同位素地质年龄测定(范嗣昆,伍勤生编著)思维导图
同位素地质年龄测定技术及应用
第85卷 第11期2011年11月地 质 学 报 ACT A GEOLOGICA SINICAV ol.85 N o.11No v. 2011注:本文为国家重点基础研究发展计划项目(编号2007CB411306;2009C B421001)、中国地质调查局项目(编号1212010660212;1212011120293)和公益性行业专项经费(编号200911043-13)资助成果。
收稿日期:2011-03-11;改回日期:2011-07-20;责任编辑:周健。
作者简介:陈文,男,1962年生。
博士,研究员,博士生导师。
研究方向为同位素地质年代学。
Email:ch enw enf@vip.s 。
DOI:CNKI:11-1951/P.20111025.0834.002 网络出版时间:2011-10-258:34网络出版地址:h ttp://w w ki.n et/kcms/detail/11.1951.P.20111025.0834.002.h tm l同位素地质年龄测定技术及应用陈文1),万渝生2),李华芹3),张宗清1),戴橦谟4),施泽恩4),孙敬博1)1)同位素热年代学实验室,大陆构造与动力学国家重点实验室,中国地质科学院地质研究所,北京,100037;2)北京离子探针中心,中国地质科学院地质研究所,北京,100037;3)武汉地质矿产研究所,武汉,430205;4)中国科学院广州地球化学研究所,广州,510640内容提要:同位素地质年代学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科,是地球系统科学中一个年轻而充满活力的分支学科。
它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。
本文对几种常用的精度比较高的同位素测年方法从理论、实验技术、应用范围、使用的注意事项等方面予以简要总结和介绍,期望为地质同行们提供有益的参考。
同位素地质年代学
238U(原子序数92)经过自发裂变成为两个不同原子序数的产物核，
典型的大约40和55(Zr和Cs)，伴随着其它粒子和大量的能量。由 于重母体核素具高的中子/质子比，子体产物具过量的中子通过放 出β射线发生同量异位衰变。
N. Jakubowskia et. al., Spectrochimica Acta 53B (1998) 1739–1763
飞行时间质谱 (Time-of-flight MS)
Oklo矿床的Nd同位 素成分是非常特征 的(图3)。142Nd不受 富中子裂变产物的 同量异位素衰变影 响，因此它的丰度 指示了正常 Nd的水 平。校正了由143Nd 和145Nd大截面核素 因中子捕获而增高 的144Nd、146Nd丰度 后，Oklo 的Nd具有 非常类似于正常反 应堆裂变废物同位 素组成。
课程要求：
1. 完成三次课后作业(占总成绩的50%) 2.随机2-3次考勤(占总成绩的10%) 3.不少于5篇参考文献的结课报告(占总成绩20%) 4.课程研讨(占总成绩的20%)
同位素地质年代学
第一章 核衰变与分析技术 在同位素地质学领域， 中子、质子和电子可认 为是原子的基本组成部 分。一个给定类型的原 子(称为核素)成分由核中 特定的质子数(原子序数， Z)和中子数(N)来描述。 它们的总数就是质量数 (A)。对所有核素通过在 质子数Z对中子数N的关 系图，就可获得核素图 (至少瞬间存在) （图1）。 图1
§1.3 分析技术 为了使用放射成因同位素作为定年工具与示踪剂，必须使用 先进、精确的仪器将不同质量的核素分离开，这种仪器就是现代 广泛使用的质谱计。在这种仪器中，使用扇形磁铁，使真空下离 子化的核素先通过高电压加速，然后在磁场中分离不同质荷比的 核素。
地球化学讲义 第五章同位素地球化学(中国地质大学)
4）同位素标准样品
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世 界性的标准样品。世界标准样品的条件：
①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为 零点；
3）测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的 温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来 测定成岩成矿温度。
另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。
一、自然界引起同位素成分变化的原因
核素的性质 同位素分类 同位素成分的测定及表示方法 自然界引起同位素成分变化的原因
(二) 同位素分类
从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素： 一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位 素； 另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰 变成其它核的同位素，称为稳定同位素。 然而，核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验技术对 放射性元素半衰期的检出范围，目前一般认为，凡是原子存在的 时间大于1017年的就称稳定同位素，反之则称为放射性同位素 。
一、自然界引起同位素成分变化的原因
（一）核素的性质 1.什么叫核素? 由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素
的原子核称为核素，任何一个核素都可以用A=P+N这 三个参数来表示。
而具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组 核素称为同位素。
O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此一对放射性同位素都是一只时钟，自地 球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以 测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及 复杂地质体。
2）示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本 身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形 成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。
06第四纪6章
• 上述衰变过程不受任何外界环境的影响！随着 时间的增长， 14C的浓度越来越小。
100
50
I=Ioe-T
0
10000 5730
20000 时 间/a B.P.
