同位素地質(zhì)學(xué)2-tims

1、,同 位 素 地 質(zhì) 學(xué),主講教師：潘家永電話：8250705（H） 13807091316E-Mail: jypan@ecit.cn,,第二部分：同位素地質(zhì)年代學(xué),2.1 同位素年代學(xué)基本原理2.2 放射性同位素的分析方法2.3 同位素年代學(xué)的應(yīng)用,1.放射性衰變方式 不穩(wěn)定的原子會(huì)自發(fā)地發(fā)射出粒子和能量而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子，這一過(guò)程稱為放射性衰變，發(fā)射出粒子和能量的現(xiàn)象即所謂放射性。各種不穩(wěn)定原子的

2、衰變有幾種不同的方式，一些原子可以同時(shí)以2-3種方式衰變，但多數(shù)原子以一種特有的方式衰變。衰變的結(jié)果是原子核的質(zhì)子數(shù)和/或中子數(shù)發(fā)生變化，從某一元素的同位素（母體）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪辉氐耐凰兀ㄗ芋w）。子體同位素若仍是放射性的，則將進(jìn)一步衰變直至轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的原子為止,,2.1 同位素年代學(xué)基本原理,?-衰變 一部分不穩(wěn)定原子衰變發(fā)射出帶負(fù)電的?粒子和中微子以及往往伴隨以?射線為形式的輻射能。?-衰變可以看作是一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和

3、一個(gè)電子，該電子被驅(qū)逐出來(lái)就是?-粒子。衰變的結(jié)果，原子序數(shù)增加了1，中子數(shù)減少了1，但質(zhì)量數(shù)不變。例如： K1940 → Ca2040 + ?- +ν + Q 式中ν為反中微子，Q代表衰變能。,?+衰變 另一部分放射性原子衰變放射出帶正電的電子(Positron)。這種衰變可看作一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子、一個(gè)正電子和一個(gè)中微子。正電子發(fā)射出來(lái)就是?+，衰變結(jié)果，原子序數(shù)減少1

4、，中子數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變。例如： F918 → O818 + ?＋ +ν + Q 式中ν為中微子，Q代表衰變能。,電子捕獲衰變 使原子核質(zhì)子數(shù)減少，中子數(shù)增加的另一種衰變機(jī)制是捕獲一個(gè)核外電子。由于K層電子最靠近原子核，其被捕獲的可能性最大；但其它層上的電子也可以被捕獲。原子核捕獲電子后，釋放出一個(gè)中微子。因此這種衰變可以看作是核外電子與質(zhì)子作用形成一個(gè)中子和一個(gè)中微子，

5、質(zhì)量數(shù)不變,由于?-、?+和電子捕獲衰變的結(jié)果是質(zhì)量數(shù)不變，故衰變子體與母體是同量異位素，故又統(tǒng)稱為同量異位衰變。 一些放射性原子可部分地衰變?yōu)橐环N原子，同時(shí)部分地衰變?yōu)榱硪环N原子，例如40K部分以發(fā)射?+和電子捕獲衰變?yōu)?0Ar、部分以發(fā)射?-衰變?yōu)?0Ca。這種一種放射性原子同時(shí)衰變?yōu)椴煌€(wěn)定子體原子的衰變稱為分枝衰變方式。,?衰變 一大部分放射性原子衰變發(fā)射出?粒子，這種衰變發(fā)生在原子序數(shù)等于或大于58

6、(Ce)的核素和少數(shù)幾個(gè)原子序數(shù)小的核素，包括He、Li和Be。?粒子由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，帶正電荷＋2。衰變子體相對(duì)于母體來(lái)說(shuō)，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各減少2 ，同時(shí)質(zhì)量數(shù)減少4。因此，衰變子體與母體不是同量異位素。例如： U92238 → Th90234 + He(?)＋Q,核裂變 用中子、質(zhì)子、氘、?粒子、?射線、乃至X－射線轟擊U和Th的同位素(92235U、92238U、90232Th)，可以引發(fā)這

7、些同位素的裂變，許多其它重元素原子也能通過(guò)高能量的(50－450MeV)原子核粒子轟擊而誘發(fā)裂變。重核素(如92235U)誘發(fā)裂變產(chǎn)生的兩種核素，其原子序數(shù)介于30到65之間，并伴隨發(fā)射出?粒子、中子和大量的能量(約200MeV)。裂變釋放的中子有可能促使其它的92235U發(fā)生裂變，建立起裂變鏈。當(dāng)可裂變的核素的濃度足夠高時(shí)，可以導(dǎo)致象超新星或原子彈那樣的熱核爆炸。,裂變產(chǎn)生的兩種子體的原子序數(shù)往往是不相等的，并且它們往往具有多余的中子

8、，因而它們也是放射性的，會(huì)發(fā)射出一系列的?-粒子而最終衰變?yōu)榱炎冏芋w的穩(wěn)定的同量異位素。 92235U裂變子體之一54144Xe的?-衰變?nèi)缦拢?54144Xe?55144Cs?56144Ba?57144La?58144Ce?59144Pr?60144Nd,此外，已發(fā)現(xiàn)20種以上的重核素能發(fā)生自發(fā)裂變，但自發(fā)裂變的頻率較其它衰變的頻率小，例如238U的自發(fā)裂變頻率比其?衰變頻率小2×106倍。但自發(fā)裂變是實(shí)

