放射性同位素地质年代学导论/第二部分 - 放射性同位素测年原理

放射性衰变

放射性衰变模拟，从四个样本开始，每个盒子有 4 个原子（左）或 400 个原子（右）。顶部的数字是经过了多少个半衰期。

目前形式的放射性同位素地质年代学得益于放射性衰变。放射性衰变，也称为核衰变或放射性，是指放射性（不稳定）原子核发射粒子从而降低其能级，最终达到稳定状态的过程。这种衰变过程是随机发生的，无法预测哪个特定的原子会发生这种变化。尽管这个过程的本质是随机的，但放射性衰变以恒定的速率进行。因此，利用测得的衰变常数和放射性核素的衰变速率，地质年代学家可以利用这种关系来计算自假定体积的物质开始积累放射性物质以来所经过的时间。

衰变常数和半衰期

放射性元素衰变的速率受指数衰变常数控制。一定量的放射性母体元素衰变为子体产物的一半所需的时间被称为半衰期。然而，重要的是，元素的半衰期是用概率来定义的，它并不是指一定数量的元素精确衰变 50% 所需的时间（例如，在 3 个放射性原子经历一个半衰期后，不会剩 1.5 个原子）。当观察到大量的原子时，半衰期的可预测性会更高，从而可以量化半衰期。

年龄方程

D = D₀ + N(e^λt − 1)

其中

t 是样本的年龄，

D 是样本中子体同位素的原子数，

D₀ 是原始成分中子体同位素的原子数，

N 是样本中母体同位素的原子数，以及

λ 是母体同位素的衰变常数，等于母体同位素放射性半衰期的倒数乘以 2 的自然对数。

母体/子体比率

为了使用年龄方程计算日期，需要确定母体同位素 (P) 与其相应子体同位素 (D) 的比率。这需要定量确定 P 和 D 同位素的相对比例，并且通常需要对非放射性 D 的包含进行校正。

什么造就了一个好的地质年代计？

放射性衰变方案适用于测定矿物和岩石的年代，并在表 1 中列出。所有这些系统都基于母体核素的放射性衰变为稳定的子体核素。为了从这些衰变系统中获取准确的信息以确定矿物或岩石的年龄，需要：（1）母体核素的衰变常数被准确地确定；（2）封闭体系行为，简单地说，这意味着母体/子体比率仅由放射性衰变改变；以及（3）如果存在初始子体核素，则必须对其进行精确的测定。在本节中，我们将概述各种放射性同位素地质年代计的基本原理，区分应用于含铀副矿物的 U-Pb 系统和应用于化学沉淀物和有机残留物的等时线地质年代计（Re-Os，Lu-Hf，Pb-Pb 等）。

母体和子体的分馏

为了能够定量地确定母体核素 (P) 与稳定子体核素 (D) 的比率，我们需要分析在形成时 P 相对于 D 的比例很高的物质，这样 D 的生长就会超过任何初始 D 同位素的数量。

封闭体系行为

好的地质年代计的另一个重要方面是对矿物和/或岩石体系的深入了解。这些理解大多来自晶体学、矿物化学和扩散领域中的实验工作。一个好的地质年代计必须要么几乎没有初始包含的子体同位素，要么必须具有一个固定的比率，从中可以确定放射性和非放射性比例。例如，普通铅（或自然存在的非放射性铅）包含放射性同位素（206，207，208）以及非放射性同位素（204）。如果这些同位素的比率是恒定的或可测量的，那么我们就可以将放射性同位素与非放射性同位素分离，提取有意义的年龄信息。

示例：矿物

锆石

锆石 (ZrSiO₄) 是硅质火山岩中常见的副矿物，范围从熔岩到火山灰到火山碎屑沉积岩，并且是大多数碎屑沉积岩中几乎无处不在的组成部分。锆石在各种地质条件下具有耐火性和耐用性，这意味着它很可能即使在随后的变质事件中也能保留其主要结晶年龄。硅质火山灰凝灰岩 是化石层序中最常见的火山岩，它们存在于厚度从毫米到数米的层中，并且通常保存在海洋环境中。在这些岩石中的大多数中，主要的火山灰在沉积后不久就发生了改变，可能很快转变为粘土矿物，这个过程不会影响锆石。

锆石 U-Pb

锆石是 U-Pb 测年的理想选择，因为 U 的电荷和离子半径与 Zr 相似，它很容易替代锆石晶体结构（以适度的量，通常为百万分之十到数百（ppm）范围），而 Pb 的电荷不同且离子半径更大，导致其有效地被排除在晶格之外。因此，在结晶时（t0），晶体中实际上不存在 Pb（尽管矿物和流体包裹体可能含有 Pb），而今天的 Pb 是自 t0 以来原位 U 衰变的直接产物（有关详细信息，请参阅第 3.1 节）。使锆石成为可靠计时器的另一个因素是其对 Pb 扩散的高封闭温度（>900°C）（Cherniak 和 Watson，2003），或 U 和 Pb 不经历显着热激活体积扩散的温度。这意味着锆石倾向于即使在变质为角闪岩相条件的火山岩中也能保留其主要年龄。

钛铁矿（旋光石）

钛铁矿 (CaTiSiO5) 是中性和长英质火成岩中常见的副矿物。它也出现在变质岩中。偶尔可以在未变质的沉积岩中找到碎屑钛铁矿。钛铁矿最常用于使用 U-Pb 同位素来确定变质事件的冷却时间。

钛铁矿 U-Pb

虽然它可以在晶格中容纳数百 ppm 的 U，但它也包含不同量的 Pb。这通常会导致对同一无带钛铁矿颗粒进行多次分析，从而定义一条不协调线（在 Tera-Wasserburg 协调图上），该线在一端以普通 Pb 的 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 比率为锚点，另一端以封闭年龄为锚点。此外，一些研究人员已经记录了保留多代矿物生长的变质钛铁矿，从而突出了对详细的化学成像和每颗粒进行多次分析以充分表征矿物生长历史的重要性。

独居石

独居石 ([Ce,La,Nd,Sm,Gd,Th]PO4) 是一种磷酸盐矿物，在变质岩和火成岩中很常见。相对较高的 Th 和 U 含量使独居石能够使用 Th-Pb 和 U-Pb 衰变方案进行测年。与钛铁矿类似，独居石也包含不同量的 Pb。独居石通常是分带的，这通常通过微量元素变化（例如 Yb、U、Ca）来体现。这些分带可以保留在地球历史数十亿年中发生的生长事件。

正长石

正长石（钾长石的高温形式（K,Na)(Si,Al)₄O₈））

角闪石

角闪石