地球化学在地质年代学中的应用利用同位素定年方法
地球化学研究的基本问题
地球化学的定义：地球化学是研究地球及其他自然作用体系的化学组成化学作用和化学演化科学. 地球化学研究的基本问题：1.研究地球和地质体中元素及其同位素的组成。
（1）丰度问题：元素在地球及各层圈(壳、幔、核)中平均含量（2）元素的分布和分配问题：元素及其同位素含量在不同地质构造单元、岩石、矿物和矿床中的变化2.研究元素共生组合和赋存形式3.研究元素的迁移4.元素迁移历史与地球演化地球化学的学科特点：是地球科学的分支，是地质学和化学相结合的一门学科：研究地球及其他自然体系作用最后得出自然作用的认识：化学组成，化学科学和化学演化的科学。
地球化学研究方法：采用类比和反序方法：先野外（样品采集，结构观察）后室内（实验模拟自然条件，元素测定）：地球化学数据分析。
行星分为两类：接近太阳的较小内行星-水星，金星，地球，火星－类地行星；远离太阳大的外行星-木星，土星，天王星，海王星－类木行星。
！太阳系中元素的丰度特征是什么？1.最丰富的元素H和He，H/He比值为12.5。
2.原子序数较低(Z<50)的轻元素，随原子序数增加丰度呈指数递，较重元素(Z>50)不仅丰度低，且丰度值几乎不变，即丰度曲线近乎水平.3.原子序数为偶数元素的丰度值大大高于原子序数为奇数的相邻元素。
4.与H e相邻L i，B e，B丰度很低，按轻元素的丰度水平它们是非常亏损的元素。
O，F e呈现明显峰值，它们是过剩元素。
5.T c和P m没有稳定同位素，在太阳系中不存在。
Z>83(B i)的元素也没有稳定同位素，它们都是T h和U的长寿命放射成因同位素。
质量数为4倍数的核素或同位素有较高丰度.如4He，16O，40Ca，56Fe，140Ce等。
！解释CL型球粒陨石常用做标准化的原因：CL型碳质球类陨石是其中最原始的，的非挥发性元素的丰度几乎与太阳中观察到的元素丰度完全一致。
！一般根据其中的金属含量，先将陨石划分为四种主要类型：球粒陨石约含10%金属；无球粒陨石约含1%金属；铁陨石金属含量＞90%；石铁陨石约含50%金属。
放射成因同位素在地学领域的应用
Continental Crust
Differentiation
Rb>Sr Nd >Sm
La>Lu
of the Earth
Rb>Sr
Nd>Sm
La>Lu
La
Lu
Mantle
(After partial melt extraction)
Rb<Sr
Nd <Sm La<Lu
La
Lu
Melts extracted from the mantle rise to the crust, carrying with them their “enrichment” in incompatible elements
地球Sr和Nd同位素演化
87Sr/87Sr = (87Sr/86Sr)0 + (87Rb/86Sr)lt
basaltic achondrite best initial
87Sr/86Sr
Time (Ma)
143Nd/144Nd
Time (Ga)
同位素初始比值计算
测得样品的现在87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值 测得样品的现在Rb、Sr、Sm、Nd含量 已知样品的形成时代
部分熔融过程微量元素的分馏作用及壳幔的 组成特征
La
Lu
La
Nd Sm
Co
Region of Partial M elting
Ni
Rb Sr
Melting Residue
La
Lu
Partial melting of rock
Preference of incompatible elements
地球化学分析方法
