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系統識別號 U0026-2406201020144400
論文名稱(中文) 利用翡翠水庫碎屑相鈾釷同位素研究台灣岩石風化與侵蝕
論文名稱(英文) Studies on rock weathering and erosion in Taiwan based on uranium and thorium isotopes of detrital minerals in Fei-Tsui Reservoir
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 地球科學系專班
系所名稱(英) Department of Earth Sciences (on the job class)
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 李玉萍
研究生(英文) Yu- Ping Li
學號 l4797104
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 103頁
口試委員 指導教授-羅尚德
口試委員-李紅春
口試委員-蔡印來
中文關鍵字 示踪劑  鈾釷  同位素  風化  翡翠水庫 
英文關鍵字 tracer  U、Th  isotopes  weathering  Fei-Tsui Reservoir 
學科別分類
中文摘要 本文以翡翠水庫上游灣潭、中游永安、下游火燒樟沉積物為主要研究對象。加入6N鹽酸以移除自生相,加入氫氟酸、硝酸、高氯酸以硝化溶解碎屑相,並加入232U與229Th做為追蹤回收率的示蹤劑。鈾與釷藉由陰離子交換樹脂分離與純化,而鈾釷的放射性測量分別由α能譜儀做監測。測得的碎屑相放射性活度主要受鈾釷溶解度的差異性以及核反應過程中的α反衝作用的影響,故能作為示蹤劑追蹤大陸岩石風化過程。研究顯示中游沉積物永安站位的岩芯活度238U約2.05±0.17(dpm/g),232Th約4.18±0.57(dpm/g),238U/232Th比值為 0.49±0.30;下游的火燒樟岩芯活度238U約1.553±0.084(dpm/g),232Th約2.419±0.020(dpm/g),238U/232Th 比值為0.72±0.20;238U、232Th活度在中游有明顯的隨深度增加而減少的趨勢,其結果與6N鹽酸淋洗後的碎屑相沉積物含量變化趨勢一致。在下游,232Th的活度測量值隨深度比較均勻,但238U活度測量值隨著深度有微小增加,可能反應更近期細顆粒碎屑物沉積量增加,而細顆粒碎屑物較低的238U活度是由於化學風化作用所致。所測得的比值,包含238U/232Th、230Th/234U、234U/238U、228Th/232Th均顯示出周期性變化,其結果並表明該研究區域以物理風化為主,只有少數幾個沉積物層位顯示有短週期的較強的化學風化發生。
英文摘要 This article takes the sediments from upstream Wan-Tan, middle-stream Yong-An ,and downstream Huo-Shao-Zhang sites of the Fei-Tsui Reservoir as the object of study. After removing the authigenic phases by 6NHCl, the detrital minerals of the sediments were dissolved with HF-HNO3-HClO4 digestion at presence of 232 U and 229Th spikes as yield tracers. U and Th were separated and purified by anion exchange and analyzed for their radioisotope activities, respectively, by α-spectrometry. The measured radioisotope activities are mostly affected by the differential dissolution rates of U and Th from the detrital minerals , as well as by the nuclear processes such as α-recoil, and hence can be used as a tracer to understand the weathering processes of rock in continents. This study shows that the sediments at the middle-stream station (Yong-An site) have ~2.05±0.17dpm/g of 238U, 4.18±0.57dpm/g of 232Th, with 238U/232Th ratio of 0.49±0.30. In contrast , the sediments at the downstream station (Huo-Shao-Zhang sites) have 1.55±0.08 dpm/g of 238U, 2.42±0.02 dpm/g of 232 Th, with 238U/232Th ratio of 0.72±0.20. The 238U and 232Th activities are both observed to decrease in the sediment core with depth at the middle-stream station, which are consistent with the observed increase of 6NHCl-leachable fraction in more recent sediments. In the down stream, the 232Th activities are more or less uniform, while the 238U activities were observed to increase slightly with depth, reflecting probably a more recent increase in sedimentation of fine-grained detritus which has lower 238 U activities due to chemical weathering. The measured 238U/232Th ratios, consistent with those of 234U/238U, 230Th /234U and 228Th /232Th, show cyclic variations throughout the core and collectively suggest that physical weathering is a dominated process in the study area, except for a few sediment depth intervals where a short period of intensified chemical weathering happened.
