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第五章 同位素地球化学基础 研究意义 同位素地球化学基础 地质体的年龄 板块构造 地球的年龄 太阳系各天体的年龄 物质来源 地球、地壳和地幔演化 同位素地球化学基础 一、同位素分馏和衰变反应 1.同位素的定义和分类 定义：质量数不同，质子数相同的核素为同位素。 同位素地球化学基础 已发现的天然同位素330多种 分类： 放射性同位素： 40K、87Rb、147Sm、238U、235Th等 稳定同位素：轻同位素和重同位素 12C 、 13C 、16O、 17O 、 18O 、 32S、 34S等 同位素地球化学基础 2.同位素分馏作用 ?A/A =10% 物理分馏（质量分馏）： 物理过程中由于同位素质量差异引起的分馏称为物理分馏。 例如：蒸发-凝聚：蒸汽富H2O,水体富D2O 扩散：高层富14N，低层富15N 等。 同位素地球化学基础 同位素地球化学基础 （1）化学分馏 在化学反应过程中引起轻重同位素的分异称为化学分馏 分子振动频率 化学键强度 反应速率(K) = 产物中富集轻同位素 同位素地球化学基础 动力分馏：由于化合物中轻重同位素的化学键强度差异引起(=反应速率差别) C + 16O2 = C16O2 K1 C + 16O18O = C 16O18O K2 K1 /K2 = 1.17 同位素地球化学基础 生物化学分馏 生物活动和有机反应将引起同位素分馏，如植物通过光合作用使12C更多地富集在生物合成的化合物中，所以生物成因的煤、石油、油气具有最高的12C/ 13C比值。 同位素地球化学基础 （3）分馏作用的影响因素 ?A/A( 相对质量差): (?A/A)D- H = ( AD - AH)/ AH = (2-1)/1=100% 温度：温度越高，分馏作用越小。 平衡程度： 同位素地球化学基础 同位素地球化学基础 （4）同位素组成和分馏的表示方法 绝对比值 如大气中18O/16O比值 R (18O/16O)=2.0?10-3 同位素地球化学基础 偏差值：与国际通用标准样品之间的偏 差 绝对比值差： R(样品) - R(标准样品) 相对比值差： ?（%o）= [(R样品- R标准)/ R标准]?1000 同位素地球化学基础 同位素地球化学基础 如： ?18O（%o）= [(18O / 16O )样品- (18O / 16O )标准]/ (18O / 16O )标准}?1000 ? D（%o）= ? 34S（%o）= ? 13C（%o）= 同位素地球化学基础 3.衰变反应和衰变定律 （1）自然核衰变的种类 ?衰变 原子核中的中子分裂为质子和电子： AZM = AZ+1M+ ? - ,例如： 8737Rb = 8738Sr + ? - 4019K = 4020Ca + ? - 同位素地球化学基础 电子捕获 原子自发地从K或L层电子轨道吸取一个电子形成中子，通式为： AZM + e - = AZ -1M ,例如： 4019K + e - = 4018Ar 13857La + e - = 13856Ba 同位素地球化学基础 ?衰变 重核通过放出?质点（He核），通式为： AZM = A-4Z -2M + ?, 例如： 22688Ra = 22286Rn + ? 同位素地球化学基础 (2)衰变定律 母体和子体概念： 母体：放射性核素 子体：衰变产物 同位素地球化学基础 卢瑟福（1902）实验结果： 单位时间内衰变的原子数正比于放射性母体原子数。 衰变的母体、子体原子数只与时间有关，与体系T,P等物理化学条件无关。 同位素地球化学基础 衰变定律表达式： -dN/dt = ?N （原子数目与时间的关系） dN / N = - ? dt, 左边由No积分到N, 右边由0积分到 t, 得： ln N - ln No = - ? t N/No = e - ? t 或 N = No e - ? t 同位素地球化学基础 当t=0时，D* =0, 经过t时间后有： D* = No - N 代入上式得： D* = N( e ? t - 1) 同位素地球化学基础 (3)同位素年代学的技术和条件 准确测定衰变常数 高精度、高灵敏度的测定技术 样品的封闭性：例如，对于岩浆作用可选择耐高温的岩石或矿物，如锆石等，含水矿物中，角闪石的封闭性好于云母 同位素地球化学基础 （4）同位素测定方法 制样 制成易离子化的化合物或气体 要求： 试剂和设备不能带入污染 处理过程不存在分馏作用 同位素地球化学基础 质谱仪测定 见下图 同位素地球化学基础 思考题： 自然界中放射性同位素组成变异的原因？ 自然界中非放射性同位素组成变异的原因？