第六章- 放射性同位素地球化学

第六章同位素地球化学第一节基本概念一、同位素的定义核素：是由一定数量的质子（P）和中子（N）构成的原子核。

核素具有质量、电荷、能量、放射性和丰度5中主要性质。

.同位素：原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做同位素(isotope)，他们处在周期表上的同一位置二、同位素的分类– 放射性同位素(radioactive isotope)：原子核是不稳定的，它们能够白发地衰变成其他的同位素。

最终衰变为稳定的放射性成因同位素。

目前已知的放射性同位素达1200种左右，由于大部分放射性同位素的半衰期较短，目前已知自然界中存在的天然放射性同位素只有60种左右。

放射性同位素例子：238U→234Th＋4He(α)＋Q→206Pb；235U→207Pb；232Th→208Pb– 稳定同位素(stable isotope)：原子核是稳定的，迄今还未发现它们能够自发衰变形成其他的同位素。

自然界中共有1700余种同位素，其中稳定同位素有260余种。

z轻稳定同位素，又称天然的稳定同位素，是核合成以来就保持稳定。

其特点是①原子量小，同—元素的各同位素间的相对质量差异较大；②轻稳定同位素变化主要原因是同位素分馏作用所造成的，其反应是可逆的。

如氢同位素（1H和2H）、氧同位素（16O和18O）、碳同位素（12C和13C）等。

z重稳定同位素，又称放射成因同位素(radiogenic isotope)：稳定同位素中部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物。

其特点是①原子量大，同—元素的各同位素间的相对质量差异小（0.7%~1.2%）环境的物理和化学条件的变化通常不导致重稳定同位素组成改变；②重稳定同位素变化主要原因是放射性同位素衰败引起，这种变化是单向的不可逆的。

如87Sr是由放射性同位素87Rb衰变而来的；三、同位素丰度同位素丰度(isotope abundance)：可分为绝对丰度和相对丰度绝对丰度是指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1H（取1H=1012）或28Si（取28Si=106）的比值表示。

一、主量元素：把研究体系（矿物、岩石）中元素含量大于1%的元素称为主量元素。

微量元素：研究体系中浓度低到可以近似地服从稀溶液定律的元素称为微量元素。

二、放射性同位素：原子核不稳定，它们以一定方式自发地衰变成其他核素的同位素。

放射性成因同位素：由放射性元素衰变而形成的同位素。

三、能斯特分配系数：在一定的温度、压力条件下，当两个共存地质相A、B平衡时，以相同形式均匀赋存于其中的微量组分i在两相中的浓度比值为一常数，该常数称为能斯特分配系数。

四、元素的地球化学亲和性：在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出来的有选择地与某种阴离子结合的特性，称为元素的地球化学亲和性。

五、高场强元素：离子半径小，离子电荷高，离子电位>3，难溶于水，化学性质稳定，为非活动性元素。

如：Th、Nb、Ta、Zr。

大离子亲石元素：离子半径大，离子电荷低，离子电位<3，易溶于水，化学性质活泼，地球化学活动性强。

如：Rb，K，Cs，Ba。

六、亲铁元素：在自然体系中，特别是在O、S丰度低的情况下，一些金属元素不能形成阳离子，只能以自然金属形式存在，它们常常与金属铁共生，以金属键性相互结合，这些元素具有亲铁性，属于亲铁元素。

七、放射性同位素的衰变方式：（1）β-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子，β-质点被射出核外，同时放出中微子v。

（2）电子捕获：原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层，故又称K层捕获），与一个质子结合变成一个中子。

（3）α衰变：重核通过放射出由两个质子和两个中子组成的α质点而转变成稳定核。

（4）重核裂变：重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片。

八、盐效应：当溶液中存在易溶盐类（强电解质）时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称盐效应。

