地球化学在地质年代学中的应用利用同位素定年方法

地球化学的定义：地球化学是研究地球及其他自然作用体系的化学组成化学作用和化学演化科学. 地球化学研究的基本问题：1.研究地球和地质体中元素及其同位素的组成。

（1）丰度问题：元素在地球及各层圈(壳、幔、核)中平均含量（2）元素的分布和分配问题：元素及其同位素含量在不同地质构造单元、岩石、矿物和矿床中的变化2.研究元素共生组合和赋存形式3.研究元素的迁移4.元素迁移历史与地球演化地球化学的学科特点：是地球科学的分支，是地质学和化学相结合的一门学科：研究地球及其他自然体系作用最后得出自然作用的认识：化学组成，化学科学和化学演化的科学。

地球化学研究方法：采用类比和反序方法：先野外（样品采集，结构观察）后室内（实验模拟自然条件，元素测定）：地球化学数据分析。

行星分为两类：接近太阳的较小内行星-水星，金星，地球，火星－类地行星；远离太阳大的外行星-木星，土星，天王星，海王星－类木行星。

！太阳系中元素的丰度特征是什么？1.最丰富的元素H和He，H/He比值为12.5。

2.原子序数较低(Z<50)的轻元素，随原子序数增加丰度呈指数递，较重元素(Z>50)不仅丰度低，且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平.3.原子序数为偶数元素的丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。

4.与H e相邻L i，B e，B丰度很低，按轻元素的丰度水平它们是非常亏损的元素。

O，F e呈现明显峰值，它们是过剩元素。

5.T c和P m没有稳定同位素，在太阳系中不存在。

Z>83(B i)的元素也没有稳定同位素，它们都是T h和U的长寿命放射成因同位素。

质量数为4倍数的核素或同位素有较高丰度.如4He，16O，40Ca，56Fe，140Ce等。

！解释CL型球粒陨石常用做标准化的原因：CL型碳质球类陨石是其中最原始的，的非挥发性元素的丰度几乎与太阳中观察到的元素丰度完全一致。

！一般根据其中的金属含量，先将陨石划分为四种主要类型：球粒陨石约含10%金属；无球粒陨石约含1%金属；铁陨石金属含量＞90%；石铁陨石约含50%金属。

地球化学分析方法微量元素和同位素地球化学的飞速发展，主要得益于基础科学理论的渗透和现代测试技术的充分应用。

地质样品的元素和同位素地球化学分析主要考量三个方面：准确度、精确度和仪器检测限。

准确度是指测量值和真实值之间的接近程度；精确度是指分析测试的可靠性，也即测试结果的可重复性；检测限是指能够被所使用测试方法检测到的最低浓度。

事实上，尽管可以参考标准样品的推荐值来检测分析样品的值，但确定样品的真实值非常困难。

所以从某种程度上来说，精确度比准确度更为重要，因为对于一套由同一实验室分析的数据，成分的相对差异可以用来推断地球化学过程。

下面简要介绍一下在岩石地球化学研究中常用的几种分析测试方法。

(一)X射线荧光光谱X射线荧光光谱(XRF)的原理是基于用X射线激发样品，使之产生二次x射线，而每个元素都有特征二次x射线波长，因此，加入校正标准，通过测不同元素特征二次X射线的强度就可以用来确定元素的浓度。

