地球化学东华理工大学地球学课件6 TJH.ppt

研究领域 包括有两个方面： 1、同位素地质年代学 2、稳定同位素地球化学 同位素地质年代学是根据放射性同位素随时间变化的规律，测定地质体的年龄与活动历史；另外，放射性同位素的示踪，可用来研究地壳、地幔和其他星体的成因与演化； 稳定同位素地球化学是研究地质体中稳定同位素的分布及其在各种条件下的运动规律，并应用这些规律来解释岩石和矿石的形成过程、物质来源及成因等问题。 在地球化学系统中，天然放射性同位素丰度的变异记载着地质作用的时间，同时它们又是地质过程有效的示踪剂，而对于稳定同位素丰度的变异或分镏除了示踪地质过程外，还可指示地质过程中的物理化学条件等。因此，同位素地球化学在研究地球或宇宙体的成因与演化，主要包括地质时钟、地球热源、壳幔相互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值的信息，为地球科学从定性到定量的发展作出了重要贡献。 同位素地球化学的发展现状 同位素地球化学发展迅速，已渗透到地球科学的各个研究领域，如：大地构造学、岩石学、矿床学、海洋学、环境科学、空间科学等。 主要表现在以下方面： 1、实验测试技术不断完善和提高； 2、多元同位素体系的综合研究； 3、研究领域不断扩大； 4、各种新方法的出现； 5、建立各种理论模型。 我国同位素地球化学的学术团体 我国同位素地球化学的研究工作从1958年开始，目前拥有的研究人员和质谱属世界第一。 学术团体： 1、中国矿物岩石地球化学学会—同位素地球化学专业委员会 2、中国地质学会—同位素地球化学专业委员会 核素的性质 所谓同位素(isotope)是指同一元素原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子，它们在元素周期中占据同一个位置。 例如，硫有4个同位素，它们分别为1632S、1633S、1634S和1635S，这4个同位素都有16个质子，因而它们都位于元素周期表第三周期第ⅥA族。一个元素可以由一种或几种同位素组成。 同位素地球化学是研究同一元素具有2个或2个以上组成的核素。 同位素分类 目前已发现的天然同位素有341种，其中放射性同位素有67种（人工合成的放射性同位素已达1200多种），稳定同位素有274种（其中一部分具有弱放射性）。 这两类同位素在原子序数和质量数上具有明显的区别，凡是原子序数大于83，质量数大于209的同位素都是放射性同位素或放射性成因同位素；原子序数小于83，质量数小于209的同位素中，除14C，40K， 87Rb，147Sm，176Sm，176Lu，187Re等核素具放射性外，其余大多是稳定同位素。 稳定同位素不能自发地衰变形成其他同位素，稳定同位素又可分为轻稳定同位素（质量数40）和重稳定同位素（质量数40）。 轻稳定同位素： 1）原子量小，ΔA/A≥5% (ΔA 为两同位素质量差)；例如（D-H）/H＝100％；（18O-16O）/16O＝12.5％ 2）发生同位素成分变化的主要原因是同位素分馏作用，其反应是可逆的。 例：O、H、S、C、N元素的同位素。 重稳定同位素： 1）原子量大，ΔA/A＝0.7%～1.2％； 2）发生同位素成分变化的主要原因是放射性核素不断衰变的结果所造成的，这种变化是不可逆的。 238U→206Pb、235U→207Pb、232Th→208Pb， 其中87Sr、143Nd、206Pb、207Pb、208Pb是重稳定同位素。 根据放射性同位素以上特性，放射性同位素衰变定律为单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式如下： -dN/dt=λN 式中：N为在t时刻存在的母体原子数；dN/dt为t时的衰变速率，负号表示N随时间减少；λ为衰变速率常数，表示单位时间内发生衰变的原子的比例数，用实验方法测定，其单位为1/年或1/秒。 将上式由t=0到t求积分，整理后得： ln(N/N0)=- λt N0为t=0时的衰变母体原子数。由此得： N=N0e-λt 或N0 =Neλt 以上为放射性同位素衰变的基本公式，表明母核原子数为N0的放射性同位素，经时间t后残存的母体原子数N= N0e-λt，N与t为指数函数。 对于任一放射性同位素体系，放射性核素衰变掉初始原子数的一半所需的时间称为半衰期，以T1/2表示。根据定义，当t=T1/2时, N=1/2N0，代入D*=N(eλt-1)并整理得： T1/2=ln2/λ 由此可见，T1/2与λ呈反比关系，衰变常数λ值愈小，半衰期愈长，核的寿命也愈长。 放射性母体核素N和子体核素D*随时间t变化的曲线