第六章 同位素地球化学 同位素地球化学同位素地球化学是研究地壳和地球是研究地壳和地球中中同位素的形成、丰度同位素的形成、丰度及其在地质作及其在地质作用中用中分馏分馏和和衰变规律衰变规律的科学。的科学。地球化学基础地球化学基础1)1)计时作用：计时作用：每一对放射性同位素都是每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，这样可以地，不受干扰地走动着，这样可以测定各测定各种地质体的年龄，种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。武纪地层及复杂地质体。同位素地球化学在解决地学领域问题同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处的独到之处地球化学基础地球化学基础 2) 2)示踪作用：示踪作用：同位素成分的变化受到作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用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境的环境条件条件、机制机制，并能示踪物质，并能示踪物质来源来源。3) 3) 测温作用：测温作用：由于某些矿物同位素成分由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的设计各种矿物对的同位素温度计同位素温度计，来测，来测定成岩成矿温度。定成岩成矿温度。另外亦可用来进行另外亦可用来进行资源勘查、环境监资源勘查、环境监测、地质灾害防治测、地质灾害防治等。等。地球化学基础地球化学基础同位素的基本概念同位素的基本概念核素核素核素核素: : : :由一定数量的质子由一定数量的质子由一定数量的质子由一定数量的质子(P)(P)(P)(P)和中子和中子和中子和中子(N)(N)(N)(N)按一定结构组成按一定结构组成按一定结构组成按一定结构组成的的的的 原子核称为原子核称为原子核称为原子核称为核素核素核素核素。 核素的性质核素的性质核素的性质核素的性质： 1 1 1 1）核素具有电荷）核素具有电荷）核素具有电荷）核素具有电荷 2 2 2 2） 核素具有质量核素具有质量核素具有质量核素具有质量3333） 核素具有丰度核素具有丰度核素具有丰度核素具有丰度4444） 核素具有能量核素具有能量核素具有能量核素具有能量 5 5 5 5）有些核素具有放射性）有些核素具有放射性）有些核素具有放射性）有些核素具有放射性 第一节第一节 同位素基本性质及其组成变化同位素基本性质及其组成变化地球化学基础地球化学基础元素元素: :由具有相同质子的核素称为由具有相同质子的核素称为元素元素。同位素：同位素：由由质质子子数数相相同同而而中中子子数数不不同同的的核核素素组组成成同同位位素素。它它们们在在元元素素周周期期表表中中占占据据同同一一个个位置。位置。地球化学基础地球化学基础 硫有硫有4 4个同位素，个同位素， 即即16163232S S、16163333S S、16163434S S和和16163535S S， 这这4 4个同位素都有个同位素都有1616个质子，因而它们都位于元个质子，因而它们都位于元素周期表第三周期第素周期表第三周期第主族。主族。又如又如 1616O O、1717O O和和1818O O是同位素，是同位素，8787SrSr和和8787RbRb不是同位素。不是同位素。 同位素之间同位素之间化学性质相同化学性质相同、物理性质物理性质不同不同。偶数元素的丰度高，同一元素中子。偶数元素的丰度高，同一元素中子数为偶数的丰度高。数为偶数的丰度高。例：例：地球化学基础地球化学基础一个元素可以由一种或几种同位素组成。同一个元素可以由一种或几种同位素组成。同位素地球化学研究具有位素地球化学研究具有2 2个或个或2 2个以上核素组个以上核素组成的元素。成的元素。自然界中同位素最多的是自然界中同位素最多的是SnSn元素，有元素，有1010个同个同位素：位素：112112，114114，115115，116116，117117，118118，119119，120120，122122，124124SnSn地球化学基础地球化学基础1 1、放射成因同位素、放射成因同位素 : :它们能够它们能够自发地衰自发地衰变变形成其它同位素，最终转变为稳定的形成其它同位素，最终转变为稳定的放射成因同位素；放射成因同位素；2 2、稳定同位素、稳定同位素 : :它们它们不自发地衰变不自发地衰变形成形成其它同位素，或由于衰变期长（其它同位素，或由于衰变期长（10101717年年）其同位素丰度变化可忽略不计。其同位素丰度变化可忽略不计。 自然界存在两类同位素自然界存在两类同位素：地球化学基础地球化学基础一、放射性同位素组成变化一、放射性同位素组成变化（一）放射性同位素衰变反应（一）放射性同位素衰变反应 自自然然界界放放射射性性同同位位素素大大约约有有6767种种，它它们们大大多多数数的的质质量量数数大大于于209209（例例外外：14C，40K，87Rb ）。）。 这这些些放放射射性性同同位位素素不不断断自自发发地地发发射射出出质质点点和和能能量量，改改变变同同位位素素组组成成并并转转变变成成稳稳定定的的核核素素，这这种种过过程程称称核核衰衰变变反反应应或或蜕蜕变变，简简称称衰衰变变反反应应。是引起放射性同位素丰度变化的主要原因。是引起放射性同位素丰度变化的主要原因。地球化学基础地球化学基础天然放射性同位素的衰变反应种类如下：天然放射性同位素的衰变反应种类如下： 1.-衰变衰变原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子（- -质点）质点），- -质点被射出核外，质点被射出核外，反应通式为：反应通式为：A AZ ZM M A AZ+1Z+1M+M+- -其中其中Z Z为核电荷数，为核电荷数，A A为质量数。衰变结果，核内为质量数。衰变结果，核内减少一个中子，增加一个质子，减少一个中子，增加一个质子，质量数不变，质量数不变，核电荷数增加核电荷数增加1 1，变为周期表右侧的相邻元素。，变为周期表右侧的相邻元素。如：如：87873737Rb Rb 87873838Sr+Sr+- -、 40401919K K 40402020Ca+Ca+- -，其中其中87873737RbRb与与87873838SrSr、40401919K K与与40402020CaCa为同量异位素。为同量异位素。 地球化学基础地球化学基础2. 2. 电子捕获电子捕获它是它是- -衰变的逆反应（并非可逆反应），是衰变的逆反应（并非可逆反应），是原原子核自发地从子核自发地从K K或或L L层电子轨道上吸取一个电层电子轨道上吸取一个电子（多数为子（多数为K K层捕获），与一个质子结合变成层捕获），与一个质子结合变成一个中子，反应通式为：一个中子，反应通式为：A AZ ZM+e M+e A AZ-1Z-1M M，衰，衰变结果，质量数不变，核电荷数减变结果，质量数不变，核电荷数减1 1，变为周，变为周期表左邻元素。期表左邻元素。 如：如： 40401919K+e K+e 40401818ArAr。 地球化学基础地球化学基础3. - 3. - 衰变衰变 重重核核放放射射出出由由2 2个个质质子子和和2 2个个中中子子组组成成的的质点（即质点（即HeHe核），衰变反应为：核），衰变反应为：A AZ ZM+eM+eA-4A-4Z-2Z-2M+M+衰衰变变结结果果，质质量量数数减减4 4，核核电电荷荷数数减减2 2，在在元素周期表上元素周期表上向左移动向左移动2 2格格。