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1、地球物理學(xué)原理,主講教師：王衛(wèi)東、馬見青 長安大學(xué)地測(cè)學(xué)院,放射性未發(fā)現(xiàn)前的年齡估計(jì) 放射性元素和放射性測(cè)年原理 地球的年齡 地質(zhì)年代劃分與地質(zhì)年表,第三章 地球的年齡,第三章 地球的年齡,佛教的輪回觀：地球的年齡是無限大的，因?yàn)橐呀?jīng)過無限次的輪回。 天主教根據(jù)圣經(jīng)認(rèn)為地球是很年輕的，約被創(chuàng)造于4004 BC。,宗教與神話的臆測(cè),第三章 地球的年齡,大多數(shù)科學(xué)嘗試的基本原則,需是經(jīng)由自然過程所造成的改變； 此改變需以等速度進(jìn)行； 需于地質(zhì)上留下可循之記錄。,,第一節(jié) 放射性未發(fā)現(xiàn)前的年齡估計(jì),1.潮汐摩擦法 假設(shè)月球與地球曾經(jīng)靠得很近,可以把月球看成是地球的一部分；后來,由于月球?qū)Φ厍蚝Ｋ奈?/p>

2、引力和對(duì)地球固體的吸引力不同,引起海水和地球固體的相對(duì)運(yùn)動(dòng),形成潮汐摩擦,導(dǎo)至地球自轉(zhuǎn)速度的變慢。若將月地系統(tǒng)近似看作一孤立系統(tǒng),則系統(tǒng)的角動(dòng)量應(yīng)守衡。當(dāng)?shù)厍蜣D(zhuǎn)速減小, 角動(dòng)量減小時(shí),要求月球的角動(dòng)量增加, 只有增大與地球的距離。因此,隨地球自轉(zhuǎn)漸變慢,月球與地球的距離在逐漸增大。,據(jù)杰弗瑞斯計(jì)算,月球由原來離地球最近的位置,跑到現(xiàn)在這個(gè)位置,大約需要4109年。顯然,這個(gè)年齡應(yīng)是月球的年齡。地球年齡應(yīng)當(dāng)比月球年齡大,地球年齡至少在4109年以上。 這種估計(jì)地球年齡的方法稱為潮汐摩擦法。用這種方法所得地球年齡雖然與下面將介紹的放射性同位素方法所得的地球年齡接近,但它依賴一定的地月形成的假說。

3、月地距離變大：目前，月亮以3.7cm/yr的速度遠(yuǎn)離地球。,2.宇宙膨脹法 天文觀測(cè)表明,星云光譜向紅色方向移動(dòng),稱為“紅移”。對(duì)于紅移的解釋之一是,星云正以極大速度彼此分離(或稱“宇宙膨脹”),從而發(fā)生使光波變長的多普勒效應(yīng)。星云總是遠(yuǎn)離地球,星云的后退速度與它和地球的距離成正比。現(xiàn)在已知距離地球31021km的某星云,其后退速度約為2104km/s,根據(jù)太陽系起源的星云假說,認(rèn)為星云原來是擠在一起的,由于某種原因而瓦解,其中瓦解出來的一塊就是太陽星云。那么,假定星云后退速度均勻,可以算出從太陽星云與原始星云分離至今的時(shí)間約為5109年。,這種估計(jì)年齡的方法稱為字宙膨脹法。顯然其結(jié)果是太陽星

4、云的年齡；若不考慮從太陽星云演化出太陽及其行星的時(shí)間,也可近似作為太陽和其行星的年齡。有人把它看成地球的天文年齡,或稱為地球年齡的上限。顯然,這也依賴于一定的太陽系起源假說。,3.鹽的遷移法 1899年喬利(Jolly)利用鹽的遷移計(jì)算海洋年齡,從而推斷地球年齡。喬利認(rèn)為,大陸上的河水通過對(duì)地表巖石的侵蝕,不斷溶解巖石中的鹽,鹽就和河水一起進(jìn)入海洋。如果知道現(xiàn)在海洋中的總鹽量,并假定鹽的遷入速度恒定,則可計(jì)算鹽的輸送時(shí)間。一般假定輸送之前,海洋未含鹽,所得時(shí)間可以叫海洋年齡。喬利算出的海洋年齡為9107年。如果認(rèn)為地球形成時(shí),就開始這樣一個(gè)鹽的遷移過程,那么,所得時(shí)間即地球年齡。,顯然,這個(gè)

