第六章- 放射性同位素地球化学

为测定矿物或岩石年龄，一般应满足以下六个方面： （1）放射性同位素的半衰期应足够长，对待测定样品 年龄来说，它应能积累起显著数量的子体，同时母核也未 蜕变完。 （2）蜕变常数已测定，精度能满足要求。 （3）放射性同位素应具有较高的地球丰度，在当前技 术条件下能以足够的精度测定它和它蜕变子体的含量。 （4）保存放射性元素的矿物或岩石自形成后一直保持 封闭系统，即未添加亦未丢失放射性同位素及其蜕变产物。 （5）矿物岩石刚形成时只含某种放射性同位素，而不 含与之有蜕变关系的子体，或虽含一部分子体但其数量可 以估计。 （6）对所测定的矿物、岩石的地球化学有相当可靠认 识。
放射年龄测定的基本方程 假定子核是稳定的,在t时刻放射性母核和子核的 现存数为N1和N2，则:
N2 = N1 ( et-1)
t = 1/ ln (1+N2/N1)
半衰期:
所谓半衰期是指放射性母核蜕变掉现存数一半 所需时间: N = N0/2 N = N0e-t T = ln2/≌0.692/ 当时间超过母核半衰期十倍以上，这时， e-t≌0.0001，实际上母核已只剩下微下微不足道 的数量，因而10T代表了放射性同位素"灭绝"所需 时间。
第四节 C14 法
又称放射性碳法，是测定第四纪晚期 沉积物的重要方法，通常能测的最大值 为5~6万年。近年来由于技术上的改进， 可测到10万年。 碳有三种同位素，其相对丰度为： C12=98.89%，C13=1.108%，C14=1.2*10-10%。
C14 法
C14为弱-放射性，半衰期为5566年。 一般经过10个半衰期，任何放射性同位 素都将衰变完毕，因此，地球上找不到 原始C14的痕迹。那么，怎样用C14法记时 呢？
海水Sr同位素地球化学
研究表明，海洋的Sr同位素组成变化是许多复杂地 质作用相互作用的结果。一般而言，以下三个储库 控制了海水 87Sr/86Sr值的变化：①海底玄武岩和海 底热液中的锶，其 87Sr/86Sr值为0.704；②古老硅铝 质陆壳风化产物中的锶，其 87Sr/86Sr值约为0.720； ③海相碳酸盐风化提供的锶，其 87Sr/86Sr值为0.708。 不同地质时代，上述三个储库对海水Sr的贡献比例 不同，从而造成了海洋 87Sr/86Sr值随时间的变化趋 势。
放射年龄测定的基本方程 各种不同方式蜕变的同位素，都服从放射性蜕变 规律。 假定放射性母核现存数为N，在dt时间间隔内蜕 变掉dN个，则dN与N和dt成正比，即：
dN/dt = -N
式中： - 蜕变常数；负号 - dN是减少的。 将上式积分，并设：t = 0时的母核数为No,则得： N = N0e-t
第二节 K-Ar和Ar-Ar同位素年代学
自然界钾有三种同位素，相对丰度如下： 39K 93.10% 40K 0.0118% 41K 6.88% 其中只有40K是放射性的。
2、钾-氩衰变体系
40K有两种蜕变方式：88%的40K经β-蜕
变生成40Ca，其余12%的40K由K层电子俘 获先形成激态40Ar，然后放射出能量为 1.46MeV.的γ量子转变为基态的40Ar。
2、钾-氩衰变体系 由于自然界钙的主要同位素就是40Ca （占96.97%），且钙又经常与钾共生，因 而虽然理论上也可用40K-40Ca系统测定年 龄，历来也有人进行过试测，但钙元素干 扰过大，除特殊情况外，测定结果精度不 够，因而未普遍被采用。目前主要采用 40K-40Ar法。
(1). 40K-40Ar法的物理基础:
(4). 关于过剩氩的问题 :
过剩氩的存在会使矿物或岩石的钾-氩表观 年龄高到非常不合理的程度。 过剩氩的存在是一个相当普遍的现象。地壳 下部或上地幔中的40K蜕变生成40Ar，当岩浆在外 界条件不允许完全去气的环境中凝固时，氩能在 矿物晶格或晶体缺陷中存在，这部分过剩氩是环 境性的。
第三节 Rb-Sr年代学及Sr同位素地球化学
近百万年以来，宇宙射线的通量与能谱组成没 有多大的变化，因此C14生成率基本恒定，另一方 面，又进行着C14的衰减，这两个过程处于动态平 衡。自然界中的C14随着普通碳一起，参与大气圈、 水圈、岩石圈和生物圈的交换循环，因而也达到了 平衡。
C14 法
如果某一含碳物质一旦停止与外界交换，例如有机 体（动物和植物）的死亡和碳酸钙的沉淀等，那么 它们中的C14 得不到新的补充，并且按指数定律减 少： I=I0·-t e
用λβ代表40K的β-蜕变常数，λe代表电子俘获蜕变 常数。按照蜕变常数的定义，40K总蜕变常数应等于 λβ+λe，这样，测定年龄的基本方程式有下列形式： t = 1/(λβ +λe)ln [1+(λβ+λe)/λe40Ar/40K] 实际测定时，用化学方法（当前通常用火焰光度 计法）分析K%，然后按钾的同位素成分计算出40K 含量.