如：。如： 2262268888Ra Ra 2222228686Rn+Rn+4 42 2HeHe。地球化学基础地球化学基础4.4.重核裂变重核裂变 重同位素重同位素自发地分裂为自发地分裂为2-32-3片原子片原子量大致相同的碎片。量大致相同的碎片。如：如：238238U U、235235U U和和232232ThTh等重核都可能发生这种裂变。等重核都可能发生这种裂变。地球化学基础地球化学基础 在自然界中，在自然界中，有些放射性同位素只通过一有些放射性同位素只通过一次某一种固定形式的衰变过程就转变为某种次某一种固定形式的衰变过程就转变为某种稳定同位素，从而停止了放射性衰变。稳定同位素，从而停止了放射性衰变。 如如87873737Rb Rb 87873838Sr + Sr + - - 而而其它一些放射性同位素其它一些放射性同位素，如，如238238U U、235235U U和和232232ThTh等原子核要通过一系列的等原子核要通过一系列的衰变和衰变和衰变，衰变，通过形成一系列中间过渡的放射性同通过形成一系列中间过渡的放射性同位素，最终才转化为稳定的同位素位素，最终才转化为稳定的同位素，从而结，从而结束了其放射性衰变过程。束了其放射性衰变过程。地球化学基础地球化学基础（二）放射性衰变定律（二）放射性衰变定律 放射性同位素衰变反应放射性同位素衰变反应不同一般的化学反不同一般的化学反应，应，具有如下性质：具有如下性质： (1) (1) 衰变作用是衰变作用是发生在发生在原子核内部原子核内部的反应，反应结的反应，反应结果果由一种由一种核素核素变成另一种核素变成另一种核素； (2) (2) 衰变衰变自发地不断地进行，并有自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例恒定的衰变比例； (3) (3) 衰变反应衰变反应不受不受温度、压力、电磁场和原子核存温度、压力、电磁场和原子核存在形式等在形式等物理化学条件的影响物理化学条件的影响； (4)(4) 衰变前和衰变后核素的原子数衰变前和衰变后核素的原子数只是时间的函数只是时间的函数。衰变前的核素被称为衰变前的核素被称为母体同位素（母核）母体同位素（母核），衰变后，衰变后新形成的核素称为新形成的核素称为子体同位素（子核）子体同位素（子核）。 地球化学基础地球化学基础放放射射性性衰衰变变定定律律 单单位位时时间间内内衰衰变变的的原原子子数与现存放射性母体的原子数成正比。数与现存放射性母体的原子数成正比。其数学表达式如下：其数学表达式如下：-dN/dt = N-dN/dt = N 式式中中：N N为为在在 t t 时时刻刻存存在在的的母母体体原原子子数数；dN/dtdN/dt为为t t时时的的衰衰变变速速率率，负负号号表表示示N N随随时时间间减减少少；为为衰衰变变速速率率常常数数，表表示示单单位位时时间间内内衰衰变变的的原原子子比比例例数数，其其单单位位为为1/1/年年或或1/1/秒。秒。地球化学基础地球化学基础将前式由将前式由t=0t=0到到t t求积分，整理后得：求积分，整理后得： ln(N/Nln(N/N0 0)=-t)=-t N N0 0为为t=0t=0时的衰变母体原子数。时的衰变母体原子数。由此得：由此得：N=NN=N0 0e e-t -t 或或 N N0 0 =Ne=Nett 以上为以上为放射性同位素衰变的基本公式放射性同位素衰变的基本公式，表明母，表明母核原子数为核原子数为N N0 0的放射性同位素，经时间的放射性同位素，经时间t t后残后残存的母体原子数存的母体原子数 N= NN= N0 0e e-t-t，N N与与t t为指数函数。为指数函数。地球化学基础地球化学基础设设设设衰衰衰衰变变变变产产产产物物物物子子子子体体体体的的的的原原原原子子子子数数数数为为为为D D D D* * * *，当当当当t=0t=0t=0t=0时时时时，D D D D* * * *=0=0=0=0，经经经经时时时时间间间间t t t t的衰变反应，则：的衰变反应，则：的衰变反应，则：的衰变反应，则：D*=ND*=ND*=ND*=N0 0 0 0-N-N-N-N D*=ND*=ND*=ND*=N0 0 0 0（1- 1- 1- 1- e e e e-t-t-t-t）或或或或 D*=N(eD*=N(eD*=N(eD*=N(etttt- - - -1)1)1)1)对对对对于于于于任任任任一一一一放放放放射射射射性性性性同同同同位位位位素素素素体体体体系系系系，放放放放射射射射性性性性核核核核素素素素衰衰衰衰变变变变掉掉掉掉初初初初始始始始原原原原子数的一半所需的时间称为子数的一半所需的时间称为子数的一半所需的时间称为子数的一半所需的时间称为半衰期半衰期半衰期半衰期，以，以，以，以T T T T1/21/21/21/2表示。表示。表示。表示。t=Tt=Tt=Tt=T1/21/21/21/2时时时时, N=1/2N, N=1/2N, N=1/2N, N=1/2N0 0 0 0，代入，代入，代入，代入D*=N(eD*=N(eD*=N(eD*=N(etttt-1)-1)-1)-1)并整理得：并整理得：并整理得：并整理得： T T T T1/21/21/21/2=ln2/ =ln2/ =ln2/ =ln2/ T T T T1/21/21/21/2与与与与呈反比关系。呈反比关系。呈反比关系。呈反比关系。衰变常数衰变常数衰变常数衰变常数值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。值愈小，半衰期愈长，核的寿命愈长。 地球化学基础地球化学基础放射性母体核素放射性母体核素放射性母体核素放射性母体核素N N和子体核素和子体核素和子体核素和子体核素D*D*随时间随时间随时间随时间t t变化的曲线变化的曲线变化的曲线变化的曲线 时间（以半衰期为单位）时间（以半衰期为单位）D*=N0（1- e-t）N=N0e-tD0=0N0N or D*地球化学基础地球化学基础地球化学基础地球化学基础二、二、 稳定同位素组成变化稳定同位素组成变化（一）稳定同位素分馏（一）稳定同位素分馏（一）稳定同位素分馏（一）稳定同位素分馏轻轻 稳稳 定定 同同 位位 素素 （ Z Z 2020） 的的 相相 对对 质质 量量 差差 较较 大大（A/A10%A/A10%），在在地地质质作作用用中中由由于于质质量量差差所所引引起的同位素相对丰度变异，称为起的同位素相对丰度变异，称为同位素分馏作用同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下：根据分馏作用的性质和条件可区分如下：1. 1. 物理分馏物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同质量有关的性质的不同，如密度、引起一系列同质量有关的性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻自然物理过程中发生轻重同位素的分异。重同位素的分异。 