5、估算存在很多疑問：鹽的輸送速度恒定嗎？海洋中的鹽,除河水溶解的鹽輸送來的成分外,海洋沉積物中的鹽如何估計(jì)？如果考慮海陸變遷,鹽經(jīng)過多次反復(fù)循環(huán),應(yīng)如何計(jì)算？這些問題,是在利用鹽遷移計(jì)算海洋年齡中不能回避的。要回答這些問題,又涉及海洋演化等許多重大基礎(chǔ)理論問題。因此,不同作者所得海洋年齡相差很大。,4.沉積年齡法 如果知道地球上沉積的總厚度,又知道每年沉積增加的厚度,也可以估計(jì)出從沉積開始至今的年齡。這個(gè)年齡被稱為沉積年齡。如果認(rèn)為地球形成時(shí)就存在海洋及海洋沉積過程,那么,這個(gè)年齡就是地球年齡。有人估算出,這個(gè)年齡為2.5108年。 不過,怎樣給出全部沉積厚度和沉積率呢？這兩個(gè)量因時(shí)因地而異。這

6、樣估計(jì)出的年齡,只能反映某個(gè)地區(qū)的沉積年齡。此外地質(zhì)學(xué)家還采取了許多其它地質(zhì)過程估計(jì)地球年齡,但一般都偏低很多。,5.開爾芬的熱傳導(dǎo)法 1862年英國物理學(xué)家開爾芬利用熱傳導(dǎo)原理計(jì)算地球年齡。開爾芬假定地球有個(gè)熔融的原始地殼,由外往里逐漸凝固。地殼的溫度梯度由其上下兩面的固定溫度差(即巖石的熔點(diǎn)減地表溫度)確定。當(dāng)?shù)貧ぴ龊駮r(shí),溫度梯度減小。這樣,按照地殼熱傳導(dǎo)理論可以計(jì)算地表熱流和凝固速率。開爾芬計(jì)算了地球從開始冷卻到目前地表熱流狀態(tài)歷經(jīng)的時(shí)間。開爾芬認(rèn)為,這個(gè)時(shí)間就是地球的年齡。,L.Kelvin,求解無熱源時(shí)，半無限空間中的熱傳導(dǎo)問題。對(duì)于全空間，有:,其解為:,通過迭加，可以求得半空間問

7、題的解。設(shè)x=0為半空間的表面，介質(zhì)伸展于x0。沒表面溫度為TS，初始溫度為T=f(x)。若初始溫度是一常數(shù)T0 ，則其解為：,可得地球年齡為：,開爾芬得出的地球年齡約為(2-40)107年。他認(rèn)為,自己這個(gè)方法的唯一困難在于初始溫度不好確定。 開爾芬計(jì)算值偏小的主要原因：第一，地球的熱歷史主要不是熱變冷的簡單過程，而是從冷變熱、又從熱變冷的過程；第二，地球的熱源主要不是原始熱,而是放射性衰變熱；第三，地球熱量的主要傳輸方式不是熱傳導(dǎo)，而是熱對(duì)流。至于地球的溫度初值等參數(shù)選擇，則不是根本因素。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,一、放射性衰變發(fā)現(xiàn) 天然放射性衰變現(xiàn)象,是1896年發(fā)現(xiàn)的。

8、1896年，法國物理學(xué)家Henri Becquerel 無意中把一個(gè)鈾礦巖石標(biāo)本放到了一張包好的未洗膠片上，照片洗出后顯示出了巖石標(biāo)本的輪廓。從此發(fā)現(xiàn)了元素的放射性。這種現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是有些元素,主要是重元素的同位素原子核,能夠轉(zhuǎn)變成別的元素的原子核,同時(shí)放出特殊射線。,二、放射性衰變類型 放射性衰變,是指某放射性元素在放射出一定的粒子流后,由一種元素的原子核轉(zhuǎn)變成另一種元素的原子核。目前已證實(shí),自然界的放射性衰變有以下六種方式：衰變、-衰變、--衰變、+衰變、電子俘獲、核自發(fā)裂變。,衰變：發(fā)射兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子（粒子，氦核）；質(zhì)量數(shù)減4，原子序數(shù)減2。 -衰變：從原子核中發(fā)射一個(gè)電子（粒子），

9、一個(gè)中子變成質(zhì)子；質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加1。 --衰變：從原子核中發(fā)射兩個(gè)電子（粒子），兩個(gè)中子變成質(zhì)子；質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加2。 +衰變：從原子核中發(fā)射一個(gè)正電子。,電子俘獲：原子核捕獲一個(gè)電子，一個(gè)質(zhì)子和電子結(jié)合后變成中子；質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)減1。 核自發(fā)裂變：母原子核可自發(fā)地分裂成兩或三部分，同時(shí)發(fā)射高能粒子。,放射性衰變,常見的放射性衰變類型 87銣 87鍶,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,三、放射性衰變規(guī)律： 盧瑟福(Rutherford)和索迪(P.soddy)在1902年首先發(fā)現(xiàn)放射性元素的衰變規(guī)律：每單位時(shí)間所衰變的原子數(shù)目與一般的物理及化學(xué)條件無關(guān),但與當(dāng)時(shí)存在的

