同位素地质年代学

同位素年代学

同位素地球化学的一个研究领域。它依据放射性同位素衰变定律进行精确的地质计时，为地球形成以来各个主要演化阶段确定了科学时标。所测年龄通常以 100万年（Ma）来表示。同位素地质年代学是地质学、核物理学和放射化学相互结合逐渐发展而成的。它的发展与电子计算机技术、超微超纯分析技术特别是质谱分析技术的高速发展密切相关，这些技术的发展大大提高了同位素测量的灵敏度和分辨率。

定义

同位素地质年代学（isotope chronology）又称同位素年代学，是同位素地质学分支之一。利用自然界放射性衰变规律研究测定各种地质体的形成时代的同位素记时方法。它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成时间和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。所涉及的同位素主要有U Th Pb体系、Sm Nb体系、Rb Sr体系、K Ar体系、Ar Ar体系、Re Os体系、Lu Hf体系、14C等。着重研究含高放射成因同位素的封闭体系。

详细介绍

放射性是指原子核自发地放射各种射线（粒子）的现象。在磁场中研究放射性的性质时，发现射线是由α、β、γ3种射线组成。α射线是高速运动的α粒子流,α粒子由两个质子和两个中子组成,实际上就是嬆He。β射线是高速运动的电子流。γ射线是波长很短的电磁波。

能自发地放射各种射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素放射出α 或β射线而发生核转变的过程称放射性衰变，衰变前的放射性同位素为母体，衰变过程中产生的新同位素叫子体。若放射性母体经过一次衰变就转变为另一种稳定的子体，称为单衰变。如87Rb→87Sr+β-。若放射性母体经过若干次衰变，每一种衰变所形成的中间子体是不稳定的，又继续衰变，一直到产生稳定的最终子体为止，则叫连续衰变或衰变系列。如 238U经过 14次连续衰变，即238U→8α+6β-+206Pb，最终形成稳定的206Pb子体。有的放射性母体能同时产生两种子体，这样的衰变称分支衰变。如 40K一方面通过β-衰变形成稳定的40Ca，同时又以K层电子捕获方式形成稳定的 40Ar。在放射性衰变过程中放射性母体同位素的原子数衰减到原子数目的一半所需的时间称为半衰期，记作 T1/2。它不随外界条件、元素所处状态或元素质量的变化而改变。半衰期的长短差别很大，短的只有10-7秒,长的可达1018年。半衰期越短的同位素放射性越强。放射性同位素在单位时间内每个原子核的衰变几率称衰变常数(λ)。半衰期和衰变常数是利用放射性衰变定律计算地质年代时的两个重要特征常数。一些同位素的半衰期和衰变常数如表。

计算公式

同位素地质年代的测定基于放射性衰变定律，即任何放射性同位素随时间按负指数规律而衰减，其表达公式为

N0表示时间t=0时放射性同位素的初始原子数，N表示经过t时间以后剩下的未衰变母体原子数,λ为衰变常数。经任何时间由母体衰变的子体原子数为

D=N0-N

将此式代入上式进行推导和计算，得出

该式就是同位素地质年代测定的基本公式。

应用放射性同位素的衰变作用测定地质年代需具备以下前提：①放射性同位素的衰变常数和半衰期被准确测定；②样品及其测得的N和D值能代表想要得到年龄的那个体系；③在地球物质中同一元素的几种同位素丰度比值应是恒定的，如

④对样品中混入的非放射成因稳定子体的初始含量能准确地扣除或校正；⑤作为样品的岩石或矿物自形成以后保持封闭体系。

研究原则

任何天然放射性同位素都能用来测定地质年龄。依据半衰期有两类计时方法：①长半衰期同位素计时法，如铀－钍－铅法、钾－氩法、铷－锶法、钐－钕法镧－铈法、镥-铪法、铼-锇法等。这些方法对宇宙年代学同样具有重要意义;②短半衰期同位素计时法,如铀系法、沉降核类法、碳－14法等。这类方法均属直接测定法，即依据放射性衰变定律而测定。还有一类是间接测定法，即依据放射性射线和裂变碎片对周围物质作用的程度来测定年龄，如裂变径迹法、热释光法、辐射损伤法等。

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