地球化学基础地球化学基础水和重水的物理性质对比水和重水的物理性质对比分子分子分子量分子量密密度度20，g/cm3最最大大密密度度时温度时温度熔熔 点点沸点沸点蒸蒸 气气 压压100,PaH216O18.0150.99793.980.00100.00101325D216O20.0281.105111.243.813101.4296.208H218O-1.11064.300.28100.14-地球化学基础地球化学基础2 2动动力力分分馏馏：含含有有两两种种同同位位素素的的分分子子，由由于于质质量量不不同同导导致致它它们们参参加加化化学学反反应应活活性性的的差差异异。质质量量不不同同的的同同位位素素分分子子具具有有不不同同的的分分子子振振动动频频率率和和化化学学键键强强度度。轻轻同同位位素素形形成成的的键键比比重重同同位位素素更更易易于于破破裂裂，因因此此，轻轻同同位位素素分分子子的的反反应应速速率率高高于于重重分分子子，在在共共存存平平衡衡相相之之间间产产生生微微小小的的分分馏馏，反反应应产产物物、特特别别是是活活动动相相中更富集轻同位素。中更富集轻同位素。如：如： C+C+1616O O C C1616O O2 2 平平衡衡常常数数为为K K1 1 C+ C+1616O O1818O CO C1616O O1818O O 平衡常数为平衡常数为K K2 2 经实验测定经实验测定2525 C C时时 K K1 1/K/K2 2=1.17=1.17。 地球化学基础地球化学基础3 3平平衡衡分分馏馏：化化学学反反应应中中反反应应物物和和生生成成物物之之间间由由于于物物态态、相相态态、价价态态以以及及化化学学键键性性质质的的变变化化，轻轻重重同同位位素素公公别别富富集集在在不不同同分分子子中中发发生生的的分分异异，也也称称同同位位素素交交换换反反应应。达达到到同同位位素素交交换换平平衡衡时时共共存存相相同同位位素素相相对对丰丰度度比比值值为为常常数数，称称分分馏馏系系数数。如：如：1/3CaC16O3+H218O1/3Ca18O3+H216O25时同位素分馏系数时同位素分馏系数=1.0310。地球化学基础地球化学基础4 4生物化学分馏生物化学分馏：生物活动和有机反应生物活动和有机反应也能导致的同位素分馏效应。也能导致的同位素分馏效应。如植物的如植物的光合作用使光合作用使1212C C更多地富集于生物合成有更多地富集于生物合成有机化合物中。机化合物中。生物成因的地质体如煤、生物成因的地质体如煤、油、气等具有最高的油、气等具有最高的1212C/C/1313C C值。生物化值。生物化学分馏是同位素分异作用中重要的控制学分馏是同位素分异作用中重要的控制反应。反应。地球化学基础地球化学基础（二）同位素组成的表示方法：（二）同位素组成的表示方法：1.1.同位素间的相对丰度（同位素间的相对丰度（ R R ）同同位位素素组组成成常常用用R R值值来来衡衡量量和和比比较较，如如大大气气中的中的1616O/O/1818O O比值：比值： R=R=1616O/O/1818O O=99.763/0.1995=500.065=99.763/0.1995=500.065， 或或 R=R=1818O O / /1616O O=2.010=2.010-3-3。地球化学基础地球化学基础2.2.同位素的相对富集度（同位素的相对富集度（ ）R R值值只只代代表表同同位位素素的的相相对对丰丰度度。若若取取某某一一给给定定样样品品的的R R值值为为标标准准，则则可可测测得得各各地地质质样样品品中中R R值值与与标标准间的绝对变差，以准间的绝对变差，以表示：表示： R R R R样样样样-R-R-R-R标标标标 R R R R样样样样（）=1000 = 1000 =1000 = 1000 =1000 = 1000 =1000 = 1000 R R R R标标标标 R R R R标标标标-1-1-1-1（二）同位素组成的表示方法（二）同位素组成的表示方法地球化学基础地球化学基础从样品的从样品的值，直接看出它含微量同值，直接看出它含微量同位素比标准位素比标准富集和贫化富集和贫化的程度。例如的程度。例如样品的样品的00，表明微量同位素比标准，表明微量同位素比标准更更富集富集；若；若01111, , , ,反应反应反应反应向右向右向右向右进行；当进行；当进行；当进行；当1110,物质来自亏损地幔物质来自亏损地幔;Nd(t)0,物质来自于地壳物质来自于地壳Nd(t)0,物质来自于未分异的原始地幔物质来自于未分异的原始地幔地球化学基础地球化学基础在在Nd同位素示踪应用中，常结合同位素示踪应用中，常结合Sr同位素研究，构筑同位素研究，构筑Nd(t)-Sr(t)图解图解或或Nd(t)-（87Sr/86Sr)t图解图解Nd(t)Sr(t)亏损地幔亏损地幔年轻陆壳年轻陆壳古老陆壳古老陆壳 下地壳下地壳上地壳上地壳地球化学基础地球化学基础常常常常通通通通过过过过NdNdNdNd、SrSrSrSr同同同同位位位位素素素素进进进进行行行行壳壳壳壳幔幔幔幔体体体体系系系系的的的的同同同同位位位位素素素素示示示示踪踪踪踪，如如如如NdNdNdNd（t t t t）- - - -SrSrSrSr（t t t t）图解，由）图解，由）图解，由）图解，由NdNdNdNd（t t t t）=0=0=0=0和和和和SrSrSrSr（t t t t）=0=0=0=0划分为划分为划分为划分为4 4 4 4个象限：个象限：个象限：个象限：象象象象限限限限：落落落落于于于于该该该该区区区区域域域域的的的的样样样样品品品品较较较较少少少少，仅仅仅仅有有有有受受受受海海海海水水水水蚀蚀蚀蚀变变变变的的的的蛇蛇蛇蛇绿绿绿绿岩岩岩岩，如如如如SamailSamailSamailSamail蛇绿岩蛇绿岩蛇绿岩蛇绿岩NdNdNdNd（t t t t）=7.80.3=7.80.3=7.80.3=7.80.3，SrSrSrSr（t t t t）=-20+30=-20+30=-20+30=-20+30。象象象象限限限限：源源源源自自自自亏亏亏亏损损损损地地地地幔幔幔幔的的的的样样样样品品品品均均均均落落落落入入入入该该该该象象象象限限限限，如如如如大大大大洋洋洋洋中中中中脊脊脊脊拉拉拉拉斑斑斑斑玄武岩、海岛玄武岩等。玄武岩、海岛玄武岩等。玄武岩、海岛玄武岩等。玄武岩、海岛玄武岩等。象象象象限限限限：落落落落于于于于该该该该象象象象限限限限的的的的样样样样品品品品也也也也较较较较少少少少，如如如如下下下下地地地地壳壳壳壳麻麻麻麻粒粒粒粒岩岩岩岩相相相相岩岩岩岩石石石石具具具具此类特征。此类特征。此类特征。此类特征。象象象象限限限限：源源源源于于于于地地地地壳壳壳壳物物物物质质质质的的的的样样样样品品品品主主主主要要要要落落落落于于于于该该该该区区区区域域域域，其其其其中中中中来来来来自自自自上上上上部部部部地地地地壳壳壳壳或或或或年年年年轻轻轻轻地地地地壳壳壳壳的的的的样样样样品品品品落落落落于于于于该该该该象象象象限限限限的的的的上上上上部部部部区区区区域域域域，来来来来自自自自下下下下部部部部地地地地壳物质或古老地壳物质的样品落于该象限下部区域。壳物质或古老地壳物质的样品落于该象限下部区域。壳物质或古老地壳物质的样品落于该象限下部区域。壳物质或古老地壳物质的样品落于该象限下部区域。地球化学基础地球化学基础需需要要指指出出的的是是：源源于于相相似似年年龄龄的的地地壳壳物物质质样样品品，Nd、Sr 同同位位素素变变化化仍仍可可各各具具特特色色，通通常常Nd（t）值值变变化化较较小小，而而Sr（t）值值变变化化较较大大，地地壳壳样样品品中中Sr（t）值值的的变变化化范范围围相相当当于于Nd（t）值值的的10100倍倍，这这表表明明大大陆陆壳壳Sr同同位位素素成成分分变变化化较大。