.6地幔与地壳相比，哪个143Nd/144Nd比值相对大一些

10.7εNd（t）是幔源岩石大还是壳源岩石大？

εSr（t）呢？

10.8花岗岩的钕模式年龄有什么地质意义？

当通过地质与地球化学等多项研究，能够证明形成花岗岩的岩浆是直接衍生于地幔，又没有受到地壳物质污染时，其模式年龄代表岩体侵入年龄。

2.对于壳型花岗岩，如果能证明没有任何年轻的幔源组分加入，其模式年龄就是大范围内花岗岩源岩年龄的平均值，亦即下伏原始陆壳的形成年龄。

3.壳-幔混合型花岗岩类的Nd模式年龄没有严格的时间意义，但在成因研究中具有重要意义，能够指示形成花岗岩的构造环境。