12第6章同位素地球化學1

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1、第一頁，編輯于星期一：八點 十三分。第二頁，編輯于星期一：八點 十三分。它是研究地球和宇宙中核素的形成、豐度以它是研究地球和宇宙中核素的形成、豐度以及在自然作用中分餾和衰變規律的科學及在自然作用中分餾和衰變規律的科學。同位素地球化學同位素地球化學 第三頁，編輯于星期一：八點 十三分。1.F自然界，尤其是地質作用和地質體中的自然界，尤其是地質作用和地質體中的同位素豐度及其演化規律同位素豐度及其演化規律第四頁，編輯于星期一：八點 十三分。宇宙同位素地球化學宇宙同位素地球化學地幔同位素地球化學地幔同位素地球化學環境同位素地球化學環境同位素地球化學考古同位素地球化學考古同位素地球化學食品同位素地球化學

2、食品同位素地球化學水文同位素地球化學，等。水文同位素地球化學，等。分分 支支 學學 科科第五頁，編輯于星期一：八點 十三分。q同位素的起源、演化和衰亡歷史；同位素的起源、演化和衰亡歷史；q同位素在宇宙體、地球和各地圈中的分布和分配；同位素在宇宙體、地球和各地圈中的分布和分配；不同地質體中的豐度及其在地質過程中活化與遷移、不同地質體中的豐度及其在地質過程中活化與遷移、富集與虧損、衰亡與增長的規律；闡明同位素組成變富集與虧損、衰亡與增長的規律；闡明同位素組成變異的原因，據此來探索地質作用的演化歷史及物質來異的原因，據此來探索地質作用的演化歷史及物質來源；源；q利用放射性同位素的衰變定律建立一套行之

3、有效的利用放射性同位素的衰變定律建立一套行之有效的同位素計時方法，測定不同天體事件和地質事件的年同位素計時方法，測定不同天體事件和地質事件的年齡，并作出合理的解釋，為地球和太陽系的演化確定齡，并作出合理的解釋，為地球和太陽系的演化確定時標。時標。第六頁，編輯于星期一：八點 十三分。q 同位素地質年代學同位素地質年代學Isotope Geochronologyq強調時間概念，根據放射性成因同位素隨時強調時間概念，根據放射性成因同位素隨時間變化的定律，測定地質體的年齡與活動歷史，間變化的定律，測定地質體的年齡與活動歷史，研究地質事件的計時，或地質運動、地球演化研究地質事件的計時，或地質運動、地球演

4、化的時間序列；的時間序列；q另外，放射性成因同位素示蹤，可研究成巖另外，放射性成因同位素示蹤，可研究成巖成礦的物質來源，探討地殼、地幔及其它星體成礦的物質來源，探討地殼、地幔及其它星體的演化。的演化。第七頁，編輯于星期一：八點 十三分。v研究地質體中穩定同位素的分布及其在各種地研究地質體中穩定同位素的分布及其在各種地質條件下的運動規律，并運用這些規律來解釋質條件下的運動規律，并運用這些規律來解釋巖石和礦石的物質來源、成巖成礦的物理化學巖石和礦石的物質來源、成巖成礦的物理化學條件、成因機制及巖礦石形成后的地質作用影條件、成因機制及巖礦石形成后的地質作用影響等地質問題。響等地質問題。第八頁，編輯于

5、星期一：八點 十三分。4 4 同位素地球化學在解決地學領域同位素地球化學在解決地學領域 問題的獨到之處問題的獨到之處計時作用計時作用每一對放射性同位素都是一只時鐘，自地球形每一對放射性同位素都是一只時鐘，自地球形成以來它們時時刻刻地，不受干擾地走動著，成以來它們時時刻刻地，不受干擾地走動著，這樣可以測定各種地質體的年齡，尤其是對隱這樣可以測定各種地質體的年齡，尤其是對隱生宙的前寒武紀地層及復雜地質體。生宙的前寒武紀地層及復雜地質體。示蹤作用示蹤作用同位素成分的變化受到作用環境和作用本身的同位素成分的變化受到作用環境和作用本身的影響，為此，可利用同位素成分的變異來指示影響，為此，可利用同位素成分

