bài giảng thạch luận các đá magma chương 10 đồng vị (isotopes)

Chương 10 Đồng vị (Isotopes)
Chương 10 Đồng vị (Isotopes)
Có cùng số thứ tự Z (số proton), nhưng khác nhau
Có cùng số thứ tự Z (số proton), nhưng khác nhau
về khối lượng nguyên tử A (số lượng neutron khác
về khối lượng nguyên tử A (số lượng neutron khác
nhau)
nhau)
Đồng vị
Đồng vị
Ví dụ cho một Nuclide:
Ví dụ cho một Nuclide:
6 = Z
6 = Z
14 = A = p + n
14 = A = p + n
6
6
14
14
C
C
Do số neutron
Do số neutron
n
n
thay đổi
thay đổi
→
→
có các đồng vị khác

có các đồng vị khác
nhau
nhau
12
12
C
C
13
13
C
C
14
14
C
C
Đồng vị bền (Stable Isotopes)
Đồng vị bền (Stable Isotopes)

Bền: Không thay đổi theo thời gian
Bền: Không thay đổi theo thời gian

Không phân dị về mặt hóa học
Không phân dị về mặt hóa học



Chỉ phân dị về khối lượng
Chỉ phân dị về khối lượng
Ví dụ: Đồng vị Oxy
Ví dụ: Đồng vị Oxy

Hàm lượng đồng vị oxy được sử dụng trong chuẩn hóa
Hàm lượng đồng vị oxy được sử dụng trong chuẩn hóa
quốc tế là:
quốc tế là:
Nước đại dương trung bình chuẩn hóa =
Nước đại dương trung bình chuẩn hóa =
standard
standard
mean ocean water (SMOW)
mean ocean water (SMOW)
16
16
O
O
99.756% trong oxy tự nhiên
99.756% trong oxy tự nhiên
17
17
O
O


0.039%
0.039%
“
“
18
18
O
O

0.205%
0.205%
“
“
18
18
O
O
và
và
16
16
O
O
là các đồng vị thường được sử
là các đồng vị thường được sử
dụng và tỷ lệ của chúng ký hiệu
dụng và tỷ lệ của chúng ký hiệu
δ
δ
:
:
δ (
δ (
18
18
O/
O/
16
16

O) =
O) =
eq
eq
9−10
9−10




kết quả tính theo phần nghìn (‰)
kết quả tính theo phần nghìn (‰)
(
(
O/
O/
O)
O)
(
(
O/
O/
O)
O)
(
(
O/
O/
O)
O)

x
x
1000
1000
18
18
16
16
sample
sample
18
18
16
16
SMOW
SMOW
18
18
16
16
SMOW
SMOW
−
−
Giá trị
Giá trị
δ
δ
của SMOW là bao nhiêu??
của SMOW là bao nhiêu??

Giá trị
Giá trị
δ
δ
của nước khí tượng là bao nhiêu?
của nước khí tượng là bao nhiêu?
Giá trị
Giá trị
δ
δ
của nước khí tượng là bao nhiêu?
của nước khí tượng là bao nhiêu?
Nước biển bốc hơi
Nước biển bốc hơi
→
→
hơi nước (mây)
hơi nước (mây)

Các đồng vị nhẹ được làm giàu trong hơi nước
Các đồng vị nhẹ được làm giàu trong hơi nước
hơn là chất lỏng
hơn là chất lỏng

Được sử dụng rất hữu hiệu vì khác biệt khối
Được sử dụng rất hữu hiệu vì khác biệt khối
lượng
lượng
∆
∆

= 1/8 tổng khối lượng
= 1/8 tổng khối lượng

δ
δ


=
=

Do vậy
Do vậy

∆
∆
mây
mây
có giá trị (-)
có giá trị (-)
(
(
O/
O/
O)
O)
(
(
O/
O/
O)

O)
(
(
O/
O/
O)
O)
x
x
1000
1000
18
18
16
16
vapor
vapor
18
18
16
16
SMOW
SMOW
18
18
16
16
SMOW
SMOW
−

−
(
(
O/
O/
O)
O)
18
18
16
16
Vapor
Vapor
(
(
O/
O/
O)
O)
18
18
16
16
SMOW
SMOW
<
<
Hình 9-9. Tương quan giữa d(
18
O/

16
O) và nhiệt độ trung bình năm đối với
nước khí tượng, theo Dansgaard (1964).

Tellus, 16, 436-468.