9、驗(yàn)室合成的超鈾元素衰變的主要方式。,自裂變反應(yīng)能夠發(fā)生的第一個(gè)條件就是，鈾礦礦脈的大小必須超過(guò)誘發(fā)裂變的中子在礦石中穿行的平均距離，也就是0.67米左右 第二個(gè)必要條件是，鈾235必須足夠豐富。 第三個(gè)重要因素是，必須存在某種中子“慢化劑”(moderator),加蓬?yuàn)W克羅礦區(qū),2. 衰變定律,放射性母體衰變?yōu)榉€(wěn)定子體 放射性母體核素衰變?yōu)榉€(wěn)定子體核素的衰變速率，在任何時(shí)候（t）都與放射性原子數(shù)目（N）成正比（R

10、utherford and Soddy，1902）：dN/dt=λN式中?為衰變比例常數(shù)，簡(jiǎn)稱衰變常數(shù)，dN/dt是任一時(shí)刻（t）時(shí)的衰變速率。,積分得：N＝N0e- λt ?越小，表示母體所能經(jīng)歷衰變的時(shí)間越長(zhǎng)。放射性母體原子數(shù)衰變掉一半所經(jīng)歷的時(shí)間稱作半衰期(T1/2)，用N=N0 /2代入上式得： T1/2=ln2/ λ 放射成因子體原子的數(shù)目(D*），應(yīng)等于衰變掉的放射性母體原子數(shù)目：D*＝N0

11、－N或 D*＝N0 (1－e－?t) 或： D*＝N (e?t－1),如果一體系中，t=0時(shí)的子體原子數(shù)為D0，則該體系子體原子總數(shù)為： D＝D0＋D*＝D0＋N (e?t－1)該方程是同位素地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)。若t＝0時(shí)體系中初始的子體原子數(shù)D0已知，則通過(guò)測(cè)定體系中目前的放射性母體的原子數(shù)和子體的原子總數(shù)，由上式可求得體系封閉以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間t： t= 1/ ? ln[(D-D0)/N+1],衰變系列

12、 一些放射性母體(如238U等)的直接衰變子體仍是放射性的，該放射性子體的衰變速率是其從母體衰變而來(lái)的產(chǎn)率與其自身衰變速率的差： dN2/dt = N1?1-N2?2 式中N1和?1是母體原子數(shù)目和衰變常數(shù)，N2和?2是子體原子數(shù)目和衰變常數(shù)D*? N1,初始－N1＝N1e?1t－N1＝N (e?1t－1) 這意味著，長(zhǎng)期平衡下積累起來(lái)的放射成因子體的數(shù)目可以當(dāng)作

13、初始母體直接衰變?yōu)榉€(wěn)定子體來(lái)對(duì)待。,2.2 放射性同位素的分析方法,The Ion Source,Dynamic ZoomTM Optics,= variabledispersionwhile keepingfocus,Collectors accessible and exchangeable from top,Eight individually moveable cups plus center cup,New Farad

14、ay Cups,,Ions,Multi-Ion-Counting Channel,,Ions,,2.3 同位素年代學(xué)的應(yīng)用,Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法 K-Ar法與Ar-Ar法 U-Th-Pb法 14C法,,（1）Rb和Sr的地球化學(xué) Rb是堿金屬元素，也是分散元素，它不形成獨(dú)立的礦物，但在一般含K礦物如云母、鉀長(zhǎng)石及某些粘土礦物和蒸發(fā)鹽中存在。 Rb有27個(gè)同位素，其中兩個(gè)是天

15、然存在的同位素87Rb和85Rb，其現(xiàn)代同位素豐度分別為72.1654%和27.8346%。87Rb??87Sr＋?-＋?＋Q其半衰期為4.88×1010a,1. Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法— Rb-Sr法,Sr也是堿金屬元素，也是一個(gè)分散元素，常出現(xiàn)在含Ca的礦物中，如斜長(zhǎng)石、磷灰石和碳酸鈣礦物。但Sr還可以以少數(shù)獨(dú)立礦物（菱鍶礦和天青石）出現(xiàn)。 Sr有23個(gè)同位素，其中4個(gè)天然存在的同位素

16、為：88Sr、87Sr、86Sr 和 84Sr，它們都是穩(wěn)定同位素，其同位素平均豐度分別為82.53%、7.04%、9.87%和0.56%（Faure, 1986）。由于87Rb衰變形成87Sr，故Sr同位素豐度是變化的。,,（2）Rb－Sr定年基礎(chǔ),87Sr=87Sri+87Rb(e?t－1)87Sr/86Sr=(87Sr/ 86Sr) i+87Rb/ 86Sr(e?t－1) 87Sr為礦物中現(xiàn)今的87

17、Sr的原子數(shù)總量，87Sri為礦物中87Sr的初始原子數(shù)值，衰變常數(shù) ?＝1.42×10-11a-1，t為礦物形成以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間 t=1/ ?ln[(87Sr/ 86Sr- 87Sri/ 86Sr i)/ 87Rb/ 86Sr+1],要通過(guò)上述方程解出t而獲得礦物的年齡，必須測(cè)定礦物的87Sr/86Sr比值和Rb、Sr含量、及已知Sr同位素初始比值(87Sr/86Sr)i。87Sr/86Sr比值可通過(guò)將礦物用酸溶解并用陽(yáng)

