《同位素地球化学》2013

1授课教师:何明友，博士后、博士生导师，教授，中国科学院研究员。曾任：成都理工大学应用技术学院院长、继续教育学院院长；成都市政协委员；成都市人大代表；四川省高级职称评审委员会委员兼化学学科组组长。现任：成都市人民政府参事；中国矿物岩石地球化学学会矿床地球化学专业委员会委员；《矿物岩石地球化学通报》编委。地球化学专业、矿床地球化学专业。研究领域：资源与勘查工程，资源勘查工程，环境工程。研究方向：矿床形成的源→运→聚地质过程及其地球化学机理，环境质量评价，环境污染及其治理。迄今为止，主持和参加的科研项目35项，其中有国家“攀登计划”、国家“973”项目，部、省级自然科学项目及横向科研项目。已撰写的科研成果论著28部，专著2部，已发表的学术论文120余篇。代表著：1.ConstraintsontheDifferentialEnrichmentofAuandAsDuringHydrothermalMiner-alization,SouthwestGuizhuo,China.ChineseJouranlofGeochemistry.1996,16(1):75-79.2.PhysicochemicalconditionsofdifferentialmineralizationofAuandAsingolddeposits,SouthwestGuizhouProvince,China.ChineseJouranlofGeochemistry.1996,15(2):189-192.3.《若尔盖铀成矿带构造-岩浆活化成因模式》，成都理工学院，博士学位论文.1993.12.4.《云南老王寨金矿田形成的地质球化学机理》，中国科学院地球化学研究所,博士后科学研究论文.1996.10.Email：[e-mail]同位素地球化学IsotopicGeochemistry（forMasterStudents）（2013-09-18～11-27）目录：第1章同位素的基本概念1.1绪言1.2同位素定义1.3同位素分类1.4同位素物理化学性质1.5同位素丰度及其变化第2章同位素组成的变化及其机理22.1同位素分2.2放射性衰变第3章氢氧同位素3.1概述3.2氢氧同位素在自然界中的分布3.3火成岩中氢氧同位素组成的影响因素3.4氢氧同位素组成与成矿溶液来源第4章碳同位素4.1概述4.2碳同位素在自然界中的分布4.3碳同位素组成在矿床成因研究中的应用第5章硫同位素5.1概述5.2硫同位素在自然界中的分布5.3硫同位素组成在矿床成因研究中的应用第6章锶同位素6.1概述6.2地球中锶同位素的演化6.3锶同位素组成在岩石成因研究中的应用6.4锶同位素组成在矿床成因研究中的应用第7章钕同位素7.1概述7.2钕同位素的演化7.3钕同位素组成在岩石成因研究中的应用第8章铅同位素8.1概述8.2铅同位素的演化8.3铅同位素组成在岩、矿成因研究中的应用第9章同位素在地质研究中应重视的问题3学习方法：课堂讲授与自学相结合，以自学为主。参考文献1.赵伦山，张本仁，1988．地球化学2.郑永飞，陈江峰，2000，稳定同位素地球化学．北京：科学出版社3.朱炳泉，1998，同位素体系与理论与方法．北京：科学出版社4.沈渭洲，1997，同位素地球化学教程．北京：原子能出版社5.韩吟文，马振东，2004，地球化学．北京：地质出版社6.卢武长，1986，稳定同位素地球化学．成都地质学院7.尹观等，2009,同位素地球化学．北京：地质出版社1同位素的基本概念1.1绪言单就同位素而言，同位素其实是《物理学》和《化学》两大门类学科的研究内容。同位素是物理学家和化学家在研究元素的物理性质和化学性质过程中发现的。我们所说的“同位素地球化学”，则指的是同位素在地球化学研究领域中的应用。同位素：同位素可分为稳定同位素和放射性同位素。稳定同位素的特点是元素的原子核是稳定的。稳定同位素由于元素的地球化学特性不同，在同位素丰度的变化和演化机理上存在着很大的差别。