論文目次 目 錄
中文摘要------------------------------------------------------------------------------------------------I
abstract --------------------------------------------------------------------------------------------------II
誌謝-----------------------------------------------------------------------------------------------------IV
目錄----------------------------------------------------------------------------------------------------V
圖目錄---------------------------------------------------------------------------------------------------IX
表目錄---------------------------------------------------------------------------------------------------X
符號----------------------------------------------------------------------------------------------------XIII
第一章、緒論
1.1 前言-----------------------------------------------------------------------------------------1
1.2 研究目的--------------------------------------------------------------------------------------1
1.3 研究背景-------------------------------------------------------------------------------------2
1.3.1 台灣的環境與氣候概述-------------------------------------------------------------------------2
1.3.2 翡翠水庫背景---------------------------------------------------------------------------------3
1.3.3翡翠水庫介紹----------------------------------------------------------------------------------3
1.3.4沉積物與放射性核種關係-----------------------------------------------------------------------5
第二章、文獻回顧
2.1 岩石風化的放射性核種之研究鈾釷定年原理文獻回顧---------------------------------7
2.2實驗處理相關文獻探討----------------------------------------------------------------------------8
2.3實驗結果比值意義文獻探討----------------------------------------------------------------------8
2.3.1 228Th/232Th------------------------------------------------------------------------------8
2.3.2 234U/238U---------------------------------------------------------------------------------9
第三章、研究原理
3.1原子核的蛻變原理---------------------------------------------------------------------------------10
3.1.1.原子的衰變-----------------------------------------------------------------------------------10
3.1.2 平均壽命(mean life)------------------------------------------------------------------------11
3.1.3 活性(activity)----------------------------------------------------------------------------11
3.1.4 放射性物理學的半衰期-----------------------------------------------------------------------11
3.1.5 化學的半衰期-----------------------------------------------------------------------------------11
3.2同位素衰變與溶解度差關係原理------------------------------------------------------------14
3.3核素間的核反衝效應原理-----------------------------------------------------------------------14
3.4α-能譜分析儀器原理--------------------------------------------------------------------------15
3.5數據繪製原理---------------------------------------------------------------------------------15
3.6鈾釷不平衡定年原理----------------------------------------------------------------------------15
3.6.1 鈾釷核種久期平衡定義-------------------------------------------------------------------18
3.6.2 核素選用原則-----------------------------------------------------------------------------------18
第四章、實驗方法
4.1研究設備-----------------------------------------------------------------------------------------20
4.2 研究材料----------------------------------------------------------------------------------------20
4.3研究方法-------------------------------------------------------------------------------------22
4.3.1 鈾釷平衡機制----------------------------------------------------------------------------22
4.3.2 翡翠水庫沉積物碎屑相鈾釷同位素測量分析實驗流程-------------------------------22
1α-譜儀測鈾釷微量元素樣品前處理實驗步驟---------------------------------------------22
2鈾釷管柱分析實驗步驟------------------------------------------------------------------------------23
4.3.3α-能譜儀計數值操作與標準品關聯性步驟說明-----------------------------------26
(1) α-能譜儀中偵測-------------------------------------------------------------------------------26
(2)真空腔打開後待軟體計測---------------------------------------------------------------26
(3)活度計算----------------------------------------------------------------------------------------26
(4)α-能譜儀圖譜修正注意事項------------------------------------------------------------------26
(5)同位素豐度與能量表-----------------------------------------------------------------------------27
(6)α偵測器(α-emitter)偵測處理-----------------------------------------------------------------28
(7)偵測結果換算----------------------------------------------------------------------------------28
4.3.4翡翠水庫研究站位、地圖、採樣地-------------------------------------------------30
第五章、研究結果與討論
5.1 上、中、下游採樣岩芯樣品碎屑相含量隨深度變化--------------------------------32
5.1.1 下游火燒樟岩芯樣品碎屑相含量隨深度變化--------------------------------------32
1.計算:溶出量百分比(%)=岩芯樣品-殘渣重/岩芯樣品重*100%----------------------32
2.下游火燒樟碎屑相溶出結果------------------------------------------------------------------34
5.1.2中游永安岩芯樣品碎屑相含量隨深度變化----------------------------------------------35
5.1.3翡翠水庫上游灣潭岩芯樣品碎屑相含量隨深度變化-----------------------------37
5.1.4上、中、下游6N樣品溶出百分比-深度結果對比---------------------------------39
5.2 所測定的碎屑相鈾釷同位素比值含量在岩層中的分布----------------------------40
5.2.1計測意義說明同位素比值的意義-----------------------------------------------40
5.2.2下游的碎屑相鈾釷同位素的分布---------------------------------------------------41
(1) 238U、232Th、238U/232Th--------------------------------------------------------------41
(2) 238U、234U、234U/238U----------------------------------------------------------------44
(3) 234U、 230Th、230Th/234U -------------------------------------------------------------46
(4) 228Th、228Th/232Th-------------------------------------------------------------------47
5.2.3中游的碎屑相鈾釷同位素的分布-----------------------------------------------------49
(1) 238U、232Th、238U/232Th--------------------------------------------------------------49
(2) 234U、234U/238U------------------------------------------------------------------------51
(3) 230Th、230Th/234U----------------------------------------------------------------------54
(4) 228Th、228Th/232Th---------------------------------------------------------------------56
5.2.4中、下游的碎屑相鈾釷同位素的分布----------------------------------------58
(1) 中、下游的碎屑相鈾釷同位素的分布238U、232Th、238U/232Th----------------58
(2) 中、下游的碎屑相鈾釷同位素的分布234U/238U、230Th/234U----------------61
(3) 中、下游的碎屑相鈾釷同位素的分布228Th、228Th/232Th-------------------63
5.3翡翠水庫鈾釷與岩石風化關聯---------------------------------------------------------65
第六章、結論
6.1 238U、232Th、---------------------------------------------------------------------------------67