6、的變異來指示地質體形成的環境條件、機制，并能示蹤物質地質體形成的環境條件、機制，并能示蹤物質來源。來源。第九頁，編輯于星期一：八點 十三分。v由于某些礦物同位素成分變化與其形由于某些礦物同位素成分變化與其形成的溫度有關，為此可用來設計各種成的溫度有關，為此可用來設計各種礦物對的同位素溫度計，來測定成巖礦物對的同位素溫度計，來測定成巖成礦溫度。成礦溫度。v另外亦可用來進行資源勘查、環境監另外亦可用來進行資源勘查、環境監測、地質災害防治等測、地質災害防治等 測溫作用測溫作用第十頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素地球化學發展迅速，已滲透到地球同位素地球化學發展迅速，已滲透到地球科學的各個研究領

7、域，如：大地構造學、科學的各個研究領域，如：大地構造學、巖石學、礦床學、海洋學、環境科學、空巖石學、礦床學、海洋學、環境科學、空間科學等。間科學等。v主要表現在以下方面主要表現在以下方面：v實驗測試技術不斷完善和提高；實驗測試技術不斷完善和提高；v多元同位素體系的綜合研究；多元同位素體系的綜合研究；v研究領域不斷擴大；研究領域不斷擴大；v各種新方法的出現各種新方法的出現 。第十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。v我國同位素地球化學的研究工作從我國同位素地球化學的研究工作從19581958年開始，目年開始，目前擁有的研究人員和質譜屬世界第一。前擁有的研究人員和質譜屬世界第一。v學術團體學術團體：

8、中國礦物巖石地球化學學會中國礦物巖石地球化學學會同位素地球化學專業同位素地球化學專業委員會；委員會；中國地質學會中國地質學會同位素地球化學專業委員會。同位素地球化學專業委員會。另外亦可用來進行資源勘查、環境監測、地質災害防治另外亦可用來進行資源勘查、環境監測、地質災害防治等等 ?？蒲袡C構：科研機構：第十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1.40K-40Ar 2.Rb-Srv3.39Ar-40Ar 4.U-Th-Pbv5.普通鉛法普通鉛法 6.147Sm-143Ndv7.187Re-187Os 8.175Lu-175Hfv9.裂變徑跡法裂變徑跡法 10.14C法法第十三頁，編輯于星期一：八點

9、十三分。v1 H(D/H)2 O(18O/16O)v3 S(34S/32S)4 C(13C/12C)v5 Sr(87Sr/86Sr)5 Nd(143Nd)v7 Pb(206Pb,207Pb,208Pb)8 N(15N/14N)v9 Si(32Si/30Si)10 B(11B/10B)v11 Cl 12 He(3He/4He)v13 Mg 14 Ne/Kr/Xev15 Cu/Fe v銅和鐵同位素銅和鐵同位素第十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素地質學原理同位素地質學原理.G Faure,科學出版社科學出版社,1985v鉛同位素地質鉛同位素地質.B R Doe,科學出版社科學出版社,197

10、5v鍶同位素地質學鍶同位素地質學.G Faure&J L Powell,科學出版社科學出版社,1975v穩定同位素地球化學穩定同位素地球化學.J Hoefs,科學出版社科學出版社,1987v氫氧同位素地球化學氫氧同位素地球化學.丁悌平丁悌平,地質出版社地質出版社,1988v穩定同位素地質穩定同位素地質.沈渭洲沈渭洲,原子能出版社原子能出版社,1987v同位素地質年代學同位素地質年代學.袁海華袁海華,重慶大學出版社重慶大學出版社,1987v同位素地球化學同位素地球化學.魏菊英魏菊英,王關玉王關玉.地質出版社地質出版社,1988v穩定同位素地球化學穩定同位素地球化學.鄭永飛鄭永飛,陳江峰陳江峰,科

11、學出版社科學出版社,2000v穩定同位素地球化學穩定同位素地球化學.J Hoefs,海洋出版社海洋出版社,2002v同位素地質年代學與地球化學同位素地質年代學與地球化學.陳岳龍等，地質出版社，陳岳龍等，地質出版社，2005第十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。v6.1 自然界同位素成分變化的機理自然界同位素成分變化的機理v6.2 放射性同位素地球化學放射性同位素地球化學v6.3 穩定同位素地球化學穩定同位素地球化學第十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。6.1 自然界同位素成分變化的機理自然界同位素成分變化的機理v6.1.1 同位素的基本內容同位素的基本內容v6.1.2 自然界同位素成分的變化自