地球化学分析方法微量元素和同位素地球化学的飞速发展，主要得益于基础科学理论的渗透和现代测试技术的充分应用。
地质样品的元素和同位素地球化学分析主要考量三个方面：准确度、精确度和仪器检测限。
准确度是指测量值和真实值之间的接近程度；精确度是指分析测试的可靠性，也即测试结果的可重复性；检测限是指能够被所使用测试方法检测到的最低浓度。
事实上，尽管可以参考标准样品的推荐值来检测分析样品的值，但确定样品的真实值非常困难。
所以从某种程度上来说，精确度比准确度更为重要，因为对于一套由同一实验室分析的数据，成分的相对差异可以用来推断地球化学过程。
下面简要介绍一下在岩石地球化学研究中常用的几种分析测试方法。
(一)X射线荧光光谱X射线荧光光谱(XRF)的原理是基于用X射线激发样品，使之产生二次x射线，而每个元素都有特征二次x射线波长，因此，加入校正标准，通过测不同元素特征二次X射线的强度就可以用来确定元素的浓度。
典型岩石样品的XRF分析有两种不同形式的样品制备方法。
一种是将均匀的样品粉末压片来分析微量元素；另外一种是由岩石粉末与亚硼酸锂或者四方硼酸盐混合并熔融制成玻璃片来分析主量元素。
XRF分析是目前用于分析硅酸盐全岩样品最常用的方法，在微量元素分析上也有应用。
该方法的适用性广、分析快速，能够分析80多种元素，检测限可以达到几个ppm。
XRF分析方法的主要缺陷是不能分析比钠(原子序数一11)轻的元素。
(二)电子探针分析电子探针分析(EMPA)的原理与XRF十分相似，只是前者用的是电子束而不是X射线来激发样品而已。
通过分析激发的二次x射线的波长，相对于标样记录峰的面积，用适当的模型进行校正，可以将峰的强度转化为浓度。
电子探针主要用于矿物的主量元素分析，也可扩大束斑直径对隐晶质岩石或岩石熔融而成的玻璃进行主量元素分析。
另外，利用长的计数时间和精确的背景测量，电子探针的检测限也可延伸到微量元素的范围，满足分析部分微量元素的要求。
百科知识精选同位素地球化学
分馏系数分馏系数表示同位素的分馏程度，反映了两种物质或两种物相之间同位素相对富集或亏损程度。
在自然界，分馏系数是指两种矿物或两种物相之间的同位素比值之商。
其表达式为：□ A-B＝RA/RB式中A和B表示两种物质(物相)，R代表重同位素对轻同位素的比值，如18O/16O，13C/12C等。
□ 值偏离1愈大，说明两种物质之间的同位素分馏程度也就愈大；□=1时，物质间没有同位素分馏。
δ值稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。
其公式为□δ值能清楚地反映同位素组成的变化，样品的δ值愈高，反映重同位素愈富集。
样品的δ值总是相对于某个标准而言的，同一个样品，对比的标准不同得出的δ值各异。
所以必须采用同一标准；或者将各实验室的数据换算成国际公认的统一标准，这样获得的δ值才有实际应用价值。
比较普遍的国际公认标准为：①SMOW，即标准平均海洋水，作为氢和氧的同位素的国际统一标准；② PDB，是美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组地层内的似箭石，一种碳酸钙样品，用作碳同位素的国际统一标准，有时也作为沉积碳酸盐氧同位素的标准；③CDT,是美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷铁陨石中的陨硫铁，用作硫同位素的国际统一标准。
稳定同位素实验研究表明，大多数矿物对体系（矿物-矿物）或矿物-水体系，在有地质意义的温度范围内,103ln□ 值与T 2成反比,T为绝对温度。
103ln□ 值可以近似地用两种物质的δ差值表示,即δ-δB=ΔA-B≈103ln□A-B。
因此,只要测得样品的δ值,就可直接计算出103ln□值。
