第二讲 同位素测年的基本原理
元素周期表中的同一族元素的同位素的同位素测年技术实验原理
元素周期表中的同一族元素的同位素的同位素测年技术实验原理同位素测年技术是目前地质学家和考古学家用于确定物质年龄的最常用方法之一。
而同位素测年的核心仪器——质谱仪目前已经高度自动化和数字化，在广泛应用。
同位素测年技术通常基于天然物质中的同位素比的改变量来确定样品的年龄，通过比较正常化后的代表同位素的比值以及参考样品的年龄，可以得到测定物质的年龄。
其中，元素周期表中的同一族元素的同位素是同位素测年技术中最常用的同位素。
我们知道，原子核中的质子数量是一个元素的主要唯一标识。
而由于原子核还有中子，相同原子核中能存在不同中子数量的同位素，它们拥有相同的质子数，不同的中子数，所以它们的化学性质也是相近的。
周期表上处于同一族的元素，它们的性质是相似的，这也意味着它们可以容易地替换为在同一族中的其他元素，从而在物理和化学性质上不产生重大的变化。
因此，对同一族元素的同位素进行同位素测年时，可以将其作为同位素比对比的目标元素。
同一族元素的同位素通常比其他元素的同位素更容易分离和测量。
同一族的同位素比通常变化不大，并且对时间和环境的影响也较为稳定，这使得同位素比的测量和校准变得相对容易，可以克服样品含量非常少的困难，从而实现高精度和高灵敏度的年龄测量。
对于一些需要研究历史时限的实验，如考古学和地质学，这种方法可以使研究人员得出精确的结论，从而提高实验的准确度。
同位素测年技术的实验原理很简单。
首先，将需要测定年龄的样本进行物质分离，从中挑选特定同一族元素的同位素，并测量同位素比。
然后，将测量结果与计算的同位素比数据进行比较，得出样品的年龄。
在进行实验时，更准确的年龄测定需要对参考样本进行频繁的校准，并避免外部因素污染样品，以保证实验数据的准确性和可靠性。
总的来说，同位素测年技术是一种精密的年龄测定技术，它是使用化学和物理原理来确定物质的年龄，可以在考古学和地质学中为我们提供非常重要的信息。
通过对周期表中同一族元素的同位素进行分析测量，以及其他测定年龄的方法结合使用，我们可以更好地理解过去和现在地球和人类演化史。
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。
同位素定年原理和方法.pdf
一级： 锆石、斜锆石、独居石、磷钇矿、氟碳铈矿…
二级：金红石、榍石、钙钛矿、锡石、磷灰石…
Rb-Sr:
含Li/K/Cs 矿物替代
云母、钾长石类
Re-Os： 亲硫性，且 Re4+ = Mo4+ (离子半径最接近）
90% 辉钼矿可以认为不含有普通Os
Lu-Hf:
富重稀土，贫高场强元素
石榴石、磷灰石、磷钇矿
D0/Ds : 295.5 (过剩Ar除外) ： 206Pb/204Pb = 18±3 ： 0.703 − 0.710 ： 0.511±0.003 : 0.12 − 1 : 0.282±0.002
D/Ds(f<1%) >30000 √
>2000 √
> 7 罕见
>5
>100 √
>2.8 罕见
< 1%时，校正对年龄影响都很小
U Th K Rb Sm Re Lu
微区原位方法：
U-Th-Pb ： SIMS LA-(MC)-ICPMS EMP
Ar-Ar : LA
Sm-Nd
: LA，需要Nd> 200 ppm
一般是轻稀土富集矿物，不适宜定年
t ln( D * 1) /
P
微区原位方法同时测试不同元素离子比值(Ar-Ar 除外)，因离子产率的差异，需要标样校正
Sr-Nd测试我所TIMS实验室已达到国际一流水平
Hf ： MC，10 ppb *0.5 ml =5ng (176Hf/177Hf <0.005%)
样品量: 一般0.1 ppm，> 50 mg
Os ： N-TIMS，MC, MS-ICPMS 无初始Os时，只需测Re-Os含量
同位素年代测定
同位素年代测定
同位素年代测定是一种通过测量样品中放射性同位素的比例来推算样品年龄的方法。
该方法广泛应用于地质学、考古学、天文学等领域。
同位素年代测定基本原理是：样品中的放射性同位素会衰变，释放出放射性粒子，从而减少原子数量。
由于衰变率是已知的，通过测量样品中放射性同位素的比例，就可以推算出样品的年龄。
同位素年代测定方法有多种，如铀-铅法、钾-氩法、热释光法等。
这些方法适用于不同的样品和不同的时期。
例如，铀-铅法适用于测定年龄大于10亿年的样品，而钾-氩法适用于测定年龄在10万到10亿年之间的样品。
同位素年代测定是一种非常精确的方法，可以提供可靠的时间标尺，帮助我们了解地球和宇宙的历史。
但是，该方法也需要一定的技术和设备支持，同时需要对样品进行仔细的处理和测量，以避免误差和干扰。
同位素地质年代测定原理[权威资料]
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同位素地质年代测定原理本文档格式为WORD,感谢你的阅读。
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。