12、然界同位素成分的變化第十七頁，編輯于星期一：八點 十三分。v 1.核素和同位素核素和同位素v 什么叫核素什么叫核素？v由不同數量的質子和中子按一定結構組成各種由不同數量的質子和中子按一定結構組成各種元素的原子核稱為元素的原子核稱為核素核素。v表示：A=N（neutron）+P（proton）第十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。F1）核素具有電荷）核素具有電荷F2）核素具有質量）核素具有質量F3）核素具有豐度）核素具有豐度F4）核素具有能量）核素具有能量F5)核素具有放射性核素具有放射性第十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同量異位素同量異位素(isobar)：質子數不同，中：質子數不同，中

13、子數不同，質量數相同的原子，也稱同子數不同，質量數相同的原子，也稱同質異位素。質異位素。v等中子素等中子素(isotone)：中子數相同，質：中子數相同，質子數不同的原子；子數不同的原子；v同位素同位素(isotope)：質子數相同，中子：質子數相同，中子數不同的原子；數不同的原子；第二十頁，編輯于星期一：八點 十三分。部分核素圖第二十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。v具有相同質子數，不同數目中子數所組成的一組核素具有相同質子數，不同數目中子數所組成的一組核素稱為稱為同位素同位素。v同位素是同一化學元素的原子，在元素周期表中同位素是同一化學元素的原子，在元素周期表中占據相同的位置。因為核外電

14、子數由原子核中的占據相同的位置。因為核外電子數由原子核中的質子數決定，所以同位素具有質子數決定，所以同位素具有相似的化學性質相似的化學性質.同同 位位 素素第二十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。v以元素的左上角標以總核子數或原子量。以元素的左上角標以總核子數或原子量。v例如：例如：S和和Ov32S 、33S 、34S 、35S（3516S）v16O、17O、18O（168O）第二十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。v一種元素可由不同數量的同位素組成。自一種元素可由不同數量的同位素組成。自然界中同位素最多的是然界中同位素最多的是Sn元素，有元素，有10個同個同位素位素：v112，114，115

15、，116，117，118，119，120，122，124v自然界也存在只有一種同位素單獨組成的自然界也存在只有一種同位素單獨組成的元素：元素：Be、F、Na、Al、P等等27種。種。v其余大多數由其余大多數由25種同位素種同位素組成。組成。第二十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。2.同位素的分類同位素的分類v 分類原則分類原則基于原子核的穩定性基于原子核的穩定性原子核相對穩定性判斷原子核相對穩定性判斷第二十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。v當原子序數當原子序數Z20時，時，N/P=1，核素最穩，核素最穩定，絕對豐度高；定，絕對豐度高；v當當20Z83時，時，N/P偏離偏離1或或1.5，核素不

16、穩，核素不穩定，絕對豐度低。定，絕對豐度低。Z/P與原子核的穩定性與原子核的穩定性第二十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。第二十七頁，編輯于星期一：八點 十三分。放射性同位素放射性同位素(unstable or radioactive isotope)其原子核是不穩定的，它們能自發地放出粒子并衰變成另一其原子核是不穩定的，它們能自發地放出粒子并衰變成另一種同位素種同位素。v2）穩定同位素穩定同位素(stable isotope)原子核是穩定的，或者其原子核的變化不能被覺察。原子核是穩定的，或者其原子核的變化不能被覺察。元素周期表元素周期表中，中，原子序數原子序數相同，相同，原子質量原子質量不同

17、，不同，化學性質化學性質基本相同，基本相同，半衰期半衰期大于大于1015年的年的元素元素的的同位素同位素。第二十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。F自然界已發現近自然界已發現近340個同位素，其中放射性同位素有個同位素，其中放射性同位素有57種（人工合成的放射性同位素超過種（人工合成的放射性同位素超過1200個），穩個），穩定同位素定同位素273種。種。FZ83且且A209的的同位素大部分是穩定同位素，同位素大部分是穩定同位素，少數是放射性的，如少數是放射性的，如14C、40K、87Rb、147Sm放射性放射性外；外；FZ83且且A209的同位素都是放射性同位素的同位素都是放射性同位素 穩定同