18、離子交換色譜法分離和提純出Sr鹽在質(zhì)譜儀上直接測(cè)定；Rb、Sr含量通?？梢杂脁-射線熒光法或同位素稀釋法測(cè)定。必須把測(cè)得的Rb／Sr含量比值按下式轉(zhuǎn)化為87Rb／86Sr同位素原子數(shù)比值：87Rb／86Sr =(Rb／Sr) .(ARb87 . WSr) /(ASr87 . WRb),ARb87 、ASr87分別為87Rb、86Sr的同位素豐度，WRb、WSr分別為Rb、Sr的原子量,值得注意的是，礦物的86Sr豐度和Sr原子量與87

19、Sr豐度有關(guān)，由于不同礦物的Rb含量不同導(dǎo)致87Sr豐度不同，因此對(duì)每一個(gè)礦物，都要計(jì)算86Sr豐度和Sr原子量。同位素豐度和Sr原子量可按以下計(jì)算：,,（3）Rb－Sr等時(shí)線定年,截距:(87Sr/86Sr)i斜率:（e? t-1）,（4）Rb－Sr法定年的應(yīng)用,是測(cè)定中酸性巖漿巖年齡的常用手段 測(cè)定中－高級(jí)變質(zhì)巖的年齡 測(cè)定海綠石等自生礦物的年齡，海綠石形成于沉積環(huán)境，因而可能代表沉積年齡 測(cè)定成礦成巖流體的年齡,1.

20、 Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法— Sm-Nd法,（1） Sm和Nd的地球化學(xué) Sm和Nd是稀土元素，存在于許多造巖礦物中，如硅酸鹽、磷酸鹽和碳酸鹽礦物中。Sm的一個(gè)同位素（147Sm）是放射性的，它通過(guò)發(fā)射?粒子而衰變?yōu)榉€(wěn)定的143Nd，雖然147Sm的半衰期很長(zhǎng)（T1/2=1.06?1011年），但對(duì)地球巖石、石隕石和月巖的定年很有用。而且放射成因的143Nd和87Sr一起提供了了解行星演化和火成巖石成

21、因的新方法。,Sm有26個(gè)同位素，其中7個(gè)天然存在的同位素的豐度如下：144Sm 3.1%、147Sm 15%、148Sm 11.3%、149Sm 13.8%、150Sm 7.4%、152Sm 26.7%、154Sm 22.7%，其中147Sm是放射性的，其余是穩(wěn)定的；Nd也有26個(gè)同位素，其中7個(gè)天然存在的穩(wěn)定同位素的豐度如下：142Nd 27.13%、143Nd 12.18%、144Nd 23.80%、145Nd 8.3%、146N

22、d 17.19%、148Nd 5.76%、142Nd 5.64%。Sm-Nd 之間有兩對(duì)母-子體同位素，即147Sm衰變?yōu)?43Nd，以及146Sm衰變?yōu)?42Nd。146Sm的半衰期較短，現(xiàn)已衰變完了，146Sm本身是由150Gd衰變而來(lái),,（2）Sm－Nd定年基礎(chǔ),143Nd = 143Nd i+ 147Sm (e?t－1)143Nd/146Nd=(143Nd/146Nd) i+147Sm/ 146Nd(e?t－1)

23、 143Nd為礦物中現(xiàn)今的143Nd的原子數(shù)總量， 143Nd i為礦物中143Nd的初始原子數(shù)值，衰變常數(shù) ?＝6.54×10-12a-1 ，t為礦物形成以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間 t=1/ ?ln[(143Nd/146Nd - 143Nd/146Nd i)/ 147Sm/ 146Nd +1],（3）Sm－Nd法定年的應(yīng)用,Sm－Nd法適合于基性、超基性火成巖的定年 147Sm的半衰期很長(zhǎng)，最適用于對(duì)前寒武系的定年。

24、 測(cè)定金屬礦物的年齡,1. Rb-Sr、Sm-Nd、Re-Os法— Re-Os法,（1）Re和Os的地球化學(xué) Re屬于VIIB族元素，Re的地球化學(xué)性質(zhì)更接近于Mo。Re是分散元素，在輝鉬礦中含量最高（變化于幾ppm至1.88%）。 Os在周期表中位于VIIB族，是Pt族元素，在含Cu、Ni硫化物的超基性巖和輝長(zhǎng)巖、以及碲化物、硒化物、砷化物和銻化物中含量較高。,Re有29個(gè)同位素，

25、但只有2個(gè)天然存在的同位素，即穩(wěn)定的185Re和放射性的187Re，其豐度分別為37.398%和62.602%。187Re通過(guò)?衰變成為187Os：Re75187 → Os76187 + ?- ＋Q , ?=（1.64?0.05)?10-11a-1 Os有34個(gè)同位素，其中有7個(gè)天然出現(xiàn)的穩(wěn)定同位素。Luck and Allegre (1983)報(bào)道了(NH4)2OsCl6的Os同位素豐度：184Os 0.02

