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同位素年代学的进展

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发表于 2010-9-6 15:31:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
地球科学是一门“四维科学”,必须从时间和空间的角度研究物质的分布规律和形成演化,探求发展规律及成因,从而对未来(包括未知)作出预测,因此,年代学是地球科学的重要组成部分,年代判断错误,可能出现“关公战秦琼”的谬误。

同位素年代学从诞生至今已经一个多世纪,但至今发展速度很快,新方法、新理论不断提出,新技术得到了不断地应用,尤其是高精尖仪器的引入,发展异常迅速,几乎每天都有新发现。以下仅简要介绍常规方法及部分进展,以起到以管窥豹之效。

1. Rb-Sr
Rb有两个同位素,其比值85Rb/87Rb=2.59387Rb具放射性,通过β衰变成稳定的87Sr,半衰期为48.8±1.8Ga[1]。通过测量岩石或矿物中87Rb87Sr,可求出年龄。实际工作中,常用非放射性86Sr作分母,分别除以87Rb87Sr,测量它们的比值,用公式(2-6),通过等时线法,求出年龄,还同时求出初始比值(87Sr/86Sr)0。由于87Sr半衰期很长,Rb-Sr法一般用于较老样品测年,如陨石年龄等。

曾有人用初始(87Sr/86Sr)0判断岩浆来源认为地幔中87Sr/86Sr)低于地壳。但放射性成因87Sr在矿物晶格中不稳定,易发生同位素分馏,判断的可靠性受到质疑。然而,正因为放射性成因87Sr在矿物晶格中不稳定,后期热事件中,易从云母、钾长石等矿物晶格中迁出,但又会被斜长石、磷灰石等矿物吸收,所以可以运用Rb-Sr法测量变质作用的时间。

沉积岩中碎屑有不用来源,因而会有不同年龄。沉积岩年龄的确定一直是难点,通常用切割律确定地层绝对年龄范围。但如果设法找到成岩过程中的新生矿物(如海绿石),或者在成岩过程中被Sr充分交代的矿物(如伊利石等),则沉积岩成岩年龄有可能测定。

2. Sm-Nd
Sm元素中3个放射性同位素为,147Sm148Sm149Sm,后两者半衰期非常长(1016a),子体含量极微,而147Sm半衰期为106Ga,几百万年范围内子体变化可被测量,所以Sm-Nd法在老年龄测定中得到了较广泛的运用,例如陨石、前寒武纪岩石等。实际工作中,常用非放射性144Nd作分母,测定143Nd/144Nd147Sm/144Nd,运用公式(2-6),通过等时线法,计算年龄。

部分熔融过程中会发生同位素分馏,使熔体Nd增加。因此,壳幔分异过程中,地壳的Nd富集程度高于Sm.,地壳的Sm/Nd值降低,而地幔中的Sm/Nd值增高,143Nd/144Nd增长速度高于地壳,因此,除测年外,Sm-Nd法还可用于壳幔演化研究,概略地推断岩浆来源和源岩性质,探索岩浆的起源和演化。

一般认为,球粒陨石最接近原始太阳星云的组成,如果把地壳岩石的SmNd同位素测量结果与球粒陨石进行对比,可以计算出岩石所在地壳与原始地幔分离的年龄(模式年龄),从而研究地壳的形成及演化。

3. U-Pb
U-Pb法是最古老的同位素测年方法,但发展速度依然很快。Pb3种同位素206Pb207Pb208P分别是238 U235 U232 Th 等放射性元素的稳定子体204 Pb为非放射性成因同样可以利用204 Pb与上述子、母体的比值206Pb/204Pb238U/204Pb207Pb/204Pb235U/204Pb208Pb/204Pb232Th/204Pb),运用公式2-6),通过等时线法计算矿物或岩石的年龄。

一些矿物(例如晶质铀矿、独居石和锆石等)形成时,Pb难以进入晶格,从而不含初始Pb,所以可以用公式(2-5)简化计算。如果受后期热事件影响(如蚀变),放射性Pb会排出晶体,造成Pb丢失,使用206Pb-238U207Pb-235U计算的年龄不吻合(非一致性);但如果与没有受热事件影响的结果(一致性)对比,可获得蚀变年龄。近年来还发展了离子探针测年法(SHRIMP法)(Sensitive high-resolution ion microprobe),用于单颗粒矿物微区高分辨率定年,对变质岩中经历了复杂演化历史的锆石测年,探索地质演化历史。