18、位素和放射性同位素在穩定同位素和放射性同位素在 周期表中的分布周期表中的分布第二十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。第三十頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1）輕穩定同位素）輕穩定同位素v2）重穩定同位素）重穩定同位素 第三十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。A.原子量小，同一元素的各同位素間的原子量小，同一元素的各同位素間的相對質量差異較大（相對質量差異較大（A/A5%）；）；B.輕同位素組成變化的主要原因是同位輕同位素組成變化的主要原因是同位素分餾作用造成的，其反應是可逆的。素分餾作用造成的，其反應是可逆的。第三十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。A.原子量大，同一元素的各同位素間的相對質

19、原子量大，同一元素的各同位素間的相對質量差異?。坎町愋。ˋ/A0.71.2%），環境的物理，環境的物理和化學條件的變化通常不導致重穩定同位素和化學條件的變化通常不導致重穩定同位素組成的改變；組成的改變；B.同位素組成的變化主要是由放射性同位素同位素組成的變化主要是由放射性同位素衰變造成的，這種變化在地球歷史的演變中衰變造成的，這種變化在地球歷史的演變中是單方向進行的、不可逆的。是單方向進行的、不可逆的。2）重穩定同位素）重穩定同位素第三十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。3.同位素豐度同位素豐度v 同位素豐度同位素豐度v 元素的原子量元素的原子量第三十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。v描述

20、自然界核素豐度描述自然界核素豐度 的兩種方法的兩種方法v1）絕對豐度絕對豐度指自然界各種核素存在的總量。它與組指自然界各種核素存在的總量。它與組成核素的核子數量和結構有關，反映核成核素的核子數量和結構有關，反映核素的穩定性素的穩定性。第三十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。v定義：指元素同位素所占總質量的百分數定義：指元素同位素所占總質量的百分數v例如：例如：v氧的氧的第三十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。元素的原子量元素的原子量 以原子質量單位表示的，每個天然以原子質量單位表示的，每個天然元素的原子量為該元素各同位素重元素的原子量為該元素各同位素重量的加權平均值。量的加權平均值。第三十七頁

21、，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素同位素：16O 17O 18Ov豐豐 度度：99.763%0.0375%0.1995%v質質 量量：15.99491 15.99913 17.99915vO的原子量的原子量=99.763%15.99491v 0.0375%15.99913v 0.1995%17.99915v =15.99929第三十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。第三十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。v一個完整的同位素樣品的研究包括樣品一個完整的同位素樣品的研究包括樣品的的采集、加工、化學制樣、測定及結果采集、加工、化學制樣、測定及結果的計算和解釋的計算和解釋等環節。等環節。第四十頁，

22、編輯于星期一：八點 十三分。v將地質樣品分解，使待測元素的同位素轉將地質樣品分解，使待測元素的同位素轉化為在質譜儀上化為在質譜儀上 測定的化合物，輕穩定同測定的化合物，輕穩定同位素一般制成氣體樣品。位素一般制成氣體樣品。第四十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。F例如：例如：F氧同位素氧同位素有兩種制樣方法有兩種制樣方法：v還原法還原法:高溫條件下與高溫條件下與C還原成還原成CO；v氧化法氧化法:用用F或鹵化物氧化，生成或鹵化物氧化，生成O2（精度高）。（精度高）。第四十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。質譜儀測定成分質譜儀測定成分 質譜儀是目前同位素成分測定的主要手段質譜儀是目前同位素成分測定

23、的主要手段（MAT261，MAT251）。）。其工作原理：其工作原理：把待測元素的原子或分子正離子化，并引把待測元素的原子或分子正離子化，并引入電場和磁場中運動，帶正電的質點因質入電場和磁場中運動，帶正電的質點因質量不同而被分離測定量不同而被分離測定。第四十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1)絕對比率（絕對比率（R）：用兩個同位素比值直接表示）：用兩個同位素比值直接表示例如例如32S/34S，12C/13Cv2)對標準樣品對標準樣品R的絕對比率差（的絕對比率差（R）：）：R=R樣品樣品R標準標準；v3)樣品相對于標準樣品樣品相對于標準樣品R的偏離程度的千分率的偏離程度的千分率v=（R樣樣R