地球化学研究中的同位素测年技术
地球化学研究中的同位素测年技术地球化学研究中的同位素测年技术被广泛应用于地质学、地球科学、考古学等领域，为我们揭示了地球历史的面纱。
同位素测年技术是通过分析地质物质中不同同位素的比例来确定物质的年龄，其原理基于同位素在自然界中的稳定性和放射性衰变的特性。
本文将介绍同位素测年技术的原理、应用领域及其在地球化学研究中的重要性。
一、同位素测年技术的原理同位素是同一个元素中具有相同原子序数但质量数不同的核素。
同位素的稳定性是同位素测年技术有效应用的基础，而放射性同位素的衰变性质则被用于测定物质的年龄。
同位素测年技术的核心原理是根据衰变速率和父母同位素与子女同位素之间的比例关系来计算样品的年龄。
放射性同位素的衰变速率是稳定的，衰变过程中父母同位素的逐渐减少，而子女同位素的比例逐渐增加。
通过测量样品中父母同位素和子女同位素的含量，可以计算出样品的年龄。
二、同位素测年技术的应用领域同位素测年技术广泛应用于地质学、地球科学和考古学等领域，为研究地球历史和人类活动提供了重要的依据。
在地质学中，同位素测年技术可以用于确定岩石和矿石的形成时间，揭示地球地质演化的过程。
例如，铀系同位素测年方法可以用于测定岩石的年龄，帮助我们了解地球各个时期的构造变化和地球表面的历史。
在地球科学中，同位素测年技术被用于研究地球大气和海洋的循环过程，揭示气候变化的规律。
通过分析大气和海洋中的同位素比例，可以推断过去的气候环境，为预测未来的气候变化提供参考依据。
在考古学中，同位素测年技术被用于确定考古遗址中文物和生物化石的年代，揭示人类活动的发展历程。
通过测定遗址中的有机物的同位素比例，可以推断人类定居和活动的时间，帮助我们了解古代文明的兴衰和民族迁徙的历史。
三、同位素测年技术在地球化学研究中的重要性同位素测年技术在地球化学研究中具有重要的地位和作用。
首先，同位素测年技术是地球化学研究的重要方法之一，通过分析样品中同位素的比例，可以确定样品的年龄和形成过程，从而揭示地球的演化历史。
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：
同位素测年的原理
同位素测年是一种用来确定物质的年龄的方法。
它是基于同位素的原子核性质和衰变过程的原理。
同位素是具有相同的原子序数但质量数不同的原子，它们在核外电子结构上具有相同的化学性质。
同位素测年通过观察同位素的衰变过程和稳定同位素的比例来确定物质的年龄。
同位素是由原子核中的质子和中子组成的。
原子核中的质子数量决定了元素的化学性质，而质子和中子的总数则决定了同位素的质量数。
同一元素的不同同位素具有相同的化学性质，但它们的质量数不同，因此具有不同的核性质。
放射性衰变是指一些核素的原子核在时间的推移中会自发地发生转变，并释放出一定的能量。
放射性衰变过程中，一种原子核通过放射衰变转变为另一种原子核。
这种衰变过程是随机的，但可以用半衰期来描述。
半衰期是指在衰变过程中，一半的原子核会衰变所需的时间。
不同同位素具有不同的半衰期，可以从此推算物质的年龄。
放射性采样是指在地质或化学过程中，自然界中的一些元素与同位素以特定的比例被捕获或固定到固体、液体或气体中。
例如，放射性同位素碳-14（14C）以特定的比例被生物体吸收，然后在生物体死亡后停止吸收。
通过测量样品中14C和稳定碳同位素的比例，可以确定样品的年龄。
同位素分数是指给定同位素的同位素原子核数量占总原子核数量的比例。
同位素分数可以通过质谱仪等仪器测量得出。
在同位素测年中，研究人员会测量样品中稳定同位素和放射性同位素的比例，然后根据已知的半衰期和放射性衰变方程来确定样品的年龄。
同位素测年方法包括放射性碳测年（利用14C的半衰期为5730年测定有机物的年龄）、钾-氩测年（利用40K的衰变产物40Ar的半衰期为1.28亿年测定岩石和矿物的年龄）、铀-铅测年（利用铀系列同位素衰变到铅系列同位素的比例来测定岩石和矿物的年龄）等。
总之，同位素测年是一种重要的地质年代学方法，它利用同位素的核性质和衰变过程来确定物质的年龄。
通过测量同位素的分数和衰变过程，可以推算出物质的年龄，从而深入研究地球历史和生物进化过程。
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满足上述条件的一组样品，在以Y (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd… ) 为纵坐标，X (87Rb/86Sr, 147Sm/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：
因此，根据式(3·54)计算的年龄往往与真实 年龄不相吻合.为此，L.O.Nicolaysen(1961)提 出采用等时线法计算岩石或矿物的同位素年龄. 对Rb，Sr保持封闭体系的原始Rb－Sr年龄方程 可表示为：
87Sr
= 87Sri + 87Rb(eλRbt - 1) p
(4 ·1 )
式中：p代表现今测定值，i代表时间t时的 初始值.
