1、同位素地質年代學同位素地質年代學課程組成：課程組成：同位素地質年代學同位素地質年代學 放射性成因同位素子體示蹤放射性成因同位素子體示蹤同位素地質年代學：同位素地質年代學：Rb-Sr、Sm-Nd、K-Ar/Ar-Ar、U-Th-Pb、Re-Os、Lu-Hf、U系系不平衡、宇宙成因母體放射性衰變定年不平衡、宇宙成因母體放射性衰變定年（14C、210Pb、10Be)、熱釋光、裂變徑跡等。、熱釋光、裂變徑跡等。放射性成因同位素示蹤：放射性成因同位素示蹤： Pb(206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb)，Nd(143Nd/144Nd), Hf(176Hf/177Hf)，稀

2、有氣體（，稀有氣體（3He/4He，20Ne/22Ne、21Ne/22Ne，40Ar/36Ar、38Ar/36Ar，78Kr/84Kr、80Kr/84Kr、82Kr/84Kr、83Kr/84Kr、86Kr/84Kr，124Xe/130Xe、126Xe/130Xe、128Xe/130Xe、129Xe/130Xe、131Xe/130Xe、132Xe/130Xe、134Xe/130Xe、136Xe/130Xe)參考書目參考書目：陳岳龍、楊忠芳、趙志丹陳岳龍、楊忠芳、趙志丹.2005.同位素地質年代學與同位素地質年代學與地球化學地球化學.北京：地質出版社北京：地質出版社. Faure G. 2005.

3、 Principles of Isotope Geology (3rd edition) . John Wiley & Sons . Dickin A P. 1997. Radiogenic Isotope Geochronology (2nd edition). Cambridge University Press. 魏菊英、王關玉魏菊英、王關玉.1988.同位素地球化學同位素地球化學.北京：地質出北京：地質出版社版社. 課程要求：課程要求： 1. 完成三次課后作業完成三次課后作業(占總成績的占總成績的50%) 2.隨機隨機2-3次考勤次考勤(占總成績的占總成績的10%) 3.不少于不少于5

4、篇參考文獻的結課報告篇參考文獻的結課報告(占總成績占總成績20%) 4.課程研討課程研討(占總成績的占總成績的20%)同位素地質年代學同位素地質年代學第一章第一章 核衰變與分析技術核衰變與分析技術在在同位素地質學同位素地質學領域，領域，中子、質子中子、質子和和電子電子可認可認為是原子的基本組成部為是原子的基本組成部分。一個給定類型的原分。一個給定類型的原子子(稱為核素稱為核素)成分由核中成分由核中特定的質子數特定的質子數(原子序數，原子序數，Z)和中子數和中子數(N)來描述。來描述。它們的總數就是質量數它們的總數就是質量數(A)。對所有核素通過在。對所有核素通過在質子數質子數Z對中子數對中子數

5、N的關的關系圖，就可獲得核素圖系圖，就可獲得核素圖(至少瞬間存在至少瞬間存在) （圖（圖1）。）。圖1 目前已知有目前已知有264個個穩定核素穩定核素，也就是用現行的探測設備觀測不，也就是用現行的探測設備觀測不到它們的衰變，它們構成了圖到它們的衰變，它們構成了圖1中黑色的穩定性的中黑色的穩定性的中央路徑中央路徑。在該。在該路徑的兩邊鋸齒狀的輪廓構成了實驗上已知的不穩定核素。當某路徑的兩邊鋸齒狀的輪廓構成了實驗上已知的不穩定核素。當某一同位素離開穩定性路徑的邊，其衰變更加迅速。平滑的外部范一同位素離開穩定性路徑的邊，其衰變更加迅速。平滑的外部范圍就是核素穩定的理論極限，超出此范圍便產迅速衰變。圍

6、就是核素穩定的理論極限，超出此范圍便產迅速衰變。 少量不穩定核素具有足夠長的少量不穩定核素具有足夠長的半衰半衰期期(母體減少到初始量的一半時所需的母體減少到初始量的一半時所需的時間時間)，以致太陽系形成以來還沒有完，以致太陽系形成以來還沒有完全衰變掉。幾個其它的短壽命核素或全衰變掉。幾個其它的短壽命核素或產生于鈾和釷的衰變系列中，或者是產生于鈾和釷的衰變系列中，或者是由宇宙射線轟擊穩定核素產生。這些由宇宙射線轟擊穩定核素產生。這些核素與一至兩個滅絕的短壽命同位素，核素與一至兩個滅絕的短壽命同位素，加上它們的子體產物就構成了放射成加上它們的子體產物就構成了放射成因同位素地質學的研究領域。圖因同位

