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:
(1)判断花岗岩的物质来源和成因方式:
低初始值的花岗岩:
初始值(87Sr/86Sr)00.706,位于上图地幔源区内(A1-B线范围内);物质来源-上地幔来源;成因方式-先由上地幔物质部分熔融形成原始玄武岩浆,再由原始玄武岩浆分异结晶而成。
高初始值的花岗岩:
初始值(87Sr/86Sr)0位于上图的陆壳增长线(C线)两侧附近及其上。
这些岩石在形成以前,其大部分物质已呈硅铝质地壳存在了。
物质来源-陆壳来源,即来自古老基底硅铝酸性岩石。
成因方式-古老花岗质基底岩石或古老沉积岩经部分熔融形成。
5.2.1自然界中的铷和锶,0,4)(87Sr/86Sr)的应用:
中等初始值的花岗岩:
初始值(87Sr/86Sr)0介于上图的C线和A1线之间,即位于地壳锶和地幔锶增长线之间。
物质来源-可能是多种来源,或来自壳幔混和的源区,或来自地壳下部Rb/Sr比值低的角闪岩相、麻粒岩相高级变质岩等。
成因方式-可能有多种壳幔物质混和方式.例如:
花岗岩株可能由玄武质小型侵入体与地壳围岩同化混染形成;造山带花岗岩可能因挤压磨擦升温,深部壳幔物质熔融混和而来;前寒武纪花岗片麻岩可能由超变质混合岩化、花岗岩化而来。
5.2.1,
(2)各类玄武岩的87Sr/86Sr:
说明地幔不均一,5同位素地球化学5.2Rb-Sr衰变体系,5.2.2Rb-Sr等时线年龄1)全岩Rb-Sr等时线年龄法原理:
一组同源的、同时形成的、经过锶均一化的、化学成分有差异的样品(岩石或矿物),自结晶以来保持封闭状态,它们具有相同的初始值(87Sr/86Sr)087Sr/86Sr的增长方程式为:
(87Sr/86Sr)=(87Sr/86Sr)0+(87Rb/86Sr)(et1)Y=b+xm该组岩石或矿物的数据投点都落在以(87Sr/86Sr)为Y轴和以(87Rb/86Sr)为X轴坐标系的一条直线上-即等时线上(至少5个样).该线的斜率m与落在线上的同源样品(岩石或矿物)的年龄有关,而截距b等于同源样品的初始值。
通过估算(87Sr/86Sr)0计算得来的T为模式年龄,Rb-Sr等时线,2,1,C,B,A,求证:
当t0时,A1B1C1,三点同线,即等时线.,证明:
当t=0时,ABC三点同一直线,纵标为初始值;当t0时,ABC三,点移至A1B1C1三点;因:
一个母核变为一个子核故:
123线斜率皆为-1;123线平行;三角形CC1O、BB1O、AA1O相似;即A1B1C1三点同线-等时线,A1,B1,C134,O,(87Sr/86Sr)0,87Rb/86Sr,87Sr/86Sr,t0,t=0,(87Sr/86Sr)=(87Sr/86Sr)0+(87Rb/86Sr)(et1),Y=b+x一组同源岩石Rb-Sr演化的等时线图:
mm=(87Sr/86Sr)-(87Sr/86Sr)087Rb/86Sr,=et-1,=tg,tg=et-1,et=tg+1t=ln(tg+1),t=(1/).ln(tg+1)t=(2.303/).log(m+1),5同位素地球化学,5.2Rb-Sr衰变体系5.2.2Rb-Sr等时线年龄2)全岩-单矿物等时线法:
对于遭受中浅变质作用基本保持总体封闭的地质体,可以同时测单矿物和全岩两条等时线,以求出变质和成岩两个年龄。
常用于测定的单矿物为云母、长石、磷灰石等。
陨石等时线年龄,3)Rb-Sr的等时线年龄及示踪应用:
4),陨石的Rb-Sr等时线年龄,陨石RbSr比值,吉林陨石等时线年龄,吉林陨石Rb-Sr比值,背景资料:
吉林陨石雨,1976年3月8日15时1分50秒左右,一颗重约4吨的陨石从地球公转轨道的后方以每秒1518公里的相对速度追上地球,当它飞临吉林省吉林市北郊19公里高空时发生了一场蔚为壮观的陨石雨。
这就是闻名中外的吉林陨石雨。
共收集到138块标本、总重量超过2700公斤,其中,最大的“吉林一号”陨石重达1770公斤,是目前已知的世界上最大的单块石陨石。