24、標）標）/R標標1000v=(R樣樣/R標標1)1000 同位素成分表示方法同位素成分表示方法第四十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。v例如例如34S/32S相對于標準樣品的富集程度，相對于標準樣品的富集程度，以以 34S 來表示來表示：v 34S=(34S/32S)樣樣/(34S/32S)標標)1 1000第四十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。v習慣上把微量（較小相對豐度）同位素習慣上把微量（較小相對豐度）同位素放在放在R R的分子上，這樣可以從樣品的的分子上，這樣可以從樣品的 值，值，直接看出它含微量同位素比標準樣品是直接看出它含微量同位素比標準樣品是富集了，還是貧化了富集了，還是貧化了

25、。v0表示表示34S比標準樣品是富集了；比標準樣品是富集了；v0表示表示34S比標準樣品是貧化了比標準樣品是貧化了。第四十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素分析資料要能夠進行世界范圍內的比較，就同位素分析資料要能夠進行世界范圍內的比較，就必須建立世界性的標準樣品必須建立世界性的標準樣品 。v1)1)在世界范圍內居于該同位素成分變化的中間位置，在世界范圍內居于該同位素成分變化的中間位置，可以做為零點；可以做為零點；v2)標準樣品的同位素成分要均一；標準樣品的同位素成分要均一；v3)標準樣品要有足夠的數量；標準樣品要有足夠的數量；v4)標準樣品易于進行化學處理和同位素測定標準樣品易于進行化

26、學處理和同位素測定 第四十七頁，編輯于星期一：八點 十三分。1.同位素豐度變化同位素豐度變化2.同位素豐度變化的地質應用同位素豐度變化的地質應用第四十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。1 同位素豐度變化同位素豐度變化v 與放射性衰變有關與放射性衰變有關v 同位素分餾同位素分餾v 與核合成過程有關與核合成過程有關第四十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。同位素地質定年同位素地質定年地質時鐘地質時鐘放射性同位放射性同位素地球化學或同位素地質年代學；素地球化學或同位素地質年代學；地球化學示蹤地球化學示蹤：物質來源、地球化學過程、物物質來源、地球化學過程、物理化學條件指示劑理化學條件指示劑（地質溫度計地

27、質溫度計）。第五十頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素地質年代學是以放射性同位素衰變定律為基礎同位素地質年代學是以放射性同位素衰變定律為基礎建立的同位素計時方法，用以測定不同地質體和地質建立的同位素計時方法，用以測定不同地質體和地質事件的年齡。事件的年齡。v同位素地質年代學感興趣的是自然界存在的為數不多同位素地質年代學感興趣的是自然界存在的為數不多的一些放射性同位素核素，包括衰變速率非常慢的的一些放射性同位素核素，包括衰變速率非常慢的（如如238U、235U、232Th、147Sm等等）、由長壽命放射性）、由長壽命放射性母體衰變產生的（母體衰變產生的（234U、230Th等）、由天然核反應

28、產等）、由天然核反應產生的以及人工核試驗產生的放射性同位素。生的以及人工核試驗產生的放射性同位素。第五十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。v6.2.1 放射性同位素衰變定律及同位素地質年代學原放射性同位素衰變定律及同位素地質年代學原理理v6.2.2 K-Ar法及法及40Ar-39Ar法年齡測定法年齡測定v6.2.3 Rb-Sr法年齡測定法年齡測定v6.2.4 Sm-Nd法年齡測定法年齡測定v6.2.5 U-Pb法年齡測定法年齡測定第五十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1.放射性同位素衰變方式放射性同位素衰變方式v2.放射性同位素衰變定律放射性同位素衰變定律v3.同位素地質年代學的基本原理、

29、前提同位素地質年代學的基本原理、前提及分類及分類第五十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。v 與放射性衰變有關的幾個術語與放射性衰變有關的幾個術語v1）放射性放射性原子釋放出粒子和能量的現象即所謂的放原子釋放出粒子和能量的現象即所謂的放射性。射性。v2）放射性衰變放射性衰變元素的原子核自發地發出粒子和釋放能量元素的原子核自發地發出粒子和釋放能量而變成另一種原子核的過程。放射性同位而變成另一種原子核的過程。放射性同位素的衰變不因外界因素變化而變化，只與素的衰變不因外界因素變化而變化，只與本身原子核性質有關。本身原子核性質有關。第五十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。v3）放射性同位素放射性同位素自

