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同位素地质学讲义2013-本科教学 (2)

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同位素地质学

同位素地质学

同位素地质学
同位素地质学是一门研究地球上同位素分布、衰变和地质过程的学科。

同位素是元素
具有相同原子序数但不同质子数量的不同形式。

地球上存在多种同位素，它们的丰度和比
例可以提供有关地球历史、化学环境和地质过程的重要信息。

同位素地质学的应用广泛，包含了以下几个方面。

放射性同位素测年：放射性同位素如碳-14、铀-238和铅-206等具有已知的衰变速率，可以用来测定岩石、化石或古代遗迹的年龄。

通过测量样本中残留的同位素比例，可以推
算出样本形成或生物死亡的时间。

同位素分馏：同位素分馏是指不同同位素在地质过程中的分离现象。

通过研究同位素
比例的变化，可以了解到化学和物理过程背后的变化。

氧同位素分析可以揭示古气候和水
文循环的信息。

同位素地球化学：同位素地球化学是研究地球系统中同位素丰度、比例和相互作用的
学科。

通过研究同位素的地球化学过程，可以了解地球内部的物质循环、大气化学、生物
地球化学循环等重要信息。

地球化学讲义 第五章同位素地球化学(中国地质大学)

地球化学讲义 第五章同位素地球化学(中国地质大学)
δ＞0表示34S比标准样品是富集了； δ＜0表示34S比标准样品是贫化了。
4）同位素标准样品
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世 界性的标准样品。世界标准样品的条件：
①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为 零点；
3）测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的 温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来 测定成岩成矿温度。
另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。
一、自然界引起同位素成分变化的原因
核素的性质 同位素分类 同位素成分的测定及表示方法 自然界引起同位素成分变化的原因
(二) 同位素分类
从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素： 一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位 素； 另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰 变成其它核的同位素，称为稳定同位素。 然而，核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验技术对 放射性元素半衰期的检出范围，目前一般认为，凡是原子存在的 时间大于1017年的就称稳定同位素，反之则称为放射性同位素 。
一、自然界引起同位素成分变化的原因
（一）核素的性质 1.什么叫核素? 由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素
的原子核称为核素，任何一个核素都可以用A=P+N这 三个参数来表示。
而具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组 核素称为同位素。
O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此一对放射性同位素都是一只时钟，自地 球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以 测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及 复杂地质体。
2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本 身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形 成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。

稳定同位素在地质上的应用PPT课件

稳定同位素在地质上的应用PPT课件

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例如：以石英、方解石共生矿物对为例：
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1000 lnα石英-水=3.38×106T-2 -3.40 1000 lnα方解石-水=2.78×106T-2-3.40 则石英—方解石氧同位素温度计为：
1000 lnα石-方=(3.38-2.78)·(106T-2)+[ -3.40 -（-3.40）] 1000 lnα石-方=Δ石-方=0.60（106T-2） 外部测温法，可用来计算水介质的氢、氧同位素组成。其条件是，
3、制备成质谱分析气体样品，化合物的另一组要有恒定的同位素组成， C要恒定。
CO2中测氧，
4、要求定量地制备出一种纯气体。
5、原始样品要有足够的纯度。
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§3.2 同位素标准
为了使同位素资料便于对比，同时消除样品分析过程中有可能的系统误差，必须将样品的同位素组 成与某一相应标准物质的同位素组成进行比较，水 石英~水 碱长石~水 方解石~水 白云母~水
a
b
3.38×106
2.15 ×106
2.78 ×106
2.38 ×106
温度区间(oC) -3.40 200~500 -3.82 350~500 -3.40 0~800 -3.89 350~650
形成时，两共生矿物与一个公共流体相达成平衡，则两 个矿物的 δ18O 值之间存在一个平衡差，由此值可根据内 部计温法计算成岩温度。
103lnαA-B =（A1— A2）（106T-2）+ （B1—B2）
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矿床的同位素组成
• 水是成矿溶液的主要成份，查明水的成因，是任何成矿理论首先必须解 决的问题，利用H、O同位素比值能够明确断定成矿溶液中水的来源和 蚀变溶液的成因，测定矿石矿物和脉石矿物的S、C的来源， 共生矿物 可以测温。

同位素地质学基础.