7、素地質學的研究領域。圖2中標中標注了半衰期超過注了半衰期超過0.5Ma的放射性核素。的放射性核素。半衰期超過半衰期超過1012a的核素衰變太慢在地的核素衰變太慢在地質上無法利用。質上無法利用。圖21.11.1放射性衰變放射性衰變 低質量核素低質量核素,Z/N等于等于1達到穩定達到穩定;高質量核素高質量核素,N/Z可達可達1.5保持穩保持穩定定. 能量谷能量谷:周圍不穩定核素趨向于掉入其中，并放出粒子與能量。周圍不穩定核素趨向于掉入其中，并放出粒子與能量。 放射性衰變放射性衰變 放出的粒子性質取決于不穩定核素相對能量谷的位置。位于放出的粒子性質取決于不穩定核素相對能量谷的位置。位于谷任一側的不穩

8、定核素通常由谷任一側的不穩定核素通常由同量異位素同量異位素過程衰變。也就是，核過程衰變。也就是，核的質子轉化成中子或相反，但核質量數不發生明顯變化的質子轉化成中子或相反，但核質量數不發生明顯變化(除非由除非由于核結合能的于核結合能的“質量缺限質量缺限”消耗掉消耗掉)。與此相反的是，位于能量。與此相反的是，位于能量谷高端的不穩定核素常常通過放出重粒子谷高端的不穩定核素常常通過放出重粒子(即即粒子粒子)而衰變，因此而衰變，因此減小該核素的總質量。減小該核素的總質量。 經驗觀察表明，相鄰的同量異位素是不穩定的。由于經驗觀察表明，相鄰的同量異位素是不穩定的。由于40Ar和和40Ca兩者都是穩定同位素，

9、兩者都是穩定同位素，40K必定是不穩定的，并顯示向兩邊必定是不穩定的，并顯示向兩邊的分枝衰變形成同量異位素。的分枝衰變形成同量異位素。 鉍以上的重原子在核素圖上常常是放出由兩個質子和兩個中鉍以上的重原子在核素圖上常常是放出由兩個質子和兩個中子組成的子組成的(He+)粒子的衰變。子體產物并不是母體的同量異位素，粒子的衰變。子體產物并不是母體的同量異位素，并且原子質量減少并且原子質量減少4。產物核素可能處于基態，或保持于激發態，。產物核素可能處于基態，或保持于激發態，隨后放出隨后放出射線發生衰變。衰變能被射線發生衰變。衰變能被粒子的動能和產物核素的反粒子的動能和產物核素的反沖能分享。沖能分享。 在

10、在235U到到207Pb的衰變系列中近來發現了一種新的放射性衰變，的衰變系列中近來發現了一種新的放射性衰變，也就是也就是223Ra通過放出通過放出14C直接衰變到直接衰變到209Pb,衰變能為衰變能為13.8MeV。然而，然而，這種衰變模式只占不到這種衰變模式只占不到223Ra衰變的衰變的10-9。核裂變與核裂變與OkloOklo天然反應堆：天然反應堆：238U(原子序數原子序數92)經過自發裂變成為兩個不同原子序數的產物核，經過自發裂變成為兩個不同原子序數的產物核，典型的大約典型的大約40和和55(Zr和和Cs)，伴隨著其它粒子和大量的能量。由，伴隨著其它粒子和大量的能量。由于重母體核素具高

11、的中子于重母體核素具高的中子/質子比，子體產物具過量的中子通過放質子比，子體產物具過量的中子通過放出出射線發生同量異位衰變。射線發生同量異位衰變。盡管盡管238U的自發裂變頻率不到其的自發裂變頻率不到其衰變的衰變的210-6，在較重的超鈾元，在較重的超鈾元素中，自發裂變是主要的衰變模式。其它核素，如素中，自發裂變是主要的衰變模式。其它核素，如235U，如果經中，如果經中子轟擊，可能發生裂變。而且由于裂變釋放中子又促使進一步的子轟擊，可能發生裂變。而且由于裂變釋放中子又促使進一步的裂變反應，這樣鏈式反應就建立起來了。如果易裂變核素的濃度裂變反應，這樣鏈式反應就建立起來了。如果易裂變核素的濃度足夠