它同样表示物质间同位素分馏程度的大小，利用它可绘制同位素分馏曲线，拟合同位素分馏方程式和计算同位素平衡温度(见地质温度计)。
在稳定同位素地球化学研究中，H、C、O、S等研究较深入。
它们在天然物质中分布广泛，可形成多种化合物，由于它们的同位素质量数都比较小，相对质量差别大，因而同位素分馏更明显，这对确定地质体的成因及其物质来源和判明地质作用特征具有重要意义。
锆石地球化学特征及地质应用
锆石地球化学特征及地质应用摘要:介绍并对比了用于锆石等副矿物测试的离子探针、激光探针、电子探针、质子探针等几种微区原位测试技术各自的特点。
锆石U-Pb定年实现了对同一锆石颗粒内部不同成因的锆石域进行原位年龄的分析,给出了有关寄主岩石的源岩、地质演化历史等重要信息,为地质过程的精细年龄框架的建立提供了有效的途径。
锆石微量元素、同位素特征是译解岩石来源和成因的指示器。
锆石Hf同位素已成功地用于地球早期历史、岩浆来源、壳幔相互作用、区域大陆地壳增长的研究等;锆石氧同位素组成能有效地约束壳幔相互作用和示踪岩浆来源等。
关键词:锆石;年代学;地球化学特征;地质应用随着能够显示矿物内部复杂化学分区的成像技术和高分辨率的微区原位测试技术的发展和广泛应用,研究颗粒锆石等副矿物微区的化学成分、年龄、同位素组成及其地质应用等已成为国际地质学界研究的热点[1]。
锆石U2Pb法是目前应用最广泛的同位素地质年代学方法,锆石的化学成分、Hf 和O同位素组成广泛应用于岩石成因、壳幔相互作用、区域地壳演化的研究等,对地球上古老锆石的化学成分和同位素的研究是追朔地球早期历史的有效工具。
笔者着重综述锆石的化学成分、同位素组成特征及其在地质学中的应用。
1微区原位测试技术锆石等副矿物在地质学中的广泛应用与近年来原位分析测试技术的快速发展密不可分。
写作论文目前已广泛应用的微区原位测试技术主要有离子探针、激光探针和电子探针等。
离子探针离子探针可用于矿物稀土元素、同位素的微区原位测试。
在目前所有的微区原位测试技术中,SHRIMP的灵敏度、空间分辨率最高,且对样品破坏小[2-3],是最先进、精确度最高的微区原位测年方法。
其不足之处是仪器成本高,测试费用昂贵,测试时间较长。
2000年,CamecaNanoSIMS50二次离子质谱开始用于对颗粒大小为1～2μm的副矿物进行U-Th-Pb年代学研究。
写作毕业论文NanoSIMS对粒度极细小的副矿物进行定年要以降低精度为代价,且用于U-Th-Pb定年还没有进行试验,还未完全估算出其准确度和分析精度,有可能在西澳大利亚大学获得初步的成功[2,4]。
同位素地球化学
Radioactive and rediogenic elements
二、衰变定律
1902年Rutherford通过实验发现放射性同位素 衰变反应不同一般的化学反应，具有如下性质：
(1)衰变作用是发生在原子核内部的反应，反应结果 由一种核素变成另一种核素；
(2)衰变自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例；
变质砾岩中花岗岩质砾石中的锆石年龄，其地 质含义是花岗岩的形成年龄，应该早于砾岩的地 层年龄。
谐和线年龄，上交点年龄为 2573±52Ma。 表面加权年龄，2580Ma。 谐和线年龄和表面加权年龄结果很相近，结果 是可信的。 综合来说：花岗岩的形成时代为2573±52Ma是 可信的。砾岩的地层年龄应晚于2573Ma。根据目 前的年龄结果，不支持砾岩比郭家窑组老的认识。
同位素地球化学
Model 2 Solution ( on 30 points
0.5
Upper intercept: 2573±52Ma
MSWD = 9.8
2200
0.4
data-point error ellipses are 68.3% conf.