30000
• 第四纪年代学的主要任务
• 建立地层年表 • 建立各种地质事件的时间序列 • 建立、改进和完善各种年龄测定技术
相对年龄测定法与绝对年龄测定法的比较
相对年龄测定法
•易确定相对新老关系 •定年不精确 •非 同 一 剖 面 的 沉 积 物 难以确定相对新老关系
绝对年龄测定法
•年龄差别越小越困难 •定年相对精确 •非同一剖面的沉积物 （同期异相沉积物） 定年不受限制 •可以进行全球性地层 对比
• 样品种类
• • • • 大气圈 空气 水 圈 海水、地下水及冰雪等固态水。 生物圈 植物：所有植物的根、茎、叶、花、果、种子， 其中木头、木炭中含炭量最高，又不易与周围 物质发生碳原子的交换，是最好的14C测年标本。 • 动物：脊椎动物的骨头、牙齿、蹄爪、鳞角、 皮毛等。
• 岩石圈： • 生物碳酸盐类：软体动物的外壳、骨骼及由它 们共同组成的沉积物。 • 如贝壳、牡蛎壳、蚌壳、珊瑚、有孔虫及海滩 岩、珊瑚砂、硅藻土等。 • 无机碳酸盐类：如白云石、文石、方解石、石 灰华、钙质胶结物、钙结核、淤泥粘土及古土 壤等。 • 其他 如古陶瓷、砖瓦、灰烬层、古石灰、古 铁器等。
地貌学及第四纪地质学
第十章 第四纪年代学
• 测定地质年代的具体方法很多，可以分为两类， 一是相对地质年代；二是绝对地质年代，又称 同位素地质年代。 • 相对地质年代是通过除了用同位素方法以外的 各种手段，人为地按照一定标准尺度建立起来 的不同地层的先后序列。 • 它只能说明年代的新老序列而不能确切地指出 这些地层形成或地质事件发生的具体时间。 • 在地质年代表上则以代、纪、世表示。 • 决定相对年代的方法很多，主要有下列三种
Sm—Nd同位素法地质年龄的测定
Sm—Nd同位素法地质年龄的测定作者：梁培基王广武兴龙焦天佳来源：《科学与财富》2014年第11期摘要：同位素地质学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科。
它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代，以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。
主要对Sm-Nd法同位素测年的研究现状、研究方法、适用对象、年龄测定、特点等方面予以简要总结和介绍。
关键词：Sm-Nd同位素测年；方法；特点1 Sm-Nd法同位素定年方法简介Sm在自然界有7个同位素，144Sm（3.16%），147Sm（15.07%），148Sm（11.27%），149Sm（13.84%），150Sm（7.47%），152Sm（26.63%），154Sm（22.53）。
Nd在自然界也有7个同位素，142Nd（27.09%），143Nd（12.14%），144Nd（23.83%），145Nd（8.29%），146Nd（17.26%），148Nd（5.74%），150Nd（5.63%）。
147Sm和148Sm具有放射性，通过α衰变转变成143Nd和144Nd。
144Nd也具有放射性，通过α衰变转变成140Ce，但是由于其极端长的半衰期（2.1×1015a），放射性所引起的变化可以忽略，实际上可作为稳定同位素看待。
由于148Sm衰变半衰期十分长（7×1015a），目前在地质应用上尚无价值。
因此仅147Sm （t12=1.06×1011a）能用于年龄测定。
通常所指的Sm-Nd测年法实际上是147Sm-143Nd法，利用的是147Sm→143Nd+α的核衰变过程。
Sm-Nd年龄计算方程：（143Nd/144Nd）=（143Nd/144Nd）i+（147Sm/144Nd）（eλ-1）方程中t为样品形成时间或被彻底改造Nd同位素均一化时间，λ为147Sm衰变常数（6.54×10-12a-1）；（143Nd/144Nd）和（147Sm/144Nd）比值是样品现代值，由实验直接测定；（143Nd/144Nd）i是样品形成时或被彻底改造时值。
化学地层学-同位素年龄
•
•
40K
40Ar（11.2%）
λk=0.581×10-10/年 λβ= 4.962×10-10 /年
•
40Ca（88.8%）
40K总的衰变常数为： λ= λk+ λβ = 5.543×10-10 /年 对于封闭的K、Ca、Ar衰变体系，在t时 间内形成的放射成因 40Ar*和40Ca*的增长 可用下式表示： 40Ar*+40Ca*= 40K（eλt-1)
二、钾-氩法的原理和年龄计算
钾-氩计时是最早用于测定岩石、矿物的计 时方法之一。由于其放射成因子体是气体， 用物理方法易于比较准确的测定；加之含钾 矿物普遍存在，在同位素年代学发展的早期， 钾-氩计时得到最广泛的应用。
K有3个天然同位素：39K、40K和41K，其中 40K为具有双衰变性质的放射性同位素：
白云母 Rb-Sr 年龄＞白云母 K-Ar 年龄＞黑云 母K-Ar年龄五、钾-氩法Fra bibliotek年龄样品的要求
适合K-Ar测年的样品必须具备以下条件： 矿物含K量大 含K矿物形成后即处于封闭状态 地质温度不能太高 (<100-200℃) ，以尽可 能保存放射成因Ar
各类云母
角 闪 石
辉石
海绿石
• 生成的14C通过各种氧化作用、同位素交换 反应迅速进入CO2气体中，随后通过如下的 途径进入地球的生物圈、岩石圈等各圈层：
• A，14CO2→植物光合作用→动物食物链
• B，14CO2→溶于水→碳酸盐沉淀作用
• 这样14C在大气圈生物圈水圈及岩石圈中 交换循环，并最终达到平衡。 • 下述情况下， 14C的动态平衡将中断：
测年是同位素地球化学基本应用之一，其 中以K-Ar法、Rb-Sr法、U/Th-Pb法等应 用较广，还有多种已有效应用或正在完善 的测年方法，如铀系不平衡法、裂变径迹 法、碳-14法等。
第二讲 同位素测年的基本原理
t= 1/λ × ln(1+b)
(4·3)
等时线在Y轴上的截距b代表该组样品的 初始同位素比值(简称初始值).因此，只要测 定一组能满足上述条件的样品同位素比值， 即可在坐标图上绘制等时线，并计算它的等 时线年龄和初始值.