4. U系列法
U放射性系列中,母体238U235U半衰期(4.47Ga0.704Ga)显著大于230Th75.2ka[2])等子体,在子体半衰期几倍时间内,母体含量可以看成常量。封闭体系中子、母体之间通过百万年左右即可建立平衡,使两者的比例为1。一旦体系重新开放,因化学性质差异(例如UTh溶解度的差异),使子、母体之间分离,两者平衡破坏。如果再次沉淀(例如形成钟乳石),体系再次封闭,子、母体之间随时间迁移,逐渐建立新的平衡。U系列法就是通过测定子、母体之间的平衡程度,估算年龄。U系列法广泛用于第四纪研究,可测量珊瑚、钟乳石、生物壳体、骨头等年龄。上世纪80年代中叶出现了TIMS热离子质谱Thermal Ionization Mass Spectrometry测年与传统方法相比精度提高了1- 2个数量级所需样品量和测量时间也大为减少。90年代末,又尝试了比TIMS方法更省时、省样和更高精度的MC-ICPMmulti-collector-inductively coupled plasma mass spectrometry)法,分析区域可小到10-100μm,为高分辨率年代学研究提供了有力的手段。

5. 裂变径迹法
238U除衰变外,有的还会自发裂变,产生高能带电核素,核素相互排斥,高速相背运动,造成晶格损伤,留下径迹,称为裂变径迹(FTFission Track)。径迹数量是238U含量和时间的函数。通过化学蚀刻,扩大晶格损伤,在光学显微镜下统计径迹数;通过核反应堆诱发裂变,产生径迹,推算238U含量。从而计算年龄。

径迹长度随温度增高会逐渐缩短,以致消失,称为退火。不同矿物的退火温度不同,例如磷灰石110左右,锆石220左右,榍石250左右。当地温低于矿物退火温度时,FT“时钟”才启动。因此FT年龄是矿物退火以后的时间。

不同矿物FT年龄对比、相同矿物的FT年龄的垂向分布、以及径迹长度分布等,可以提供构造抬升剥蚀和盆地热历史演化的丰富信息,应用非常广泛。

6. K-Ar法和Ar-Ar
1K-Ar法。40K为放射性元素通过K层捕获衰变为40Ar (10.48%),通过放出负电子衰变为40Ca(占89.52%)。40Ca含量虽高,但对Ca总量的影响很小,所以一般用40Ar测年。40K半衰期很长,为1.25Ga,在地球各类岩石中,40K39K(稳定同位素)的比例基本恒定,通过测量K总含量,即可换算出40K含量。40Ar含量用质谱仪测定。假定t=0时,矿物中不含40Ar,运用公式(2-5)计算年龄。

2Ar-Ar法。与K-Ar法不同之处在于,Ar-Ar法测量中,先用快中子照射使40K变为39Ar,同时测量39Ar40Ar,然后再用39Ar的含量反推40K的含量。在质谱仪上同时测量39Ar40Ar,克服了样品不均匀的影响,测量精度提高。另外,测量过程中逐渐加温,使样品不同区域40Ar逐步释放,可以得到不同热历史年龄(称坪年龄),从而探讨复杂的地质过程。

7. 宇宙核素法
高能宇宙射线与大气中N碰撞,产生放射性14C,与岩石中的SiO碰撞,产生10Be26Al等核素,前者称为大气生成宇宙核素(ACN, atmospheric cosmogenic nuclides
),后者称为原地成因宇宙核素(TCN, Terrestrial in situ Cosmogenic Nuclides)。

114CACN)测年。14C形成后,加入大气圈、水圈和生物圈循环,生物体生存时,体内 14C浓度与外界相等,生物体死亡后,转变为封闭体系,14C衰变减少,半衰期为5700a。假定母体含量恒定,测定生物体残迹(如木、炭、珊瑚、贝壳、泥炭、淤泥、骨头等)中母体残留含,运用公式(2-2),即可算出年龄。常规方法采用α计数推算14C,近年来的AMS法(加速器质谱仪)使14C测年精度提高,用量减少,测试时间缩短,并可与树轮年龄相互对比校正,使14C年龄转换为日历年龄。

2TCN测年。TCN生成量比ACN低几个数量级,但随着AMS技术的进步,TCN测年已经发展成常规方法之一。10Be26Al两种核素半衰期分别为1.5Ma[3]0.7Ma,它们产于同种矿物(如石英),但半衰期相差1倍,构成测年的“黄金搭档”,单独和联合使用均可。TCN方法较复杂,核素衰变减少和原地生成同时进行,包含信息丰富,既可以沉积物定年,也可以剥蚀面定年,还可以估算剥蚀速率,由于对高度敏感,潜在估算高原隆起历史的可能性,样品来源丰富,测年范围广泛,应用前景不可限量。

放射性同位素测年法还有Re-OsHu-Hf等,与放射性有关的测年法有热释光(TL)、光释光(OSL)和电子自旋共振(ESR)等,这些领域均发展迅速,限于篇幅,在此从略。


[1] Ga, Brillion years, 10亿年,下同。

[2] Ka, thousand years, 千年,下同。

[3] Ma, million years, 百万年,下同。


发表于 2010-9-19 16:37:38 | 显示全部楼层
学习中。。。。
发表于 2010-10-15 16:18:23 | 显示全部楼层
学习学习!!!1
发表于 2011-12-7 21:36:12 | 显示全部楼层
学习学习~~
发表于 2016-5-27 01:24:36 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享
发表于 2016-5-31 23:02:03 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享!!!!!!!!!
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