较大。由上讨论可见，由上讨论可见，Nd（t）Sr（t）图解是分析）图解是分析物质来源的有效方法，除此还可根据物质来源的有效方法，除此还可根据Nd（t）和）和Sr（t）相关性来探讨壳幔演化，壳幔互相作用，）相关性来探讨壳幔演化，壳幔互相作用，地幔不均一性及成岩后的变化等。地幔不均一性及成岩后的变化等。地球化学基础地球化学基础五五五五. U-Th-Pb. U-Th-Pb. U-Th-Pb. U-Th-Pb法定年及法定年及法定年及法定年及PbPbPbPb同位素地球化学同位素地球化学同位素地球化学同位素地球化学（一）（一）（一）（一） U-Th-Pb U-Th-Pb U-Th-Pb U-Th-Pb法定年法定年法定年法定年1. U1. U1. U1. U、Th PbTh PbTh PbTh Pb同位素系统同位素系统同位素系统同位素系统U U U U有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：有三种天然放射性同位素：238238238238U(99.2739%)U(99.2739%)U(99.2739%)U(99.2739%)、235235235235U(0.0057%) U(0.0057%) U(0.0057%) U(0.0057%) 和和和和 234234234234U(0.0057%)U(0.0057%)U(0.0057%)U(0.0057%)。 238 238 238 238U/U/U/U/235235235235U=137.88U=137.88U=137.88U=137.88。 ThThThTh只有只有只有只有232232232232ThThThTh，属天然放射性同位素。，属天然放射性同位素。，属天然放射性同位素。，属天然放射性同位素。自然界还有一些自然界还有一些自然界还有一些自然界还有一些U U U U和和和和 Th Th Th Th的同位素都是的同位素都是的同位素都是的同位素都是238238238238U U U U、235235235235U U U U和和和和232232232232ThThThTh的短寿命且含量极微的中间子体。的短寿命且含量极微的中间子体。的短寿命且含量极微的中间子体。的短寿命且含量极微的中间子体。PbPbPbPb有四种同位素：有四种同位素：有四种同位素：有四种同位素：204204204204PbPbPbPb、206206206206PbPbPbPb、207207207207PbPbPbPb和和和和208208208208PbPbPbPb。其中。其中。其中。其中只有只有只有只有204204204204PbPbPbPb无放射成因母体，而无放射成因母体，而无放射成因母体，而无放射成因母体，而206206206206PbPbPbPb、207207207207PbPbPbPb和和和和208208208208PbPbPbPb有放射成因铅有放射成因铅有放射成因铅有放射成因铅 加入。加入。加入。加入。地球化学基础地球化学基础2. U2. U、ThTh的衰变反应和定年原理的衰变反应和定年原理 238238238238U U U U、235235235235U U U U和和和和232232232232ThThThTh的衰变反应如下：的衰变反应如下：的衰变反应如下：的衰变反应如下： 238 238 238 238U U U U 206206206206Pb + 8 + 6Pb + 8 + 6Pb + 8 + 6Pb + 8 + 6 235 235 235 235U U U U 207207207207Pb + 7 + 4Pb + 7 + 4Pb + 7 + 4Pb + 7 + 4 232 232 232 232Th Th Th Th 208208208208Pb + 6 + 4Pb + 6 + 4Pb + 6 + 4Pb + 6 + 4地球化学基础地球化学基础 根根根根据据据据衰衰衰衰变变变变定定定定律律律律，并并并并考考考考虑虑虑虑样样样样品品品品中中中中有有有有初初初初始始始始铅铅铅铅的的的的混混混混入，存在以下等式：入，存在以下等式：入，存在以下等式：入，存在以下等式：( (206206Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(238238U/U/204204Pb)(ePb)(e1t1t-1)-1)（1 1）( (207207Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(235235U/U/204204Pb)(ePb)(e2t2t-1)-1)（2 2） ( (208208Pb/Pb/204204Pb)=(Pb)=(208208Pb/Pb/204204Pb)Pb)0 0+(+(232232Th/Th/204204Pb)(ePb)(e3t3t-1)-1)（3 3）以上等式中，（以上等式中，（以上等式中，（以上等式中，（206206Pb/Pb/204204PbPb）等分别为样品现今的）等分别为样品现今的）等分别为样品现今的）等分别为样品现今的PbPb同位素比值，由质谱直接测定；同位素比值，由质谱直接测定；同位素比值，由质谱直接测定；同位素比值，由质谱直接测定；（206206Pb/Pb/204204PbPb）0 0等为样品形成时的等为样品形成时的等为样品形成时的等为样品形成时的PbPb同位素初同位素初同位素初同位素初始比值；始比值；始比值；始比值；( (238238U/U/204204Pb)Pb)等分别为样品现今的同位等分别为样品现今的同位等分别为样品现今的同位等分别为样品现今的同位素比值，通过同位素稀释法测定并计算获得。素比值，通过同位素稀释法测定并计算获得。素比值，通过同位素稀释法测定并计算获得。素比值，通过同位素稀释法测定并计算获得。11、22、33分别为分别为分别为分别为238238U U、235235U U和和和和232232ThTh的衰变常数；的衰变常数；的衰变常数；的衰变常数；t t为样品形成的时间。为样品形成的时间。为样品形成的时间。为样品形成的时间。 地球化学基础地球化学基础方程（方程（方程（方程（1 1 1 1）和）和）和）和(2)(2)(2)(2)式联立，并整理得：式联立，并整理得：式联立，并整理得：式联立，并整理得： (207207207207Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）- - - -（207207207207Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）0 0 0 0 （206206206206Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）- - - -（206206206206Pb/Pb/Pb/Pb/204204204204PbPbPbPb）0 0 0 0 = = = =235235235235U(eU(eU(eU(e2t2t2t2t-1)/-1)/-1)/-1)/ 238 238 238 238U(eU(eU(eU(e1t1t1t1t-1)=1/137.88(e-1)=1/137.88(e-1)=1/137.88(e-1)=1/137.88(e2t2t2t2t-1)/-1)/-1)/-1)/ (e(e(e(e1t1t1t1t-1) -1) -1) -1) （4 4）3. U3. U、Th PbTh Pb法定年的优缺点法定年的优缺点从方程从方程从方程从方程(1)(1)(1)(1)、(2)(2)(2)(2)、(3)(3)(3)(3)和和和和(4)(4)(4)(4)可以得到可以得到可以得到可以得到4 4 4 4个相互独立的年龄个相互独立的年龄个相互独立的年龄个相互独立的年龄t t t t，用于内部检验。