30、發地發出粒子或射線，并衰變為另自發地發出粒子或射線，并衰變為另一種同位素者。一種同位素者。v4）衰變過程類型衰變過程類型單衰變或單程衰變單衰變或單程衰變系列衰變系列衰變第五十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。v正在衰變的核素稱為母核（體）(P)v衰變的產物稱為子核(D)。87Rb87Sr 238U206Pb5）放射性母體放射性母體(P)和衰變子體和衰變子體(D)第五十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1）衰變衰變v2）衰變衰變v3）電子捕獲衰變）電子捕獲衰變v4）重核裂變）重核裂變第五十七頁，編輯于星期一：八點 十三分。粒子是粒子是42He相對母體來說，子體的質子數和中子數相對母體來說，子體

31、的質子數和中子數個減少個減少2個，質量數減少個，質量數減少4。23892U 23490Th+42He()+Q 第五十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。自然界多數為自然界多數為衰變，即放射性母核中的衰變，即放射性母核中的一個中子分裂為一個中子分裂為1 1個質子和個質子和1 1個電子（即個電子（即 粒子），同時放出反中微子粒子），同時放出反中微子。衰變子體與母體比，原子序數增加衰變子體與母體比，原子序數增加1 1，質量，質量數不變；數不變；4019K4020Ca+（中微子）（中微子）+Q2）衰變衰變第五十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。母核自發地從核外電子殼層捕獲母核自發地從核外電子殼層捕獲1個

32、電子，通常在個電子，通常在K層上吸取層上吸取1個電子（個電子（e），與質子結合變成中子，質），與質子結合變成中子，質子數減少子數減少1個。個。衰變結果衰變結果：核質量數不變，質子數（核電荷數）：核質量數不變，質子數（核電荷數）減減1，變成周期表上左鄰的新元素，變成周期表上左鄰的新元素。4019K+e4018Ar+Q3）電子捕獲衰變電子捕獲衰變第六十頁，編輯于星期一：八點 十三分。v重放射性同位素自發地分裂為重放射性同位素自發地分裂為23片原子片原子量量大致相同的大致相同的“碎片碎片”，各以高速度向不，各以高速度向不同方向飛散，如同方向飛散，如238U，235U，232Th都可以都可以發生這種裂

33、變。發生這種裂變。4）重重核裂變核裂變第六十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。放射性同位素母體與子體的關系放射性同位素母體與子體的關系第六十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。2 放射性同位素衰變定律放射性同位素衰變定律v 衰變反應特性衰變反應特性1）反應在原子核內部，結果由一種核素變為另一）反應在原子核內部，結果由一種核素變為另一種核素；種核素；2）衰變反應是）衰變反應是自發自發而連續進行，母體核素按恒而連續進行，母體核素按恒定比例衰減；定比例衰減；3）反應不受任何溫度、壓力和原子存在形式）反應不受任何溫度、壓力和原子存在形式等物理化學條件的影響，衰變母、子體只是時等物理化學條件的影響，衰變母

34、、子體只是時間的函數；間的函數；4）衰變前核素和衰變后核素的原子數，只是時）衰變前核素和衰變后核素的原子數，只是時間的函數間的函數 盧瑟福盧瑟福（1902）第六十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1）內容內容在一個封閉系統內，單位時間內放射性在一個封閉系統內，單位時間內放射性母核衰變為子核的原子數與現存母核的母核衰變為子核的原子數與現存母核的原子數成正比原子數成正比。衰變定律衰變定律第六十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。dN/dt=N （1）v式中：式中：N為為t時刻存在的母體原子數；時刻存在的母體原子數；dN/dt是衰變速率，也就是單位時間內衰是衰變速率，也就是單位時間內衰變掉的放射性母

35、體原子數；變掉的放射性母體原子數；負號負號表示表示N隨時間減少隨時間減少；為為衰變常數衰變常數。第六十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。變換上式得：變換上式得：dN/N=dt （2）設設t=0時放射性母體的初始原子數為時放射性母體的初始原子數為N0，衰變進行到時間衰變進行到時間t時剩下的未衰變母體的時剩下的未衰變母體的原子數為原子數為N，第六十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。vlnNln N0=-(T-T0)=-t (據積分公式據積分公式)vlnN/N0=t (對數運算法則對數運算法則)vN/N0=et (取掉自然對數取掉自然對數)vN=N0 etv或或N0=N etv此式表明：此式表明：任