第六章 同位素地球化学
第一节 放射性同位素衰变原理 第二节 K-Ar和Ar-Ar同位素年代学 第三节 Rb-Sr年代学及Sr同位素地球化学 第四节 14C同位素年代学
第一节 放射性同位素衰变原理
放射性蜕变规律
自然界主要的蜕变方式有以下几种： 1. -蜕变 -蜕变时，放射性母核放出粒子，转变 为一个新核。粒子实际上是2He4核。蜕变形成的 新核，其原子序数比母核小2，质量数小4。 2. β-蜕变 放射性母核放出β -粒子，即电子，同时 还放出中微子v，自然界中象40K、87Rb等都β-放射 性的。 3.电子俘获 这种蜕变方式实质是：母核从它的核外 电子壳层俘获一个电子，通常多数是从K壳层俘获， 也有从其它壳层如L层俘获的。
C14 法
人工核反应证实，中子轰击N原子核可以形成 C14，自然界也存在类似反应。在大气圈上层 12~16km高空，宇宙射线的中子与大气N作用产生 （n-P）反应形成C14，而C14又以一定速度经-衰变 重新形成N14，其过程如下：

-
n + 7N
14
7N
15
P + 6C
14
7N
14
C14 法
Sr 同 位 素 地 球 化 学 示 踪 图6-2A,地球Sr同位素演化（据Faure, 1986） 三条曲线（A1, A2）代表陆下上地幔Sr同位素的假设演化线，
其曲率表示上地幔的Rb/Sr比值随时间降低；连接BABI和现代0.702 的直线（B）代表了Rb亏损的地幔区域的Sr同位素演化；直线（C） 代表Sr在2.9Ga前从地幔分离出来并随后在Rb/Sr值较高（0.15）的
由87Rb蜕变生成的87Sr应等于： 86Sr [(87Sr/86Sr) -(87Sr/86Sr) ] 样 初 其中下标“样”代表样品的测定值，下标 “初”代表矿物或岩石生成时含锶所具有的值。 这样，我们可得计算年龄的基本公式： t = 1/λln (1+ Sr86/Rb87(87Sr/86Sr)样-(87Sr/86Sr) 初)) 式中，λ—87Rb的蜕变常数。
自然界铷有两个同位素，其习惯用丰度为： 85Rb 72.15% 87Rb 27.85% 其中85பைடு நூலகம்b是稳定的，87Rb具β-放射性，蜕变为 87Sr。
铷-锶法的物理基础: 铷一般不形成独立矿物，它分散地存在于含 钾的矿物中，因而通常浓度很低，分析上困难较 大。 含铷的矿物和岩石中存在的87Sr，一部分是由 其中的87Rb蜕变生成的，另外一部分是矿物或岩石 形成时含有微量元素锶的结果。通常锶的同位素 组成近似地为： 88Sr 82.56% 87Sr 7.02% 86Sr 9.86% 84Sr 0.56% 其中只有87Sr是放射成因的。
C14 法:
计算年龄常用： t = -8266 ln (N/N0) N/N0为样品中的14C(按原子计)对大气中 14C含量(样品中14C的原始含量)的比值
C14 法
C14法可以研究第四纪晚期的地质事件，如冰川、 黄土、河成阶地、海岸变迁、海平面升降和火山 活动时代等，也被广泛应用于考古学、古人类学、 古地理学和古气候学等方面。
适用于测定铷-锶年龄的矿物和全岩
对铷-锶法来说，必需选择一套Rb-Sr比值适合的 矿物和全岩样品，才能使落在等时线图上的点分布 均匀，从而精确地确定等时线，求得等时线年龄与 初生锶比值。 由于（87Sr/86Sr）初一般接近0.71，为了精确确定等 时线就必需要有一批（87Sr/86Sr）样比值大于0.8的样 品，假定所研究的样品为100百万年，这时Rb/Sr需大 于25才可满足要求。 实际上，云母类矿物、钾长石均能较好地保存放 射成因锶，且能满足Rb/Sr比值要求，是目前用来测 定年龄的主要对象。
87 86
Sr 同 位 素 地 球 化 学 示 踪
图6-3 显生宙海水的值随时间的变化曲线（据Veizer et al., 1999）
海水Sr同位素地球化学
Sr在海水中的滞留时间约2Ma，明显大于全球 各大洋海水混合时间（Hodell et al., 1990）。因此 同一时期海洋具有均一的87Sr/86Sr组成。现代大洋 海水的87Sr/86Sr值为0.7092（Hess et al., 1986）。 古 代海水的87Sr/86Sr组成是根据海相碳酸盐、磷酸盐、 硫酸盐及燧石等自生沉积矿物来获得的。
(2). 适用于测定钾氩年龄的矿物和全岩:
从理论上讲，只要含钾，而且能完 好地保存放射成因氩，本身又不含“过 剩氩”的矿物或岩石，都适合于用来测 定钾-氩年龄。当然，矿物的颗粒大些， 易于挑出纯的单矿物，钾含量又高，实 验室分析就更方便一些。
(3). 关于放射成因氩丢失的问题 :
实际工作中已发现不少严重偏低的钾氩年龄数据， 它们主要是40Ar丢失引起的。 受热是引起氩丢失的主要因素，有人估计：如果 在常温下，云母类矿物尚能保持封闭系统，那么在 100℃温度下，矿物相对氩而言就已成为开放系统了。 实验室测定表明：氩保存在晶体不同部位上，因而当 温度升高时，析出的40Ar并不与温度呈正比。云母类 矿物是钾-氩年龄测定的主要矿物，这方面的研究也较 多，但至今对丢失氩的机制尚不完全清楚。