12、高，將導致熱中子爆炸，就象超新星或原子彈爆炸一樣。足夠高，將導致熱中子爆炸，就象超新星或原子彈爆炸一樣。 在特殊情況下，中等重元素濃度保持著，自維持但非爆炸鏈式在特殊情況下，中等重元素濃度保持著，自維持但非爆炸鏈式反應也是可能的。這主要取決于反應也是可能的。這主要取決于“協調劑協調劑”的存在與否。由裂變的存在與否。由裂變產生的高能產生的高能“快快”中子與協調劑原子發生多次彈性碰撞。它們被中子與協調劑原子發生多次彈性碰撞。它們被減速為減速為“熱熱”中子中子,具介質熱振動的速度特征，對增進周圍重原子具介質熱振動的速度特征，對增進周圍重原子裂變反應是最優的速度。已知的這種現象的一個天然例子稱為裂變反

13、應是最優的速度。已知的這種現象的一個天然例子稱為Oklo天然反應堆。天然反應堆。 1972年年5月，在進入法國處理廠的鈾礦石中發現虧損月，在進入法國處理廠的鈾礦石中發現虧損235U中非加蓬共和國中非加蓬共和國Oklo的一個礦床。的一個礦床。235U虧損是由虧損是由18億前的天然裂億前的天然裂變反應堆引起的。變反應堆引起的。花崗巖花崗巖 河床砂礦床河床砂礦床 藍藍-綠藻綠藻 還原鈾成為更可溶的氧化物形式還原鈾成為更可溶的氧化物形式以溶液形式被帶到下游以溶液形式被帶到下游 當可溶鈾達到河流三角洲當可溶鈾達到河流三角洲條件條件: :缺氧缺氧, ,富有機質富有機質結果結果:被還原固定下來被還原固定下來

14、,濃度增高到濃度增高到0.5wt%的鈾。的鈾。沉積物埋藏和壓實后，隨后被抬升、褶皺與破裂，使得氧化性的沉積物埋藏和壓實后，隨后被抬升、褶皺與破裂，使得氧化性的地下水活化和濃縮礦石形成寬度超過地下水活化和濃縮礦石形成寬度超過1m的幾乎純鈾氧化物的礦的幾乎純鈾氧化物的礦脈。脈。 然而，作為反應堆運行，與現在的然而，作為反應堆運行，與現在的0.72%水平相比，在那時依水平相比，在那時依賴于更高的賴于更高的235U濃度濃度(3%)，在終止時間內通過，在終止時間內通過衰變，濃度減小衰變，濃度減小了。了。 裂變現象的地球化學證據：裂變現象的地球化學證據：1.自裂變產生的元素豐度特征。如，自裂變產生的元素豐

15、度特征。如，觀測過量的稀土元素和象觀測過量的稀土元素和象Zr這類的其它不活潑元素。堿金屬和這類的其它不活潑元素。堿金屬和堿土金屬可能也是富集的，但隨后通過淋濾被消去。堿土金屬可能也是富集的，但隨后通過淋濾被消去。2.一些元素一些元素的特征同位素豐度僅能由裂變加以解釋。的特征同位素豐度僅能由裂變加以解釋。OkloOklo礦床的礦床的NdNd同位同位素成分是非常特征素成分是非常特征的的( (圖圖3)3)。142142NdNd不受不受富中子裂變產物的富中子裂變產物的同量異位素衰變影同量異位素衰變影響，因此它的豐度響，因此它的豐度指示了正常指示了正常 NdNd的水的水平。校正了由平。校正了由14314

16、3NdNd和和145145NdNd大截面核素大截面核素因中子捕獲而增高因中子捕獲而增高的的144144NdNd、146146NdNd豐度豐度后，后，Oklo Oklo 的的NdNd具有具有非常類似于正常反非常類似于正常反應堆裂變廢物同位應堆裂變廢物同位素組成。素組成。圖31.2 1.2 放射性衰變定律放射性衰變定律 放射性母體核素衰變成穩定子體產生的速率與任一時間放射性母體核素衰變成穩定子體產生的速率與任一時間t t時的時的原子數原子數n n成正比：成正比：ndtdn這里這里是比例常數，它是每個放射性核素的特征值，稱之為衰變是比例常數，它是每個放射性核素的特征值，稱之為衰變常數常數( (以時間