同位素地质学基础.

（2）封闭系统：反应物的补给速度远远小于反应速度的体系。

封闭系统：反应物的补给速度远远小于反应速度的体系。

分两种情况：一种对反应产物开放，如：H 一种对反应产物开放，如：H2S的去气和金属硫化物的沉淀。

反应产物开始时最大富32S，随着反应的进行，δ34S ，随着反应的进行，δ 逐渐增大，反应结束时，反应产物的δ 逐渐增大，反应结束时，反应产物的δ34S值大大超过硫酸盐的原始δ 盐的原始δ34S值。

另一种对反应产物封闭：反应产物生成后，没有与系统另一种对反应产物封闭：反应产物生成后，没有与系统脱离。

开始时，反应产物贫34S，随后逐步升高，反应结束时，接近或等于SO 的初始δ 时，接近或等于SO42-的初始δ34S值。

3．动力同位素分馏的特点：①单相不可逆反应；②反应物和反应产物之间不发生同位素交换；③伴随化学反应和物相的转变；④动力分馏不仅与同位素分子的反应速度有关，而且与初始反应物的消耗程度有关，即储存库效应；⑤反应产物优先富轻同位素。

同位素地质学原理

同位素地质学原理

同位素地质学原理各位朋友！今儿个咱来聊聊一门特别有意思的学问——同位素地质学原理。

您要问啥是同位素地质学原理呀，别急，且听我慢慢给您说道说道。

这同位素地质学呀，简单来讲，就是一门通过研究地质体中同位素的分布、变化规律，来搞清楚地球历史和地质过程的科学。

就拿咱们熟悉的碳元素来说吧，您知道碳有好几种同位素，像碳- 12、碳- 13 和碳- 14 啥的。

这些同位素在自然界里的含量比例可不是随随便便定下来的，它们随着时间和地质过程会发生变化。

好比说碳- 14 吧，它会不断地衰变，通过测量一个古生物遗体或者古木材里剩余的碳- 14 的含量，咱就能推算出它的年代啦，这就是同位素测年的原理。

再比如说，氧也有同位素，像氧- 16、氧- 17 和氧-18 这些。

在研究古气候的时候，这氧同位素可派上了大用场。

因为不同的温度条件下，海水中氧同位素的比例会不一样。

咱们从深海沉积物里的有孔虫化石里分析氧同位素的组成，就能知道过去的气候是冷是热，是湿润还是干燥，就好像给过去的气候拍了一张张照片似的。

还有啊，同位素在研究岩石的成因和来源上也是功不可没。

比如说，通过分析岩石中锶同位素的组成，咱就能判断出这块岩石是来自地幔还是地壳，是在岩浆活动中形成的，还是经过了沉积、变质这些过程。

这就好比是给每一块岩石都办了一张“身份证”，让咱能清楚地知道它们的“身世”和“来历”。

您瞧，这同位素地质学原理啊，就像是一把神奇的钥匙，能帮咱打开地球历史的大门，让咱看到那些遥远的过去发生的事情。

它让咱们对地球这个大家伙的演化过程、气候变迁、岩石形成等等有了更深入、更准确的认识。

不过，这同位素地质学也不是那么容易的事儿，得有先进的仪器设备，得有专业的科学家们辛辛苦苦地采集样本、做实验、分析数据。

但是，每一次新的发现，每一次对地球历史的新认识，都让咱们觉得这一切的努力都是值得的。

好啦，今儿个跟您讲了讲这同位素地质学原理，不知道您听明白没有。

希望您以后再听到这个词儿的时候，不再是一头雾水，也能跟别人显摆显摆啦！。

Mo同位素讲义(第一讲)-2

Mo同位素讲义(第一讲)-2

矿床的δ65Cu
不同的含铜矿物的Cu同位素存在明显的差异， 因而有可能将Cu 同位素作为一种灵敏的地球 化学示踪剂，指示热液成因和来源。 Marechal 等 (1999) 首次分析了采自世界各地的 7 个含铜矿物，发现其具有明显不同的Cu 同 位素组成 (δ65Cu =- 3.03 ‰～ + 5.74‰) ，其 中最低值为一个自然铜样品，最高值为一个 黄铜矿样品。
反映生物分馏的试验
Fe(Ⅲ)基质（六方针铁矿和赤铁矿） 经细菌还原作用得到的溶液中的Fe(Ⅱ)的 δ56Fe的值要比六方针铁矿的δ56Fe值低约 1.3‰ (Beard et al.,1999)。
太平洋和大西洋的铁锰结核、古代条带状 铁建造等沉积岩中δ56Fe有2‰～3‰的变化， 指出其中也可能有细菌分馏作用的存在，
Biological Fractionation
Cu2+被还原为Cu+的过程中，会发生很大的同位 素分馏，Cu+富集63Cu，而Cu 2+富集65Cu （Zu et al., 2002)。 2Cu2+ + 4 I - = 2CuI + I2 (T＝20 ℃)
沉淀物CuI 与残留溶液间存在大的Cu同位素分馏 Δε65Cu=40) ，且CuI 富集轻同位素63Cu。上述化 学反应实际上是一个两步反应过程。首先溶液中 二价铜离子Cu2+ 还原为一价铜离子Cu+ ,其次 Cu+ 与I 结合生成CuI 沉淀。
生物作用产生Cu同位素分馏两个实验（Zhu等，2002）
天青蛋白分别从体外和体内的两种途径摄取已知同位素比 值的铜，结果发现这两种过程中，铜同位素都会产生分馏。 酵母菌培养在已知铜同位素比பைடு நூலகம்的溶液里，然后从酵母菌 里分别提取出铜的金属硫蛋白和铜锌过氧化物歧化酶，测其 同位素比值，最后再次测定培养液的同位素比值，结果不仅 发现了δ65Cu培养液远远大于δ65Cu金属硫蛋白和δ65Cu歧化酶。 Δ培养液–金属硫蛋白≈1.71 ‰ ， Δ歧化酶–金属硫蛋白≈0.53‰。

同位素地质学基础共44页文档

同位素地质学基础共44页文档

46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——ห้องสมุดไป่ตู้洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
同位素地质学基础
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿

同位素水文地质学

同位素水文地质学

同位素水文地质学同位素水文地质学是研究地下水的同位素特征和其在地质和水文过程中的应用的学科。

同位素水文地质学的研究对于理解地下水系统的起源、补给和流动方式以及水资源管理具有重要意义。

背景和定义同位素水文地质学是地理学、地球化学和水文学交叉的学科，利用同位素的比例和分布特征来研究地下水的起源、水文动态以及水文地质过程。

同位素可以是地球自然界中存在的稳定同位素（如氢同位素、氧同位素、碳同位素等）或放射性同位素（如放射性碳-14、放射性锶-90等）。

地质学和水文学的重要性同位素水文地质学在地质学和水文学领域中发挥着重要的作用。

在地质学中，通过分析同位素特征，可以推断地下水体的来源、年龄及其受到的影响。

同位素水文地质学也可以用于研究水文过程，如水循环、水体补给、地下水的流动路径以及地下水与地表水之间的相互作用。

总之，同位素水文地质学在地质学和水文学的研究中具有重要的地位，为我们深入理解地下水体的形成和运动提供了有力的工具和方法。

同位素示踪技术是一种常用于水文地质研究的方法，它能够通过测量水中不同同位素的比例来揭示水文地质过程和水体来源。

同位素示踪技术主要包括同位素稳定性示踪和同位素放射性示踪。

同位素稳定性示踪同位素稳定性示踪是通过测量水体中不同同位素的稳定性同位素比例变化来推断水文地质过程。

稳定性同位素是指在天然环境中相对稳定的同位素，如氢（D/H）、氧（18O/16O）和碳（13C/12C）等。

这些同位素在水文地质中的应用广泛，能够揭示水的源地、水体的混合和水体的循环过程。

例如，氢同位素（D/H）可以用于确定水体的来源和补给方式。

氧同位素（18O/16O）常用于研究地下水与地表水之间的相互作用和补给关系。

碳同位素（13C/12C）则可以用于探究有机污染物的来源和迁移途径。

同位素放射性示踪同位素放射性示踪是利用放射性同位素分析方法来研究水文地质问题。

放射性同位素主要包括碳-14和氚等。

放射性同位素的测量可以揭示水体的循环速率、补给方式以及水体演化的时间尺度。

同位素地质学基础

同位素地质学基础

一、基本概念
同位素是指原子核内质子数相同而中子数不同的一类 同位素是指原子核内质子数相同而中子数不同的一类 原子，它们具有基本相同的化学性质，并在化学元素周期 表中占据同一位置。
例如，H 例如，H元素：1H、D、3H O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C、14C S元素：32S、33S、34S、36S Sr元素：88Sr、87Sr、86Sr、84Sr Sr元素： Sr、 Sr、 Sr、 Nd元素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、150Nd Nd元素： Nd、 Nd、 Nd、 Nd、 Pb元素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb Pb元素： Pb、 Pb、 Pb、 U元素：235U*、238U* U*、 Rb元素：85Rb、87Rb* Rb元素： Rb、 Sm元素：144Sm、150Sm、152Sm、154Sm、147Sm*、148Sm*、149Sm* Sm元素： Sm、 Sm、 Sm、 Sm、 Sm*、 Sm*、 （注：“ （注：“*”为放射性同位素）
⑥ 标准换算： δ样-标=δ样-工+δ工-标+10-3δ样-工·δ工-标 δ样-标：以国际标准表示样品的δ值； ：以国际标准表示样品的δ δ样-工：以工作标准表示样品的δ值； ：以工作标准表示样品的δ δ工-标：以国际标准表示的工作标准的δ值。 ：以国际标准表示的工作标准的δ
（二）稳定同位素分类： 1．轻质量数稳定同位素：氢、氧、碳、硫 轻质量数稳定同位素：氢、氧、碳、硫 特点：（1 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏及原因：在于元素的物 理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 重质量数稳定同位素：锶、钕、铅等 特点：（1 特点：（1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要是由于 它们的放射性母体同位素的衰变所引起的。 它们的放射性母体同位素的衰变所引起的。

同位素水文地球化学

同位素水文地球化学

一、基本概念
同位素是指原子核内质子数相同而中子 数不同的一类原子，它们具有基本相同的化 学性质，并在化学元素周期表中占据同一位 置。
例如，H元素：1H、D、3H O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C S元素：32S、34S
1．稳定同位素：指目前尚未发现存在放射性衰 变的同位素。如：H、D、16O、17O、18O等。
1． 氚法：
（1） 氚的起源：大气层上部—宇宙射线的 快中子（超过400万电子伏特）与稳定的14N 的核反应：
14N+n→3H(T)+12C
3H(T)与大气中的氧原子化合成HTO,以大气 降水或水汽的形式参与水循环。
（2） 地下水氚的定年：
①在一定条件下，地下水流中任意一点 的 滞留氚时（间T）(t)含有量关与，氚其的关输系式入为量：（T0）和水的
E. 化学沉淀或生物沉淀的碳酸钙样品的14C含
量对局部比与大气处于平衡的植物的14C含量对局
部条件依赖的程度要高的多。
⑷ 14C年龄误差来源及修正 ① 测量误差；
② 大气中14C含量的变化：P33 图1—2 ③ 利用标准样品及δ13C的变化关系消除系 统误差
⑸ 14C法测定含碳样品的年龄的步骤：
③ 季节效应：最大浓度在6~7月，最小浓度在 11~12月；
④ 高度效应：大气降水氚含量高处大于低处；
降水量效应：在同一纬度地区，大气降水的氚浓度 随降水总量的增加而减少。
（5）各种地表水体的氚浓度变化规律：
① 湖泊：
Байду номын сангаас
A. 主要由大气降水补给的湖泊：氚浓
度存在季节性变化，降水滞留时间短和小湖
B.休斯效应：20世纪以来的木头的初始 放射性比变平均比19世纪低2﹪，这是由于工 业 进革入命大后气燃层烧引有起机 的燃 。料使大量不含14C的CO2