在地质地球化学过程中，只要物理化学条件发生变化，就会导致不同物质组分或不同物相中轻重同位素原子或分子分配上发生差异，通常称之同位素分馏。同位素分馏的结果是造成自然界物质中轻质量数元素（如氢、碳、氧等）的同位素丰度发生变化。而放射性同位素的原子核是不稳定的。由于元素的原子核是不稳定的，会自发衰变，通过释放出一些基本粒子和能量，衰变成另一种新元素，最终衰变成稳定的同位素原子。一般而言，放射性成因的稳定同位素，通常质量数较大，如锶、钕、铅等，在自然界的各种化合物中，以阳离子的形式存在，化合物比较单一。目前尚未发现放射性元素的同位素存在受环境条件改变而引起的同位素分馏。这些放4射性元素的同位素丰度变化，主要是自然物质在其形成和演化过程中，如地壳、地幔的演化，岩浆的结晶分异等，造成放射性母体元素分布的不均一，以及放射性成因的子体同位素积累数量不同。不过，在地质地球化学过程中的混合作用，可以造成这些放射性元素的同位素丰度变化。简而言之，与稳定同位素不一样，放射性同位素丰度变化，只受控于放射性母体元素的分布及其子体同位素的积累。关于稳定同位素：稳定同位素地质是最近几十年来才迅速发展和逐渐完善起来的分支学科。其主要研究内容是稳定同位素在地质体中的分布及在各种地质条件下的运动规律，以及如何运用这些规律研究矿物、岩石和矿床的成因等地质问题。其研究内容涉及矿物学、岩石学、矿床学与地球化学等各个领域，已成为研究自然界中各种地质作用的一种强有力的工具。但与其他学科相比，稳定同位素地质毕竟还是一门很年轻的学科，在实验方法、理论基础和地质应用上都有待于进下步的完善和提高。此外，稳定同位素地质只是地质科学的一个分支，只有和其他学科密切配合才能充分发挥其在地质研究中的独特作用。虽然W.Crookes(1886)。F.Soddy(1910)等对同位素的概念作过论述，J.J.Thomson在1912年发现了稳定同位素，但对同位素的研究工作，是在A.J.Dempster（1918)和F.W.Aston(1919)分别研究成功质谱计之后才正式开始的。人们在研究放射性元素铀和钍的衰变过程中，发现铅的原子量是变化的，从而推测其它元素的同位素组成在时间和空间上也发生一定的变化。A.Holmes首先提出利用元素的稳定同位素组成来研究地质问题。在1932年，他建议利用钙同位素组成的变化来研究岩石的成因。随后在1937和1938年，他又根据铅同位素组成的变化来探讨铅矿石的成因，从而开创了稳定同位素的地质研究工作。三十年代所开展的稳定同位素研究工作除了解决实验室对元素同位素丰度的分析测试技术外，主要在于查明自然界中各种元素同位素组成的一般特征和阐明同位素分馏作用产生的机理。研究的对象仅限于铅、氢、氧和碳等少数几个元素的同位素。由于当时解释分析数据没有联系所研究对象的地质特征，因而得出的结论常常与实际情况不吻合，研究工作进展缓慢。在实践过程中，随着经验的积累，研究人员逐渐注意将解释分析数据与实际地质特征相结合。特别是A.O.Nier在1939年研究成功了同位素比值质谱计，提高了同位素比值的测量精5度。此后，H.C.Urey(1947)发表的《同位素物质热力学性质》奠定了同位素分馏的理论基础。这样，稳定同位素在地质学中的应用才取得重大突破。不过，稳定同位素的地质研究进展主要还是体现在最近的三，四十年。随着质谱仪器的该进和更新，仪器灵敏度的越来越高、化学分离技术的完善以及超净化实验室的建立才获得了迅速的发展，成为一门新兴的学科。我国稳定同位素的研究工作可追溯至三十年代。当时主要研究稳定同位素的性质和分布。稳定同位素的地质研究工作是从五十年代末和六十年代初才开始的，但所研究的同位素仅限于硫和铅。进入八十年代，随着引进国外新技术，国内陆续建立了一批具有先进水平的同位素地质实验室。研究成果不断发表，全国性的同位素地球化学学术讨论会不间断召开，并出版了不少专著、教材。关于放射性同位素：一般而言，在地质科学领域内，研究最多和在地质上应用最广泛的同位素是氢，氧、碳、硫、锶、钕和铅这七种元素的同位素。