电负性：电负性等于电离能（I）与电子亲和性（E）之和X=I+E，可用于度量中性原子得失电子的难易程度。

一、利用衰变定律来测定岩石、矿物的年龄，应满足的哪些前提条件？答：1)用来测定地质年龄的放射性同位素有适宜的半衰期T 1。

与测定的对象年龄相比, 不宜过大,也不宜过小。

如果半衰期太长，就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰期太短，没有多久母核几乎衰变完了。

且半衰期和衰变常数能被准确测定，所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求。

2)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, 这个相对丰度应该是固定不变的, 即是一个常数。

3)放射性同位素应具有较高的地壳丰度，母体同位素衰变的最终产物必须是稳定同位素, 用当前的仪器设备和技术水平能准确测定出母子体含量及同位素组成。

4)矿物、岩石结晶时，只含某种放射性同位素，而不含与之有蜕变关系的子体或虽含部分子体，其数量亦是可以估计的。

5)保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一直保持封闭系统，即没有增加或丢失放射性同位素及其衰变产物。

6）在岩石或矿物形成过程中和形成以后, 同位素体系从开放体系过渡到封闭体系, 所经历的时间相对于封闭体系所维持的时间是短暂的, 从部分封闭到完全封闭所经历的时间可忽略不计。

上述的5 个方面, 既是作为同位素地质年龄测定的基本假设前提, 也是放射性同位素体系定年方法的限制条件。

根据不同的地质背景和年代学研究目的, 选择适宜的方法, 是保证取得可靠年龄信息的重要前提。

二、以Rb-Sr等时线法为例说明同位素测年的样品采集过程中应注意的事项。

答：用于Rb-Sr 等时线测年的样品( 全岩和矿物) 需要满足4 个条件:①具有相同的初始Sr 同位素比值( 87Sr/ 86 Sr) , 即地质作用已使所研究的对象在Sr 同位素组成上完全/ 均匀化; ②形成年龄相同, 或在测年误差范围内年龄相同; ③形成后未受到后期地质作用改造, 同位素体系仍保持封闭。

④用于等时年龄测定的一组样品的Rb、Sr 含量必须有足够的分异, Rb/ Sr 比值有足够的差别。

放射性成因同位素地球化学参数的误差计算：以Hf-Nd-Sr同位素为例吴宇宸;杨岳衡;杨进辉【摘要】放射性成因同位素地球化学中的参数大多不是直接测量量,而是由几个直接测量量经计算所得,其误差也受到这几个测量量误差的影响,涉及到比较复杂的误差传递问题.本文在介绍方差、标准偏差和标准误差等概念基础上,阐述误差合成与传递的基本原理与方法,然后以Hf-Nd-Sr同位素为例论述若干重要同位素地球化学参数的误差计算问题,并给出方便读者使用的Excel计算表格,对放射性成因同位素地球化学研究与应用有一定的使用价值和参考意义.【期刊名称】《地球化学》【年(卷),期】2015(044)006【总页数】8页(P600-607)【关键词】误差;传递系数;同位素;地球化学;Hf-Nd-Sr同位素【作者】吴宇宸;杨岳衡;杨进辉【作者单位】北京大学数学科学学院,北京100871;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029【正文语种】中文【中图分类】P5970 引言同位素地球化学是地球科学的重要分支学科,目前在地球的形成与演化、地质作用的进程与机理等方面的研究中发挥着越来越重要的作用[1]。

可以说, 同位素地球化学已成为解决地球科学重大问题不可或缺的重要工具[2]。

同位素地球化学包括放射性成因同位素和稳定同位素地球化学两个主要方面,其中放射性成因同位素地球化学的核心是利用放射性衰变基本原理和母-子体的质量关系, 确定若干同位素地球化学参数, 然后根据这些参数来对地球的地球化学储库和地质作用过程等进行定量刻画。

很显然, 这些地球化学参数数值的大小及性质对我们来说至关重要。

同等重要的是这些参数的误差, 因为它决定了这些参数的可信范围。

一般说来, 基于同位素比值的这些地球化学参数涵义各不相同, 甚至涉及复杂的数学运算。

显然, 这些参数误差的确定需要一定, 甚至专门的数学知识。

本文从误差的基本概念出发, 介绍误差运算的基本方法, 然后介绍Sr-Nd-Hf同位素体系中代表性地球化学参数的误差计算实例, 并附有简洁明了的Excel计算表格, 供读者使用。

1.同位素地球化学：研究地壳和地球中核素的形成丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律，并利用这些规律解决有关地质地球化学问题的学科。