根据等时线法可同时获得两个参数：一是 等时线年龄t，另一是初始(锶、钕、铅、铪、 锇和铈等)同位素比值.后者代表岩石或矿物形 成时的同位素组成.它是一个重要的地球化学 参数，能为研究陨石、月球与地球的形成与 演化以及岩石与矿石的物质来源与成因等提 供十分重要的信息.
由于测定样品中同位素比值较之测定87Rb 和87Sr的原子数容易，故将式(4 ·1)两边除以 86Sr原子数(它在样品中是恒定的)，上述方程 可改写成通常使用的等时线方程：
(87Sr／86Sr)p= (87Sr／86Sr)i+ (87Rb／86Sr)p(eλRbt-1) (4·2)
对于Sm-Nd，Lu-Hf,Re-Os和U、Th-Pb体系， 可写出类似的表达式.
3. 放射性母体同位素的半衰期或衰变常数必 须能准确测定，而且半衰期不宜过长或过短， 否则不利于母体或子体同位素含量的精确测定. 4. 必须准确知道母体和子体元素的同位素组 成及其相对丰度，并能精确而又灵敏的测定 母、子体元素的含量. 根据式(3·54)计算的岩石或矿物的同位素年 龄通常称模式年龄或表面年龄，如果上述条件 都能得到满足，这一模式年龄就代表真实年龄， 并可根据不同的地质对象，对年龄值的意义作 出解释.
满足上述条件的一组样品，在以Y (87Sr/86Sr,m/144Nd… ) 为横坐标的图上将构成一条直线， 该直线叫做等时线.直线上的各个点代表一组具 有相同年龄t和相同初始同位素组成的同源样品 体系.其斜率b= eλt-1.由图解法或最小二乘法求出 斜率后按下式计算等时线年龄：
同位素地质年代测定原理
同位素地质年代测定原理作者：徐向辉查道函来源：《西部资源》2012年第02期摘要：本文阐述了同位素测年的原理、前提、方法，重点介绍了Rb—Sr法的原理、使用要求、适用范围、原理、结果解释及优缺点。
关键字：同位素测定原理 Rb—Sr法1. 测年原理和前提同位素地质年龄，简称同位素年龄（绝对年龄），指利用放射性同位素衰变定律，测定矿物或岩石在某次地质事件中，从岩浆熔体、流体中结晶或重结晶后，至今时间。
放射性同位素进入其中后，含量随时间作指数衰减，放射成因子体积累。
若化学封闭，无母体、子体与外界交换而带进带出，测定现在岩石或矿物中母子体含量，根据衰变定律得到矿物、岩石同位素地质年龄。
这种年龄测定称做同位素计时或放射性计时。
计时的基本原理就是依据天然放射性同位素的衰变规律，由此测定的地质事件或宇宙事件的年龄，谓之同位素年龄。
应用同位素方法测定地质年龄，必须满足以下前提:(1)放射性同位素的衰变常数须精确地测定，并且衰变的最终产物是稳定的。
(2)样品及其测得的N和D值能代表想要得到年龄的那个体系。
(3)已知母体元素的同位素种类和相应的同位素丰度。
并且无论是在不同时代的地球物质中，还是在人工合成物甚至天体样品中，这些元素的同位素都具有固定的丰度值。
(4)体系形成时不存在稳定子体，即D0= 0(对于衰变系列，也不存在任何初始的中间子体)，或者通过一定的方法能对样品中混人的非放射成因稳定子体的初始含量D0作出准确地扣除或校正。
(5)岩石或矿物形成以来，母体和子体既没有自体系中丢失也没有从休系外获得。
也就是说，岩石或矿物对于母体和子体是封闭体系。
其中(1)和(3)两个前提是基本的，(4)和(5)两个条件则决定了岩石或矿物地质历史的一个模式。
2. 同位素测年主要方法在同位素年代学上，除了利用天然放射性的衰变定律直接进行年龄侧定外，还可以根据衰变射线和裂变碎片对周围物质作用所产生的次生现象来计时。
因此，总体上可将同位素年龄测定方法分为两大类:第一类为直接法，它们是基于放射性同位素自发地进行衰变，按照衰变定律来测定年龄。