方程用于内部检验。方程用于内部检验。方程用于内部检验。方程(4)(4)(4)(4)年龄的计算不需要获得年龄的计算不需要获得年龄的计算不需要获得年龄的计算不需要获得235235235235U U U U和和和和 238 238 238 238U U U U的原子数，并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄的原子数，并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄的原子数，并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄的原子数，并可以最大限度地避免由于铅丢失带来的年龄误差。误差。误差。误差。 由于由于由于由于238238238238U U U U、235235235235U U U U和和和和232232232232ThThThTh半衰期较大，因此一般只适合于古老地半衰期较大，因此一般只适合于古老地半衰期较大，因此一般只适合于古老地半衰期较大，因此一般只适合于古老地质体的年龄测定。质体的年龄测定。质体的年龄测定。质体的年龄测定。地球化学基础地球化学基础单颗粒锆石蒸发法也是锆石单颗粒锆石蒸发法也是锆石UPbUPb年龄测年龄测定中常用的方法，其特点是方法简便，成定中常用的方法，其特点是方法简便，成本较低。该方法是在连续升温、使锆石颗本较低。该方法是在连续升温、使锆石颗粒逐层不断蒸发的条件下测定铅同位素，粒逐层不断蒸发的条件下测定铅同位素，获得不同温度阶段的（获得不同温度阶段的（207207Pb/Pb/206206PbPb）* *比值，比值，计算年龄及作出年龄直方图，直方图上的计算年龄及作出年龄直方图，直方图上的峰值年龄代表锆石的形成年龄。峰值年龄代表锆石的形成年龄。 地球化学基础地球化学基础4. 4. 应用条件应用条件（1 1 1 1）样品保持样品保持样品保持样品保持U-Th-PbU-Th-PbU-Th-PbU-Th-Pb的封闭体系。的封闭体系。的封闭体系。的封闭体系。（2 2 2 2）合理地选择铅同位素初始比值。合理地选择铅同位素初始比值。合理地选择铅同位素初始比值。合理地选择铅同位素初始比值。（3 3 3 3）U-Th-PbU-Th-PbU-Th-PbU-Th-Pb法定年所获得的法定年所获得的法定年所获得的法定年所获得的4 4 4 4个年龄值称表面年龄，个年龄值称表面年龄，个年龄值称表面年龄，个年龄值称表面年龄，如果这些表面年龄相对差异小于如果这些表面年龄相对差异小于如果这些表面年龄相对差异小于如果这些表面年龄相对差异小于10%10%10%10%则称为一致年龄，则称为一致年龄，则称为一致年龄，则称为一致年龄，它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。它们的平均年龄值代表矿物的结晶年龄。 自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，自然界中大部分测年结果表现为不一致年龄，且一般为：且一般为：且一般为：且一般为：t t t t208208208208tttt206206206206tttt207207207207ttt800、900石榴石石榴石800钙铝榴石钙铝榴石775独居石独居石600700榍石榍石500金红石金红石380420磷灰石磷灰石350Rb-Sr法法全岩全岩650、680750白云母白云母500、600650黑云母黑云母300、350长石长石300Sm-Nd法法全岩全岩650、750地球化学基础地球化学基础不同矿物同位素封闭温度表不同矿物同位素封闭温度表不同矿物同位素封闭温度表不同矿物同位素封闭温度表 测年方法测年方法矿物名称矿物名称封闭温度（封闭温度（）K-Ar和和Ar-Ar法法辉石辉石600、650角闪石角闪石500、600、650透长石透长石400、450白云母白云母350、380、400金云母金云母300、450黑云母黑云母250、300、350斜长石斜长石230、300钾长石钾长石220、250正长石正长石160、200微斜长石微斜长石140、150FT（裂变径迹法）（裂变径迹法）锆石锆石180、220磷灰石磷灰石110、120石榴石石榴石700角闪石角闪石600700地球化学基础地球化学基础矿矿物物的的封封闭闭温温度度和和冷冷却却年年龄龄可可用用来来研研究究地地质质体冷却历史和地质体的隆升历史，即：体冷却历史和地质体的隆升历史，即：冷却速率冷却速率=T/t隆升速率隆升速率=冷却速率冷却速率/地温梯度地温梯度式中式中T为两个矿物的封闭温度之差；为两个矿物的封闭温度之差；t为两为两个矿物的冷却年龄之差。个矿物的冷却年龄之差。地球化学基础地球化学基础九九. . 同位素年代学的地质意义同位素年代学的地质意义 同同位位素素年年代代学学现现已已成成为为地地球球科科学学中中一一项项基基础础工工作作。是是宇宇宙宙的的起起源源、月月球球- -陨陨石石- -地地球球等等天天体体演演化化、地地质质年年代代表表的的编编制制、前前寒寒武武纪纪岩岩石石的的测测年年、地地壳壳运运动动旋旋回回的的规规律律性性，区区域域地地质质年年表表及及成成矿矿时时代代，成成矿矿期期的的划划分分等等研研究究不不可缺少的手段之一。可缺少的手段之一。 地球化学基础地球化学基础同位素年代学现已成为地球科学中一项基础工作。是同位素年代学现已成为地球科学中一项基础工作。是同位素年代学现已成为地球科学中一项基础工作。是同位素年代学现已成为地球科学中一项基础工作。是(1)(1)(1)(1)宇宙的起源宇宙的起源宇宙的起源宇宙的起源(2)(2)(2)(2)月球月球月球月球- - - -陨石陨石陨石陨石- - - -地球等天体演化地球等天体演化地球等天体演化地球等天体演化(3)(3)(3)(3)地质年代表的编制地质年代表的编制地质年代表的编制地质年代表的编制(4)(4)(4)(4)前寒武纪岩石的测年前寒武纪岩石的测年前寒武纪岩石的测年前寒武纪岩石的测年(5)(5)(5)(5)地壳运动旋回的规律性地壳运动旋回的规律性地壳运动旋回的规律性地壳运动旋回的规律性，(6)(6)(6)(6)区域地质年表及成矿时代区域地质年表及成矿时代区域地质年表及成矿时代区域地质年表及成矿时代，(7)(7)(7)(7)成矿期的划分成矿期的划分成矿期的划分成矿期的划分等研究不可缺少的手段之一。等研究不可缺少的手段之一。等研究不可缺少的手段之一。等研究不可缺少的手段之一。 同同同同位位位位素素素素地地地地质质质质年年年年代代代代学学学学提提提提供供供供了了了了较较较较精精精精确确确确的的的的全全全全球球球球统统统统一一一一的的的的地地地地质质质质年年年年表表表表。使使使使寒寒寒寒武武武武纪纪纪纪以以以以后后后后（显显显显生生生生宙宙宙宙）生生生生物物物物地地地地层层层层学学学学定定定定量量量量化化化化，为为为为解解解解决决决决前前前前寒寒寒寒武武武武纪纪纪纪（隐隐隐隐生生生生宙）地质时代的划分及对比提供了依据。