第五章2同位素基础

第五章2同位素基础

87Sr，可由 87Rb衰变而来，也可是
体系初始带来 Sr与Ca的地球化学性 质相似，含Ca矿物有初始Sr干扰。 因为Ca是常量元素。
87Sr随时间发展ຫໍສະໝຸດ 演化，单向增长；86Sr稳定同位素，不增长，用做 87Sr
变化的比较基础。
模式年龄：采用模式办法处理（87Sr/86Sr）0-初始值。 按某一成因模式假设给定样品的初始同位素组成，经计 算获得的年龄。
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2. Rb-Sr等时线法：
假定，化学和同位素组成均一的岩 浆，形成一套化学组成不同的火成岩， 具有如下性质： a . 岩石形成同时性，同源性； b . 87Sr0 相同； c . 岩石形成之后体系封闭； d . 岩体内化学成分不均一， Rb/Sr值不 同。
等时线：具有相同年龄（t）和初始(D/DS)0比 值的一套同成因岩石或矿物形成一条直线， 称之等时线。
5.
•
•
Rb-Sr等时线野外采样方法要点：
适用于岩石、矿物、矿体（流体包裹体），较老年
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某些天然放射性同位素的衰变常数及半衰期
放射性 母体 40 K 40 K 40 K 87 Rb 238 U 235 U 232 Th 147 Sm 176 Lu 187 Re
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最终 稳定子体 40 Ar 40 Ca 40 Ar+40Ca 87 Sr 206 Pb 207 Pb 208 Pb 143 Nd 176 Hf 187 Os
锆石在质谱离子源上连续升温使锆石颗粒表层到内部逐层不断蒸发铅同位素质谱连续测量铅同位素比值并对初始铅同位素比值作适当校正获得不同温度阶段的207pb206pb比值计算年龄及进行统计作出年龄直方图直方图上的峰值年龄代表锆石的形成年龄

同位素地质学

同位素地质学

1.3发展现状
• 同位素地质学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发 展起来的一门新兴学科，是地质学的一个新的分支。半个世纪以 来，同位素地质学获得了迅速发展，渗透到地质学、地球化学的 各个方面，对解决一系列重大基础地学问题发挥了关键性的作用。 它是地球科学定量化的重要标志，是“数字地球”的重要组成部 分。
• 我国始于二十世纪五十年代，已形成了一定的规模，，应用于地 球科学的基础研究，国土资源的调查，矿产资源、能源的开发以 及地质环境和地质灾害的监控等。建有同位素地质年代学实验室 和稳定同位素地球化学实验室 ，在同位素地质基本理论的研究和 重大地质基础问题的研究方面，做出了重要的贡献
1.4应用领域
• 同位素技术在工业、农业、医学、资源 环境、军事科研诸多领域的 应用已获得 了显著的经济效益、社会效益、环境效 益。
• 地质学发展的四大支柱（同位素、MS、 GPS、GIS）
1.4应用领域
– 测定地质年龄—同位素地质年代学、地质年 代表
– 测定沉积物年龄 – 用于考古 – 地质作用示踪及地质体形成温度（同位素地
质温度计） – 环境同位素示踪体系及环境评价—城乡环境
污染查定、地下水渗透、水渗漏、 大气环境 同位素鉴别
示踪特征：当一个自然体系发生变化形成新的体系时，其元素组成 和母子体比值将随之发生变化，但是，只要发生变化的时间不是 相当漫长，体系的同位素组成仍保持原来的特征，这种特征与原 体系母子体的比值密切相关，只要通过一定的方法确定体系发生 变化时的子体同位素组成，就可追索原体系的地球化学特征和演 化历史。这种示踪特征对于近代岩浆作用具有特别意义，如通过 新生代玄武岩的研究可以了解地幔源的地球化学特征和演化史。 由于地球已经经历了复杂的化学过程，形成了上、下地壳及上、 下地幔等层圈构造，长期的母子体分异、核过程和同位素分馏作 用已造成了不同层圈放射成因子体同位素和轻质量稳定同位素组 成上的明显差异，因此，根据成岩成矿物质的同位素组成可以推 断物质的来源及不同源区之间的混合情况。上述二个方面构成了 同位素示踪研究的正演和反演两条不同的途径。

