同位素年代学

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  同位素年代学汉语拼音:Tongweisu Niandaixue;英语:Isotopic Chronology),依据放射性衰变定律,通过测定自然界样品中放射性核素及其衰变产物稳定子体含量,或者利用放射性射线和裂变碎片对周围物质作用产生的次生现象及其影响程度,计算岩石矿物或其他物质形成事件的年龄,研究地球太阳系星球演化时间序列的学科。其任务是建立一套适合不同时段的可靠的同位素计时方法,测定天然物质的年龄并作出合理的解释,为地球和太阳系演化历经的事件确立时间坐标。同位素年代学包含地质年代学宇宙年代学第四纪年代学。地质年代学(geochronology)主要研究地质体的定年和地球演化的时间序列。宇宙年代学(cosmochronology)研究地外物质的定年和天体演化的事件时序。第四纪年代学(quaternary chronology)研究人类时代开始以来的地球物质定年和人类历史断代。

简史

  18世纪中叶之前,关于地球的起源及其年龄,是神学一类问题。1650年,大主教厄谢尔断然宣布:世界是公元前4004年创造出来的。随着地质学作为一门学科的出现,地层学家和古生物学家根据岩石地层形成的先后关系和利用化石进行地层划分与对比,建立了相对的地层年代表。19世纪中叶,地质学家已确信演化的地球是十分古老的,至少已有10亿年历史,这种看法得到了生物学家的赞同;但是他们无法获取准确的年代学数字。

  19~20世纪之交,放射性的发现和放射性衰变理论的提出,使地质学家找到了一种能可靠测定地球和地外物质年龄的方法,称为放射性定年或同位素定年。1905年和1907年,美国化学家B.B.博尔特伍德英国物理学家E.卢瑟福分别对铀矿物进行定年工作,获得最早的一批年龄数据。1913年,地质学家A.霍姆斯在《地球的年龄》一书中,提出了第一张地质年代表,他依据放射性定年数据,指出前寒武纪[片麻岩]]至少具有13亿年的历史。1919年,英国物理学家F.W.阿斯顿设计制造质谱仪,被用于放射性定年。1923年美国设置“原子蜕变地质年代测试委员会”,放射性定年方法获得科学界正式承认。1940年,现代尼尔型质谱计问世,成为放射性定年的基本工具。

  20世纪40年代,作为同位素年代学的三个支柱的铀–铅、铷–锶和钾–氩定年方法陆续建立;50~60年代,这些方法在理论解释和实验技术方面不断完善和提高。40年代末和50年代初,美国化学家W.F.利比发明放射性碳定年法,现已成为考古研究中广泛应用的技术手段。1964年,国际地质年代学委员会成立。随着测试技术水平的日益提高,新的定年方法不断地建立,如60年代的铼–锇法、铀系不平衡法、裂变径迹法和氩法,70年代的沉降核类法、镥–铪法和钐–钕法,80年代初的电子自旋共振法和镧–铈法等。

  中国的同位素年代学实验室建设和研究工作开始于20世纪50年代末期,1960年建立钾–氩法定年,次年发表最早的一批年龄数据;1962年和1968年分别建立铀–铅和铷–锶定年方法。1972年,首次发表中国考古学研究的放射性碳定年数据。

定年方法

  基本上可分为两类:

  第一类定年方法 基于天然放射性核素的衰变,直接利用衰变定律有关方程来定年的方法。原则上,任何自然界存在的放射性核素都能用于年龄测定。

  任何放射性母体随时间按指数规律衰减,放射成因稳定子体随时间呈指数增长。因而,只要准确测定岩石或矿物中母体和子体同位素的含量,就可以计算出岩石或矿物形成事件的年龄。具体的定年方法按照放射性核素半衰期和它们的来源或起因不同,可分成4种情况。

  1. 现存放射性核素定年
  2. 天然放射系中间子核素定年
  3. 已灭绝放射性核素定年
  4. 宇宙成因和人为起因放射性核素定年

  第二类定年方法 与核辐射效应有关,利用放射性射线或自然辐射以及裂变碎片对周围物质作用的程度进行定年的方法。包括裂变径迹法、热释光法和电子自旋共振法等。裂变径迹法定年是依据铀–238的自发裂变碎片对周围物质作用产生的辐射损伤程度(裂变径迹数目)随时间变化这一现象来定年,适用时域广,可以测定各类岩石或矿物的地质年龄、沉积盆地热年代和断层活动年龄等。热释光法和电子自旋共振法都是基于样品吸收的自然辐射剂量是时间的函数这一原理来定年的,区别之处在于它们计算矿物所接受的累积辐射剂量时依据的物理现象不同,前者利用热释光强度,后者则根据未成对电子的数目(电子自旋共振强度);这两种方法可应用于第四纪沉积物、断层活动、考古和古人类活动的遗址的定年。