Đồng vị O và H – nước có nguồn gốc trẻ ><
Đồng vị O và H – nước có nguồn gốc trẻ ><
nước khí tượng >< nước biển
nước khí tượng >< nước biển

δ
δ
18
18
O đối với các đá nguồn gốc manti
O đối với các đá nguồn gốc manti
≠
≠
các đá
các đá
trầm tích hình thành do các quá trình trên mặt:
trầm tích hình thành do các quá trình trên mặt:
đánh giá sự hỗn nhiễm của các đá magma
đánh giá sự hỗn nhiễm của các đá magma
nguồn manti gây ra bởi các trầm tích nguồn gốc
nguồn manti gây ra bởi các trầm tích nguồn gốc
vỏ
vỏ
Các đồng vị bền được sử dụng hữu hiệu trong

Các đồng vị bền được sử dụng hữu hiệu trong
đánh giá sự tham gia của các nguồn chứa khác
đánh giá sự tham gia của các nguồn chứa khác
nhau, với các đặc trưng đồng vị khác nhau
nhau, với các đặc trưng đồng vị khác nhau
Đồng vị phóng xạ (Radioactive
Đồng vị phóng xạ (Radioactive
Isotopes)
Isotopes)

Các đồng vị không bền vững phân rã thành
Các đồng vị không bền vững phân rã thành
các hạt nhân khác
các hạt nhân khác

Tốc độ phân rã là hằng số, không phụ thuộc
Tốc độ phân rã là hằng số, không phụ thuộc
vào các điều kiện P, T, X…
vào các điều kiện P, T, X…

Nuclide
Nuclide
mẹ
mẹ
= nuclide
= nuclide
phóng xạ, phân rã
phóng xạ, phân rã

Các nuclide

Các nuclide
con
con
là các sản phẩm
là các sản phẩm
nguyên tử
nguyên tử
phóng xạ
phóng xạ
Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:
Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:
1. Phân dị khối lượng
1. Phân dị khối lượng
(
(
Mass fractionation
Mass fractionation
–
–
thường cho các đồng vị bền)
thường cho các đồng vị bền)
Chỉ ảnh hưởng đến các đồng vị nhẹ: H He C O S
Chỉ ảnh hưởng đến các đồng vị nhẹ: H He C O S
Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:
Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:
1. Phân dị khối lượng (Mass fractionation –
1. Phân dị khối lượng (Mass fractionation –
thường cho các đồng vị bền)
thường cho các đồng vị bền)
2. Các đồng vị con được tạo ra các thay đổi trước

2. Các đồng vị con được tạo ra các thay đổi trước
đó liên quan tới
đó liên quan tới
phân dị hóa học
phân dị hóa học
40
K →
40
Ar do phân rã phóng xạ
Basalt → rhyolite phân dị kết tinh FX (quá trình phân dị hóa
học)
Rhyolite chứa nhiều K hơn basalt
40
K →
40
Ar theo thời gian trong rhyolite nhiều hơn trong
basalt
Tỷ lệ
40
Ar/
39
Ar cũng sẽ khác nhau giữa basalt và rhyolite
Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:
Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:
1. Phân dị khối lượng (Mass fractionation –
1. Phân dị khối lượng (Mass fractionation –
thường cho các đồng vị bền)
thường cho các đồng vị bền)
2. Các đồng vị con được tạo ra các thay đổi trước
2. Các đồng vị con được tạo ra các thay đổi trước

đó liên quan tới phân dị hóa học
đó liên quan tới phân dị hóa học
3. Thời gian
3. Thời gian
Quá trình phân rã
Quá trình phân rã
40
40
K
K
→
→


40
40
Ar càng kéo dài, sự khác
Ar càng kéo dài, sự khác
biệt về đồng vì giữa basalt và rhyolite càng lớn
biệt về đồng vì giữa basalt và rhyolite càng lớn
Isotopic variations between rocks, etc. due to:
Isotopic variations between rocks, etc. due to:
1. Mass fractionation (as for stable isotopes)
1. Mass fractionation (as for stable isotopes)
2. Daughters produced in varying proportions
2. Daughters produced in varying proportions
resulting from previous event of chemical
resulting from previous event of chemical
fractionation
fractionation

3. Time
3. Time
The longer
The longer
40
40
K
K
→
→


40
40
Ar decay takes place, the greater
Ar decay takes place, the greater
the difference between the basalt and rhyolite will be
the difference between the basalt and rhyolite will be
Chu kỳ phân rã (hay bán rã)
Chu kỳ phân rã (hay bán rã)
Công thức phân rã phóng xạ
− ∝ −
dN
dt
N or
dN
dt
= N
λ
#

p
a
r
e
n
t

a
t
o
m
s
#

p
a
r
e
n
t

a
t
o
m
s
time
time
→

→
1
1
½
½
¼
¼
D = Ne
D = Ne
λ
λ
t
t
- N
- N


= N(e
= N(e
λ
λ
t
t
-1)
-1)
→
→


Tuổi của mẫu (t)

Tuổi của mẫu (t)
nếu ta biết:
nếu ta biết:


D
D
số lượng của các nuclide được tạo ra
số lượng của các nuclide được tạo ra


N
N
Số lượng của các nuclide ban đầu còn lại
Số lượng của các nuclide ban đầu còn lại


λ
λ


hằng số phân rã (hay bán rã)
hằng số phân rã (hay bán rã)
Hạn chế của phương pháp:
Hạn chế của phương pháp:
Các đá trẻ:
Các đá trẻ:
khó xác định số lượng chính xác của các
khó xác định số lượng chính xác của các
nuclide con

nuclide con
Các đá rất cổ
Các đá rất cổ
: không xác định số lượng chính xác
: không xác định số lượng chính xác
các nuclide ban đầu còn lại
các nuclide ban đầu còn lại
Độ chính xác phụ thuộc vào hằng số phân rã
Độ chính xác phụ thuộc vào hằng số phân rã
Lambda
Lambda
Làm thế nào để phân biệt được các đồng vị con được tạo
Làm thế nào để phân biệt được các đồng vị con được tạo
ra do phân rã và các đồng vị bền sẵn có trong đá?
ra do phân rã và các đồng vị bền sẵn có trong đá?
Hệ đồng vị K-Ar
Hệ đồng vị K-Ar
40
40
K
K
→
→


40
40
Ca hoặc
Ca hoặc
40

40
Ar
Ar

40
40
Ca
Ca
là đồng vị bền phổ thông, không thể phân
là đồng vị bền phổ thông, không thể phân
biệ với đồng vị tạo ra do quá trình phân rã
biệ với đồng vị tạo ra do quá trình phân rã
phóng xạ
phóng xạ

40
40
Ar
Ar
là khí trơ bị giữ lại trọng các pha rắn trong
là khí trơ bị giữ lại trọng các pha rắn trong
quá trình thành đá
quá trình thành đá
- Khi các đá nóng lên, tất cả Ar sẽ thoát ra, “ resetting đồng hồ
- Khi các đá nóng lên, tất cả Ar sẽ thoát ra, “ resetting đồng hồ
phóng xạ” - tất cả các đồng vị sản phẩm đều bị mất đi
phóng xạ” - tất cả các đồng vị sản phẩm đều bị mất đi
- Khi hình thành các đá núi lửa, đồng hồ được cài đặt lại và
- Khi hình thành các đá núi lửa, đồng hồ được cài đặt lại và
40

40
Ar
Ar
nằm trong đá sau thời điểm đó phải là sản phẩm của phân rã
nằm trong đá sau thời điểm đó phải là sản phẩm của phân rã
40
40
K
K
Công thức phân rã :
Công thức phân rã :


40
40
Ar =
Ar =
40
40
Ar
Ar
o
o
+
+
40
40
K(e
K(e
-

-
λ
λ
t
t
-1)
-1)
Trong đó
Trong đó
λ
λ
e
e
= 0.581 x 10
= 0.581 x 10
-10
-10
a
a
-1
-1
(các proton bị
(các proton bị
giữ lại)
giữ lại)
λ
λ


= 5.543 x 10

= 5.543 x 10
-10
-10
a
a
-1
-1
(cả quá trình)
(cả quá trình)
λ
λ
e







Nhiệt độ đóng
Nhiệt độ đóng
đối với các khoáng vật khác
đối với các khoáng vật khác
nhau
nhau

Phương pháp
Phương pháp
40
40

Ar-
Ar-
39
39
Ar
Ar
phát triển từ các phát
phát triển từ các phát
hiện này
hiện này
Hệ đồng vị Sr-Rb
Hệ đồng vị Sr-Rb
•
87
87
Rb
Rb
→
→


87
87
Sr
Sr
+ β (
+ β (
λ
λ
= 1.42 x 10

= 1.42 x 10
-11
-11
a
a
-1
-1
)
)
•
Hành vi của Rb giống K
Hành vi của Rb giống K
→
→
micas và feldspar kiềm
micas và feldspar kiềm
•
Hành vi của Sr giống Ca
Hành vi của Sr giống Ca
→
→
plagioclase và apatite
plagioclase và apatite
(không giống Ca trong clinopyroxene)
(không giống Ca trong clinopyroxene)
•
88
88
Sr :
Sr :

87
87
Sr :
Sr :
86
86
Sr :
Sr :
84
84
Sr = 10 : 0.7 : 1 : 0.07
Sr = 10 : 0.7 : 1 : 0.07
•
86
86
Sr
Sr
là đồng vị bền, và không phải là sản phẩm của bất
là đồng vị bền, và không phải là sản phẩm của bất
cứ phân rã nào
cứ phân rã nào
Phương pháp đẳng thời (
Phương pháp đẳng thời (
Isochron
Isochron
Technique
Technique
)
)
Cần từ 3 mẫu cùng nguồn gốc trở lên có Rb/Sr

