放射性同位素地球化学2
地球化学中的同位素研究及其应用
地球化学中的同位素研究及其应用地球化学是研究地球上各种化学现象和过程的科学学科。
同位素是元素具有相同的原子序数和化学性质，但质量数不同的不同种类的原子，其在地球化学研究中发挥着重要的作用。
本文将探讨地球化学中的同位素研究以及其在不同领域的应用。
一、同位素的定义和分类同位素是指具有相同原子序数（即原子核中质子的数量相同）但质量数（即原子核中质子和中子的数量之和）不同的原子。
同位素的存在使得地球化学研究可以根据元素的同位素组成来分析物质起源、演化和地球系统中的各种过程。
同位素一般可以分为稳定同位素和放射性同位素两类。
稳定同位素是指在地球化学研究中具有稳定存在状态的同位素，如氢的两种同位素氢-1和氢-2，氧的三种同位素氧-16、氧-17和氧-18。
放射性同位素是指具有不稳定存在状态的同位素，如铀系列的235U和238U以及镭系列的226Ra等。
二、地球化学中的同位素研究方法1. 同位素质谱法同位素质谱法是地球化学研究中常用的分析技术，它可以通过测量元素的同位素比例来获取有关地球物质起源和演化的信息。
该技术基于同位素质量分析仪器，可以对地球系统中的各种物质样品进行同位素组成的测定。
2. 同位素示踪法同位素示踪法是地球化学研究中常用的实验手段，它通过采集含有某种同位素标记的物质，并追踪其在地球系统中的传输和转化过程。
该方法可以帮助科学家们了解物质的迁移路径、生物地球化学循环等过程，为地球系统模型的构建和预测提供重要依据。
三、地球化学中的同位素研究应用1. 地质探测地球化学中的同位素研究可以用于地质探测，例如利用同位素示踪法可以追踪岩石中的放射性同位素衰变过程，从而确定岩石的年代和形成过程。
这对于研究地质构造、地壳运动以及矿床形成等具有重要意义。
2. 古气候研究同位素的组成可以反映地球气候变化的过程。
通过对冰川和海洋沉积物中的同位素比例进行分析，可以了解过去气候变化的规律和机制。
这对于预测未来气候变化趋势以及制定环境保护政策有重要意义。
地球化学中的放射性同位素分析技术
地球化学中的放射性同位素分析技术地球化学是科学家们非常重视的一个领域，它研究的是地球化学的本质和地球环境发生变化的原因及其影响。
放射性同位素是其中一个重要的研究对象，它可以帮助研究者了解地球的年代和演化历程。
本文将重点讨论放射性同位素分析技术在地球化学中的应用。
放射性同位素的定义与特性放射性同位素是指具有相同的原子序数但不同的中子数的同位素，它们能够通过放射性衰变来发射电子、中子、伽马射线等粒子，并转化为其他的同位素。
放射性同位素通常具有更长或者更短的半衰期，其分析技术依赖于样品、仪器及运算的条件。
目前常见的放射性同位素分析技术包括放射半衰期法、同位素分离法、同位素稳定示踪法等。
放射性同位素在地球化学中的应用放射性同位素分析技术在地球化学中有着广泛的应用，例如在地球史和地质学研究中，可以通过对核素分析的方法，推断出地球内部分层结构的情况；对地球年龄进行估算；对重要岩石类型的形成、演化、迁移及变化过程进行观测等。
同位素稳定示踪法同位素稳定示踪法是一种先进的放射性同位素分析技术，它应用了同位素的日常变化。
通常来说，自然界中存在着一些稳定的同位素，例如氧元素有氧16和氧18等异构体，研究者可以通过分析样品中同位素变化量的大小来推断它与大气、生物、岩石和水等地质和生物系统的相互作用路径。
同位素稳定示踪法被广泛应用在地质学、农业、气象学和生态学等多个领域，例如它可以用来研究降雨的来源、检测污染物的来源和传输路径、研究生物的有机食物的来源等等。
利用同位素稳定示踪法可以明确的区分水源、降雨、植物物理和化学过程中的变化，进而了解各种地质生态过程的动态变化。
总之，放射性同位素分析技术在地球化学中的应用已经逐渐成为一个热门话题。
在未来的研究中，随着科学技术的不断发展，相信放射性同位素分析技术将更多的被运用到地球科学中。
同位素地球化学(看放射性的部分)
§1 固体同位素样品实验技术简介
D/Ds=(D/Ds) 0+P/Ds(eλt -1) 87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr) 0 +87Rb/86Sr (eλt -1)
质谱测定
定量分析（同位素稀释分析）
两个步骤： 1、化学分离 2、质谱测定
