同位素地球化學(xué)-1

1、1中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES授課： 李獻(xiàn)華1，儲(chǔ)雪蕾1，朱祥坤21. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所同位素地球化學(xué) （60 學(xué) 時(shí)）2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所助教： 張吉衡33. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES課程安排1. 第01-21學(xué)時(shí) 李獻(xiàn)華：放射性同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué)2. 第21-42學(xué)時(shí) 儲(chǔ)雪蕾：穩(wěn)定同位素地球

2、化學(xué)3. 第43-60學(xué)時(shí) 朱祥坤：非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)考核評(píng)分1. 閉卷考試 占總成績(jī)的80%2. 平時(shí)作業(yè) 占總成績(jī)的20%3. 創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì) 額外+10%3中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES主講教授簡(jiǎn)介主講教授簡(jiǎn)介李獻(xiàn)華 ()1983年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球化學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位；1988年，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所/美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查所 聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，獲博士學(xué)位。1988年12月-2005年10月，在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所工作， 歷任助理研究員、副研究

3、員、研究員。2005年11月至今，在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工作，任研究員。1997年，獲得杰出青年基金和中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”資助；2004年獲得國(guó)家基 金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目資助。2007當(dāng)選美國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)會(huì)士(GSA Fellow)。學(xué)術(shù)任職：巖石圈演化研究室主任、巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、離子探針 實(shí)驗(yàn)室主任；Geostandards and Geoanalytical Research、Geological 、 Magazine、Precambrian Research、Palaeoworld、科學(xué)通報(bào)、中國(guó)科 學(xué): 地球科學(xué)、巖石學(xué)報(bào)、地球化學(xué)等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊編委。研究方向：

4、同位素年代學(xué)和地球化學(xué)、火成巖地球化學(xué)、前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)、化學(xué) 地球動(dòng)力學(xué)、微區(qū)原位同位素實(shí)驗(yàn) 學(xué)歷與工作經(jīng)歷：4中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES主講教授簡(jiǎn)介主講教授簡(jiǎn)介儲(chǔ)雪蕾 ()學(xué)歷： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（本科），地球化學(xué)專業(yè) 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所（碩士），導(dǎo)師：侯德封、陳錦石 日本東北大學(xué)理學(xué)院（理學(xué)博士），導(dǎo)師：Hiroshi Ohmoto 工作經(jīng)歷： 1973-1979 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，教員； 1982-現(xiàn)在 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，

5、助研、副 研究員、研究員；中國(guó)科學(xué)院研究生院/中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 兼職教授；1985-1988，美國(guó)Pennsylvania State University作訪 問(wèn)學(xué)者；多次赴日本東北大學(xué)和岡山大學(xué)、德國(guó)馬普化學(xué)所、美國(guó) 加州大學(xué)河邊分校、香港大學(xué)等短期訪問(wèn)研究。研究方向： 長(zhǎng)期從事穩(wěn)定同位素地球化學(xué)領(lǐng)域的研究：包括同位素交換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；應(yīng)用穩(wěn)定同位素研究流體、水/巖相互作用、巖漿和成礦作用；應(yīng)用碳、硫同位素進(jìn)行海相地層對(duì)比、古海洋C和S的生物地球化學(xué)循環(huán)，以及地球早期環(huán)境與生命的協(xié)同演化等。5中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSC

6、HINESE ACADEMY OF SCIENCES朱祥坤朱祥坤主講教授簡(jiǎn)介主講教授簡(jiǎn)介中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，研究員；國(guó)土資源部同位素地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主任；中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)同位素地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)，主任。 學(xué)歷： 長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院（現(xiàn)吉林大學(xué)），學(xué)士，地質(zhì)學(xué)專業(yè)； 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究生，碩士，地球化學(xué)專業(yè)； 英國(guó)劍橋大學(xué)，博士，同位素地球化學(xué)。 工作經(jīng)歷： 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究（1988-1993），助理研究員； 英國(guó)牛津大學(xué)地球科學(xué)系（1997-2002）， Research Fellow 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所（2003年至今），研究員。研究領(lǐng)域： 主要從事地球化學(xué)、特別是同位素地球化學(xué)和