陈福坤同位素地质年代学2013-2

陈福坤同位素地质年代学2013-2
For instance: Atom1: Weight (A1) = Z + N1 Atom2: Weight (A2) = Z + N2
Such atoms are isotopes (同位素)
Isotopes (同位素)
Oxygen-18 (8 protons, 10 neutrons)
• Elements with the same atomic number but different mass number (number of nucleons) are isotopes
新地层，高级生物组合
时 代 顺 序
老地层，低级生物组合
构造关系对比方法
✓ 根据构造作用和岩浆作用等关系的野外观察， 判断地质事件的时间顺序
断裂
褶皱
地层
脉体
➢ 综合地层、构造和岩浆岩侵位关系等现象 判断地质事件的相对的时间关系
同位素方法如何对岩石或矿物定年？ 原理？为何是绝对年龄？
地球科学中的同位素sotope tracer
什么是同位素？什么是放射性同位素？
Components of an atom
for geochemists’ interest
质子 Proton (Z)
A
中子 Neutron (N) Z
电子 Electron (E)
N
Atoms of an element have identical number of proton and identical number of electron. Atoms of an element have identically chemical feature
《地球化学概论》
同位素地质年代学

南京大学同位素地质学-02同位素测量原理及概要

南京大学同位素地质学-02同位素测量原理及概要

（D）电感耦合等离子化（Radiofrequency
inductively coupled plasma—ICP):
用高频(7MHz-56MHz)感应电源，通入Ar气并使之
与高频发生器感应耦合形成高温等离子体，把试样 通过雾化器导入高温等离子体中进行电离。
激 光
★离子流的引出： 由样品离子化出来的离子，其初始速度一般 都不大，要利用这些离子进行质谱分析，必 须将它们从离子源中引出，并使之具有一定 的速度。
------------------------------------------------------
mass spectrometry of isotopes
1940年A. O’Nier 首次设计成功磁偏转角为 60的扇形磁场质谱计，然后(1947)又设计了 双接收系统，成为现代质谱计的基础，并使
Notable students
Charles Glover Barkla Charles T. R. Wilson Ernest Rutherford Francis William Aston John Townsend J. Robert Oppenheimer Owen Richardson William Henry Bragg H. Stanley Allen John Zeleny Daniel Frost Comstock Max Born T. H. Laby Paul Langevin Balthasar van der Pol Geoffrey Ingram Taylor
2. 同位素测量基本原理
同位素地质学的发展是建立在同位素测量方 法/仪器发展的基础之上的。
同位素测量用同位素质谱仪器 质谱仪器可用于测定物质的分子量、原子量 及其丰度、以及同位素组成的仪器。 早期的质谱仪器是用照相法同时检测多种离 子，称为Mass Spectrograph; 现代的质谱仪器是用电子学方法来检测离子， 称为Mass Spectrometer。可用来精确测定元 素的同位素组成。

同位素地质学基础

同位素地质学基础

⑥ 标准换算： δ样-标=δ样-工+δ工-标+10-3δ样-工·δ工-标 δ样-标：以国际标准表示样品的δ值； δ样-工：以工作标准表示样品的δ值； δ工-标：以国际标准表示的工作标准的δ值。
（二）稳定同位素分类： 1．轻质量数稳定同位素 ：氢、氧、碳、硫 特点：（1） 同位素组成变化大； （2） 同位素分馏及原因：在于元素的物 理化学和生物作用。 2．重质量数稳定同位素 ：锶、钕、铅等 特点：（ 1）同位素组成的变化相对小些； （2）同位素组成变化的原因，主要是由于 它们的放射性母体同位素的衰变所引起的 。
常用的稳定同位素
常用的稳定同位素有 H, Li, B, C, N, O, Si, S, and Cl， 其中O, H, C 和 S 最为常用.
Most of these elements have several common characteristics:
(1) They have low atomic mass.
同位素地质学基础
第一章 同位素的 基本概念和理论基础
同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：
? 1）计时作用： 每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形 成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各 种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质 体。
? 2）示踪作用： 同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的 影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环 境条件、机制，并能示踪物质来源。
例如，H元素：1H、D、3H O元素：16O、17O、18O C元素：12C、13C、14C S元素：32S、33S、34S、36S Sr元素：88Sr、87Sr、86Sr、84Sr Nd元素：142Nd、143Nd、146Nd、148Nd、150Nd Pb元素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb U元素：235U*、238U* Rb元素：85Rb、87Rb* Sm元素：144Sm、150Sm、152Sm、154Sm、147Sm*、148Sm*、149Sm*