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。
出版社
6、沈渭洲，1993，稳定同位素地质，原子能出版 社
7、朱炳泉等，1998，地球科学中同位素体系理论 与应用，科学出版社
……
四、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
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。
自然界存在两类同位素： 一类是放射性同位素，它们能够自发地衰
变形成其它同位素，最终转变为稳定的 放射成因同位素；
另一类是稳定同位素，它们不自发地衰变 形成其它同位素或由于衰变期长其同位 素丰度变化可忽略不计。
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。
放射性同位素地球化学
0
Ha wai i
160 ¡
180 ¡
160 ¡
放射性同位素地球化学
140 ¡
North America
120 ¡
放射性同位素地球化学
Jason Morgan‘s Plume Model
• Upwelling from thermal boundary layer at the base of the mantle
放射性同位素地球化学
2.1 地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构
放射性同位素地球化学
放射性同位素地球化学
类地行星的形成
放射性同位素地球化学
主要陨石类型的相对含量
普通球粒陨石
普通球粒陨石
放射性同位素地球化学
球粒陨石类的主要特征
放射性同位素地球化学
碳质球粒陨石组 成与太阳光球的 组成基本一致
通用二元混合方程
• Vollmer（1976）和Langmuir等（1978）先后 给出了二元混合体系微量元素浓度的通用表 达式。该式理论上可适用于任何元素和同位 素。对任何一个二组份混合体系，其方程为
Ax＋Bxy＋Cy＋D＝0 （5.62） • 其中x，y是横坐标、纵坐标的变量，可以是
元素或元素的比值。当端元1和端元2上的坐 标即比值为（x1，y1）（x2，y2）时系数可表 示为：
放射性同位素地球化学
亏损地幔的贡献－大洋地壳的形成
拉斑玄武岩
放射性同位素地球化学
放射性同位素地球化学
富集地幔的贡献－大洋岛的形成
碱性玄武岩
放射性同位素地球化学
Kamtschatka
60 ¡ Alaska
70
PACIFIC
40 ¡
地球化学考点整理
一、主量元素：把研究体系（矿物、岩石）中元素含量大于1%的元素称为主量元素。
微量元素：研究体系中浓度低到可以近似地服从稀溶液定律的元素称为微量元素。
二、放射性同位素：原子核不稳定，它们以一定方式自发地衰变成其他核素的同位素。
放射性成因同位素：由放射性元素衰变而形成的同位素。
三、能斯特分配系数：在一定的温度、压力条件下，当两个共存地质相A、B平衡时，以相同形式均匀赋存于其中的微量组分i在两相中的浓度比值为一常数，该常数称为能斯特分配系数。
四、元素的地球化学亲和性：在自然体系中元素形成阳离子的能力和所显示出来的有选择地与某种阴离子结合的特性，称为元素的地球化学亲和性。
五、高场强元素：离子半径小，离子电荷高，离子电位>3，难溶于水，化学性质稳定，为非活动性元素。
如：Th、Nb、Ta、Zr。
大离子亲石元素：离子半径大，离子电荷低，离子电位<3，易溶于水，化学性质活泼，地球化学活动性强。
如：Rb，K，Cs，Ba。
六、亲铁元素：在自然体系中，特别是在O、S丰度低的情况下，一些金属元素不能形成阳离子，只能以自然金属形式存在，它们常常与金属铁共生，以金属键性相互结合，这些元素具有亲铁性，属于亲铁元素。
七、放射性同位素的衰变方式：（1）β-衰变：原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子，β-质点被射出核外，同时放出中微子v。
（2）电子捕获：原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层，故又称K层捕获），与一个质子结合变成一个中子。
（3）α衰变：重核通过放射出由两个质子和两个中子组成的α质点而转变成稳定核。
