历史地质学/U-Pb、Pb-Pb 和裂变径迹测年
在本文中，我们将讨论 U-Pb 和 Pb-Pb 方法的基础，以及裂变径迹测年。如果您已经掌握了 钾氩测年文章、氩氩测年文章 和 铷锶测年文章 的内容，您将更容易理解本文。
在 U-Pb 测年中有许多同位素值得关注。
238U（铀-238）通过复杂的衰变链衰变成206Pb（铅-206）。它的半衰期为 45 亿年。235U（铀-235）通过同样复杂的衰变链衰变成207Pb（铅-207），它的半衰期为 7 亿年。
了解204Pb（铅-204）的存在也很有用，它既不是不稳定的，也不是放射成因的。
我们总是可以尝试使用等时线方法进行 U-Pb 测年，但这通常行不通：涉及的矿物的组成，当绘制在等时线图上时，无法形成一条直线。
造成这种情况的原因似乎有两个。首先，等时线图的直线特性在涉及的同位素在矿物之间发生重新分配时会被破坏。现在，铅和铀在即使是轻微的变质作用下也特别容易发生这种重新分配。另一个问题是，铀特别容易受到风化作用的影响。现在，由于所有的岩石都有一定的孔隙率，并且我们几乎必须对地表附近的岩石进行测年，因此很难找到铀没有流失的情况。
锆石是矿物ZrSiO4；从它的化学式可以看出，它是一种硅酸盐矿物。尽管它在岩浆岩中并不丰富，但它足够常见，可以用于放射性测年的目的。
它有两个特性，使其在这一方面非常有用。
首先，铀很容易替代矿物中的锆（Zr），而铅则会被强烈排斥。因此，我们预计锆石在形成时会含有铀，但几乎不含铅。
其次，锆石非常坚固，化学性质稳定，能够抵抗化学风化，甚至能够抵抗高达约 900 °C 的高级变质作用。
因此，锆石对使等时线 U-Pb 测年如此困难的问题相对免疫。但当然，对于等时线测年来说，我们需要不止一种矿物；只有锆石是不够的。
然而，这些关于锆石的事实，加上我们对铀的了解，暗示了另一种测年方法。
如果锆石最初不含铅，并且自锆石形成以来，没有铅或铀被添加或移除，则以下公式将成立
- t238 = h238 × log2(1 + R238)
其中 t238 是锆石的年龄，h238 是238U 的半衰期，R238 是206Pb 与238U 的比率。
不仅如此，由于我们有两个铀同位素可以使用，我们还将有
- t235 = h235 × log2(1 + R235)
其中 t235 是锆石的年龄，h235 是235U 的半衰期，R235 是207Pb 与235U 的比率。
现在，因为锆石只有一个年龄，因此如果自锆石形成以来没有铅或铀被添加或移除，我们将有 t238 = t235，在这种情况下，这两个 t 值被称为一致；而如果铅和/或铀被添加或移除，则需要某种统计上的巧合才能使这两个 t 值最终相同。因此，对206Pb/238U 比率和207Pb/235U 比率的分析作为对我们得出的日期正确性的检查，就像阶梯加热在氩氩法中所做的那样，并且在铷锶及相关方法中，将几种矿物绘制在等时线图上所做的那样：它使我们能够找出同位素比率是否受到时间流逝以外的其他因素的影响，并且如果事实证明情况如此，则拒绝根据同位素比率计算出的任何“日期”。
有可能进一步改进这个日期。如果我们怀疑锆石尽管具有化学性质，但仍然设法在其形成时或之后掺入了少量铅，那么由于所有铅同位素在化学上都是相同的，我们可以测量锆石中含有的204Pb 的量。由于我们知道各种铅同位素通常存在的比例，那么我们可以应用与我们在钾氩法中用于解释大气氩的校正相同的校正。
虽然锆石一直是 U-Pb 测年中最受欢迎的矿物，但其他矿物也已被使用，包括磷灰石、独居石、钛铁矿、褐帘石，以及最有趣的是独居石。
使用放射性测年确定沉积岩的年龄存在困难。问题在于沉积物是由一些母岩的碎屑组成的，当我们对这些碎屑进行测年时，实际上是在对母岩而不是沉积物本身进行测年。例如，如果我们将 U-Pb 测年应用于在砂岩中发现的一粒锆石，我们测定的不是砂岩的形成时间，而是锆石来源的花岗岩的形成时间；我们只能说砂岩一定比花岗岩年轻。
然而，可以使用矿物独居石 (YPO4) 对一些沉积岩进行测年。铀可以并且通常会替代元素钇，而铅则不能，这使得独居石适合放射性测年。
