同位素地质学试卷A卷

1. 同位素地球化学在地学领域中的应用主要有哪些方面？（20分）

同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处

1)计时作用：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地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。

2)示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。

3)测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来测定成岩成矿温度。

另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等

同位素为研究地球或宇宙体的成因与演化提供了重要的有价值的信息，主要包括：

地质时钟、

地球热源、

大气圈-海洋的相互作用、

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。

2. 自然界引起同位素成分变化的原因主要有哪些？（20分）

自然界同位素组成经常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类：一类是放射性同位素衰变，使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少，同时子体同位素的数量增加；另一类是由各种化学和物理过程引起的同位素分馏，氢、碳、硫、硅、氮等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。

1、放射性衰变：放射性同位素经过自然衰变，转变为其它元素的同位素，结果母元素同位素不断减少，而子元素同位素不断增加，从而改变着母元素和子元素同位素的成分，它是放射性核素原子核的一种特性，不受外界物化条件的影响。

1)α—衰变: 放射性母核放出α粒子（α粒子由两个质子和两个中子组成，α粒子实际上是）：

2)β衰变自然界多数为β—衰变，即放射性母核中的一个中子分裂为1个质子和1个电子（即β—粒子），同时放出反中微子，通式为：

衰变结果，核内减少1个中子，增加1个质子，新核的质量数不变，核电荷数加1，变成周期表上右侧相邻的新元素。

3)电子捕获是母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，通常在K层上吸取1个电子（e），与质子结合变成中子，质子数减少1个（是β—衰变逆向变化），通式为:

其衰变产物核质量数不变，质子数（核电荷数）减1，变成周期表上左邻的新元素：

4)重核裂变重放射性同位素自发地分裂为2—3片原子量大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散，如238U，235U，232Th都可以发生这种裂变。在自然界中，有些同位素只需通过一次某种固定形式的衰变，即可变成某种稳定同位素

但是，有些放射性同位素需经过一系列的各种衰变才能变化成稳定同位素：

2、同位素分馏效应轻稳定同位素（Z＜20）的相对质量差较大

（ΔA/A≥10%），在地质作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异，称为同位素分馏作用。

①同位素交换反应（平衡分馏）就是在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态及化学键性质的变化，使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生分异。

例如：大气圈与水圈之间发生氧同位素交换反应

(0℃:α=1.074, 25℃:α=1.006)表明：价态和相态差别大的化学反应，同位素交换反应更明显。

②动力分馏：其实质是质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学健强度（从热力学角度上来讲H218O的内能、热容、熵与

H216O是不同的），因轻同位素形成的键比重同位素更易破裂，这样在化学反应中轻同位素分子的反应速率高于重同位素分子。

例如：C+16O2→C16O2 平衡常数K1

C+16O18O→C16O18O 平衡常数K2 经实验测定K1/K2=1.17

③物理分馏也称质量分馏, 同位素之间因质量差异而引起的与质量有关

的性质的不同，(如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别)，这样在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中，使得轻、重同位素分异。

例如：蒸发作用强烈的死海（约旦、巴勒斯坦国之间）咸水中H218O含量最高。单向多次反复的物理过程，同位素分馏效应最明显。

④生物化学反应动植物及微生物在生存过程中经常与介质交换物质、并通过生物化学过程引起同位素分馏。例如：植物通过光合作用，使12C更多地富集在有机体中，因此生物成因地质体如煤、油、气等具有高的12C。

3. 简述硫同位素的主要分馏方式，以及硫同位素在成矿作用中的示踪意义。

1）硫同位素的化学动力分馏，主要指硫在氧化-还原反应过程中所产生明显分馏的硫同位素分馏。硫在地壳中价态变化较大，每一级氧化-还原反应都会产生明显的硫同位素分馏，如反应：

H342S+32SO2-4=H322S+34SO2-4该反应在25°C时的分馏系数α=1.075，温度愈低，硫同位素的分馏效应愈强。Harrison等（1975）研究证明，在无机反应过程中，硫酸盐离子还原为硫化氢，同位素的分馏是由于S-O键被打破的速率差异造成的，32S-O比34S-O键更容易被打断，结果无机还原SO42-产生的H2S比硫酸盐富集约22‰的32S。

2）硫同位素的生物动力分馏湖、海沉积物中厌氧细菌的存在及其地质营力已被地质观察和实验资料所证实，去磺孤菌的还原硫酸盐作用对硫同位素的分馏起催化剂作用。一般生物成因硫化物的硫同位素具有两个明显的特征：①还原形成的硫化氢或硫化物中32S的富集明显超过还原硫酸盐，通常为负值；

②硫化氢或硫化物中32S的富集随还原程度而变化，表现为δ34S值具有大幅度波动范围。

3）硫同位素的平衡分馏

当一个含硫矿物从流体相沉积出来时，在平衡的条件下共生矿物间硫同位素组成出现一定的差异，其值的大小与硫的价态有密切关系，随着化合物中硫的价态从低到高的变化，值依次增加，其顺序如下：

SO42- >SO2-3>SO2 >SCO>SX、H2S、HS->S2-

在平衡共生的矿物中，硫酸盐>>辉钼矿>黄铁矿>闪锌矿>磁黄铁矿>黄铜矿>方铅矿>辉铜矿>辉银矿>辰砂的硫同位素分配顺序，可作为判断成矿作用是否达到平衡以及矿物是否属同期矿化产物的标志。