36、何放射性同位素隨時間按指任何放射性同位素隨時間按指數方式衰減。數方式衰減。v這是一切放射性反應的基本公式這是一切放射性反應的基本公式。第六十七頁，編輯于星期一：八點 十三分。參數的含義參數的含義 N=N0 et 或或N0=N et N現存母體數現存母體數 N0原始母體數原始母體數 t為時間為時間 衰變常數，不同元素有別衰變常數，不同元素有別第六十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。隨著衰變進行，母體減少，放射性成因子體增加，而隨著衰變進行，母體減少，放射性成因子體增加，而現存子體原子數現存子體原子數（D）等于衰變掉的母體數目，可表等于衰變掉的母體數目，可表示為示為：D=N0-N =N0-N0e-

37、t=N0(1-e-t)D=N0-N=Net-N=N(et-1)第六十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。第七十頁，編輯于星期一：八點 十三分。假假 定定D*表示由經過表示由經過t(T0T)母母核衰變成核衰變成的子的子核數，核數，表示為：表示為：D*=N0-N=N0(1-e-t)D*=N(et1）t=1/ln(D*/N+1)D*/N是現存子核和母核的原子數比值是現存子核和母核的原子數比值該方程是同位素地質年代學基礎該方程是同位素地質年代學基礎第七十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。v經過經過t(T0T)，體系中子核數為：，體系中子核數為：vD=D0+D*vD=D0+N0Nv =D0+N（et1）v

38、DD0=N（et1）vet1=(DD0)/Nv變換為：變換為：vt=1/ln(DD0)/N+1v已知已知D0，測定體系中目前的放射性母體和子，測定體系中目前的放射性母體和子體的原子數，可得體系封閉以來所經歷的體的原子數，可得體系封閉以來所經歷的時間時間。第七十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。vD=D0+N0NvD=D0+N(et-1)vD/Ds=D0/Ds+N/Ds(et-1)第七十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。v指放射性同位素衰變到它原來母體原子數指放射性同位素衰變到它原來母體原子數一半時所經歷的時間。一半時所經歷的時間。v半衰期和衰變常數之間具有一定的關系：半衰期和衰變常數之間具有一

39、定的關系：N=N0et 取取N=N0/2，代入衰變公式得，代入衰變公式得 =ln2/=0.593/式中式中為衰變常數為衰變常數第七十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。自然界中的放射性同位素按其成因可以分成自然界中的放射性同位素按其成因可以分成3類類：v1)單程衰變的同位素：單程衰變的同位素：40K，87Rb，147Sm，139La，等，等v2)系列衰變的同位素：鈾系、錒系、釷系、镎系系列衰變的同位素：鈾系、錒系、釷系、镎系v3)由自然界中的核反應生成的同位素：由自然界中的核反應生成的同位素：14C，3H，等。，等。v其中其中1）2）類同位素的特點是衰變能量大（）類同位素的特點是衰變能量大（測定

40、精確）、測定精確）、半衰期（半衰期（）適中，因此在地質年代學中有重要意義。）適中，因此在地質年代學中有重要意義。v第第3）類同位素的半衰期短，適用于）類同位素的半衰期短，適用于考古學和第四紀考古學和第四紀地質地質學。學。第七十五頁，編輯于星期一：八點 十三分。3 放射性同位素地質年齡測定的放射性同位素地質年齡測定的 原理、前提及方法原理、前提及方法v 放射性同位素地質年齡測定的放射性同位素地質年齡測定的原理原理v 放射性同位素地質年齡測定的放射性同位素地質年齡測定的前提前提v 放射性同位素地質年齡測定的放射性同位素地質年齡測定的方法方法第七十六頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素地質年齡的

41、含義同位素地質年齡的含義：同位素地質年齡是就特定的地質體而言的，同位素地質年齡是就特定的地質體而言的，測定礦石就是礦石的地質年齡，測定礦物就測定礦石就是礦石的地質年齡，測定礦物就是礦物的地質年齡，測定巖石就是巖石的地是礦物的地質年齡，測定巖石就是巖石的地質年齡。因此，同位素地質年齡是指利用同質年齡。因此，同位素地質年齡是指利用同位素衰變定律，測定它們在某一地質事件從位素衰變定律，測定它們在某一地質事件從水溶液或巖漿熔體中沉淀、凝固、結晶或重水溶液或巖漿熔體中沉淀、凝固、結晶或重結晶起到現在所經歷的時間。結晶起到現在所經歷的時間。同位素地質年齡測定的原理同位素地質年齡測定的原理第七十七頁，編輯于