17、的倒數單位表示以時間的倒數單位表示) )。衰變常數表示了一給定放射性原。衰變常數表示了一給定放射性原子在規定的時間內衰變的幾率。子在規定的時間內衰變的幾率。dn/dtdn/dt項是母體原子數的變化率，項是母體原子數的變化率，為負是因為此變化率隨時間減小。整理上式為負是因為此變化率隨時間減小。整理上式, ,我們得到：我們得到：ndtdn上式從上式從t=0t=0到到t t 積分積分, ,假定假定t=0t=0時的原子數為時的原子數為n no o：nnttdtndn00tnn0ln因此：因此：tenn0改寫為：改寫為：代表一個放射性核素衰變速率的有用方式是代表一個放射性核素衰變速率的有用方式是“半衰期

18、半衰期”:t:t1/21/2, ,它它是母體原子衰變完一半所需要的時間。將是母體原子衰變完一半所需要的時間。將n=nn=n0 0/2/2和和t=tt=t1/21/2代入方代入方程程, ,兩邊取自然對數，我們得到：兩邊取自然對數，我們得到：693. 02ln2/1t放射成因子體原子數放射成因子體原子數D D* *等于消耗的母體原子數：等于消耗的母體原子數：nnD0*但是，但是， ，因此將，因此將n n0 0代入上式，得到：代入上式，得到：tnen0nneDt*) 1(*tenD也就是：也就是：如果如果t=0t=0時，子體原子數為時，子體原子數為D D0 0，時間，時間t t后子體原子總數為：后子

19、體原子總數為：) 1(0tenDD這個方程是地質年代學定年工具的根本。這個方程是地質年代學定年工具的根本。在鈾系衰變鏈中，放射性衰變的子體產物在鈾系衰變鏈中，放射性衰變的子體產物( (不是三個鉛同位素不是三個鉛同位素) )本本身都是放射性的。因此，這種子體產物衰變速率由其從母體的產身都是放射性的。因此，這種子體產物衰變速率由其從母體的產生率與本身的衰變速率的差值決定：生率與本身的衰變速率的差值決定：22112/nndtdn這里這里n n1 1和和1 1是母體的豐度與衰變常數，是母體的豐度與衰變常數，n n2 2和和2 2是子體的豐度與是子體的豐度與衰變常數。衰變常數。221, 121/nend

20、tdntinitial將前面已經推導出的母體衰變關系代入上式得到：將前面已經推導出的母體衰變關系代入上式得到：選定一套初始條件對上式積分，最簡單的是使選定一套初始條件對上式積分，最簡單的是使t=0t=0時，時，n n2 2=0=0，得到：，得到：)(21, 112122ttinitialeenn 當使用放射性衰變來測定巖石的年齡時，我們必須應用當使用放射性衰變來測定巖石的年齡時，我們必須應用均一性均一性的經典原理，即假定母體放射性核素的衰變常數在地球歷史中保持的經典原理，即假定母體放射性核素的衰變常數在地球歷史中保持恒定。因此，重要的是總結一些證據來說明該假設是恰當的。恒定。因此，重要的是總結

21、一些證據來說明該假設是恰當的。 物理條件物理條件( (壓力和溫度壓力和溫度) )影響放射性核素衰變常數的可能性也必影響放射性核素衰變常數的可能性也必須考慮。由于放射性衰變是核的性質，它不受外部軌道電子的影響，須考慮。由于放射性衰變是核的性質，它不受外部軌道電子的影響，物理條件要影響物理條件要影響和和衰變是很不可能的，但是電子捕獲衰變可能衰變是很不可能的，但是電子捕獲衰變可能受到影響。受到影響。Hensley Hensley 等等(1973)(1973)證明證明7 7BeBe到到7 7LiLi的電子捕獲衰變，當的電子捕獲衰變，當BeOBeO置于置于27027010kbars10kbars壓力的金