成矿示踪意义

根据矿床中硫同位素的组成，分析矿床中硫的来源，进而可探讨矿床的成因。在热液矿床（也包括其他类型矿床）硫的来源是多种多样的，大

致可分为三类：

①地幔硫，地幔是许多重要成矿物质的源区，虽然目前还无法直接测定地幔同位素的组成，但根据陨石以及各种来源于地幔的镁铁质-超镁铁质岩石的研究认为，其δ34S值接近0，并且变化范围较小；

②地壳硫，在沉积作用、变质作用和岩浆作用及表生作用过程中，地壳物质的硫同位素发生了很大的变化，各类地壳岩石的硫同位素组成变化很大；

③混合硫，地幔来源的岩浆在上升侵位过程中混染了地壳物质，各种硫源的同位素相互混合。

4. 简述同位素测年的基本原理？目前常用来测试地质体年龄的方法主要有哪些？需要满足哪些条件？（20分）

自然界的放射性同位素虽然衰变方式和产物不同，但是都服从同一个放射性规律：在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与母核的原子数成正比，用下式表示：

-dN/dt=λN

N：在t时刻未衰变完母核的原子数 dN/dt：单位时间内所衰变的原子数

λ：衰变速率常数（单位时间内衰变几率）1/年、1/秒 -：表示dt时间内母核的变化趋势是减少的

由-dN/dt=λN →dN/N= -λdt

假设：T0时刻母核的原子数为N0，经过t 时到达T时刻，母核的原子数为N，N的数值可以通过对上式的积分求得：T0——T,N0——N

LnN-lnN0= -λ(T-T0)= -λt (据积分公式) lnN/N0= -λt (对数运算法则) N/N0=e-λt (去掉自然对数)

T时刻母核的原子数：N=N0 e-λt，这是一切放射性反应的基本公式

变换上式： N0=N eλt N/N0= e-λt

D表示由经过t（T0→T）母核衰变成的子核数，则：

D=N0—N 把N0=N·eλt代入

经整理得： t =（1/λ）ln（1+（D/N））

D/N：现存子核和母核的原子数比值

这两式是同位素年龄测定的基本公式，不同的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。

条件

1)应有适当的半衰期，这样才能积累起显著数量的子核，同时母核也未衰变完。如果半衰期太长，就是经过漫长的地质历史也积累不起显著数量的子核；如果半衰期太短，没有多久母核几乎衰变完了。

2)所测定同位素的衰变常数的精度能满足要求。

3)放射性同位素应具有较高的地壳丰度，在当前的技术条件下，能以足够的精度测定它和它所衰变的子体含量。

4)矿物、岩石结晶时，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部分子体，其数量亦是可以估计的。

5)保存放射性同位素的矿物或岩石自形成以后一直保持封闭系统，即没有增加或丢失放射性同位素及其衰变产物。

目前新生代前, 较为成熟和常用的同位素测年方法有：

U—Th—Pb法①样品保持U-Th-Pb的封闭体系，样品形成后未发生子体同位素和母体同位素的丢失或从外界的带入。②合理地选择铅同位素初始比值

K—Ar法样品对于钾和氩是封闭体系，在岩石或矿物形成后没有发生过钾或氩的带入和带出。但受热事件作用钾氩有可能发生迁移，使得K-Ar 年龄偏低，或者代表最后一次热事件的年龄，因此，必须注意热事件的影响。另一方面，样品中混入大气氩或过剩氩的存在，使得年龄偏老，从而必须对混入的大气氩的校正或过剩氩的检查。

Rb—Sr 测定复杂地质体(陨石、月球)的年龄；②探索岩石成因，成岩物质来源；③地壳及上地幔演化等

Sm—Nd法①所研究的一组样品具有同时性和同源性。②在样品形成后，保持Sm和Nd的封闭体系。③所测样品中，有较为明显的Sm/Nd比值差异

Re—Os法等化物矿物中Re-Os同位素体系的封闭性较差应充分注意体系的开放性，尤其是前寒武纪时期的地质体

测定第四纪同位素年代的方法有14C法

5. 简述放射性同位素年龄的地质含义。（20分）1）结晶年龄：对于火成岩体，矿物的结晶年龄记录了岩石的岩浆作用年龄；对于变质岩，如果变质矿物的结晶温度低于其封闭温度，则矿物一经形成，同位素时钟就立即启动、开始计时，从而记录下变质岩的结晶年龄。

2）冷却年龄：对于火成岩体，冷却年龄是指岩体固结之后的冷却过程中，达到矿物的封闭温度时同位素时钟开始启动记录下来的年龄。对于变质岩，矿物在变质高峰期结晶生成，之后冷却过程中达到矿物的封闭温度时同位素时钟启动记录下来的年龄。

3）变质年龄：是指变质作用高峰期的年龄。变质年龄的确定方法取决

于变质作用级别。对于低级变质，可选用封闭温度较高的某些特定矿物来确定变质年龄；对于高级变质，则往往采用全岩的Rb-Sr或Sm-Nd同位素体系来推断。

4）地壳形成年龄：是指一个新的大陆地壳体从地幔分异出来的时间，通常通过Sm-Nd模式来计算获得。

5）地壳存留年龄：对来自大陆地壳块体剥蚀下来的沉积岩进行Sm-Nd 同位素分析，可计算获得一个地壳滞留年龄（t CR），反映地壳形成年龄。该年龄比地层年龄值大。