26、3%、186Os 1.600%、187Os 1.510%、188Os 13.286%、189Os 16.251%、190Os 26.369%、192Os 40.957%,,（2）Re－Os定年基礎(chǔ),187Os = 187Os i+ 187Re (e?t－1)187Os / 186Os =(187Os / 186Os ) i+ 187Re / 186Os(e?t－1) 187Os為礦物中現(xiàn)今的187Os的原子數(shù)總量， 187Os i為

27、礦物中187Os i的初始原子數(shù)值，衰變常數(shù) ?＝（1.64?0.05)?10-11a-1 ，t為礦物形成以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間 t=1/ ?ln[(187Os / 186Os - 187Os / 186Os i)/ 187Re / 186Os +1],（3）Re－Os法定年的應(yīng)用,用Re-Os等時(shí)線法對(duì)鐵隕石進(jìn)行定年 輝鉬礦具有非常高的Re/Os比值，特別適合于Re-Os定年 Re-Os等時(shí)線法應(yīng)用于黑色頁(yè)巖的定年,（1）K和A

28、r的地球化學(xué) K是IA族堿金屬元素，是地殼中8種最豐富的元素之一，是許多造巖礦物（如：云母、鉀長(zhǎng)石、粘土礦物和某些蒸發(fā)鹽礦物）的主要成分。K有18個(gè)同位素，其中3個(gè)天然出現(xiàn)的同位素及其豐度是：39K 93.2581%、40K 0.01167%、 41K 6.7302%，由此計(jì)算得原子量為39.0983（Garner et al., 1975）。Ar是一個(gè)惰性氣體元素，原子量為39.948，Ar在地球大氣中的含量為

29、0.93%。根據(jù)Nier (1950)的測(cè)定，地球大氣中Ar的同位素豐度為：40Ar 99.60%、38Ar 0.063%、36Ar 0.337%，因而40Ar/36Ar=295.5。,2. K-Ar法與Ar-Ar法—K-Ar法,放射性的40K 分支衰變?yōu)?0Ca和40Ar：4019K（88.84%）??4020Ca + ?- + ? + Q??=4.962?10-10a-14019K （11.16%）??4018Ar + ?

30、+ Q (電子捕獲)?e=0.581?10-10a-1 4019K（0.001%）??4018Ar + ?+ + ? + Q 由于40K只占總K的0.01167%，其中88.8%的40K衰變形成的40Ca在大多數(shù)巖石中被非放射成因的40Ca所淹沒(méi)。因此這一衰變母-子體定年方法只有很局限的應(yīng)用。,雖然只有約11%的40K衰變?yōu)?0Ar，但由于Ar是稀有氣體，放射成因Ar占主導(dǎo)。K-Ar法定年是最早發(fā)展起來(lái)并被廣泛應(yīng)用的方法

31、之一。 在一個(gè)含K的封閉體系中，放射成因40Ar和40Ca的增長(zhǎng)可表達(dá)為： 40Ar* + 40Ca* = 40K (e?t -1)式中?是40K的總衰變常數(shù)，? = ?e + ?? = 5.543?10-10a-1。衰變?yōu)?0Ar的那部分40K原子數(shù)為(?e/?)40K。因此含K礦物或巖石中總40Ar為：40Ar = 40Ari + (?e/?) 40K (e?t -1),,（2）K－Ar定年基礎(chǔ),如果礦物或巖石形成時(shí)完全去氣，

32、不存在初始40Ari，即所含氬都為放射成因40Ar*：40Ar* = (?e/?) 40K (e?t -1) = ?e + ?? = 5.543?10-10a-1;?e=0.581?10-10a-1,（3）K－Ar等時(shí)線定年,針對(duì)上述過(guò)剩Ar存在使計(jì)算年齡偏老的問(wèn)題，McDougall et al.(1969) 提出用測(cè)定的總40Ar（未經(jīng)大氣Ar校正）除于36Ar對(duì)40K/36Ar作圖，形成與Rb-Sr法類似的等時(shí)線。將方程中初始

33、(40Ar)i一項(xiàng)擴(kuò)展為包括大氣Ar和繼承Ar兩項(xiàng)，并除以36Ar： 40Ar/ 36Ar 總 = 40Ar/ 36Ar 大氣 + 40Ar/ 36Ar 過(guò)剩+ 40K /36Ar(?e/?) (e?t -1),K-Ar等時(shí)線示意圖。說(shuō)明混合的繼承Ar和放射成因Ar (A、B、C)，再加進(jìn)不等量的大氣混染Ar 的結(jié)果(D、E、F),（4）K－Ar法定年的應(yīng)用,19世紀(jì)末-20世紀(jì)初，放射性的一系列發(fā)現(xiàn)。1905, J. J. Thom

34、son發(fā)現(xiàn)了鉀的β-放射。1921，Aston最先研究了鉀的同位素組成，發(fā)現(xiàn)39K和41K。 1928，Kohlhorster發(fā)現(xiàn)了鉀的γ-放射。1935，Klemperer和Newman and Walke獨(dú)立的描述了40K是放射性的，當(dāng)時(shí)只是根據(jù)同位素體系進(jìn)行的猜想。 1935年，A. O. Nier實(shí)際發(fā)現(xiàn)了這種40K同位素，并測(cè)得它在鉀中的豐度是1.19×10-4。,最早的定年數(shù)據(jù),第一個(gè)K-Ar法獲得的可靠的