宙）地质时代的划分及对比提供了依据。宙）地质时代的划分及对比提供了依据。宙）地质时代的划分及对比提供了依据。 1964 1964 1964 1964年以来公布的有代表性的后寒武纪地质年代表显示，不同年以来公布的有代表性的后寒武纪地质年代表显示，不同年以来公布的有代表性的后寒武纪地质年代表显示，不同年以来公布的有代表性的后寒武纪地质年代表显示，不同地区的数据有惊人的相似性，说明世界各地地质变动历史有同步地区的数据有惊人的相似性，说明世界各地地质变动历史有同步地区的数据有惊人的相似性，说明世界各地地质变动历史有同步地区的数据有惊人的相似性，说明世界各地地质变动历史有同步性性性性 。地球化学基础地球化学基础地质时代地质时代伦敦地质学会(1964)前苏联年龄制前苏联年龄制定委员会定委员会1964)国际地质年代学国际地质年代学委员会推荐委员会推荐1967李四光李四光(1969)新新生生代代Kz第四纪第四纪QP1.521.51.50.52或或3第三纪第三纪N271219312N12626125225E3373837237240E2535460258460E16537367370中中生生代代Mz白垩纪白垩纪K210013751375135K1136侏罗纪侏罗纪J316219551955180J2172J1190195三叠纪三叠纪T32052041023010225显生宙同位素地质年代表显生宙同位素地质年代表显生宙同位素地质年代表显生宙同位素地质年代表 地球化学基础地球化学基础显生宙同位素地质年代表显生宙同位素地质年代表显生宙同位素地质年代表显生宙同位素地质年代表 地质时代地质时代伦敦地质学会1964前苏联年龄制定委员会1964国际地质年代学委员会推荐(1967)李四光(1969)T2215T1225古古生生代代Pz二叠二叠纪纪P22402851028510270P1280石炭石炭纪纪C232534036035010350C13454101045010400泥盆泥盆纪纪D3359D2370D1395志留志留纪纪S4304404401044015440奥陶奥陶纪纪O24455002050015500O1500寒武寒武纪纪51557057015600540570表中数字均代表时代下限，同位素年龄以表中数字均代表时代下限，同位素年龄以Ma为单位。为单位。 地球化学基础地球化学基础第三节第三节 稳定同位素地球化学稳定同位素地球化学稳定同位素又分稳定同位素又分稳定同位素又分稳定同位素又分重稳定同位素重稳定同位素重稳定同位素重稳定同位素和和和和轻稳定同位素轻稳定同位素轻稳定同位素轻稳定同位素。轻稳定同位素：轻稳定同位素：轻稳定同位素：轻稳定同位素：1 1） 原子序数原子序数原子序数原子序数Z Z2020，A/AA/A10%10%(AA为两同位素质量差为两同位素质量差为两同位素质量差为两同位素质量差) )； 2 2）发发发发生生生生同同同同位位位位素素素素成成成成分分分分变变变变化化化化的的的的主主主主要要要要原原原原因因因因是是是是同同同同位位位位素素素素分分分分馏馏馏馏作作作作用用用用，其其其其反反反反应应应应是是是是可可可可逆逆逆逆的。的。的。的。 例：例：例：例：OO、HH、S S、C C、N N元素的同位素。元素的同位素。元素的同位素。元素的同位素。重稳定同位素：重稳定同位素：重稳定同位素：重稳定同位素： 1 1）原子序数原子序数原子序数原子序数Z Z2020，A/AA/A10%10%； 2 2）发发发发生生生生同同同同位位位位素素素素成成成成分分分分变变变变化化化化的的的的主主主主要要要要原原原原因因因因是是是是放放放放射射射射性性性性核核核核素素素素不不不不断断断断衰衰衰衰变变变变的的的的结结结结果果果果所所所所造成的，这种变化是造成的，这种变化是造成的，这种变化是造成的，这种变化是不可逆不可逆不可逆不可逆的。的。的。的。 238238UU 206206PbPb、235235UU 207207PbPb、232232ThTh 208208PbPb，其中其中其中其中8787SrSr、143143NdNd、206206PbPb、207207PbPb、208208PbPb是重稳定同位素。是重稳定同位素。是重稳定同位素。是重稳定同位素。 地球化学基础地球化学基础一一. .氧、氢同位素地球化学氧、氢同位素地球化学（一）、（一）、（一）、（一）、 自然界氧、氢同位素分馏的主要原因自然界氧、氢同位素分馏的主要原因自然界氧、氢同位素分馏的主要原因自然界氧、氢同位素分馏的主要原因 1 1 1 1 蒸发蒸发蒸发蒸发 凝聚分馏凝聚分馏凝聚分馏凝聚分馏：氢氢氢氢有有有有两两两两种种种种稳稳稳稳定定定定同同同同位位位位素素素素（H H H H、D D D D），氧氧氧氧有有有有三三三三种种种种同同同同位位位位素素素素: : : : 16161616O O O O、17171717O O O O、18181818O O O O水可能有水可能有水可能有水可能有九种九种九种九种同位素分子组合：同位素分子组合：同位素分子组合：同位素分子组合：H H H H2 2 2 216161616O ; HDO ; HDO ; HDO ; HD16161616O ; DO ; DO ; DO ; D2 2 2 216161616O O O OH H H H2 2 2 217171717O ; HDO ; HDO ; HDO ; HD17171717O ; DO ; DO ; DO ; D2 2 2 217171717O O O OH H H H2 2 2 218181818O ; HDO ; HDO ; HDO ; HD18181818O ; DO ; DO ; DO ; D2 2 2 218181818O O O O水水水水在在在在蒸蒸蒸蒸发发发发过过过过程程程程中中中中轻轻轻轻水水水水分分分分子子子子H H H H2 2 2 216161616O O O O比比比比重重重重水水水水分分分分子子子子D D D D2 2 2 218181818O O O O易易易易于于于于富富富富集集集集在在在在蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽相相相相中中中中，而而而而凝凝凝凝聚聚聚聚作作作作用用用用相相相相反反反反，重重重重的的的的水水水水分分分分子子子子优优优优先先先先凝凝凝凝结结结结。因因因因此在气、液相之间发生此在气、液相之间发生此在气、液相之间发生此在气、液相之间发生H H H H、O O O O同位素的物理分馏同位素的物理分馏同位素的物理分馏同位素的物理分馏 。地球化学基础地球化学基础由于水分子经过反复多次由于水分子经过反复多次由于水分子经过反复多次由于水分子经过反复多次蒸发蒸发蒸发蒸发 凝聚凝聚凝聚凝聚过程使得：过程使得：过程使得：过程使得：内陆及高纬度两极地区的蒸气相内陆及高纬度两极地区的蒸气相内陆及高纬度两极地区的蒸气相内陆及高纬度两极地区的蒸气相（雨、雪）中集中了（雨、雪）中集中了（雨、雪）中集中了（雨、雪）中集中了最轻的水最轻的水最轻的水最轻的水（18181818O O O O、DDDD趋趋趋趋向更大负值）；向更大负值）；向更大负值）；向更大负值）；大洋及赤道地区出现重水大洋及赤道地区出现重水大洋及赤道地区出现重水大洋及赤道地区出现重水（18181818O O O O、DDDD趋向更大正值）。