同位素地质年代学

同位素地质年代学
同位素地质年代学
同位素年代学
01 定义
03 计算公式
目录
02 详细介绍 04 研究原则
基本信息
同位素地球化学的一个研究领域。它依据放射性同位素衰变定律进行精确的地质计时，为地球形成以来各个 主要演化阶段确定了科学时标。所测年龄通常以 100万年（Ma）来表示。同位素地质年代学是地质学、核物理学 和放射化学相互结合逐渐发展而成的。它的发展与电子计算机技术、超微超纯分析技术特别是质谱分析技术的高 速发展密切相关，这些技术的发展大大提高了同位素测量的灵敏度和分辨率。
计算公式
计算公式
同位素地质年代的测定基于放射性衰变定律，即任何放射性同位素随时间按负指数规律而衰减，其表达公式 为
同位素地质年代学 N0表示时间t=0时放射性同位素的初始原子数，N表示经过t时间以后剩下的未衰变母体原子数,λ为衰变常 数。经任何时间由母体衰变的子体原子数为 D=N0-N 将此式代入上式进行推导和计算，得出 同位素地质年代学 该式就是同位素地质年代测定的基本公式。 应用放射性同位素的衰变作用测定地质年代需具备以下前提：①放射性同位素的衰变常数和半衰期被准确测 定；②样品及其测得的N和D值能代表想要得到年龄的那个体系；③在地球物质中同一元素的几种同位素丰度比值 应是恒定的，如 同位素地质年代学