22、剛石砧中，衰變增加壓力的金剛石砧中，衰變增加0.59%0.59%。這便引發。這便引發了究竟了究竟4040K K到到4040ArAr的電子捕獲衰變是否影響的電子捕獲衰變是否影響K-ArK-Ar定年的問題。事實上，定年的問題。事實上，這是不可能的。在地球深部的高壓這是不可能的。在地球深部的高壓- -高溫下，高溫下，K-ArK-Ar系統化學上是開系統化學上是開放的，并且根本就不能定年。而在地殼深度內，放的，并且根本就不能定年。而在地殼深度內，對壓力的依賴性對壓力的依賴性與實驗誤差相比是可以忽略的。與實驗誤差相比是可以忽略的。 對于巖石對于巖石( (其化學系統保持封閉其化學系統保持封閉) )一致性一致

23、性的的K-ArK-Ar、Rb-SrRb-Sr、U-PbU-Pb年齡的成功證明了衰變常數不隨時間發生變化。因為如果衰變常數年齡的成功證明了衰變常數不隨時間發生變化。因為如果衰變常數發生變化，不同的放射性核素應有不同的發生變化，不同的放射性核素應有不同的響響應。對于衰變常數的不應。對于衰變常數的不變性的最后一個證據來自于放射性定年與其它時間標志變性的最后一個證據來自于放射性定年與其它時間標志( (沉積作用沉積作用與演化速率、海底擴張磁異常，放射性碳定年與樹輪年齡的對應性，與演化速率、海底擴張磁異常，放射性碳定年與樹輪年齡的對應性，鈾系定年與珊瑚增長帶的對應性鈾系定年與珊瑚增長帶的對應性) )相吻合

24、。相吻合。1.3 1.3 分析技術分析技術 為了使用放射成因同位素作為定年工具與示蹤劑，必須使用為了使用放射成因同位素作為定年工具與示蹤劑，必須使用先進、精確的儀器將不同質量的核素分離開，這種儀器就是現代先進、精確的儀器將不同質量的核素分離開，這種儀器就是現代廣泛使用的質譜計。在這種儀器中，使用扇形磁鐵，使真空下離廣泛使用的質譜計。在這種儀器中，使用扇形磁鐵，使真空下離子化的核素先通過高電壓加速，然后在磁場中分離不同質荷比的子化的核素先通過高電壓加速，然后在磁場中分離不同質荷比的核素。核素。222HVemr 因為產生的大多數離子是單電價的，不同的核素將被分成簡因為產生的大多數離子是單電價的，不

25、同的核素將被分成簡單的質量譜。每一個質量的相對豐度由其相應的離子電流單的質量譜。每一個質量的相對豐度由其相應的離子電流(由法拉由法拉第筒或電子倍增器捕獲第筒或電子倍增器捕獲)確定。其它的質量分離方法確定。其它的質量分離方法(如四極桿、如四極桿、飛行時間分析器飛行時間分析器)也可用于質量分析，但它們對于精確的同位素比也可用于質量分析，但它們對于精確的同位素比值測量很少廣泛應用。值測量很少廣泛應用。德國產的德國產的MAT261固體質譜計固體質譜計德國產的德國產的MAT251穩定同位素質譜計穩定同位素質譜計固體同位素分析前處理超純實驗室固體同位素分析前處理超純實驗室固體同位素分析前處理超純實驗室固體

26、同位素分析前處理超純實驗室A Typical ICP-MS in 1990s(PE, PlasmaQuad II)進樣系統進樣系統等離子體源等離子體源接口接口質譜儀質譜儀A Typical ICP-MS Laboratory in 2000s (PE, Sciex ELAN 6000)ICP-MS檢測限及質量分析范圍檢測限及質量分析范圍u 四極桿質譜四極桿質譜 (Quadrupole Mass)射頻和直流電場同時作用下的振動濾質器射頻和直流電場同時作用下的振動濾質器u 雙聚焦扇形磁場質譜雙聚焦扇形磁場質譜 ( Double-focused Magnetic-Sector Mass Spectr

27、ometer )N. Jakubowskia et. al., Spectrochimica Acta 53B (1998) 17391763方向聚焦和動能聚焦扇形磁場偏轉分離靜電分析器消除相 同質量離子間的動能差別具有更高的分辨率u 飛行時間質譜飛行時間質譜 (Time-of-flight MS)M. Balcerazak, Analytical Sciences 19(2003) 979-989各離子動能相同，飛行速度不同分析速度遠大于四極桿質譜固體固體激光燒蝕激光燒蝕ICP-MS樣品引入系統（進樣方式）樣品引入系統（進樣方式）氫化物氫化物 除了稀有氣體除了稀有氣體He、Ne、Ar、Kr、