206Pb/238U
0.3
1400
0.2
0.1
2
5
同位素定年原理
自然条件下，同位素放射性衰变过程是 不可逆的，且其衰变速率及放射性子体 的性质不受外界的影响。母-子体同位素 确定的对应关系和恒定的衰变速率构成 了同位素定年的理论基础。
四、同位素定年的基本要求
1)应有适当的半衰期，这样才能积累起显著数量的子核， 同时母核也未衰变完。如果半衰期太长，就是经过漫 长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰 期太短，没有多久母核几乎衰变完了。
同位素地质学定年方法评述
（ 中国国土 资娠航 空特探遥感 中心 ， １ 北京 １０ ８ ；． ００ ３ ２ 中国ｆ 学院地质 与地球 枷理研 究所 ， ４ － 北京 １０ ２ ） ００ ９
［ 摘
事 项
要 ］ 细分析 了当前 同位素年 代 学的 常 用定年 方法 ，如 Ｋ—Ａ 法 、ｕ—Ｐ 详 ｒ ｈ法、Ｒ ｂ—ｓ 法和 ｒ
地 质过 程 时问维 的确定 是 一项重要 而 复杂 的研 究任 务 准 确 标 定 某 一地 质 体 的 年 代 是 区域 地 质 学、 地球 化学 、 床学 和 大地构造 学研 究 中不可 歃少 矿 的 内容 ， 对于 区域 地 史 演 化 规律 的研 究 和找 矿方 向 的确 定 ， 具有 十分重 要 的理 都 仑和实 际意义 。 目前 ，
氩 ， 只 能 由大气混染 造成 ， 则 可以进 行常 规法定 年 的 大气混 染 校正 （ 治 国 ，９ ０ 。然 而 ， 着 超 高 真 穆 １９ ） 随 空 技术 、 高频 辐 射加热技 术 和 高精度 质谱 计 的使用 ， 存 Ｋ—Ａ 法 定年过 程 中 ， 现 了越 来 越 多 与 上述 假 ｒ 发 设相 矛盾的现 象 在后 期 岩 浆 活 动 、 质作 用 等 热 变
步升 温 释氩 法 ， ０ ｒ Ａ 法 ， 即４Ａ 一 ｒ 由于 克服 了常规 Ｋ
—
Ａ ｒ法 的 许 多 缺 点 （ ｉ ｈ ｌ，９ ８ Ｄ ｌｍｐｅ等 ， Ｍ ｔ ｅｌ １６ ； ａ ｃ ￣ ｌ
１７ ） 正 在 被广 泛 利 用 但 要 获 得 一条 极 其 平 坦 ９１ ， 的 Ａ 一 ｒ ｒ Ａ 并不 容 易 。 即使 对那 些 未受 热扰 动 的 矿 物 而言 ， 由于样 品临 近 脉 岩 侵 ＾ 、 微 蚀变 部 位 ， 轻 或 者 在矿 物结构 中存 在空 穴 、 缘错 位和 品格 空位 ， 边 均 会在 反应 堆照射 过 程 中产 生 核 反 冲 ． 引起 氩 同位 素 的迁 移 ， 而影 响年 龄谱 ， 别是低 温段 年龄 谱 的 从 特 平坦性 研 究 者提出 了 一些 判 别非扰 动体 系 的年龄
应用地球化学-4同位素地球化学
2020年7月22日星期三
中南大学彭建堂制作
1
同位素地球化学是研究自然体系中同位素的形成、丰度及 在自然作用中分馏和衰变的科学
研究思路：在地球系统作用过程形成宏观地质体的同时， 还发生了同位素成分的变异，这种变异记录了地球物质发 生的时间和形成条件。
同位素地球化学为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、大气-海洋的相互作用、壳幔相 互作用及壳幔演化、成岩成矿作用、构造作用、古气候和 古环境记录等提供了重要的有价值的信息。
D2O更多残留于水体中。经过多次物理分馏，在一些地区 （如高纬度区），大气降水将形成最轻的水。
2020年7月22日星期三
中南大学彭建堂制作
17
e.g. 由于地球重力作用导致N同位素的扩散分异，大气高 空富集14N，而低层15N富集。 单向多次反复的物理过程中，同位素质量分馏效应 最明显。
2020年7月22日星期三
C+16O16O→C16O2 平衡常数为K1
C+16O18O→C16O18O 平衡常数为K2