42、星期一：八點 十三分。同位素地質年齡測定是基于上述的放射同位素地質年齡測定是基于上述的放射性衰變定律。通過準確測定巖石和礦物性衰變定律。通過準確測定巖石和礦物中所含放射性母體，以及衰變子體同位中所含放射性母體，以及衰變子體同位素的含量，根據衰變方程式計算出巖石素的含量，根據衰變方程式計算出巖石或礦物的年齡，方程式為或礦物的年齡，方程式為：第七十八頁，編輯于星期一：八點 十三分。放射性同位素地質年齡測定的前提放射性同位素地質年齡測定的前提/條件條件：1 1）巖石或礦物形成以后應該保持封閉的化學）巖石或礦物形成以后應該保持封閉的化學體系；體系；2 2）母體同位素半衰期必須與被測定地質體的）母體同位

43、素半衰期必須與被測定地質體的年齡相仿，其衰變常數必須已準確測定；年齡相仿，其衰變常數必須已準確測定；3 3）要準確地知道放射性母體同位素豐度；）要準確地知道放射性母體同位素豐度；第七十九頁，編輯于星期一：八點 十三分。4）放射性母體同位素的最終產物是穩）放射性母體同位素的最終產物是穩定的，并能準確地測定；定的，并能準確地測定；5）有精確地測定母子體含量地測試技）有精確地測定母子體含量地測試技術，并能有準確地扣除被測定對象中初術，并能有準確地扣除被測定對象中初始混入的子體同位素含量的方法；始混入的子體同位素含量的方法；第八十頁，編輯于星期一：八點 十三分。放射性同位素地質年齡放射性同位素地質年齡

44、 測定的方法測定的方法v1）原生法原生法基于放射性同位素自發衰變，基于放射性同位素自發衰變，利用衰變定律計算年齡，也叫直接法。原生法利用衰變定律計算年齡，也叫直接法。原生法又可以分為又可以分為3類：類：q 通過測定巖石或礦物中母子體比值計算年齡，如通過測定巖石或礦物中母子體比值計算年齡，如U-Pb法、法、Rb-Sr法；法；q 已知物質母體同位素的初始含量，再測定母體同位素已知物質母體同位素的初始含量，再測定母體同位素的現今含量來計算年齡，如的現今含量來計算年齡，如14C法；法；q利用天然放射性衰變的結果并測定其現代含量來計算年齡，利用天然放射性衰變的結果并測定其現代含量來計算年齡，如普通鉛法。

45、如普通鉛法。第八十一頁，編輯于星期一：八點 十三分。放射性同位素地質年齡放射性同位素地質年齡測定的方法測定的方法v2）次生法次生法v基于放射性同位素衰變時產生的射線和核裂變基于放射性同位素衰變時產生的射線和核裂變對周圍物質作用產生的次生現象，借助于射線對周圍物質作用產生的次生現象，借助于射線核裂變作用的程度來測定年齡，也叫間接法。核裂變作用的程度來測定年齡，也叫間接法。如氧化法、裂變徑跡法、熱發光法，等。如氧化法、裂變徑跡法、熱發光法，等。第八十二頁，編輯于星期一：八點 十三分。v同位素概念、分類及各自特點同位素概念、分類及各自特點;v同位素豐度變化原因及應用；同位素豐度變化原因及應用；v放射性同位素衰變定律及表達式；放射性同位素衰變定律及表達式；v同位素地質年代學測定的原理、前提同位素地質年代學測定的原理、前提及通用的數學表達式。及通用的數學表達式。第八十三頁，編輯于星期一：八點 十三分。v1.同位素、穩定同位素、放射性同位素的概念同位素、穩定同位素、放射性同位素的概念v2.同位素豐度同位素豐度v3.同位素豐度的變異方式及其地質應用。同位素豐度的變異方式及其地質應用。v4.衰變定律衰變定律v5 同位素地質年齡測定方法的前提同位素地質年齡測定方法的前提第八十四頁，編輯于星期一：八點 十三分。