氢、氧、碳和硫的同位素通常称之为轻稳定同位素。而锶、钕和铅(206Pb，207Pb，208Pb)的同位素为放射成因的稳定同位素。就稳定同位素与放射性同位素在地质上的应用而言，放射性同位素在地质上的应用晚于稳定同位素。放射性同位素在地质上的应用是在Rb–Sr、Sm–Nd、U–Pb同位素地质年代学研究的基础上发展起来的。这两类同位素在形成机理和同位素组成变化机理方面存在明显的区别，在地质应用上也有很多不同之处。但在研究成岩、成矿过程等这一些主要地质作用方面，这两类同位素又是密切地联系在一起的，两者已日益成为不可缺少的有效工具。对它们的综合应用，实践证明，两者结合能够避免应用单一同位素所带来的局限性，使人们对地质作用的认识更深入、更全面、更符合客观实际。因此，本课程将氢，氧、碳、硫、锶、钕和铅这七种元素的同位素放在一起讲解。以便于对稳定同位素与放射性同位素的共性及应用有一个较完整的了解。关于同位素地球化学：同位素地球化学是地球化学的一个分支学科。其任务主要是研究自然界中化学元素在活化、迁移、分散或聚集的物理化学过程中的同位素丰度及其变化规律，并利用这些规律来解决有关地质地球化学方面的问题。第二次世界大战后，同位素随着物理学和化学理论的飞速发展，研究技术的不断改进，同位素被广泛应用于地质测年、地质测温和地球化学过程的示踪，以6及考古等等领域。同位素地球化学和元素地球化学一样，最初是源于地质、找矿工作的需要而产生的，因此与地质学、矿物学、岩石学、矿床学等学科密不可分。一方面，它丰富了这些学科的研究内容，使之产生了质的飞跃；另一方面，在地质实践中，发展和完善自身的理论体系和技术方法，使研究不断延伸到其他学科领域。同位素地球化学研究的主体是地球的各种物质组成。他研究的对象可以是地质，矿产、油气藏、水文地质等等。也可以是环境、生态包括大气、土壤、生物等等。同位素地球化学是地球科学发展的前沿学科，同位素地球化学研究的进展，还有赖于实验技术和测试仪器的进步。随着同位素地球化学的研究对象逐步从宏观转向微观，测定的样品也深入到某些单矿物的微区范围内。随着原于核物理学和原子核化学的一些新理论出现和一些基本粒子的新发现，同位素地球化学的一些传统经典理论不断面临新的挑战，对同位素分馏机理的认识也随之深化。我们深信：同位素地球化学在科学发展的进程中，将会不断得到新的充实和完善。学习和掌握同位素地球化学的基本理论和方法不仅需要，而且很重要，因为几乎所有的地质工作都要借助于同位素地球化学的基本理论和方法来解决需要解决的实际问题。近些年来，同位素地球化学获得了更加迅速的发展。同位素地球化学研究已深入到地质和地球科学的各个领域，它的实际运用范围也在日益扩大。有些国家已经在运用同位素示踪的办法来找矿。1.2同位素定义同位素，顾名思义，指的是在元素周期表中元素的序列位置相同、原子核中的质子数目相同而中子数目不同的原子称之为同位素。比如S是元素周期表中的第16号元素，同处于这一序列位置的有4种S原子：S3216，S3316，S3416和S3616。它们的质子数都是16个质子，其质量数分别为：32、33、34、36。这4种原子都叫做S的同位素。再例如O的同位素由O168、O178和O188三种同位素组成。它们的质子数都是8个质子，其质量数分别为：16、17、18。1.3同位素分类自然界的同位素按其原子核的稳定性可分为两类同位素：稳定同位素和放射7性同位素。稳定同位素：稳定同位素的原子核是稳定的，迄今为止还未发现它们能够自发衰变形成其它同位素，如18O、13C、34S都属于稳定同位素。自然界中，目前已知的稳定同位素有274种。这些同位素的特点是，它们的原子序数都小于83，原子量小于209。放射性同位素：放射性同位素（radiosotlope）的原子核是不稳定的，它会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种放射成因的稳定同位素，这就叫“核衰变”。放射性同位素