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定义
定义
同位素地质年代学（isotope chronology）又称同位素年代学，是同位素地质学分支之一。利用自然界放 射性衰变规律研究测定各种地质体的形成时代的同位素记时方法。它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成 时间和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。所涉及的同位素主要有U Th Pb体系、 Sm Nb体系、Rb Sr体系、K Ar体系、Ar Ar体系、Re Os体系、Lu Hf体系、14C等。着重研究含高放射成因同位 素的封闭体系。
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• 同位素地质年代学定年体系的研究与应用。 在这方面做出突出贡献的科学家有: Holmes (1932)、Doe & Zartman (1979)、 Faure(1972)
深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来
• 新的仪器测试技术使得能高精度地测 试越来越多的同位素
• 向各个相关领域快速扩散，应用越来 越广
2. 稳定同位素分析测试方法
2.1 样品预处理方法 2.2 同位素质谱测定方法
2. 1 样品预处理方法
氢：U（Zn）还原法 氧： ✓ H2O：CO2-H2O平衡法 ✓ 碳酸盐：磷酸法 ✓ 硅酸盐：BrF5法
2. 1 样品预处理方法
碳： ✓ 碳酸盐：磷酸法 ✓ 有机碳：氧化法（燃烧法） 硫： ✓ 硫化物：氧化法（燃烧法） ✓ 硫酸盐：先转换为硫化物
• 研究内容 ：稳定同位素地球化学；同位 素地质年代学
发展简史
• 奠基阶段：20世纪初~30年代 • 理论和学科发展阶段：30~70年代 • 深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来
奠基阶段：20世纪初~30年代
稳定同位素首先Thomson (1913) 发现（氖元素的同位素），随后Aston 发现了202种同位素。
1.4 同位素标准物质
✓标准物质特征：稳定、量大、易得、有 代表性。
✓ 标准级别：国际标准；国家标准；实验 室标准。
✓ 常用标准：SMOW；PDB；CDT
• SMOW：Standard Mean Ocean Water • PDB：Pee Dee Beleminite • CDT：Canyon Diablo Troilite
著名学者
•张本仁（中国科学院院士）： 区域地球化学
淤崇文（中国科学院院士）： 地球化学动力学
付家漠（中国科学院院士）： 有机地球化学
欧阳自远（中国科学院院士）： 天体化学
年轻学者
•郑永飞（中国科学院院士） 氧同位素地球化学
蒋少涌 B、Si同位素地球化学
李献华 同位素地质年代学
朱详坤 过渡元素同位素
2002 《Stable Isotope Geochemistry》. Hoefs J. 2004
考核方法
平时成绩：30% 考试：70%
0 绪论
定义和研究内容 发展简史 国内研究概况
定义和研究内容
• 地球化学是研究自然界，主要是地球及 其各组成部分的化学演化及其机理的科 学。
• 三个主干分枝：元素地球化学 同位素 地球化学 实验地球化学
研究机构