7、同位素地質(zhì)年代學(xué)研究，國(guó)際非常傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)主要奠基人之一。6中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES地球是何時(shí)形成的？7中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES地球是何時(shí)形成的？18世紀(jì)中期之前，屬于神學(xué)關(guān)心的問(wèn)題20世紀(jì)之后，放射性同位素測(cè)量James Hutton (1785)地球的理論 “均變論”Charles Lyell (1830)地質(zhì)學(xué)原理 “現(xiàn)在

8、是了解過(guò)去的一把鑰匙”1726-17971797-18751650年大主教Ussher宣布世界是在公元前4004年創(chuàng)造出來(lái)的8中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES視視 頻頻9中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESPatterson (1956)測(cè)定地球形成年齡 = 4.550.07 Ga10中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY A

9、ND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES目前測(cè)定的最精確地球形成年齡: 4567.20.6 Ma11中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES2010目前測(cè)定的最精確地球形成年齡: 4568.50.5 MaKrot et al. (2003)12中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES V. M. Goldschmidt Award

10、 - for major achievements in geochemistry or cosmochemistry F.W. Clarke Medal - to an early-career scientist for a single outstanding contribution to geochemistry or cosmochemistry C.C. Patterson Medal - for a recent innovative breakthrough in environmental geochemistry of fundamental significance.T

11、he Geochemical Society 大獎(jiǎng)V.M. Goldschmidt (1888-1947) F.W. Clarke (1847-1931)C.C. Patterson(1922-1995) 13中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素年代學(xué)大事記1896，Becquerel發(fā)現(xiàn)天然放射性1902，Rutheford & Soddy提出放射性衰變公式1903，Curie夫婦報(bào)道Ra衰變生成大量熱1906，Rutherford提出Pb/U比值可用于定年19

12、07，Boltwood首次測(cè)定了3個(gè)晶質(zhì)鈾礦年齡1908-1911，Holmes精確測(cè)定鈾礦石U/Pb年齡Proc. R. Soc. Lond. A 1911 85, 248-25614中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESArthur Holmes, 1913The Age of the Earth1913年同位素地質(zhì)年代學(xué)誕生Frederick Soddy, 1913提出“同位素”概念 推斷地球的年齡為1600 Ma At the authors age of 23 year

13、s old原子質(zhì)量不同但化學(xué)性質(zhì)相同(占據(jù)化學(xué)周期表中同一位置，希臘語(yǔ))15中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESDurham University以Arthur Holmes命名的地質(zhì)系樓 Arthur Holmes BuildingArthur Holmes 在 Durham大學(xué)任教 (1924-1942)16中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES17中國(guó)科學(xué)院

14、地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES1944年 (第一版)1965年 (第二版)2000年出版的Arthur Holmes的第一本傳記18中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素年代學(xué)100年的發(fā)展歷程19中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESProfes

15、sor Nier circa 1940 with the mass spectrometer he used to isolate Uranium 235 Triton Plus 熱電離質(zhì)譜熱電離質(zhì)譜需要需要 10 mg 鉛進(jìn)鉛進(jìn)行行Pb同位素比值同位素比值分析分析只需只需 10-8 mg 鉛鉛進(jìn)行進(jìn)行Pb同位素比同位素比值分析值分析Cameca IMS 1280HR 離子探針離子探針只需只需 10-10 mg 鉛鉛進(jìn)行進(jìn)行Pb同位素比同位素比值分析值分析以Pb同位素分析為例看同位素分析技術(shù)的進(jìn)步20中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYS

16、ICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素年代學(xué) 現(xiàn)代定量地質(zhì)學(xué)的基石1. 理論基礎(chǔ)：放射性衰變定律2. 分析方法：現(xiàn)代物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)3. 應(yīng)用領(lǐng)域：地球科學(xué)各分支學(xué)科(時(shí)間坐標(biāo))21中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES高等數(shù)學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)、元素地球化學(xué)預(yù)修課程分析地球化學(xué)、化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)、比較行星學(xué)相關(guān)課程22中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINES

17、E ACADEMY OF SCIENCES教學(xué)目的之一：把“厚”書念“薄” 1. 理論基礎(chǔ)：扎實(shí)2. 分析方法：熟悉 (分析地球化學(xué))3. 應(yīng)用領(lǐng)域：活學(xué)活用 (化學(xué)地球動(dòng)力學(xué))教學(xué)目的之二：溫故知新、教學(xué)相長(zhǎng)23中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES24中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES Isotope geochemistry Isotope geochem

18、istry is an aspect of geology based upon study of the natural variations in the relative abundances of isotopes of various elements. Radiogenic isotope geochemistry is concerned with the products of natural radioactivity. Stable isotope geochemistry is largely concerned with isotopic variations aris

19、ing from mass-dependent isotope fractionation. Variations in isotopic abundance are measured by isotope ratio mass spectrometry, and can reveal information about the ages and origins of rock, air or water bodies, or processes of mixing between them.25中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSIC

20、SCHINESE ACADEMY OF SCIENCES 同位素地球化學(xué)地球化學(xué)的一個(gè)分支，研究天然物質(zhì)中同位素的豐度、變異及其演化規(guī)律的學(xué)科。同位素 原子質(zhì)量不同但化學(xué)性質(zhì)相同的元素 (Soddy, 1913)，即同一元素原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類原子，在元素周期中占據(jù)同一個(gè)位置。26中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素分類 放射性同位素：能夠自發(fā)地衰變形成其它同位素，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的放射成因同位素。穩(wěn)定同位素：不自發(fā)地衰變形成其它同位素或由于衰變期長(zhǎng)其同位素

21、豐度變化可忽略不計(jì)。 27中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES 同位素地球化學(xué)的研究?jī)?nèi)容 1. 放射性同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué)：測(cè)定行星和地球各種地質(zhì)體及地質(zhì)作用的年齡與過(guò)程；示蹤地殼、地幔和其他星體的成因與演化。2. 穩(wěn)定同位素地球化學(xué)：地質(zhì)體中穩(wěn)定同位素 (包括非傳統(tǒng)/金屬穩(wěn)定同位素) 的分布及其在各種條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律來(lái)解釋巖石和礦石的形成過(guò)程、物質(zhì)來(lái)源及成因等問(wèn)題。28中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEO

22、PHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES放射性同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué) 穩(wěn)定同位素地球化學(xué)非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)29中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES1. Geochemica and Cosmochimica Acta2. Earth and Planetary Science Letters3. Chemical Geology4. Contribution to Mineralolgy and Petrology5. Lithos6. 地

23、球化學(xué)7. 巖石學(xué)報(bào) 與同位素地球化學(xué)研究有關(guān)的主要國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES30 Isotopes: Principles and Applications, 3rd EditionGunter Faure, Teresa M. Mensing, 2005, 896p.同位素地質(zhì)學(xué)原理G. 福爾 著, 潘曙蘭、喬廣生 譯, 李繼亮 校, 1983Radiogenic Isotope Geology, 2rd EditionAlan P. Dickin,

24、 2005, 492p.教學(xué)參考書31中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES基本概念1. 放射性衰變：自然界中部分核素在能量上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)地從某一元素的同位素衰變成為另一元素的同位素，并伴隨各種粒子形式的能量釋放的過(guò)程稱為放射性衰變。2. 放射性同位素：發(fā)生放射性衰變的同位素（母體同位素）3. 放射成因同位素：放射性衰變過(guò)程中及最終形成的穩(wěn)定同位素（子體同位素 ）放射性同位素地質(zhì)年代學(xué)與地球化學(xué) 32中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY

25、AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES放射性衰變的類型a a-衰變b b-衰變電子捕獲自發(fā)裂變33中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESa a-衰變34中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESn n自然界多數(shù)為自然界多數(shù)為 衰變，即放射性母核中的一個(gè)中衰變，即放射性母核中的一個(gè)中子分裂為子分裂為 11 個(gè)質(zhì)子和個(gè)質(zhì)子和 11