Cần từ 3 mẫu cùng nguồn gốc trở lên có Rb/Sr
Có thể là:
Có thể là:
•
3 đá có cùng nguồn gốc từ
3 đá có cùng nguồn gốc từ
một dung thể phân dị bởi
một dung thể phân dị bởi
nóng chảy từng phần hoặc
nóng chảy từng phần hoặc
phân dị kết tinh,
phân dị kết tinh,
Hình 9-3.
Hình 9-3.
Thay đổi về hàm lượng của Rb and Sr
Thay đổi về hàm lượng của Rb and Sr
trong dung thể nóng chảy hoàn toàn của đá
trong dung thể nóng chảy hoàn toàn của đá
basalt có plagioclase, augite, và olivine. Winter
basalt có plagioclase, augite, và olivine. Winter
(2001) An Introduction to Igneous and
(2001) An Introduction to Igneous and
Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Phương pháp đẳng thời (
Phương pháp đẳng thời (
Isochron
Isochron
Technique
Technique

)
)
Cần từ 3 mẫu cùng nguồn gốc trở lên có Rb/Sr
Cần từ 3 mẫu cùng nguồn gốc trở lên có Rb/Sr
Có thể là:
Có thể là:
•
3 đá có cùng nguồn gốc từ
3 đá có cùng nguồn gốc từ
một dung thể phân dị bởi
một dung thể phân dị bởi
nóng chảy từng phần hoặc
nóng chảy từng phần hoặc
phân dị kết tinh,
phân dị kết tinh,
•
3 khoáng vật cùng tồn tại
3 khoáng vật cùng tồn tại
trong đá với các tỷ lệ K/Ca
trong đá với các tỷ lệ K/Ca
khác nhau
khác nhau
Đối với các giá trị
Đối với các giá trị
λ
λ
t nhỏ hơn 0.1: e
t nhỏ hơn 0.1: e
λ
λ

t
t
-1
-1
≅
≅


λ
λ
t
t
Do vậy biểu đồ trên đối với t < 70 Ga (!!) có thể suy
Do vậy biểu đồ trên đối với t < 70 Ga (!!) có thể suy
ra:
ra:


87
87
Sr/
Sr/
86
86
Sr = (
Sr = (
87
87
Sr/
Sr/

86
86
Sr)
Sr)
o
o
+ (
+ (
87
87
Rb/
Rb/
86
86
Sr)
Sr)
λ
λ
t
t
y = b + x m
y = b + x m
= biểu đồ tuyến tính của
= biểu đồ tuyến tính của
87
87
Sr/
Sr/
86
86

Sr vs.
Sr vs.
87
87
Rb/
Rb/
86
86
Sr
Sr
Công thức tính tuổi có thể khai triển bằng cách chia
Công thức tính tuổi có thể khai triển bằng cách chia
cho số lượng đồng vị
cho số lượng đồng vị
86
86
Sr
Sr
87
87
Sr/
Sr/
86
86
Sr = (
Sr = (
87
87
Sr/
Sr/

86
86
Sr)
Sr)
o
o
+ (
+ (
87
87
Rb/
Rb/
86
86
Sr)(e
Sr)(e
λ
λ
t
t
-1)
-1)
  λ
  λ


= 1.4 x 10
= 1.4 x 10
-11
-11

a
a
-1
-1
a
b c
t
o
86
Sr
87
Sr
o
( )
86
Sr
87
Sr
86
Sr
87
Rb
Bắt đầu với 3 mẫu đá biểu diễn tại
Bắt đầu với 3 mẫu đá biểu diễn tại
a b c
a b c
vào thời
vào thời
điểm
điểm

t
t
o
o
Sau một khoảng thời gian (t
Sau một khoảng thời gian (t
0
0


→
→
t
t
1
1
) mỗi mẫu mất một
) mỗi mẫu mất một
lượng
lượng
87
87
Rb và tăng một lượng
Rb và tăng một lượng
87
87
Sr
Sr
a
b c

a
1
b
1
c
1
t
1
t
o
86
Sr
87
Sr
86
Sr
87
Rb
86
Sr
87
Sr
o
( )
Tại thời điểm
Tại thời điểm
t
t
2
2

các đá lại biến đổi tạo thành một
các đá lại biến đổi tạo thành một
đường đẳng thời mới tuyến tính và dốc hơn
đường đẳng thời mới tuyến tính và dốc hơn
a
b c
a
1
b
1
c
1
a
2
b
2
c
2
t
1
t
o
t
2
86
Sr
87
Sr
86
Sr

87
Sr
o
( )
86
Sr
87
Rb