中国科学院地球化学研究所 中国科学院广州地球化学研究所 中国科学院地质与地球物理研究所 中国地质科学院同位素重点实验室 南京大学 北京大学 东华理工大学
第一部分 稳定同位素地球化学
• 1. 几个基本概念 • 2. 稳定同位素的分析方法 • 3. 稳定同位素的应用
1. 几个基本概念
著名学者
•涂光炽（1920-2007） 1949年获得明尼苏达大学博士学位 在中国最早讲授地球化学课程 曾任中国科学院地质研究所和地球化学 研究所所长
•司幼东（1920-1968） 中国实验地球化学的奠基人，指导和建 立了中国第一个成矿实验室，进行了Sn 、Nb、Ta等配合物的成矿实验，提出酸 碱分离与成矿作用的关系
非质量相关 分馏：不服从 质量相关分馏 的同位素分布 称为非质量相 关分馏。
1.3 同位素值的表示方法
✓同位素比值：如13C/12C；18O/16O等。
✓ 值：样品的同位素比值相对于标准样品 同位素比值的千分偏差
（‰）= （（R样/R标）- 1）× 1000
R样：样品的同位素比值 R标：标准样品的同位素比值 0 表明样品较标准样品含重同位素 0 表明样品较标准样品含轻同位素 = 0 表明样品与标准样品同位素比值一致
国内研究概况
• 著名学者 • 研究机构
著名学者
•候德封（1900-1980）： 提出地层地球化学、化学地史、化学 地理的概念，创立了 “核子地质学 ”
•李璞（1911-1968）： 1950年获剑桥大学博士学位，1958-1962 年建立我国第一个同位素地球化学实验 室，并完成第一批同位素年龄数据。
精品
同位素地质学2013-本科教学 (2)
讲课内容
绪 论：同位素地质学发展历史 第一部分：稳定同位素地球化学 第二部分：同位素地质年代学
教材与主要参考书
教材：《同位素地质学教程》，沈渭洲编， 原子能出版社，1997
主要参考书： 《地球化学》陈骏等编，科学出版社，2005 《稳定同位素地球化学》郑永飞，科学出版社.
1.2 同位素的分馏效应
✓同位素分馏定义：同位素以不同比例分配 于不同物质或物相的现象。分馏系数:
αx-y=RX/RY
热力学平衡分馏：不同物质或物相间的同平衡分馏。
动力学非平衡分馏：某些特定的物理、 化学、生物化学反应会产生偏离平衡分馏 的现象。
地质年代学建立在Becquerel (1886)发现放射性和居里夫妇(1898)证 实放射性衰变规律的基础上， Soddy(1910)首先提出同位素的概念
理论和学科发展阶段：30~70年代
• 稳定同位素的分馏机制与应用研究，在这 方面做出突出贡献的科学家有: Urey(1947)、 Taylor (1967,1968)、Hoefs（1970）、 Ohmoto(1972)
深入发展和交叉扩散阶段：80年代以来
• 空间 — 上天：宇宙化学、行星对比、地球及太 阳系的 成引演化；
•
入地：地球深部研究，包括地幔组成和岩石圈
演化；
•
下海：海洋地球化学及其元素与大气圈、岩石
圈和生物圈之间的交换、循环和通量。
• 时间 — 与地球形成和早期演化以及生命起源有关的地 球化学；与评价和预测现代环境演化有关的环 境地球化 学和第四纪地球化学研究。
1.1 同位素的定义 1.2 同位素的分馏效应 1.3 同位素值的表示方法 1.4 同位素标准物质
1.1 同位素的定义
同位素定义：核内质子数相同而中子数不同 的同一类原子。
同位素的分类： (1) 放射性同位素：原子核不稳定，能自发 进行放射性衰变或核裂变，而转变为其它一类 核素的同位素称为放射性同位素。 (2) 稳定同位素：原子核稳定，其本身不会 自发进行放射性衰变或核裂变的同位素。