典型岩石样品的XRF分析有两种不同形式的样品制备方法。

一种是将均匀的样品粉末压片来分析微量元素；另外一种是由岩石粉末与亚硼酸锂或者四方硼酸盐混合并熔融制成玻璃片来分析主量元素。

XRF分析是目前用于分析硅酸盐全岩样品最常用的方法，在微量元素分析上也有应用。

该方法的适用性广、分析快速，能够分析80多种元素，检测限可以达到几个ppm。

XRF分析方法的主要缺陷是不能分析比钠(原子序数一11)轻的元素。

(二)电子探针分析电子探针分析(EMPA)的原理与XRF十分相似，只是前者用的是电子束而不是X射线来激发样品而已。

通过分析激发的二次x射线的波长，相对于标样记录峰的面积，用适当的模型进行校正，可以将峰的强度转化为浓度。

电子探针主要用于矿物的主量元素分析，也可扩大束斑直径对隐晶质岩石或岩石熔融而成的玻璃进行主量元素分析。

另外，利用长的计数时间和精确的背景测量，电子探针的检测限也可延伸到微量元素的范围，满足分析部分微量元素的要求。

分馏系数分馏系数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。

在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。

其表达式为：□ A-B＝RA/RB式中A和B表示两种物质(物相)，R代表重同位素对轻同位素的比值，如18O/16O，13C/12C等。

□ 值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；□=1时，物质间没有同位素分馏。

δ值稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。

其公式为□δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。

样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。

所以必须采用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。

比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。

稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103ln□ 值与T 2成反比,T为绝对温度。

103ln□ 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈103ln□A-B。

因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103ln□值。

它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。

在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。

它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义。

锆石地球化学特征及地质应用摘要:介绍并对比了用于锆石等副矿物测试的离子探针、激光探针、电子探针、质子探针等几种微区原位测试技术各自的特点。

锆石U-Pb定年实现了对同一锆石颗粒内部不同成因的锆石域进行原位年龄的分析,给出了有关寄主岩石的源岩、地质演化历史等重要信息,为地质过程的精细年龄框架的建立提供了有效的途径。

锆石微量元素、同位素特征是译解岩石来源和成因的指示器。

锆石Hf同位素已成功地用于地球早期历史、岩浆来源、壳幔相互作用、区域大陆地壳增长的研究等;锆石氧同位素组成能有效地约束壳幔相互作用和示踪岩浆来源等。

关键词:锆石;年代学;地球化学特征;地质应用随着能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术和高分辨率的微区原位测试技术的发展和广泛应用,研究颗粒锆石等副矿物微区的化学成分、年龄、同位素组成及其地质应用等已成为国际地质学界研究的热点[1]。

锆石U2Pb法是目前应用最广泛的同位素地质年代学方法,锆石的化学成分、Hf 和O同位素组成广泛应用于岩石成因、壳幔相互作用、区域地壳演化的研究等,对地球上古老锆石的化学成分和同位素的研究是追朔地球早期历史的有效工具。

笔者着重综述锆石的化学成分、同位素组成特征及其在地质学中的应用。

1微区原位测试技术锆石等副矿物在地质学中的广泛应用与近年来原位分析测试技术的快速发展密不可分。

写作论文目前已广泛应用的微区原位测试技术主要有离子探针、激光探针和电子探针等。

离子探针离子探针可用于矿物稀土元素、同位素的微区原位测试。

在目前所有的微区原位测试技术中,SHRIMP的灵敏度、空间分辨率最高,且对样品破坏小[2-3],是最先进、精确度最高的微区原位测年方法。

其不足之处是仪器成本高,测试费用昂贵,测试时间较长。

2000年,CamecaNanoSIMS50二次离子质谱开始用于对颗粒大小为1～2μm的副矿物进行U-Th-Pb年代学研究。

写作毕业论文NanoSIMS对粒度极细小的副矿物进行定年要以降低精度为代价,且用于U-Th-Pb定年还没有进行试验,还未完全估算出其准确度和分析精度,有可能在西澳大利亚大学获得初步的成功[2,4]。

地球化学的发展和前沿问题地球化学是一门研究地球物质的学科。

随着科学技术的发展和人类对地球的认识不断深刻，地球化学也在不断地发展和演进。

本文将从地球化学的发展历程、地球化学的主要研究内容以及地球化学的前沿问题等方面来阐述地球化学的发展和现状。

一、地球化学的发展历程地球化学的起源可追溯至19世纪末的石油勘探，包括地球物理、寻找和开发矿产、维护环境、监测地球气候等方面；但当时地球化学仅限于微量元素的分析，以及矿物、地球表面沉积物和岩石的成分分析等。