28、Xe是以氣相形式分析外，同是以氣相形式分析外，同位素地質學家感興趣的放射性元素通常由固體源質譜計分析。火花位素地質學家感興趣的放射性元素通常由固體源質譜計分析。火花源質譜計中，含有不同元素混合物的固體樣品形成離子源。然而，源質譜計中，含有不同元素混合物的固體樣品形成離子源。然而，利用這種方法四個因素一起使同位素比值測量中出現低的精度。這利用這種方法四個因素一起使同位素比值測量中出現低的精度。這些因素包括：具相同質量的原子和分子離子的干擾、主要元素基體些因素包括：具相同質量的原子和分子離子的干擾、主要元素基體中微量元素的稀釋、低的離子化效率、不穩定發射。質譜計精確同中微量元素的稀釋、低的離子化效

29、率、不穩定發射。質譜計精確同位素測量的起始點因此應是被分析元素的化學分離。這就要求將樣位素測量的起始點因此應是被分析元素的化學分離。這就要求將樣品轉化成溶液。品轉化成溶液。一、化學分離一、化學分離 地質樣品，通常是硅酸鹽，一般用濃的氫氟酸地質樣品，通常是硅酸鹽，一般用濃的氫氟酸(HF)溶解，盡管溶解，盡管一些實驗室也使用高氯酸。在大氣壓條件下，大多數造巖礦物在熱一些實驗室也使用高氯酸。在大氣壓條件下，大多數造巖礦物在熱的濃的濃HF中溶解。然而，象鋯石這類的難溶礦物，為了使其達到分中溶解。然而，象鋯石這類的難溶礦物，為了使其達到分解要求高達解要求高達220的溫度，必須在密封溶樣罐的壓力下溶解。用

30、于的溫度，必須在密封溶樣罐的壓力下溶解。用于溶樣的密封溶樣罐的襯和燒杯幾乎普遍都是由聚氟乙烯制成的。溶樣的密封溶樣罐的襯和燒杯幾乎普遍都是由聚氟乙烯制成的。 氫氟酸溶解后可能遇到的主要問題是在其它氫氟酸溶解后可能遇到的主要問題是在其它“礦物礦物”酸酸(即，即，鹽酸，鹽酸，HCl)中不溶的氟化物的形成。再加入硝酸中不溶的氟化物的形成。再加入硝酸(HNO3)有助于將有助于將這些不溶物轉換成可溶態形式。這些不溶物轉換成可溶態形式。 實驗表明，如果加入的硝酸在氫氟酸階段的完全蒸發前加入，實驗表明，如果加入的硝酸在氫氟酸階段的完全蒸發前加入，可促進該溶解過程。如果某階段沒有達到完全溶解可促進該溶解過程。

31、如果某階段沒有達到完全溶解,有必要將溶液有必要將溶液輕輕倒出，將未溶部分返回到該過程的前一階段進行第二次酸溶。輕輕倒出，將未溶部分返回到該過程的前一階段進行第二次酸溶。當達到完全溶解后，溶液可能需稱重分成幾份，一部分用富集同當達到完全溶解后，溶液可能需稱重分成幾份，一部分用富集同位素稀釋作同位素稀釋分析，另一部份不稀釋用于精確的同位素位素稀釋作同位素稀釋分析，另一部份不稀釋用于精確的同位素比值分析。溶解后，樣品常轉換成氯化物進行元素分離，通常是比值分析。溶解后，樣品常轉換成氯化物進行元素分離，通常是由石英或由石英或PFE柱中樹脂與稀酸淋洗劑間的離子交換來完成。柱中樹脂與稀酸淋洗劑間的離子交換來

32、完成。（一）（一）Rb-Sr分離分離 Rb和和Sr、初步的、初步的Sm-Nd分離常常在陽離子交換柱上用稀分離常常在陽離子交換柱上用稀 (大約大約2.5M) HCl 淋洗來完成。柱子通常在使用前用測試溶液進行校正。淋洗來完成。柱子通常在使用前用測試溶液進行校正。最后，在樣品分離前，柱子樹脂由通過連續大量的最后，在樣品分離前，柱子樹脂由通過連續大量的50%的酸和水的酸和水清洗。清洗。 小體積的巖石樣品溶液加載到交換柱上，用淋洗劑仔細地洗進交小體積的巖石樣品溶液加載到交換柱上，用淋洗劑仔細地洗進交換樹脂床中，而后用更多的淋洗劑洗過，直到收集到從樹脂上釋換樹脂床中，而后用更多的淋洗劑洗過，直到收集到從