这就趋向更大正值）。这就趋向更大正值）。这就趋向更大正值）。这就是是是是 “ “ “ “氢氧同位素的纬度效应氢氧同位素的纬度效应氢氧同位素的纬度效应氢氧同位素的纬度效应”。（见图）。（见图）。（见图）。（见图） 地球化学基础地球化学基础2. 2. 2. 2. 水水水水 岩同位素交换反应岩同位素交换反应岩同位素交换反应岩同位素交换反应 当当当当大大大大气气气气降降降降水水水水同同同同岩岩岩岩石石石石接接接接触触触触，水水水水与与与与矿矿矿矿物物物物（岩岩岩岩石石石石）之之之之间间间间发发发发生生生生氧氧氧氧同同同同位位位位素素素素交换反应：交换反应：交换反应：交换反应：1/2Si1/2Si1616OO2 2+H+H2 21818OO1/2Si1/2Si1818OO2 2+H+H2 21616OO (25(25，=1.0492)=1.0492) 其其其其结结结结果果果果是是是是岩岩岩岩石石石石中中中中富富富富集集集集了了了了1818OO，水水水水中中中中富富富富集集集集了了了了1616OO。由由由由于于于于大大大大部部部部分分分分岩岩岩岩石石石石中中中中氢氢氢氢的的的的含含含含量量量量很很很很低低低低，因因因因此此此此，在在在在水水水水 岩岩岩岩交交交交换换换换反反反反应应应应中中中中氢氢氢氢同同同同位位位位素素素素成成成成分分分分变变变变化化化化不不不不大大大大。 这种反应是氧同位素丰度变异的重要因素。这种反应是氧同位素丰度变异的重要因素。这种反应是氧同位素丰度变异的重要因素。这种反应是氧同位素丰度变异的重要因素。3 3矿物晶格的化学键对氧同位素的选择矿物晶格的化学键对氧同位素的选择矿物晶格的化学键对氧同位素的选择矿物晶格的化学键对氧同位素的选择 实验证明：实验证明：实验证明：实验证明： Si-O-SiSi-O-Si键键键键 矿矿矿矿 物物物物1818OO最最最最 富富富富 , , , ,Si-O-AlSi-O-Al， Si-O-MgSi-O-Mg， Si-O-FeSi-O-Fe 其其其其 次次次次 ， 含含含含（OHOH）的矿物）的矿物）的矿物）的矿物1818OO最贫。最贫。最贫。最贫。 地球化学基础地球化学基础4 4生物化学作用生物化学作用植植植植物物物物光光光光合合合合作作作作用用用用的的的的结结结结果果果果使使使使1818OO在在在在植植植植物物物物体体体体中中中中富富富富集集集集，放放放放出出出出OO2 2富富富富含含含含1616OO：2H2H2 21616O+CO+C1818OO2 2 22（HCHC1818OHOH）n n+ +1616OO2 2光光光光合合合合作作作作用用用用的的的的实实实实质质质质是是是是水水水水的的的的去去去去氢氢氢氢作作作作用用用用，植植植植物物物物将将将将水水水水分分分分解解解解，吸吸吸吸收收收收其其其其中中中中的的的的HH与与与与COCO2 2结结结结合合合合成成成成有有有有机机机机化化化化合合合合物物物物分分分分子子子子。实实实实测测测测活活活活的的的的生生生生物物物物体体体体、有机体、生物成因碳酸盐都具有有机体、生物成因碳酸盐都具有有机体、生物成因碳酸盐都具有有机体、生物成因碳酸盐都具有高的高的高的高的1818OO。自自自自然然然然界界界界中中中中由由由由于于于于以以以以上上上上氧氧氧氧同同同同位位位位素素素素的的的的分分分分馏馏馏馏作作作作用用用用，使使使使得得得得在在在在不不不不同同同同地地地地质质质质体中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：体中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：体中，氧同位素成分有明显变化，一般规律：体中，氧同位素成分有明显变化，一般规律： a.a.a.a.有机体和有机体和有机体和有机体和COCOCOCO2 2 2 2中中中中18181818O/O/O/O/16161616O O O O：2.1102.1102.1102.110-3 -3 -3 -3 最高最高最高最高 b. b. b. b. 地表水（地表水（地表水（地表水（H H H H2 2 2 2O O O O）18181818O/O/O/O/16161616O O O O：1.98101.98101.98101.9810-3 -3 -3 -3 最低最低最低最低 c.c.c.c. 岩浆岩、变质岩以及高温形成的碳酸盐岩居中岩浆岩、变质岩以及高温形成的碳酸盐岩居中岩浆岩、变质岩以及高温形成的碳酸盐岩居中岩浆岩、变质岩以及高温形成的碳酸盐岩居中 18 18 18 18O/O/O/O/16161616O O O O：2.012.04102.012.04102.012.04102.012.0410-3-3-3-3 , , d.d. 沉积岩中比较富沉积岩中比较富沉积岩中比较富沉积岩中比较富18181818O O O O。地球化学基础地球化学基础二、氧同位素的应用二、氧同位素的应用1. 1. 1. 1. 指示岩石的成因指示岩石的成因指示岩石的成因指示岩石的成因幔源镁、铁质岩石幔源镁、铁质岩石幔源镁、铁质岩石幔源镁、铁质岩石 1818O/O/1616OO与与与与球球球球粒粒粒粒陨陨陨陨石石石石基基基基本本本本一一一一致致致致（2.032.042.032.041010-3-3），其其其其1818OO变变变变化化化化范范范范围围围围很很很很窄窄窄窄(57(57) )。这这这这是是是是用用用用氧氧氧氧同同同同位位位位素素素素来来来来判判判判断断断断幔幔幔幔源源源源岩岩岩岩石石石石的的的的重重重重要要要要证证证证据据据据之之之之一一一一。这与矿物化学键对。这与矿物化学键对。这与矿物化学键对。这与矿物化学键对1818OO同位素选择富集有关。同位素选择富集有关。同位素选择富集有关。同位素选择富集有关。 花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩 1818OO值值值值较较较较高高高高，而而而而且且且且变变变变化化化化范范范范围围围围较较较较大大大大，主主主主要要要要是是是是其其其其成成成成因因因因及及及及源源源源区区区区较较较较复复复复杂所致：杂所致：杂所致：杂所致：“”“”“”“”型花岗岩型花岗岩型花岗岩型花岗岩: : : : 1818OO1010 “S S”型花岗岩型花岗岩型花岗岩型花岗岩: : : : 1818OO1010 地球化学基础地球化学基础2. 2. 2. 2. 指示矿床成因指示矿床成因指示矿床成因指示矿床成因 其其其其思思思思路路路路是是是是利利利利用用用用氧氧氧氧、氢氢氢氢同同同同位位位位素素素素成成成成分分分分来来来来判判判判断断断断成成成成矿矿矿矿溶溶溶溶液液液液的的的的来来来来源源源源，从从从从而而而而讨讨讨讨论论论论有有有有关关关关矿矿矿矿床床床床的的的的成成成成因因因因问问问问题题题题。自自自自然然然然界界界界各各各各种种种种产产产产状状状状水水水水的的的的氢氢氢氢、氧氧氧氧同同同同位位位位素组成：素组成：素组成：素组成： 1 1 1 1） 原生水、岩浆水原生水、岩浆水原生水、岩浆水原生水、岩浆水 原生水：原生水：原生水：原生水：来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水来自地幔的与铁、镁超基性岩平衡的水。 