26、個(gè)電子（即個(gè)電子（即 粒子），同時(shí)粒子），同時(shí)放出反中微子放出反中微子gg：n n衰變結(jié)果，核內(nèi)減少衰變結(jié)果，核內(nèi)減少11 個(gè)中子，增加個(gè)中子，增加 11 個(gè)質(zhì)子，新個(gè)質(zhì)子，新核的質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)加核的質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)加11，變成周期表上右，變成周期表上右側(cè)相鄰的新元素。側(cè)相鄰的新元素。如：如：EYXAZAZ+-+gb1ESrRb+-gbb87388737ECaK+-gbb40204019b b-衰變35中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES電子捕獲36中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地

27、球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES自發(fā)裂變?cè)雍嗽跊]有粒子轟擊或不加入能量的情況下發(fā)生的裂變，是放射性衰變的一種，只出現(xiàn)在幾種較重的同位素中 (如235U、238U、239Pu、 240Pu等)。 大部份的核裂變都是一種有中子撞擊的核反應(yīng)，反應(yīng)物裂變?yōu)槎€(gè)較小的原子核。核反應(yīng)是依中子撞擊的機(jī)制所產(chǎn)生，不是依照自發(fā)裂變中，相對(duì)較固定的指數(shù)衰減及半衰期特性所控制。37中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY

28、OF SCIENCES1.1. 放射性衰變是發(fā)生在原子核內(nèi)部的反應(yīng)，反應(yīng)放射性衰變是發(fā)生在原子核內(nèi)部的反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果由一種核素變成另一種核素。結(jié)果由一種核素變成另一種核素。2.2. 放射性衰變不受溫度、壓力、電磁場(chǎng)和原子核放射性衰變不受溫度、壓力、電磁場(chǎng)和原子核存在形式等物理化學(xué)條件的影響。存在形式等物理化學(xué)條件的影響。3.3. 衰變自發(fā)地不斷地進(jìn)行，并有恒定的衰變比例。衰變自發(fā)地不斷地進(jìn)行，并有恒定的衰變比例。4.4. 衰變前和衰變后核數(shù)的原子數(shù)只是時(shí)間的函數(shù)。衰變前和衰變后核數(shù)的原子數(shù)只是時(shí)間的函數(shù)。放射性同位素衰變特點(diǎn)38中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLO

29、GY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES放射性衰變定律 (Rutheford & Soddy, 1902)單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子數(shù)與現(xiàn)存放射性母體的原子數(shù)成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：-dN/dt = N (1)式中：N為在t時(shí)刻存在的母體原子數(shù)；dN/dt為t時(shí)的衰變速率，負(fù)號(hào)表示N隨時(shí)間減少；為衰變速率常數(shù)(表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子的比例數(shù)，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，其單位為年-1）。39中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES對(duì)公式

30、 (1) -dN/dt = l lN 做積分放射性衰變過(guò)程方程初始時(shí)刻t = 0 時(shí)原子數(shù)為N0的放射性母體在任何時(shí)刻 t 仍存在的原子數(shù) N0(2)-ldtdNN=NN0t0= -ltNN0ln放射性衰變定律 (Rutheford & Soddy, 1902)40中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES當(dāng)N/N0 = 1/2（母體衰變到一半時(shí)）放射性母體半衰期 (t1/2) 與衰變常數(shù) (l l) 的關(guān)系：(3)41中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF

31、GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES 放射成因(子體)同位素D* = N0 - - N(4)42中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES放射性子體同位素(D*) 的積累 (N0不易獲得，可以做放射性衰變公式轉(zhuǎn)換)*(5)D*43中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES總子體同位素D = 初始子體同位素D0 +

32、 放射成因子體同位素D*D0(6)(7)從公式(6)可以計(jì)算出年齡()1/ln10+ +- -= =NDDtl l 44中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESD/DS D0/DS N/DS(el lt - - 1)(8)(9)公式（6）兩邊同除以DS（穩(wěn)定子體同位素，常數(shù)）D0/Ds = 初始子體同位素比值 同位素地球化學(xué)示蹤( )1ln10+ +- -= =NDtl l DsDDsDs45中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPH

33、YSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素年齡(t)測(cè)定需知道：(1) 初始D0/Ds 和 (2) 現(xiàn)今N/Ds。當(dāng) D0 = 0 或可以忽略不計(jì), D = D*，公式 (7)可以簡(jiǎn)化為：()1ln1+ += =Dtl l N(9)*只需要測(cè)量母/子體同位素比值，就可以計(jì)算出年齡 t同位素年齡測(cè)定通用公式( )1ln10+ +- -= =NDtl l DsDDsDs46中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES當(dāng) D0 = 0 或不能忽略不計(jì)，公式 (8)

34、 有兩個(gè)未知數(shù)：D0/Ds 和 t，需要用2個(gè)（或2個(gè)以上）D0/Ds 和 t 相同的的樣品解聯(lián)立方程。D/DS D0/DS N/DS(el lt - - 1)(8)/N/DS截距 = D/D0D/DS斜率 = el lt - - 1等時(shí)線方程47中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素年代學(xué)中的年齡單位Ga = Giga annum (109 years ago)Ma = Mega annum (106 years ago)m.y. = million yearsb.y.

35、= billion years48中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES49中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES前情回顧放射性衰變0放射性同位素年代學(xué)和地球化學(xué)( )1ln10+ +- -= =NDtl l DsDDsDs50中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF S

36、CIENCES常用放射性同位素體系 51中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESRb-Sr同位素定年方法52中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES84Sr86Sr88Sr87Sr87Rb85Rb464837384950中子數(shù) (Number of neutrons)質(zhì)子數(shù) (Number of protons)87Rb 87Sr + b bT1/2 = 4.88 x

37、1010 y；l l87Rb = 1.42 x 10-11 y-186Sr86Sr84Sr86Sr53中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES85Rb87Rb72.2%27.8%原子豐度Atomic abundance 85Rb/87Rb = 2.5986Sr88Sr9.87%82.53%87Sr84Sr7.04%0.56%88Sr/86Sr = 8.3752原子豐度Atomic abundance 銣鍶元素地球化學(xué)復(fù)習(xí)54中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF G

38、EOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES元素地球化學(xué)復(fù)習(xí)Rb-Sr地球化學(xué)性質(zhì)55中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES元素地球化學(xué)復(fù)習(xí)銣 (Rubidium, atomic number = 37)IA堿金屬元素，Li、Na、K、Cs、Fr。強(qiáng)不相容元素，極易溶解遷移。Rb+離子半徑較大（1.48），而與K+的離子半徑（1.33）相近，能夠置換含K礦物中K+。賦存形式：Rb是分散元素，尚未發(fā)現(xiàn)Rb的獨(dú)立礦物。通過(guò)類質(zhì)同像置

39、換Rb賦存在含K礦物中（如云母、鉀長(zhǎng)石、某些粘土礦物和蒸發(fā)鹽）。Rb-Sr地球化學(xué)性質(zhì)56中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES元素地球化學(xué)復(fù)習(xí)鍶 (Strontium, atomic number = 38)IIA堿土金屬元素，Be、Mg、Ca、Ba、Ra。不相容元素，較易溶解元素。Sr+離子半徑（1.13）稍大于Ca+的離子半徑(0.99)。賦存形式：Sr是一個(gè)分散元素，可形成獨(dú)立礦物(菱鍶礦和天青石)常存在于含Ca的礦物中，如斜長(zhǎng)石、磷灰石和方解石等礦物中 (磷灰石、方解石

40、等礦物Rb/Sr 0)。Rb-Sr地球化學(xué)性質(zhì)57中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES(9)( )1ln10+ +- -= =NDtl l DsDDsDsRb-Sr同位素年齡測(cè)定+-=1Sr86Rb/87iSr86Sr/87Sr86Sr/87ln1t58中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESD/DS D0/DS N/DS(el lt - - 1)(8)大多數(shù)礦物和