33、樹脂上釋放出所需的元素部分。將該收集部分蒸干，以備加載到質譜計中放出所需的元素部分。將該收集部分蒸干，以備加載到質譜計中的熱離子金屬燈絲上。由鹽酸從陽離子柱上淋洗下來的元素粗略的熱離子金屬燈絲上。由鹽酸從陽離子柱上淋洗下來的元素粗略地按以下順序：地按以下順序：Fe、Na、Mg、K、Rb、Ca、Sr、Ba、REE 。這。這銣鍶同位素分離純化圖例Ion chromatography種序列由元素在固相種序列由元素在固相(樹脂樹脂)上分配系數的增高來加以上分配系數的增高來加以定義，對于后對于后面元定義，對于后對于后面元素的釋放要增加淋洗劑的素的釋放要增加淋洗劑的體積。體積。 非常重要的是要將巖石非常重

34、要的是要將巖石中的主要元素，如中的主要元素，如Na、K、Ca從從Sr接收部分去掉。為接收部分去掉。為此，硝酸是無效的。因為此，硝酸是無效的。因為它并不將它并不將Sr從鈣中分離從鈣中分離(圖圖4)。Rb也必須從也必須從Sr中除去，中除去，因為因為87Rb是對是對87Sr的直接同的直接同量異位體干擾。在分離出量異位體干擾。在分離出的純樣品中，低水平的的純樣品中，低水平的Rb不會成為問題，因為在不會成為問題，因為在Sr的數據采集前，的數據采集前，Rb已經被已經被燒掉了。燒掉了。圖4然而，在收集的然而，在收集的Sr部分中大量的部分中大量的Ca存在將阻止存在將阻止Rb的燒除，引出主的燒除，引出主要的干擾

35、問題。要的干擾問題。 碳酸鹽樣品可兩次過柱以適當降低碳酸鹽樣品可兩次過柱以適當降低Sr收集部分中的收集部分中的Ca的水平。的水平。然而，對于純碳酸鹽另一種分離方法是在濃硝酸溶液中沉淀然而，對于純碳酸鹽另一種分離方法是在濃硝酸溶液中沉淀Sr。在。在這種條件下，較高溶解度的這種條件下，較高溶解度的Ca保持在溶解態。保持在溶解態。（二）（二）Sm-Nd和和Lu-Hf 在陽離子交換樹脂上用稀鹽酸淋洗，稀土元素以一組狀態被分在陽離子交換樹脂上用稀鹽酸淋洗，稀土元素以一組狀態被分離出來，但是由于單個稀土元素的化學性質如此相似，稀土內部的離出來，但是由于單個稀土元素的化學性質如此相似，稀土內部的分離必須采用

36、更精細的技術。由于有幾個同量異位素分離必須采用更精細的技術。由于有幾個同量異位素(如如144Sm對對144Nd)的干擾，這種分離是必須的。的干擾，這種分離是必須的。Ba由于它抑制三價稀土離子的由于它抑制三價稀土離子的離子化，在離子化，在REE收集部分也必須保持在最低水平。這可以在收集部分也必須保持在最低水平。這可以在Sr收集收集部分之后，轉換成稀硝酸淋洗介質，于是，在稀土之前，部分之后，轉換成稀硝酸淋洗介質，于是，在稀土之前，Ba被迅速被迅速地從柱上淋洗出來。在大約地從柱上淋洗出來。在大約50%的的HNO3介質中，介質中，REE作為一組能作為一組能最快地被淋洗下來最快地被淋洗下來(圖圖4)。

37、稀土元素間分離的幾種方法如下：稀土元素間分離的幾種方法如下：1）己基二乙基磷酸氫）己基二乙基磷酸氫(HDEHP)的聚四氟乙烯粉沫的聚四氟乙烯粉沫(固定相固定相)用用稀鹽酸淋洗劑。在該技術稀鹽酸淋洗劑。在該技術(可稱為可稱為“反相反相”法法)中，輕稀土首先中，輕稀土首先被淋洗下來，而在其它方法中，重稀土首先被淋洗下來。被淋洗下來，而在其它方法中，重稀土首先被淋洗下來。 反相法出現尖的淋洗前峰但長的拖尾反相法出現尖的淋洗前峰但長的拖尾(圖圖5)。它非常有效地。它非常有效地從從144Nd中除去中除去Sm的干擾，并且當前最普遍使用。然而，大量的干擾，并且當前最普遍使用。然而，大量的的的的Ce通常出現于