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.
实际上，由于地质作用的长期性和复杂性， 地质样品很难对母、子体同位素保持完全的封 闭状态；在各种岩石或矿物中普遍存在初始子 体同位素.虽然可假定一个合适的值进行初始值 扣除，但由于自然界的情况非常复杂，各种岩 石或矿物的物质来源又很不一致，尤其是对于 母体同位素丰度值低和年轻的样品，千篇一律 采用同一个值来扣除，势必会导致初始值扣除 不合理；此外，不同的母体和子体元素的地球 化学性质差异很大，它们对于后期地质作用所 产生的影响很不相同.
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.
如果用40K，238U，235U，232Th，87Rb，147Sm， 176Lu，187Re和138La的含量代替式中的N；相应 用放射成因的40Ar，206Pb，207Pb，208Pb，87Sr， 143Nd，176Hr，187Os和138Ce的含量代替式中的 D*，并代入相应的衰变常数(表4．1)，即可建 立起K-Ar法，U，Th-Pb法，Rb-Sr法，Sm-Nd 法，Lu-Hf法，Re-Os法和La-Ce法同位素年龄 计算公式.从理论上讲，利用岩石或矿物中任一 放射性母体同位素与其最终的稳定子体同位素 之间的比例关系即可计算出同位素年龄.这一年 龄是满足下列条件的体系的年龄：
3. 放射性母体同位素的半衰期或变常数必 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.
1. 岩石或矿物中母、子体同位素组成的变化 仅仅由放射性衰变所引起，即岩石或矿物自形 成以来必须始终对母、子体同位素保持封闭的 体系，没有因后期地质作用 如变质作用、热 体系，没有因后期地质作用(如变质作用、热 液蚀变或风化作用等)的影响而发生母体或子 体同位素的带出或带入.
2. 必须能准确校正岩石或矿物形成时存在的 子体同位素的值.自然界中的同位素除由放射 性衰变形成的放射成因同位素外，还有一种是 在宇宙原子核合成过程中形成的普通同位素. 如果某一地质作用致使以前存在的这两种来源 的同位素发生均一混合，并进入岩石或矿物中. 那么，在所形成的岩石或矿物中，该同位素便 有一个初始含量.当采用这些岩石或矿物来测 定同位素年龄时，现今测定值就包含有一个初 始含量.如果不设法予以扣除，就会得出一个 比真实年龄要大的表面年龄.
适用于等时线法测定的样品，必须满足 下列条件： 1. 所有样品必须具有相同的初始同位素组 成，即具有相同的物质来源； 2. 所有样品必须具有相同的年龄，即它们 是在相对短暂的时间间隔内形成的； 3. 所有样品必须对母、子体同位素保持封 闭的化学体系，即样品自形成以来没有受 到任何地质作用的迭加改造； 4. 样品要具有合适的母、子体同位素比值.
同位素测年基本原理
当岩石或矿物形成以后，其中所含的放射 性母体同位素便按指数规律[式(3·49)]不断衰 减，放射成因的稳定的子体同位素逐渐增加. 因此，如果体系中母体和子体同位素组成的 变化仅仅由放射性衰变所引起，那么通过准 确测定岩石或矿物中母、子体同位素的含量， 便可根据式(3·54)计算出该岩石或矿物的同位 素年龄.式中D和N为样品中子体和母体同位 素的含量，是可以测定的.