（4）重核裂变：重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片。
八、盐效应：当溶液中存在易溶盐类（强电解质）时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他难溶化合物的溶解度增大，称盐效应。
电负性：电负性等于电离能（I）与电子亲和性（E）之和X=I+E，可用于度量中性原子得失电子的难易程度。
第五章2同位素地球化学基础
根据 地壳中平均(87Sr/ 86Sr)o =0.712 地幔中平均(87Sr/ 86Sr)o =0.699 由下式可得模式年龄:
t = 1/ ln {[(87Sr/ 86Sr) - (87Sr/ 86Sr)o]/ (87Rb/ 86Sr)+1}
同位素地球化学基础
• 普通铅法的样品要求： • 无U和Th的矿物，如方铅矿、黄铁矿等
同位素地球化学基础
• 4.U-Pb谐和曲线法
• •
=e1t -1 207Pb*/235U =e2t -1
206Pb*/238U
同位素地球化学基础
5.铅同位素的演化 原始铅：地球形成时的初始铅 放射铅：地球形成后放射性母体产物
同位素地球化学基础
2. U-Th-Pb法年龄测定 根据基本公式：D* = N(et - 1)
(206Pb/204Pb) =(206Pb/204Pb)o + (238U/ 204Pb)(et - 1) (207Pb/204Pb) =(207Pb/204Pb)o + (235U/ 204Pb)(et - 1) (208Pb/204Pb) =(208Pb/204Pb)o + (232Th/ 204Pb)(et - 1)
• 地球铅同位素的相对丰度变化是体系中 放射性母体衰变的结果。 • 铅矿物形成后，铅同位素与放射性母体 分离。
同位素地球化学基础
• T=45.5亿年 t 0亿年 • 时间 1————————1——————1 • 事件 1————————1——————1 • 地球形成 矿物形成 测定
同位素地球化学基础
同位素地球化学基础
二、铷-锶法年龄测定和锶同位素地球化学 1.Rb-Sr衰变体系 （1）Rb和Sr的同位素 Rb: 85Rb (72.15%) 87Rb (27.85%)
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
地球化学研究中的同位素分析技术
地球化学研究中的同位素分析技术地球化学研究是研究地球和行星体中的元素组成、地球历史演化以及地球的生命起源和演化等问题的学科。
同位素分析技术在地球化学研究领域中起着重要作用。
同位素是同一元素的不同质量核素，具有不同的原子质量，通过同位素的测量，可以揭示地球和宇宙中的一些重要物理、化学和生物过程。
本文将介绍地球化学研究中常用的同位素分析技术。
一、同位素分析技术的原理同位素分析技术是基于同位素的相对丰度差异进行的一种分析方法。
同位素相对丰度的测量可以通过质谱仪、质光谱仪、中子活化分析等手段进行。
这些方法通过测量同位素的质量、电荷、光谱峰位置等特性，从而确定样品中不同同位素的相对含量。
二、同位素分析技术的应用1. 放射性同位素分析放射性同位素是一种具有放射性衰变性质的同位素，通过测量放射性同位素的衰变速率，可以推断出地质历史、地球年龄以及地球内部的物质循环过程。
常用的放射性同位素分析技术包括铀系列、钍系列和钾系列等。
2. 稳定同位素分析稳定同位素是指不发生放射性衰变的同位素。
稳定同位素分析常用于研究地球系统中的元素循环、生物地球化学循环以及古气候变化等问题。
例如，氧同位素分析技术可以用于研究古气候变化、古海洋生物演化等；碳同位素分析技术可以用于研究碳循环、生物地球化学循环等。
3. 稳定同位素示踪技术稳定同位素示踪技术是通过测量示踪物中同位素的相对含量变化来研究地质过程和环境变化的方法。
例如，氧同位素示踪技术可以用于研究水循环、地下水补给和河流水源等；硫同位素示踪技术可以用于研究硫的来源、硫循环以及硫化物的形成和分解等。
三、同位素分析技术的挑战和发展趋势同位素分析技术在地球化学研究中起着重要作用，但也存在一些挑战。
首先，同位素分析技术需要高精度的仪器设备和实验条件，成本较高。
其次，样品准备和分析过程中存在一定的干扰因素，影响测量的准确性和可重复性。
此外，某些同位素的测量范围和准确性仍然有待提高。
为了克服这些挑战，同位素分析技术正在不断发展。