35、年齡數(shù)據(jù) Pahl et al. (1950) 、Smits and Gentner (1950) 測(cè)得Buggingen礦床的年齡20Ma，后來(lái)又作了修正，25Ma，與He/U作了比較。1951年，Gerling and Pavlova 首次用K/Ar法測(cè)石隕石年齡 當(dāng)時(shí)測(cè)試精度不高，但顯示出明顯老于地球物質(zhì)。 從此之后，大量K/Ar法隕石年齡數(shù)據(jù)，45億年左右，與Rb/Sr、U/Pb年齡一致。,與其他定年數(shù)據(jù)樣品的對(duì)

36、比,芮宗瑤，花崗巖，鉀長(zhǎng)石，15.8-16.4，SHRIMP, 14-18韓寶福，花崗巖，黑云母，94-97，SHRIMP, 97邵濟(jì)安，玄武巖，安山巖，全巖，118-120，Rb-Sr, 126劉玉琳，球狀閃長(zhǎng)巖，角閃石，286-305，U-Pb, 284-308吳春明，混合花崗巖，角閃石，1815，黑云母，1795; U-Pb, 18億牟保磊，偉晶巖，黑云母，1700，U-Pb, 17-18億,（4）K－Ar法定年的應(yīng)用

37、,火山巖中的長(zhǎng)石、黑云母和角閃石是K-Ar定年最有用的礦物。深成巖和變質(zhì)巖中的這些礦物也被用來(lái)進(jìn)行K-Ar定年。 Hart（1964）對(duì)受新生代巖枝侵入熱影響的前寒武紀(jì)變質(zhì)巖的礦物K-Ar定年研究表明，角閃石抵御熱擾動(dòng)而保存Ar的能力最強(qiáng)，黑云母次之，鉀長(zhǎng)石最差。 K-Ar法幾乎是能夠測(cè)定年輕玄武巖的唯一方法 熱液蝕變礦物的年齡,2. K-Ar法與Ar-Ar法—Ar-Ar法,40Ar-39Ar法定年能夠克服傳統(tǒng)的K-Ar法因發(fā)生A

38、r丟失或存在過(guò)剩Ar而產(chǎn)生偏差的缺點(diǎn)。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是只需測(cè)定Ar同位素比值，這就排除了K-Ar法因需用兩份樣品測(cè)定K、Ar的絕對(duì)含量以及樣品的不均一性產(chǎn)生的誤差。因此該方法特別適用于很小或很珍貴的樣品的定年。,（1） 40Ar-39Ar法定年基礎(chǔ),含K礦物中的39K可通過(guò)在核反應(yīng)堆中受快中子輻照轉(zhuǎn)化為39Ar： 3919K + n (中子) =3918Ar + p (質(zhì)子) 從而使K-Ar定年中對(duì)K的測(cè)定轉(zhuǎn)化為對(duì)Ar同位素測(cè)定

39、的一部分，從而進(jìn)行40Ar-39Ar定年。39Ar雖然是放射性的，但其半衰期（T1/2=269a）相對(duì)于質(zhì)譜分析過(guò)程而言較長(zhǎng)，因此可以當(dāng)作穩(wěn)定同位素來(lái)對(duì)待。但由于36Ar不能很好地測(cè)定，因此這一方法并不能對(duì)大氣Ar進(jìn)行校正。,（1）U、Th和Pb的地球化學(xué) U、Th是錒系元素，其離子半徑相近（U4+=0.105nm, Th4+=0.11nm），兩者可以相互置換。在氧化條件下，U形成可溶于水的鈾酰離子（UO22+成為活

40、動(dòng)性元素，從而與Th發(fā)生分離。在球粒隕石中U、Th的含量分別為0.01ppm和0.04ppm?；◢弾r質(zhì)火成巖比基性和超基性巖、陸殼巖石比上地幔巖石富集U和Th。Pb在地球中分布很廣，不僅作為U、Th的放射成因子體出現(xiàn)，而且還形成不含U、Th的獨(dú)立礦物。在巖漿的產(chǎn)生和分異、熱液作用、變質(zhì)作用和風(fēng)化作用等過(guò)程中，U/Pb和Th/Pb比值會(huì)發(fā)生改變。,,3. U-Pb、Th-Pb法,（2）U、Th衰變系列 U有

41、三個(gè)天然存在的同位素（均為放射性的），其豐度和衰變常數(shù)分別為：238U=99.2743%, ?238=1.55125?10-10；235U=0.7200%, ?235=9.8485?10-10；234U=0.0057%, ?234=2.86?10-6。Th有6個(gè)天然存在的放射性同位素，其中232Th的豐度接近100%，衰變常數(shù)?232=4.9475?10-11；其它5個(gè)Th的同位素是U、Th衰變系列的短壽命放射性中間子體。母體238U、

42、235U、232Th經(jīng)過(guò)系列衰變最終分別轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的子體206Pb、207Pb、208Pb。Pb有4個(gè)天然存在的同位素，即除了這三個(gè)放射成因的同位素以外，還有一個(gè)非放射成因的穩(wěn)定同位素204Pb。,由于238U、235U、232Th的半衰期比它們的子體的半衰期長(zhǎng)得多，即其衰變常數(shù)比子體的衰變常數(shù)小得多，符合建立長(zhǎng)期平衡的條件。經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年以上的地質(zhì)時(shí)代，并且礦物保持封閉體系，就能達(dá)到長(zhǎng)期平衡狀態(tài)：N1?1=N2 ?2=…. Nn ?n,