关于磷钇矿的关键事实是，由于它与锆石具有相同的晶体结构，它可以在锆石晶体上生长，形成地壳；当然，这个过程不可能在锆石晶体仍然被锁在它的母岩中时开始。只有在风化和侵蚀将锆石从母岩中释放出来，并成为沉积物后，锆石才会开始获得其磷钇矿地壳。
因此，通过对磷钇矿地壳进行测年，我们可以找出锆石在其上生长时成为沉积物的时间；对锆石本身进行测年则可以告诉你母岩的年龄。
洞穴堆积，更通俗地说，洞穴形成物，是在水中的矿物质沉淀出来时形成的，当时水滴落、渗入或流入洞穴。读者可能熟悉石笋和钟乳石；右侧的照片中显示了更多洞穴堆积。
现在，铀的化合物通常在水中高度可溶（事实上，这是U-Pb等时线测年的主要问题之一），而铅的化合物则顽固地不溶。因此，我们预计洞穴堆积在首次形成时会包含一些铀，但几乎不含铅——就像锆石一样。所以我们可以将与锆石相同的技术应用于洞穴堆积。
我们可以用另一种方式利用我们238U-206Pb和235U-207Pb的双重系统。假设我们分离岩石中的矿物，并在图上绘制其206Pb/204Pb比值在一个轴上，其207Pb/204Pb比值在另一个轴上（类似于，尽管不完全相同，我们构建等时线图时所做的事情）。从数学上可以证明，如果岩石没有受到干扰，使得同位素比值仅反映时间的流逝，那么就像我们已经讨论过的等时线图一样（尽管原因不同），如此绘制的矿物将在图上位于一条直线上；岩石的年龄可以从该线的斜率计算得出。
与普通等时线方法（如Rb-Sr）不同，Pb-Pb方法不允许我们从样品获得的数据中推断出各种铅同位素的原始比例。相反，我们需要用其他方法找出这一点。
我们可以通过寻找含有铅但从未含有铀，或只含有微量铀的矿物来做到这一点。来自富含铁的陨石的陨铁石（FeS）符合要求：它目前的铀铅比非常小，要么是太阳系，甚至整个宇宙比宇宙学家认为的要古老得多，要么是考虑到238U的漫长半衰期（45亿年），陨石一开始几乎不含铀，因此其衰变几乎不会影响这些陨石的铅同位素比值。
你可能怀疑陨石的初始铅同位素比值是否与地球相同。行星科学家坚持认为它们应该相同，原因超出了本教科书的范围。另一个相信这一点的原因是，如果我们基于此计算Pb-Pb年代，我们得到的年代与其他方法产生的年代一致，只要可以应用这些方法：如果我们使用了错误的初始铅同位素比值，这将是不可能的。因此，以陨铁石获得的数字作为计算的“锚”，我们就可以继续将Pb-Pb方法应用于确实含有大量铀的岩石。
现在，回想一下，我在这篇文章的开头解释了等时线法对U-Pb毫无用处，你可能会想知道为什么这个Pb-Pb等时线会更好。但是，回想一下，U-Pb等时线的主要问题之一是铀化合物高度可溶，并且很容易被风化从岩石中去除。但是当这种情况发生时，铅仍然存在，可以用于Pb-Pb测年。更重要的是，即使一些铅也被去除，由于所有铅同位素都是相同的元素，具有相同的仅仅是化学性质，因此没有一种同位素比其他同位素更容易丢失的趋势，因此同位素比值将保持不变。
当然，铀被风化去除会减缓甚至（如果所有铀都被去除）完全停止放射性时钟，因此我们无法准确测量风化开始后的时间，因此Pb-Pb测年会告诉我们岩石比实际年龄要年轻一些。但只是年轻了一点点，因为一块典型的火成岩暴露在化学风化中的时间相对较短，相比之下，它没有暴露在化学风化中的时间要长得多。
与我们已经遇到的等时线方法一样，Pb-Pb等时线法具有其自身的内置正确性检查：如果岩石受到严重干扰，使得同位素比值取决于时间流逝以外的因素，那么当我们在图上绘制矿物时，它们几乎肯定不会位于一条直线上，我们也不会获得年代。
最后，我应该提到裂变径迹测年。铀衰变的衰变链涉及α粒子的释放，当这些粒子穿过岩石时，它们会在它们穿过的矿物中产生微小的伤痕（裂变径迹），这些伤痕可以通过切割和抛光矿物，并在显微镜下观察它们来显露出来。许多矿物适合这个过程，包括磷灰石、锆石和钛铁矿。
矿物中的裂变径迹数量将取决于铀的含量以及它造成损伤的时间。因此，反过来，如果我们计算裂变径迹并测量铀的含量，那么我们就可以算出产生裂变径迹需要多长时间。
这种方法的一个缺点是，如果岩石被加热到大约200°C，裂变径迹会愈合，因此即使是最轻微的变质也会重置裂变径迹时钟。