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在二维同位素体系中，显示出了多地幔端元组成及低Nd分布现象
SrPb 体 系 中 的 地 幔 端 元
• A＝a2b1y2-a1b2y1 • B＝a1b2－a2b1 ； • C＝a2b1x1-a1b2x2 • D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2 r＝a1b2/a2b1 ， r为与系 数B有关的数值，反映 了混合双曲线的曲率， 曲率的函数。当r＝1时 为直线方程。
其中，ai为yi的分母值，bi为xi的分母值
亏损地幔的贡献－大洋地壳的形成
拉斑玄武岩
富集地幔的贡献－大洋岛的形成
碱性玄武岩
tsc hat ka
60¡
Alaska Nor
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55 Mio. Y. 42 28 20
PACIFIC OCEAN
20¡
Honolulu
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Hawaii
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• Hart等(1986)认为，地幔平面只是地幔端元混合 的一个投影面。通过对大量MORB和OIB的Nd-Sr 和Pb-Sr同位素组成分析，确定出四个地幔端元， 分别为DMM(洋中脊亏损地幔端元)、EMI和 EMII(富集I和富集II型地幔端元)及HIUM(高U/Pb 地幔端元)。其中，将 Nd-Sr图中低143Nd/144Nd的 边界称为“低Nd分布(‘LoNd array’)”，代表了 HIMU与EMI地幔端元间的混合分布。
上地壳和下地壳组分差别表现在哪些方面？
2.3 幔源岩浆岩的组分差别
MORB与OIB的微量元素和稀土元素配分型式的差别
IAV = 岛弧火山岩
OIB = 洋岛玄武岩
MORB 洋中脊玄武岩 Sr同位素 Nd同位素
幔源岩浆岩Sr - Nd同位素组成的相关性
主要岩浆岩源区的 Pb同位素组成特征
Figure 8.18. Pb isotope ratios in major terrestrial reservoirs. Typical lower continental crust and upper continental crust are represented by lower crustal xenoliths and modern marine sediments respectively (these somewhat underestimate the total variance in these reser-voirs). MORB and oceanic islands
Mantle plume dynamics is well understood:
Instability of hot boundary layer at the base of the mantle (or from the 660 km discontinuity). Hot, low density materal rises in a narrow cylinder, typically forming a large „mushroom head“ as it rises.
当r≠1时，仍为一条受B控制的双曲线 元素-元素，a＝b＝1，
A＝y2－y1 B＝0 r＝1 C＝x1－x2
混合作用模型的应用
• 判断混合过程
• 在板块俯冲带，地壳 与上地幔岩石的氧含 量差异不明显，Sr差 别较大。导致源区混 合Sr-O同位素混合轨 迹线为下凹型；相反， 当地幔部分熔融的岩 浆上升受到地壳混染 时，地壳物质的Sr一 般低于岩浆，形成上 凸型双曲线。因此可 应用Sr-O同位素体系 有效判断混合过程。
长岩
5 3 1 6
4 7 2
200 km
Continental Crust
400
Oceanic Crust Lithospheric Mantle Sub-lithospheric Mantle
Source of Melts
?
600 km
?
?
?