43、 因此，可將206Pb、207Pb、208Pb視為238U、235U、232Th的直接衰變產(chǎn)物來(lái)對(duì)待：,238U ? 206Pb + 8He + 6?- + Q235U ? 207Pb + 7He + 4?- + Q232Th ? 208Pb + 6He + 4?- + Q,206Pb = 206Pbi + 238U(e?238t -1) 207Pb = 207Pbi + 235U (e?235t -1) 208Pb

44、= 208Pbi + 232Th (e?232t -1),U-Pb等時(shí)線比較成功的應(yīng)用例子是對(duì)海洋碳酸鹽的定年，而用其它方法對(duì)碳酸鹽定年很困難，在地質(zhì)時(shí)期皺紋珊瑚能夠產(chǎn)生可測(cè)量的206Pb變化。U-Pb鋯石法、普通Pb法和方鉛礦模式年齡法,（3）U-Pb等時(shí)線,如果一種礦物在形成時(shí)含很高的U但不含Pb，則方程可簡(jiǎn)化為： 206Pb = 238U(e?238t -1) 207Pb = 235U (e?235t -1)

45、,（3）U-Pb鋯石法---一致年齡,圖： U-Pb諧和圖。顯示了一致曲線和Pb丟失產(chǎn)生的不一致曲線,晶質(zhì)鈾礦和獨(dú)居石最初被用來(lái)定年，但其有限的分布限制了它們的應(yīng)用。鋯石在中-酸巖中是一個(gè)廣泛分布的富鈾礦物，被廣泛應(yīng)用于U-Pb定年?；詭r中斜鋯石也被用來(lái)定年。鋯石形成時(shí)進(jìn)入其中的初始Pb在年齡計(jì)算中需要扣除，方法如下：測(cè)定礦物中204Pb的量，結(jié)合全巖206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，來(lái)估算進(jìn)入鋯石的初始206P

46、b、207Pb的量，并從鋯石測(cè)定的206Pb、207Pb總量中扣除，從而獲得放射成因鉛（即206Pb*、 207Pb*）。對(duì)于普通Pb含量很低的鋯石，只要知道大致的年齡，從一般的地球Pb演化模式（如Stacey and Kramers）獲得206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，來(lái)估算普通Pb并進(jìn)行扣除即可，無(wú)須通過(guò)分析全巖樣品的Pb同位素組成來(lái)進(jìn)行普通Pb扣除。,上交點(diǎn)年齡作為鋯石形成年齡的解釋則是確定的；但下交點(diǎn)年齡具有

47、多解性。,（3）U-Pb鋯石法--不一致年齡 （Pb丟失模式）,Wetherill (1956) 下交點(diǎn)代表了引起Pb丟失的熱事件的年齡。下交點(diǎn)年齡500Ma（上圖）與作為熱事件證據(jù)的鋰云母Rb-Sr、K-Ar年齡相吻合。,是什么原因?qū)е落喪蠵b的丟失？,Goldrich and Mudrey (1972)認(rèn)為富U礦物中輻射損傷產(chǎn)生顯微毛細(xì)管網(wǎng)，并為流體所充滿，Pb擴(kuò)散到這些毛細(xì)流體中。當(dāng)基底巖石抬升時(shí)，引起礦物膨脹，毛細(xì)流體被排出，

48、導(dǎo)致Pb丟失，即所謂膨脹模式。采自北美的礦物下交點(diǎn)年齡與基底抬升時(shí)間相吻合。,實(shí)際上，蝕變鋯石Pb丟失的確切機(jī)理在不同環(huán)境中可能不同。因此下交點(diǎn)年齡只有在有其它地質(zhì)證據(jù)支持的情況下，才可被賦予年齡意義。但上交點(diǎn)年齡作為鋯石形成年齡的解釋則是確定的。,然而，如果鋯石數(shù)據(jù)投影點(diǎn)離上交點(diǎn)較遠(yuǎn)，則上交點(diǎn)的誤差較大。為了獲得較好的上交點(diǎn)精度，Krogh (1982)認(rèn)為應(yīng)在進(jìn)行同位素分析之前，去除樣品中Pb丟失嚴(yán)重的部分。一種方法是用高通量的磁鐵

49、進(jìn)行分選，選出變生最弱的礦物顆粒。另一種方法是在一個(gè)風(fēng)力磨具中磨掉礦物的外層部分，該部分往往最富U，因而變生也最嚴(yán)重，樣品經(jīng)這樣處理后，分析數(shù)據(jù)的一致性大為提高。因此，后一種方法已成為“傳統(tǒng)”鋯石定年的標(biāo)準(zhǔn)程序。,傳統(tǒng)的鋯石定年方法需要將許多顆鋯石一起溶解進(jìn)行分析，這就有可能誤把不同時(shí)期不同成因的鋯石混在一起，如果發(fā)生這種情況，則獲得的年齡是一個(gè)沒(méi)有確切地質(zhì)含義的混合年齡。與傳統(tǒng)鋯石定年方法相比，離子探針質(zhì)譜（SIMS）分析，能夠從一