岩岩岩岩浆浆浆浆水水水水：指指指指高高高高温温温温硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐熔熔熔熔体体体体所所所所含含含含的的的的水水水水及及及及其其其其分分分分异异异异作作作作用用用用形形形形成成成成的的的的水水水水。因因因因为为为为它它它它们们们们处处处处于于于于高高高高温温温温环环环环境境境境（t t10001000），1 1，原原原原生生生生水水水水和和和和岩岩岩岩浆浆浆浆水水水水的的的的氢氢氢氢、氧氧氧氧同同同同位位位位素素素素成成成成分分分分接接接接近近近近于于于于岩岩岩岩石石石石：1818O=+5O=+599， D=-50D=-50-85-85 （以变化范围窄为特征）（以变化范围窄为特征）（以变化范围窄为特征）（以变化范围窄为特征） 非幔源岩浆水一般具有非幔源岩浆水一般具有非幔源岩浆水一般具有非幔源岩浆水一般具有较大的同位素组成的变化范围较大的同位素组成的变化范围较大的同位素组成的变化范围较大的同位素组成的变化范围，与原，与原，与原，与原生水的共同特征是高温弱分馏。生水的共同特征是高温弱分馏。生水的共同特征是高温弱分馏。生水的共同特征是高温弱分馏。 地球化学基础地球化学基础2) 2) 变质水变质水 在在变变质质过过程程中中与与变变质质岩岩平平衡衡的的水水，含含在在变变质质矿矿物物的的包包体体中中。由由于于来来源源复复杂杂、产产状状多多变变，多多具具混合成因混合成因特征。因此，特征。因此，同位素成分变化较宽同位素成分变化较宽。18O=-16+25 D=-20-140 高温变质水与岩石达到同位素交换平衡，因此，高温变质水与岩石达到同位素交换平衡，因此，变质热液的同位素组成变质热液的同位素组成指示指示变质环境、原岩性变质环境、原岩性质和流体来源。质和流体来源。 地球化学基础地球化学基础3) 3) 封存水、深成热卤水封存水、深成热卤水 为海水或大气降水为海水或大气降水深循环或长期封存深循环或长期封存的产物。的产物。 这这种种水水以以高高温温、高高矿矿化化度度为为特特征征，具具有有较较大大的的携带和摄取矿质的能力。携带和摄取矿质的能力。18O=-16+25D=-25-120多数产于沉积岩中的封存热卤水具有较高的多数产于沉积岩中的封存热卤水具有较高的18O值，其最高值出现在值，其最高值出现在生物成因生物成因的沉积岩中，的沉积岩中，水水/岩比值较低，水同位素组成接近岩石。岩比值较低，水同位素组成接近岩石。 地球化学基础地球化学基础4 4）大气降水）大气降水 是是指指不不久久前前通通过过大大气气循循环环的的水水，如如雨雨、雪雪、冰冰，河河湖湖水水及及进进入入地地下下流流动动的的低低温温地地下下水水。其其同同位位素素成成分分变变化化大大。D变变差差范范围围大大于于18O，主主要要由由物物理分馏控制，沿克雷格线分布。理分馏控制，沿克雷格线分布。18O=+5 -50D=+100 -350 大气降水氢、氧同位素组成，具纬度效应，即向大气降水氢、氧同位素组成，具纬度效应，即向低纬度低纬度（赤道）大洋中（赤道）大洋中18O、D趋向趋向更大正值更大正值；而而向高纬度向高纬度（两极）雨、雪中（两极）雨、雪中18O、D趋向趋向更更大负值大负值。地球化学基础地球化学基础3. 3. 氧同位素温度计氧同位素温度计 在在同同位位素素交交换换平平衡衡反反应应中中，同同位位素素分分馏馏系系数数是绝对温度是绝对温度T的函数的函数, ,简化后得：简化后得： ：AB1000lnA-B=a/T2+b(a，b为可从实验测得的待定常数为可从实验测得的待定常数) 内内部部温温度度法法：根根据据共共生生矿矿物物对对之之间间的的同同位位素素分馏作用来测定同位素地质温度分馏作用来测定同位素地质温度; 如：石英如：石英- -磁铁矿氧同位素温度计磁铁矿氧同位素温度计. . 外部温度法外部温度法：矿物与水之间的同位素平衡：矿物与水之间的同位素平衡迅速（几天或几小时），可直接用于迅速（几天或几小时），可直接用于矿物矿物- -流流体相体相的地质测温，称为的地质测温，称为外部测温法外部测温法。 地球化学基础地球化学基础已测定出矿物已测定出矿物水之间的水之间的待定常数待定常数a、b矿物矿物水水ab温度区间温度区间(oC)石英石英水水3.38106-3.40200500碱长石碱长石水水2.15106-3.82350500方解石方解石水水2.78106-3.400800白云母白云母水水2.38106-3.89350650 当形成时，两共生矿物与一个公共流体相当形成时，两共生矿物与一个公共流体相达成平衡，则两个矿物的达成平衡，则两个矿物的18O值之间存在值之间存在一个平衡差，由此值可一个平衡差，由此值可根据内部计温法计根据内部计温法计算成岩温度算成岩温度。 地球化学基础地球化学基础以石英、方解石共生矿物对为例：以石英、方解石共生矿物对为例： 1000 ln1000 ln石英石英- -水水=3.3810=3.38106 6T T-2-2 -3.40 -3.40 1000 ln1000 ln方解石方解石- -水水=2.7810=2.78106 6T T-2-2-3.40-3.40则石英则石英- -方解石氧同位素温度计为：方解石氧同位素温度计为：1000 ln1000 ln石石- -方方=石石- -方方= =0.600.60（10106 6T T-2-2）1000ln石石-方方=(3.38-2.78)(106T-2)+-3.40-（-3.40）地球化学基础地球化学基础 外外外外部部部部测测测测温温温温法法法法，可可可可用用用用来来来来计计计计算算算算水水水水介介介介质质质质的的的的氢氢氢氢、氧氧氧氧同同同同素素素素组组组组成成成成。其其其其条条条条件件件件是是是是，当当当当某某某某矿矿矿矿物物物物的的的的氢氢氢氢、氧氧氧氧同同同同位位位位素素素素组组组组成成成成及及及及其其其其形形形形成成成成温温温温度度度度是是是是可可可可知知知知时时时时，便便便便可可可可根根根根据据据据有有有有关关关关方方方方程程程程，计计计计算算算算出出出出介介介介质质质质水水水水的的的的氢氢氢氢、氧氧氧氧同同同同位素组成：位素组成：位素组成：位素组成： 1000 ln1000 ln1000 ln1000 ln矿物矿物- -水水=18181818O O O O矿矿- -18181818O O O O水水=(=(=(=(a a a a /T/T/T/T2 2 2 2)+b)+b)+b)+b 其中其中其中其中18181818O O O O矿矿矿矿、T T T T已知，已知，已知，已知，a a a a、b b b b是待定常数，则可计算出成是待定常数，则可计算出成是待定常数，则可计算出成是待定常数，则可计算出成矿溶液的矿溶液的矿溶液的矿溶液的H H H H、O O O O同位素组成。同位素组成。同位素组成。同位素组成。 注意事项：注意事项：注意事项：注意事项： 矿物对与公共介质矿物对与公共介质矿物对与公共介质矿物对与公共介质达到同位素平衡达到同位素平衡达到同位素平衡达到同位素平衡; ; ; ;注意注意注意注意a a a a、b b b b常数是常数是常数是常数是适用一定温度区间适用一定温度区间适用一定温度区间适用一定温度区间的；的；的；的；平衡平衡平衡平衡“冻结冻结冻结冻结”后，避免后期作用干扰。后，避免后期作用干扰。后，避免后期作用干扰。后，避免后期作用干扰。 地球化学基础地球化学基础B.B.硫同位素地球化学（自学）硫同位素地球化学（自学）C.C.碳同位素地球化学（自学）碳同位素地球化学（自学）地球化学基础地球化学基础