6.2 234U、234U/238U------------------------------------------------------------------------------68
6.3 230Th、230Th/234U---------------------------------------------------------------------------69
6.4 228Th/232Th---------------------------------------------------------------------------------70
6.5結果與環境意義----------------------------------------------------------------------------------71
6.6未來研究---------------------------------------------------------------------------------------72
第七章、參考文獻-----------------------------------------------------------------------------------74
第八章、附錄----------------------------------------------------------------------------------------79


表目錄

表1採樣位置-----------------------------------------------------------------------------------------5
表2採樣區域-----------------------------------------------------------------------------------------5
表3部分天然放射性元素的半衰期--------------------------------------------------------------12
表4放射性衰變種類與衰變過程說明-------------------------------------------------------------12
表5天然放射性核種主要特性-----------------------------------------------------------------------13
表6 238U蛻變系列及各子核變化核種半衰期---------------------------------------------------16
表7232Th 蛻變系列及各子核變化核種半衰期------------------------------------------------17
表8研究設備---------------------------------------------------------------------------------------20
表9研究材料---------------------------------------------------------------------------------------20
表10鈾釷同位素豐度-------------------------------------------------------------------------------27
表11228Th、230Th、234Th衰變形式與能量--------------------------------------------28
表12下游火燒樟樣品數據計算結果------------------------------------------------------------33
表13中游永安樣品數據計算結果------------------------------------------------------------------35
表14上游灣潭樣品數據計算結果-------------------------------------------------------------37
表15岩礦活度對照表----------------------------------------------------------------------------40

圖目錄
圖1研究主題流程圖-------------------------------------------------------------------------------1
圖2 α-譜儀測鈾釷微量元素樣品前處理實驗流程------------------------------------------22
圖3 鈾釷管柱離子交換樹脂分析實驗流程------------------------------------------------25
圖4 α-射源製備--------------------------------------------------------------------------------25
圖5 傳統α計測系-------------------------------------------------------------------------------30
圖6 成功大學同位素分析研究室--實驗室α偵測系統----------------------------30
圖7翡翠水庫站位圖----------------------------------------------------------------------------------31
圖8翡翠水庫地圖------------------------------------------------------------------------------------31
圖9翡翠水庫上、中、下游採位置-------------------------------------------------------------31
圖10 將樣品經6NHCl處理的樣品意義------------------------------------------------------32
圖11下游6N樣品溶出百分比-深度----------------------------------------------------------34
圖12下游殘渣溶出/下游樣品百分比—深度---------------------------------------------------34
圖13中游6N樣品溶出百分比-深度----------------------------------------------------------36
圖14中游殘渣溶出/中游樣品百分比—深度---------------------------------------------------37
圖15上游6N樣品溶出百分比-深度----------------------------------------------------------38
圖16上游殘渣溶出/下游樣品百分比—深度----------------------------------------------------38
圖17上、中、下游6N樣品溶出百分比-深度結果對比---------------------------------------40
圖18下游的238U--------------------------------------------------------------------------------------41
圖19下游的232Th-----------------------------------------------------------------------------------42
圖20下游的238U/232Th----------------------------------------------------------------------------43
圖21下游的238U------------------------------------------------------------------------------------44
圖22下游的234U------------------------------------------------------------------------------------44
圖23下游的234U/238U-----------------------------------------------------------------------------45
圖24下游的234U--------------------------------------------------------------------------------------46
圖25下游的230Th-------------------------------------------------------------------------------------46
圖26下游的230Th/234U------------------------------------------------------------------------------47
圖27下游的232Th-------------------------------------------------------------------------------47
圖28下游的228Th-----------------------------------------------------------------------------48
圖29下游的228Th/232Th-----------------------------------------------------------------------48
圖30中游的238U------------------------------------------------------------------------------49
圖31中游的232Th------------------------------------------------------------------------------50
圖32中游的238U/232Th------------------------------------------------------------------------51
圖33中游的238U-------------------------------------------------------------------------------51
圖34中游的234U------------------------------------------------------------------------------51
圖35中游的234U/238U-------------------------------------------------------------------------53
圖36中游的234U--------------------------------------------------------------------------------54
圖37中游的230Th-------------------------------------------------------------------------------54
圖38中游的230Th/234U ------------------------------------------------------------------------55
圖39中游的232Th-------------------------------------------------------------------------------56
圖40中游的 228Th-------------------------------------------------------------------------------56
圖41中游的 228Th/232Th-----------------------------------------------------------------------57
圖42 中、下游的238U------------------------------------------------------------------------------58
圖43 中、下游的232Th----------------------------------------------------------------------------59
圖44中、下游的238U /232Th--------------------------------------------------------------------60
圖45中、下游的234U/238U----------------------------------------------------------------------61
圖46中、下游的230Th/234U---------------------------------------------------------------------62
圖47中、下游的228Th-------------------------------------------------------------------------------63
圖48中、下游的228Th/232Th---------------------------------------------------------------------64
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