实验测定：K1/K2=1.17
2020年7月22日星期三
中南大学彭建堂制作
19
③平衡分馏：在化学反应中，反应物和生成物之间由 于物态、相态、价态和化学键性质的变化，使轻、重 同位素分别富集于不同分子中而导致发生的分异。亦 称同位素交换反应。如：
中南大学彭建堂制作
21
若取某一给定样品的R值做标准，则可测定各地质样 品中R值与标准的绝对变差（δ）：
δ（‰）=（R样-R标）/R标 × 1000 =( R样/ R标-1) × 1000
δ＞0，样品比标准更富集；δ＜0，比标准更贫化； δ=0，与标准具相同的同位素比值。
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地球化学在地质年代学中的应用利用同位素
定年方法
地球化学在地质年代学中的应用——利用同位素定年方法
地质年代学是研究地球历史和地质事件发生的时间顺序的学科。
在
过去的几十年里，地球化学已经成为地质年代学中不可或缺的重要工
具之一。
地球化学通过分析地球上不同元素的同位素比例，利用同位
素定年方法帮助我们理解地质事件的发生时间和持续时间。
本文将介
绍地球化学在地质年代学中的应用，并讨论同位素定年方法的原理和
几个典型案例。
一、同位素定年方法的原理
同位素即具有相同原子序数但不同质量数的元素。
同位素的存在使
得我们能够利用其不稳定性进行年代测定。
同位素定年方法基于同位
素的衰变速率，通过测量样品中稳定同位素与不稳定同位素的比例，
推断样品的年龄。
最常用的同位素定年方法包括放射性同位素衰变法、稳定同位素比例法和同位素年龄比对法。
二、放射性同位素衰变法
放射性同位素衰变法利用放射性同位素（例如铀、钾、碳）在时间
上的稳定衰变来测定岩石和矿物的年龄。
通过测量样品中稳定同位素
与不稳定同位素的比例，计算衰变时间，推算样品的年龄。
这种方法
主要适用于岩石、矿物和有机物的年龄确定。
三、稳定同位素比例法
稳定同位素比例法使用地球上不同元素的稳定同位素比例来确定地
质事件的时间序列。
常用的稳定同位素包括氢、氧、碳和硫。
通过比
较不同沉积岩样本中同位素的比例变化，可以确定岩石形成的时间，
从而推测地质事件的年代。
该方法适用于古气候研究、古环境变化等
领域。
四、同位素年龄比对法
同位素年龄比对法是通过将同位素定年方法和地质年代学的基本原
理相结合来确定地质事件的时间序列。
该方法基于不同地质事件中形
成的岩石或矿物所含同位素的比例差异，通过与已知地质历史事件进
行对比，推断地质事件的年代。
这种方法对于比较复杂的地质事件序
列的年龄确定非常有用。
五、地球化学在地质年代学中的应用
地球化学在地质年代学中发挥着重要的作用。
通过同位素定年方法，我们可以确定各种地质事件的年代，例如地壳运动、火山喷发和陨石
撞击等。
此外，地球化学还可以用于研究古气候变化、大气污染和生
物演化等方面。
通过分析不同地质层中的同位素含量变化，我们可以
重建地球历史上的环境变化，为现代环境问题提供参考。
六、案例研究
地球化学在地质年代学中的应用已经取得了许多重要的成果。
例如，利用铀同位素定年法，科学家们确定了地球历史上最早的岩石年龄约
为45亿年。
通过稳定同位素比例法，研究人员发现古代陨石撞击在地
球历史上发生的频率和影响。
同位素年龄比对法也显示出了地球历史上气候变化和海平面变化的模式。
总结：
地球化学在地质年代学中的应用利用同位素定年方法为我们理解地球历史和地质事件提供了重要的工具。
同位素定年方法通过分析地球上不同元素的同位素比例，帮助我们推断地质事件的发生时间和持续时间。
通过放射性同位素衰变法、稳定同位素比例法和同位素年龄比对法，我们可以确定地球历史中各种事件的年代，并重建地球环境的演化过程。
地球化学在地质年代学中的应用为我们深入了解地球的演变提供了重要的线索和证据。