现代大洋玄武岩可以按照产出的构造环境分为5类
1 MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts)，洋壳上部的主体，包括 熔岩和岩墙，并代表大洋辉长岩的初始岩浆。 2 BABB (Back-Arc Basin Basalts)，形成于弧后扩张脊。弧后 盆地宽度60－1000km。 3 OPB (Ocean Plateau Basalts)，发育于大洋板内环境，形成 范围巨大的、厚的海底熔岩堆积。 4 OIB (Ocean Island Basalts)，形成海山、大洋岛、或岛链
120¡
Jason Morgan‘s Plume Model
• Upwelling from thermal boundary layer at the base of the mantle
再循环模式Recycling Model
(Hofmann & White, 1982)
Whole-mantle convection with oceanic crust + lithosphere recycling in plumes
Cc
f
Rc
陆壳混染c
岩浆岩i
1-f
幔源岩浆m
Cm
Rm
Ci
Ri
o C代表元素浓度，如Rb，Sr，Sm，Nd等；R代表同 位素比值，如87Sr/86Sr， 143Nd/144Nd等。 o 根据质量平衡可得下列方程： Ci = fCc + (1-f) Cm
Ci· Ri = fCcRc + (1-f) CmRm
2.2 地球的圈层结构（2），地壳的基本组成和结构
大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型
大陆地壳的岩石学结构
上部地壳：沉积岩，火山岩 中部地壳：变质沉积岩，混合岩，花岗岩 下地壳：中基性麻粒岩，斜长角闪岩 最下地壳：基性麻粒岩，辉长岩，辉石岩
典型地壳的稀土元素组成
典型地壳的微量元素组成
问题：
2.1 地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构
类地行星的形成
主要陨石类型的相对含量
普通球粒陨石
普通球粒陨石
球粒陨石类的主要特征
碳质球粒陨石组 成与太阳光球的 组成基本一致
问题：
太阳、球粒陨石、地球的元素丰度异 同及其原因？
地球早期的核幔分离
地 壳 地 幔
地 核
地球各主要圈层的体积和质量
通用二元混合方程
• Vollmer（1976）和Langmuir等（1978）先后 给出了二元混合体系微量元素浓度的通用表 达式。该式理论上可适用于任何元素和同位 素。对任何一个二组份混合体系，其方程为 Ax＋Bxy＋Cy＋D＝0 （5.62） • 其中x，y是横坐标、纵坐标的变量，可以是 元素或元素的比值。当端元1和端元2上的坐 标即比值为（x1，y1）（x2，y2）时系数可表 示为：
2.4 混合过程的数学表达
简单混合模式
二元混合
三元混合
Figure 14-5. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
混合作用普遍存在
混合过程的定量模型---幔源岩浆受到陆壳混染
地壳，0.4%
地幔，67.2%
地核，32.4%
上地幔的化学和标准矿物组成 - 地幔包体资料
二辉橄榄岩
上地幔的矿物相关系
不同深度地幔的矿物组成和密度
软流圈
上地幔
过渡带
下地幔
问题：
上地幔矿物组成和主元素组成有什么特点？
地幔化学：
早在60年代，地球化学家通过对洋岛玄武岩(OIB) 的研究，观察到 了地幔的不均一性，而随后发现 了大洋中脊玄武岩(MORB)与OIB之间存在微量元 素和同位素组成上的显著差别，区分出了亏损地 幔和富集地幔，发现了地幔存在4个端元。
2.5 洋岛玄武岩与地幔端元
为什么研究大洋玄武岩
• 在岩浆发生和侵位结晶过程中，Sr、Nd、 Pb等放射性同位素组成不受部分熔融和分 离结晶作用的影响，因此反映源区特征
• 洋岛玄武岩类(OIBs)代表各类大洋地幔， 并且地壳混染的影响很小，因此可以对地 幔性质提供最好的证据
大量的MORB和OIB 同位素组成调查显 示，并不存在简单 的二元混合关系
SrNd 体 系 中 的 地 幔 端 元
• 为避免二维同位素组成对判别地幔端元可能带来 的主观偏差，Allegre等(1987)和Hart等(1992)对大 量BORB和OIB的87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、 206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb进行了主成 分分析(principle component analysis)，获得了5个 特征向量，表征能体现数据变化量最大百分比例 的多维组份空间的方向，其数值分别为56、37、4、 2和1%。由于前三个向量的总和为>97%，故 Hart等认为，用87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、 206Pb/204Pb三个向量在三维同位素体系中可近似 地表达MORB-OIB的特征向量的方向，即在以 DMM、HIMU、EMI和EMII端元在上述三维同 位素空间中组成的四面体，包含了>97%的大洋环 境玄武岩的同位素组成范围。
Plume Dynamics
(Lin & van Keken)
Thermo-chemical Plumes
(Farnetani & Samuel)
Plume experiment in your kitchen