直到20世纪中叶，随着新仪器、新技术的应用，地球化学迈向了一个新的阶段，地球化学的研究深入到了全球尺度上，涉及到了大气、水、岩石、矿物、生物等领域。

二、地球化学的主要研究内容1. 地质年代和古代气候重建地球化学作为一门关注全球环境的科学，主要研究的是地球各个领域的矿物、岩石、水、大气等的分子和原子构成和演化规律等问题。

其中，地质年代和古代气候重建是地球化学的一大研究内容。

地质年代研究主要利用地球化学中的放射性同位素、稳定同位素等方法研究地球历史发展，从而提高对过去重要事件的认识和对未来环境变化预测的准确度。

古代气候重建研究主要涉及稳定同位素、放射性同位素等技术，以及岩石、大气等样品的分析，反演过去的气候变化，对未来气候变化的趋势进行预测和预测。

2. 人类活动对环境的影响人类活动已经成为地球化学的研究内容之一。

环境污染、气候变化、人口快速增长等问题，无疑给地球环境带来了重大影响。

通过地球化学技术，我们可以研究全球变化和生态系统演化，进行污染控制和生态保护。

人类活动对环境的影响是一个重要的研究领域，需要我们不断研究，以减少对环境的负面影响，建立可持续发展的社会。

3. 地球内部和地球外部物质的形成过程地球化学的另一个重要研究内容是地球内部和地球外部物质的形成过程。

了解物质在地球内部和地球外的构成和演化规律，可以更好地理解地球大气和水循环，指导石油、矿物和地热资源的开发，以及深入探究宇宙和行星的形成和演化过程。

地质年龄测定SMOW标准：标准平均海洋水(Standard Mean Ocean Water)标准。

PDB标准：PDB(Pee Dee Belemnite)是采自美国卡罗莱纳州白垩系皮狄组中美洲拟箭石化石，碳酸盐岩的碳氧同位素组成通常使用PDB标准。

PDB标准与SMOW标准之间的换算关系(Coplen et al., 1983)：δ18OSMOW = 1.03091 δ18OPDB + 30.91δ18OPDB = 0.97002 δ18OSMOW - 21.8Craig(1965)和Clarton et al.(1965)给出如下换算关系：δ18OSMOW = 1.03037 δ18OPDB + 30.37自然界存在很多放射性同位素，但是目前能用于地质年龄测定的仅有少数几种。

这是因为利用天然放射性同位素测定地质年龄，需要满足一系列前提条件。

1)用来测定地质年龄的放射性同位素有合适的半衰期T1/2，与测定对象相比不宜过大，也不宜过小。

一般与地球年龄相比，最好在地球年龄（45.6亿年）的1/10到10倍之间。

半衰期过大，自地球形成以来，放射成因子体增长不明显，目前的技术水平很难做出精确测定。

相反，半衰期过小，自地球形成以来母体衰减很快，至今几乎或已经完全衰减殆尽，这样，在被测样品中母体含量很少，同样不能被精确测定。

2）放射性同位素的半衰期能够被准确地测定。

这个条件十分重要，一旦半衰期得到精确测定并且获得公认，该方法就会快速发展。

这方面例子很多，早期Rb-Sr法是一例，近期Re-Os 法也是一例。

至今La-Ce法发展缓慢的原因之一，也是与138Laβ-衰变的半衰期过大（超过地球年龄60倍），至今没有准确地测定有关。

3）能够准确测定母体同位素组成和每个同位素的相对丰度。

无论是在自然界的矿物、岩石中，还是在人工合成物中，这个相对丰度应该固定不变，是一个常数。

4）母体同位素衰变的最终产物必须是稳定同位素，当前的技术水平能够准确而灵敏地对它们的含量与同位素组成进行测定。