50、顆鋯石上獲得一個(gè)甚至多個(gè)年齡數(shù)據(jù)，從而可以探測(cè)可能存在的鋯石結(jié)晶核和后期生長(zhǎng)部分的不同年齡信息。SIMS方法通過(guò)分析Pb同位素比值和U/Pb比值來(lái)定年，其數(shù)據(jù)處理方法與傳統(tǒng)方法基本相同。激光探針-等離子質(zhì)譜（LP-ICPMS）法通過(guò)分析單顆粒鋯石的207Pb/206Pb比值獲得年齡，其速度較快，精度相對(duì)較差，是一種很有前途的單顆粒鋯石定年普查研究手段，在研究沉積物源區(qū)方面尤其有用，而傳統(tǒng)方法和SIMS方法的工作量太大。,206Pb/ 2

51、04Pb = 206Pb / 204Pb i + 238U / 204Pb (e?238t -1) 207Pb / 204Pb = 207Pb / 204Pb i + 235U / 204Pb (e?235t -1) 208Pb / 204Pb = 208Pb / 204Pb i + 232Th / 204Pb (e?232t -1),方鉛礦中無(wú)Ｕ衰變,（4）普通Pb-Pb法,地球（T）,方鉛礦（t）,巖石中Ｕ衰變,方鉛礦（0）,,

52、,206Pb/ 204Pbt = 206Pb / 204Pb T + 238U / 204Pb (e?238T - e?238t ) 207Pb / 204Pbt = 207Pb / 204Pb T + 235U / 204Pb (e?235T - e?235t ) 208Pb / 204Pbt = 208Pb / 204Pb T + 232Th / 204Pb (e?232T - e?232t ),方鉛礦中無(wú)Ｕ衰變,（5）Pb模式

53、年齡,地球（T）,方鉛礦（t）,巖石中Ｕ衰變,方鉛礦（0）,,,Holmes-Houtermans 模式或單階段模式,他們把方鉛礦的Pb同位素演化分為兩段：第一段是從地球形成直到方鉛礦結(jié)晶，并且期間體系對(duì)U、Pb保持封閉；第二段是方鉛礦結(jié)晶后至今. 235U/204Pb、238U/204Pb不是方鉛礦本身而是方鉛礦源區(qū)體系的U/Pb同位素比值；現(xiàn)今235U/238U= 1/137.88；方鉛礦中因無(wú)U，

54、故(207Pb/204Pb)t和(206Pb/204Pb)t即與現(xiàn)今比值相同；T時(shí)（4.57Ga）的Pb同位素組成，是指太陽(yáng)系星云Pb同位素組成或地球原始Pb同位素組成，可以用Canyon Diablo隕硫鐵（CD）代表（206Pb/204Pb=9.307，207Pb/204Pb=10.294，208Pb/204Pb=29.476, Tatsumoto et al., 1974）。,Pb-Pb增長(zhǎng)曲線圖,Stacey and Krame

55、rs (1975)提出了方鉛礦源區(qū)經(jīng)歷地幔、地殼兩階段演化的模式. 張理剛（1995）提出鉛同位素的多階段演化模式,（1）14C 定年原理 碳 是一切生命的基本組成元素 ,也是地球圈層分布最廣的元素之一。碳具有 3種同位素 :1 2 Ｃ(98.8% ),、1 3Ｃ(1 .1 % )和微量的1 4Ｃ ,其中只有14Ｃ具有放射性。1 4Ｃ同位素首次發(fā)現(xiàn)于 1 936年 ,其半衰期為 5730ａ。 天然1

56、4Ｃ主要源于高層大氣層中的宇宙射線產(chǎn)生的中子與穩(wěn)定氮同位素 (1 4Ｎ)的反應(yīng) ,所產(chǎn)生的1 4Ｃ又被氧化為二氧化碳 (14ＣＯ2)進(jìn)入低層大氣層，這樣 ,所有地球上的植物在吸收二氧化碳的同時(shí)也會(huì)不斷地?cái)z取一定量的14Ｃ ,爾后 ,人類及動(dòng)物通過(guò)消耗各種食物 ,體內(nèi)也會(huì)吸收一定量的14Ｃ ,并在生命活動(dòng)階段與外界1 4Ｃ處于一定的平衡狀態(tài)。,,4. 碳14法定年,隨動(dòng)植物生命活動(dòng)的停止 ,其體內(nèi)的1 4Ｃ便與外界隔離 ,并隨時(shí)間衰變而

57、減少。根據(jù)1 4Ｃ半衰期計(jì)算 ,約 5萬(wàn)年其1 4Ｃ即全部衰變完畢。所以 ,通過(guò)測(cè)定死亡后動(dòng)植物體內(nèi)殘余的1 4Ｃ含量并與已知年齡的國(guó)際14Ｃ標(biāo)準(zhǔn)比較即可計(jì)算該動(dòng)植物死亡時(shí)距離現(xiàn)在的時(shí)間, ———這就是1 4Ｃ測(cè)年的簡(jiǎn)單原理。 1952年，美國(guó)科學(xué)家Libby教授發(fā)表了第一部14Ｃ測(cè)年的專著《Radiocarbon Dating》, 從理論和實(shí)踐上奠定了1 4Ｃ測(cè)年的依據(jù) ,這一開(kāi)創(chuàng)性的工作使他榮獲了1960年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).,（2）1