38、通常出現于Nd的收集部分，因此的收集部分，因此142Nd不能被精確測定。不能被精確測定。類似地，輕稀土之間的分離對于類似地，輕稀土之間的分離對于Ce同位素分析不夠好。同位素分析不夠好。圖52）用羥基異丁酸酸）用羥基異丁酸酸(HIBA)淋洗的陽離子交換樹脂。這種方法要求淋洗的陽離子交換樹脂。這種方法要求更多的工作準備淋洗劑，它的更多的工作準備淋洗劑，它的pH值必須仔細控制。對于值必須仔細控制。對于Nd，該方，該方法不及法不及1)普及，但對于普及，但對于Ce非常有效。它被推薦用于非常有效。它被推薦用于Lu-Hf法中的法中的Lu分離。分離。3）用甲醇）用甲醇-稀醋酸稀醋酸-稀硝酸淋洗劑的陰離子交換樹

39、脂。此方法現在最稀硝酸淋洗劑的陰離子交換樹脂。此方法現在最少用，但如果要求分析少用，但如果要求分析142Nd，此法比，此法比1)好。好。4）另一種方法就是使用高壓液相色譜）另一種方法就是使用高壓液相色譜(HPLC)。 鉿鉿(Hf)的分離因為它必須與非常類似的元素的分離因為它必須與非常類似的元素Zr分開而變得困難。分開而變得困難。由于不溶氟化物沉淀的危險，該程序大部分是在由于不溶氟化物沉淀的危險，該程序大部分是在HF介質中進行。介質中進行。然而，如果氟化物在溶解后再加入濃然而，如果氟化物在溶解后再加入濃HNO3可被適當地轉移，有可可被適當地轉移，有可能用能用HCl淋洗正常的陽離子柱進行淋洗正常的

40、陽離子柱進行Hf的分離。的分離。（三）（三）Pb 來自鋯石的來自鋯石的Pb和和U通常在陰離子交換柱上用鹽酸淋取分離。然而該通常在陰離子交換柱上用鹽酸淋取分離。然而該法在全巖樣品中不能從大量法在全巖樣品中不能從大量Fe中分離出中分離出Pb，它因此引起質譜中，它因此引起質譜中Pb發射不穩定。廣泛采用的另一種方法是從最小化的陰離子柱上用稀發射不穩定。廣泛采用的另一種方法是從最小化的陰離子柱上用稀的氫溴酸淋洗下除的氫溴酸淋洗下除Pb以外的所有其它元素。以外的所有其它元素。Pb在正好在正好1M的的HBr條條件下，在樹脂上的分配系件下，在樹脂上的分配系數有最極大值，向兩邊急數有最極大值，向兩邊急劇降低劇降

41、低(圖圖6)。用。用HBr淋洗，淋洗，有效地從交換柱上除去了有效地從交換柱上除去了包括包括Fe在內的大部分元素，在內的大部分元素，而后用而后用6M的的HCl或水淋洗或水淋洗收集收集Pb (Pb也是在也是在2-3M的的HCl條件下，在固相上的條件下，在固相上的分配系數極大，在更稀或分配系數極大，在更稀或更濃的更濃的HCl條件下下降條件下下降)。樣品可第二次通過類似的樣品可第二次通過類似的離子交換程序進一步純化。離子交換程序進一步純化。圖6 在實驗程序中引入的環境污染水平通過分析空白加以確定。用在實驗程序中引入的環境污染水平通過分析空白加以確定。用一個想象樣品通過全部化學分離程序進行測定，之后引入的外來污一個想象樣品通過全部化學分離程序進行測定，之后引入的外來污染量由同位素稀釋法測定。染量由同位素稀釋法測定。 空白水平在上面描述的所有化學程序中空白水平在上面描述的所有化學程序中必須是最小的，但有必要作出艱苦的努力來限制必須是最小的，但有必要作出艱苦的努力來限制Pb的污染，因為在的污染，因為在環境