2.核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。

3.同量异位数：质子数不同而质量数相同的一组核素。

4.稳定同位素：目前技术条件下无可测放射性的元素。

5.放射性同位素：能自发的放出粒子并衰变为另一种核素的同位素。

6.重稳定同位素：质子数大于20的稳定同位素。

7.亲稳定同位素：质子数小于20的稳定同位素。

8.同位素效应：由同位素质量引起的物理和化学性质的差异。

9.同位素分馏：在同一系统中某些元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或相态中的现象。

10.同位素热力学分馏：系统稳定时，导致轻重同位素在各化合物或物相中的分配差异。

11.同位素动力学分馏：不同的元素组成的分子具有不同的质量，由此而引起扩散速度、化学反应速度上的差异，由这种差异所产生的分馏效应称为同位素动力学分馏。

12.纬度效应：温度效应，随纬度升高，大气降水中的δD，δ18O降低。

13.大陆效应：海岸线效应，从海岸线到大陆内部，大气降水的δD，δ18O降低。

14.高度效应：岁地形增高，大气降水δD，δ18O降低。

15.季节效应：夏季，大气降水δD，δ18O比冬季高。

16.岩浆水：与高温岩浆处于热力学平衡的水，其中来自地幔，与铁、镁超基性平衡的水称为原生水。

17.半衰期：母核衰变为其原子核数一半，所经历的时间。

18.原生铅：指地球物质形成之前，在宇宙原子核合成过程中，与其他元素同时形成的铅。

19.原始铅：地球形成最初时期的铅。

20.初始铅：（普通铅、正常铅）U/Pb、Th/Pb比值低的矿物和岩石中任何形式的铅。

21.异常铅：一种放射性成因铅含量升高的铅。

22.矿石铅：一般是指硫化物矿中所含的铅。

23.岩石铅：火成岩和其他岩石中所含的铅。

24.BABI：目前公认玄武质无球粒陨石的（87Sr/86Sr）。

代表地球形成时的初始比值，其值为0.69897+-0.000031.质谱仪的结构由哪几部分构成：进样系统、离子源、质量分析器、离子流接收器。

地球化学中的元素和同位素地球化学地球化学是一个研究地球物质中元素、同位素分布和演化的学科。

元素是构成地球物质的基本物质，同位素则是同一元素中质量数不同的不同原子核。

元素和同位素的地球化学分析可以帮助我们了解地球的演化历史、地球环境变化、地质过程等多个方面。

一、元素的地球化学元素是地球化学研究的基本单位，地球上的元素分布受制于地球的演化历史和物质组成。

总体而言，地球表层分布的元素可以分为地壳元素、海洋元素和大气元素。

地壳元素是地壳中丰富的元素，包括氧、硅、铝、铁、钙等等，它们占到地壳质量的99%以上。

其中最丰富的是氧元素，它占地壳中质量的46.6%，其次是硅元素，占28.2%。

地壳元素的绝大部分都是宇宙尘埃在地球形成过程中沉积下来的，也有部分来自于岩浆的分异作用和地球内部的物质漏失。

海洋元素主要包括钠、氯、镁、钙等，以及微量元素如铬、钴、铜、锌、铅等。

这些元素常常被沉积在海洋底部的海底泥中，它们的含量一般很低且难以采集分析。

大气元素包括氢、氧、氮、碳以及其他的惰性气体。

其中氧和氮占了大气元素的绝大部分，占比分别为21%和78%。

大气元素是通过地球大气层的物理、化学和生物过程不断循环传输的，它们对地球环境的影响也很大。

二、同位素地球化学同位素是同一元素中质量数不同的不同原子核，同位素地球化学就是研究地球物质中同位素分布和演化的学科。

同位素地球化学的核心是同位素分析技术，它包括同位素质谱分析、放射性同位素年代学和同位素示踪技术。

同位素质谱分析是一种高精度的技术手段，它可以对地球物质中同位素的含量进行精确定量分析。

例如，氧同位素的分析可以用来研究古气候变化，硫同位素的分析可以用来追踪地球物质的来源和演化历史，铅同位素的分析可以用来研究地球内部物质演化和大气污染状况等。

放射性同位素年代学是利用放射性同位素的半衰期来测定物质年龄的技术手段。

不同放射性同位素的半衰期不同，因此可以用来测定不同时间尺度的物质年龄，例如，碳-14同位素可以用来测定古代有机物的年代，铀-铅同位素可以用来测定地球地质历史上的时间尺度。