吉林陨石是一颗有近47亿年年龄、直径约440公里的小行星的一部分。
随着“吉林一号”陨石落地,落点附近翻滚着升起一股黄色的蘑菇状烟云,高约50米。
浓烟散尽,地面出现一个直径2米、深65米的陨石坑。
吉林陨石属橄榄石古铜辉石球粒陨石,或高铁(H群)球粒陨石。
吉林陨石雨邮票由吉林省邮票公司设计师于卫华设计,共三枚。
第一枚:
降落;第二枚:
分布;第三枚:
一号陨石,月岩年龄Rb-Sr比值,梅树村Rb-Sr等时线,Rb-Sr等时线年龄,RbSr地壳厚度示踪,5同位素地球化学,5.3UThPb衰变体系5.3.1自然界中的U、Th、Pb:
5.3.1.1U、Th、Pb的分布:
沉积岩中:
0.77;,因(U6+O2)2+铀铣溶于碱性海水,故沉积碳酸盐中Th/U=但在深海锰结核中,由于粘土吸附Th,Th/U=5.38.,5.3.1自然界中的U、Th、Pb:
(U、Th半径相似),5.3.1.2U、Th、Pb的同位素:
(1)U的同位素(233-238):
238U/235U=137.88,238U-99.2743%235U-0.720%,T1/2=44.9亿年;T1/2=7.13亿年;,234U-0.0057%,是238U的中间放射性产物,234U,230Th+,T1/2=2.48105年.,
(2)Th的同位素(六个):
只有一个232Th,丰度100%,T1/2=140亿年;,另有几个中间放射性产物:
铀系-,230Th、234Th;,锕铀系-,227Th、231Th;,钍系-228Th.,(3)Pb的同位素(八个):
与钾类质同像1)Pb的稳定同位素:
204Pb-1.4%;206Pb-24.1%207Pb-22.1%208Pb-52.4%.2)短寿命不稳定同位素-铀系、锕铀系、钍系的中间放射性产物210Pb-T1/2=26.8分钟,238U系列的中间放射性产物;214Pb-T1/2=1.637秒,238U系列的中间放射性产物;211Pb-T1/2=36.1分钟,235U系列的中间放射性产物;212Pb-T1/2=10.6小时,232Th系列的中间放射性产物;,5.3.1.3地球岩石的U、Th、Pb,5.3.1自然界中的U、Th、Pb,5.3.1.4铅的分类,一、按成因分放射成因铅、普通铅(广义,又分原生铅、原始铅、初始铅):
原生铅-指地球形成前,在宇宙原子核合成过程中与铀钍等所有元素同时形成的铅.富含204Pb原始铅-地球形成时所存在的铅,其同位素组成相当于原生铅同位素加上自元素形成到地球形成这段时间内,地球物质中所积累的放射成因铅.CDT的铅同位素是地球原始铅的公认数据:
204Pb=1;206Pb=9.307;207Pb=10.294;208Pb=29.476.放射成因铅-指岩石矿物形成以后,由铀钍放射衰变成的铅.普通铅(狭义)-指岩石矿物形成时从周围介质中捕获的铅,即岩石矿物形成时就存在的铅.(也叫初始铅)地球形成时就存在的原始铅对地球而言也是普通铅.,正常铅-指在一个U-ThPb系统中演化的铅,又叫单阶段正常普通铅.(无U-Th矿物);其特征值为:
=238U/204Pb=8.686-9.238;=232Th/204Pb=35-41;=235U/204Pb=0.063-0.067.异常铅-指多次体系开放,在一个以上UThPb系统中演化的铅,又叫多阶段铅.异常铅又分为U铅、J铅和Th铅.,二、按特性分:
正常铅、异常铅,5.3.1.5铅同位素增长平均约目前总量的三分之一来自放射成因铅,5.3.1.6卡农三角形,5.3.1.7卡农三角形,正常铅206Pb/204Pb=1.16-1.20J型铅206Pb/204Pb=1.38-1.40,(4亿年大矿)(大矿),5.3.1.8卡农三角形,5.3.1.9铅同位素中断,5同位素地球化学,5.3UThPb衰变体5.3.2.1含铀钍矿物法,系5.3.2U、Th、Pb法年龄测定有三个天然衰变系列:
238U235U232Th,8+6-+206Pb+Q7+4-+207Pb+Q6+4-+208Pb+Q,按衰变定律的测年公式D=D0+N(et1)可得三个测年公式:
206Pb=206Pb0+238U(e1t1)207Pb=207Pb0+235U(e2t1),232Th(e3t1),-1式-2式-3式,208Pb=208Pb0+各式两边同除204Pb:
206Pb/204Pb=(206Pb/204Pb)0+(238U/204Pb)(et1)207Pb/204Pb=(207Pb/204Pb)0+(235U/204Pb)(et1)208Pb/204Pb=(208Pb/204Pb)0+(232Th/204Pb)(et1),(206Pb/204Pb)-(206Pb/204Pb)0=(238U/204Pb)(e1t1)(207Pb/204Pb)-(207Pb/204Pb)0=(235U/204Pb)(e2t1)(208Pb/204Pb)-(208Pb/204Pb)0=(232Th/204Pb)(e3t1),e1t1=(206Pb/204Pb)-(206Pb/204Pb)/(238U/204Pb)e2t1=(207Pb/204Pb)-(207Pb/204Pb)/(235U/204Pb)e3t1=(208Pb/204Pb)-(208Pb/204Pb)/(238Th/204Pb)得到三个独立的年龄公式(年龄偏小,大至小235、238U、232Th):
t=1.ln(206Pb/204Pb)-(206Pb/204Pb)0+1,1,(238U/204Pb),t=1.ln(207Pb/204Pb)-(207Pb/204Pb)0+1,2,(235U/204Pb),t=1.ln(208Pb/204Pb)-(208Pb/204Pb)0,+1,对铀元素的二个衰变系列而言,子同位素皆为铅,即:
Pb207/Pb206法-1式-2式,206Pb=206Pb0+238U(e238t1)207Pb=207Pb0+235U(e235t1)2式除1式,可得:
=,207Pb-206Pb-,235U(e235t1)238U(e238t1),=,1,(e235t1),207Pb-206Pb-,207Pb0206Pb0207Pb0206Pb0,137.88(e238t1),=,1,(e235t1),207Pb*=206Pb*,207Pb/204Pb(207Pb/204Pb)0206Pb/204Pb-(206Pb/204Pb)0,137.88(e238t1),以上四个公式,常用于含U、Th的岩石矿物测年,称为放射法年龄,尤其锆石适用,认为初始值为零。
一般,t(207Pb/206Pb)t207Pbt206Pbt208Pb,5.3.2.2U-Th衰变常数,关于放射法(含铀钍矿物法)年龄中四个年龄值的讨论:
1、放射法年龄优点:
U、Th、Pb法能同时得四个年龄,可用于内部检查;2、样品对象:
采大样,一般约50公斤挑选含U、Th的单矿物,如锆石(最理想,普通铅含量认为接近于0)、沥青铀矿、独居石、榍石、磷灰石、钍石等;前三者量0.3-1克;后面2-10克左右。
3、一致年龄和不一致年龄:
如是理想的封闭体系,四个年龄值应是相同的,称为一致年龄或和谐年龄;反之如有母或子体的得失,则四个年龄不同,为不一致年龄。
4、正常情况下四个年龄的差别:
与真实值相比均偏小;一般,t(207Pb/206Pb)t207Pbt206Pbt208Pb,原因:
氡的丢失或铅的丢失、半衰期的不同等;一般比值年龄可靠;t(207Pb/206Pb)的优点是精度高(207Pb与206Pb性质相似,丢失率相等)、实验人员不接触有害元素5、晶质铀矿、沥青铀矿(未受变质作用下)U-Pb年龄可靠,往往得出一致年龄;锆石用得最广泛,但年龄不可靠,然却可用图解法得出可靠的年龄和事件年龄6、年龄计算方法和普通铅的校正:
精确年龄计算真实年龄时,
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- 最新 西北大学 地球化学 课件 第五