58、4C 定年方法,低本低液閃儀 這是經(jīng)典的1 4Ｃ測(cè)定方法，但是經(jīng)典的天然1 4Ｃ測(cè)定是通過(guò)對(duì)其β-衰變的計(jì)數(shù) ,該法非常耗時(shí)、靈敏度也低。 1ｇ近代碳每分鐘衰變 14次 ,那么 ,測(cè)定 1 ｇ碳樣品中1 4Ｃ則需要至少1 6 0 0 0 0次的β-衰變 (約 8天 )以達(dá)到約 2 0年的測(cè)齡精度。可見(jiàn) ,經(jīng)典的 β計(jì)數(shù)無(wú)論從測(cè)定時(shí)間還是樣品的需要量 (通常需要含碳量 1 ｇ的樣品 )來(lái)說(shuō)都有相當(dāng)大的限制。,加速器質(zhì)譜儀

59、 (Accelerator Mass Spectrometry, AMS) 加速器質(zhì)譜儀 (AMS)是用于測(cè)定具有較長(zhǎng)半衰期的天然放射性核素 (如14Ｃ和10Be等 )的新型儀器。用AMS測(cè)定只需含碳量大于 1ｍｇ的樣品 ,測(cè)定 45分鐘即可達(dá)到同樣的精度.,天然14Ｃ的測(cè)定是通過(guò)測(cè)定樣品中14Ｃ與12 Ｃ的比值 (14Ｃ / 12 Ｃ),并與已知現(xiàn)代14Ｃ年齡的國(guó)際14Ｃ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 (最常用的國(guó)際14Ｃ標(biāo)準(zhǔn)是 195

60、0年生產(chǎn)的具有 95%天然14Ｃ濃度的草酸,并將其穩(wěn)定碳同位素13Ｃ值校正到 -1 9‰ ;所以 ,ＡＭＳ測(cè)定天然樣品中的14Ｃ ,通常表述為樣品與現(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)的比值 (Ｆ)為結(jié)果 (1 950年定為現(xiàn)代年齡 ):Ｆ = (14Ｃ/12Ｃ)樣品/(14Ｃ/ 12Ｃ)標(biāo)準(zhǔn)Ｔ = -8033×lnＦ,（2）14C 的應(yīng)用,考古學(xué)地質(zhì)學(xué)海洋學(xué)環(huán)境科學(xué)生物學(xué),,2.4 放射性成因穩(wěn)定同位素的應(yīng)用,Sr-Nd-Os同位素 P

61、b同位素,據(jù)海水、結(jié)殼表層分析→同位素分布 Nd、Sr、Os 控制因素：●Nd、Sr、Os 的來(lái)源●存留時(shí)間（TR）→隨洋流的遷移 若測(cè)定了海洋某些位置Nd、Sr、Os 同位素隨時(shí)間的演化，就可能了解其物源、洋流的演變。,海洋Nd-Sr-Os同位素演化示蹤基礎(chǔ),,Nd、Sr、Os在海洋中的存留時(shí)間不同：Nd: 200~1500 a Pb: <100 aOs: 2~12 k

62、aSr: ~2 Ma海水循環(huán)時(shí)間：~1500 a,Sr的TR ~2Ma >> 海水循環(huán)時(shí)間~1500 aSr同位素全球海洋均勻: 87Sr/86Sr=0.7091其演化反映全球性的物源變化,Hess et al., 1986,,87Sr/86Sr升高←喜瑪拉雅隆升剝蝕,Shaw & Wasserburg, 1985,Veizer et al.(1999),海洋中Nd的來(lái)源:河流來(lái)源 ? 95%，

63、 eNd ~ -10海底熱液來(lái)源 ? 5%， eNd ~ +3Nd的TR(200-1500a) ? 海水循環(huán)時(shí)間:~1500 a各大洋eNd 值不均勻： 太平洋 大西洋 印度洋 ~ - 4 ~ -13 ~ - 8其演化反映物源、洋流變化,太平洋,大西洋,印度洋,Ling et al., 1997, 2001Burt

64、on et al, 1997O’Nions et al., 1998,Fe-Mn Crust,Keto & Jacobsen, 1988,海洋中Pb的來(lái)源：陸源剝蝕來(lái)源 ? 95%海底熱液來(lái)源小部分Pb存留時(shí)間<100a << 海水循環(huán)時(shí)間~1500 aPb同位素在海盆內(nèi)部不均一其演化反映近區(qū)域物源、洋流變化,海洋中Os 的來(lái)源：陸源剝蝕為主（富放射成因Os）洋殼蝕變和宇宙塵埃少量（貧放射成因

65、Os）Os存留時(shí)間2-12ka > 海水循環(huán)時(shí)間~1500 a現(xiàn)代海洋187Os/ 186Os相對(duì)均勻（8.2~8.9）其演化主要反映物源變化,Burton et al., 1999,Peucker-Ehrenbrink et al., 1995,,,187Os/186Os升高←喜瑪拉雅隆升剝蝕,總之，海洋Sr、Os同位素演化可反映陸源剝蝕量和海底熱液量的相對(duì)變化。 Nd同位素演化反映陸源剝蝕量及被剝蝕陸塊的成分。