41、巖石都含有非放射成因子體同位素Sr()1868786878687-+=tieSrRbSrSrSrSrlt 為礦物/巖石形成以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間；(87Sr/86Sr)i 為初始Sr(子體)同位素比值;衰變常數(shù) l l1.4210-11 y-1。59中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES()1868786878687-+=tieSrRbSrSrSrSrlRb-Sr等時(shí)線方程 由斜率計(jì)算出“等時(shí)線年齡 (t)”60中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY A

42、ND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES花崗巖礦物-全巖Rb-Sr等時(shí)線示意圖(注意：含鉀與不含鉀礦物在等時(shí)線上的位置)全巖鉀長(zhǎng)石黑云母(磷灰石)A型花崗巖全巖Rb-Sr等時(shí)線實(shí)例61中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES(Minster & Allegre, 1981)BABI = Basaltic Achondrite Best Initial = 0.699 Papanastassiou & Wasserburg (1

43、969) 隕石等時(shí)定年與地球初始87Sr/86Sr比值62中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES地球不同儲(chǔ)庫(kù)的Sr同位素演化示意圖63中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES等時(shí)線定年方法的基本前提1、 (elt - 1) = 常數(shù) (t相同) ，即所測(cè)定的一組樣品同時(shí)形成2、 (87Sr/86Sr)0 = 常數(shù)，即均一的Sr同位素組成,所有樣品同源3、 自巖漿結(jié)晶以

44、后母-子體同位素體系保持封閉()1868786878687-+=tieSrRbSrSrSrSrl64中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES等時(shí)線擬合 雙誤差最小二乘回歸法 (York 方程, 1966) 65中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES等時(shí)線擬合質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估66中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHY

45、SICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCESl MSWD 2.5，擬合線是誤差線 (errorchron)誤差線：當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離擬合線的MSWD2.5，表明其分散不僅僅是實(shí)驗(yàn)分析誤差，還有其他地質(zhì)誤差”（如初始Sr同位素組成不完全均一等）。67中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES“兩點(diǎn)/三點(diǎn)等時(shí)線”問(wèn)題 等時(shí)線的回歸是對(duì)一組樣品的線形相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)，回歸線的統(tǒng)計(jì)誤差與樣本數(shù)N（或自由度 f = N 2）有關(guān)。 等時(shí)線斜率誤差 ，所以N 3。 “兩點(diǎn)等時(shí)線”，N =

46、 2；f = 0，斜率誤差無(wú)窮大，等時(shí)線年齡(t)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從統(tǒng)計(jì)的角度上，樣本數(shù)越多(N 7)，等時(shí)線斜率(t)的統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差越小。 68中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES工作原則1. 滿足等時(shí)線定年基本前提(等時(shí)、初始87Sr/86Sr均一、封閉體系)；2. 盡可能大的分析樣本數(shù)(N)，減小統(tǒng)計(jì)誤差；3. 母/子體同位素比值(87Rb/86Sr)范圍越大，等時(shí)線斜率(t)精度越高。69中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GE

47、OPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES目前Rb/Sr比值和Sr同位素的分析水平（分析地球化學(xué)課程） 87Rb/86Sr 1% （ID-TISM：同位素稀釋法） 87Sr/86Sr 0.002-0.005% (TIMS or MC-ICPMS)Triton Plus型熱電離質(zhì)譜 (TIMS)Neptune型MC-ICPMS70中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES同位素稀釋法（ID - Isotope Dilution）l 向被測(cè)樣品中準(zhǔn)確稱取和加入已知同位素組成、濃度的同位素稀釋劑(Spike)，使樣品中該元素的同位素組成改變，經(jīng)化學(xué)制備達(dá)到同位素平衡后，將該元素分離和提純，通過(guò)質(zhì)譜測(cè)定該元素的同位素組成，從而計(jì)算出該元素的含量。l 稀釋劑(Spike): 用人工方法將元素天然組成中的某一同位素的豐度顯著提高，使其與自然樣品的同位素組成有明顯的差異。71中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所INSTITUTE OF GEOLOGY AND GEOPHYSICSCHINESE ACADEMY OF SCIENCES以Rb分析為例同位素豐度樣品天然R