10、衰變?cè)拥臄?shù)目成正比。設(shè)放射性母核現(xiàn)存數(shù)為N,則有：,(31),(32),設(shè)u元素衰變后成為元素x1,而x1又衰變?yōu)樵豿2,如此繼續(xù)直至元素xn,成為一穩(wěn)定的元素。若開始時(shí)只有u,即t=0時(shí),u=u0,x1=x2==xn=0。于是,方程組(32)的解為:,式中,,(3-3),第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,1放射性衰變規(guī)律(續(xù)): 設(shè)u的壽命遠(yuǎn)大于任何x、時(shí)間t很長以致1/t小于任何k,則以上各解可以化簡為：,分析礦物巖石中的母元素與最后產(chǎn)物的數(shù)量,便可由上式計(jì)算礦物巖石的年齡。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,放射性衰變?cè)? 2衰變常數(shù) :,從物理意義上看,表示單位時(shí)間內(nèi)母核的衰

11、變比率；從統(tǒng)計(jì)意義上看,表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)母核的衰變幾率。從(33)式亦可看出,為母核按指數(shù)減少的系數(shù),或者為子核按指數(shù)增加的系數(shù)。母核衰變?yōu)樽雍说姆绞讲煌?衰變常數(shù)不同。因此,衰變常數(shù)的大小反映了放射性元素的衰變性質(zhì)。,,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,放射性衰變?cè)?,3衰變“時(shí)間”與壽命 半衰期:令U/U0=0.5,即定義母核數(shù)目衰變?yōu)樵瓉淼囊话胨玫臅r(shí)間作為半衰期,由此得,壽命:即衰變?yōu)樵瓉淼?/e所用的時(shí)間(TSH)。當(dāng)u/u0=e-1時(shí), 有:,(3)滅絕時(shí)間:母核衰變?yōu)樵瓉淼?/1024所用的時(shí)間(Tme)。顯然 ：,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,放射性衰變?cè)?,第二

12、節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,放射性衰變?cè)?,平均壽命是樣品中放射性原子的平均壽命：,,地學(xué)測(cè)年常用同位素,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,放射性衰變?cè)? 衰變系列的簡化:,4求取年齡的難點(diǎn),首先需要自實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)定放射性同位素的衰變常數(shù)。鈾和釷的值已經(jīng)測(cè)量得很準(zhǔn)確,但是銣的值還有些問題。 定量分析不同的化學(xué)元素可以應(yīng)用化學(xué)方法,但是它要求的準(zhǔn)確度十分高(10-11g的微量)。要定量分析不同同位素的數(shù)量,只能用質(zhì)譜儀。這些困難使得準(zhǔn)確測(cè)定巖石年齡的工作推遲到近些年來才能夠?qū)崿F(xiàn)。,計(jì)算礦物的年齡一般系指礦物自熔巖結(jié)晶出來的時(shí)刻,并假設(shè)此時(shí)最后產(chǎn)物等

13、于零,但若與結(jié)晶同時(shí),礦物中已含有一定數(shù)量的最后產(chǎn)物,這樣將使得問題復(fù)雜化。另一方面,如果礦物后來經(jīng)過變質(zhì)作用,以前所含的最后產(chǎn)物可能部分或全部消失，這樣測(cè)定的年齡與最后一次變質(zhì)的時(shí)間有關(guān),故使結(jié)果的解釋復(fù)雜化。 在礦物的歷史中,由于某種作用,如高溫時(shí)擴(kuò)散作用加劇,或礦物孔隙水的流通產(chǎn)生化學(xué)溶濾作用等，均可使母元素或最后產(chǎn)物的含量改變,使測(cè)定的年齡不準(zhǔn)確。,5計(jì)算放射性年齡的公式 在自然界中,一般情況下,新生成的子核,還會(huì)繼續(xù)衰變,直到最后生成某種穩(wěn)定性的元素為止, 稱為一個(gè)衰變系列。在系列衰變過程中,若單位時(shí)間內(nèi)由母核衰變而來的子核數(shù)目,與同一時(shí)間內(nèi)子核衰變掉的數(shù)目接近相等, 稱為放射性

14、平衡。當(dāng)系列達(dá)到平衡時(shí), 多代衰變和一代衰變的衰變規(guī)律都具有如同(37)式的形式。這是地質(zhì)年代學(xué)或地球年代學(xué)的最基本公式。,,公式(37) 的成立條件和樣品的選取條件 (1)為常數(shù) (2)系統(tǒng)封閉 (3)平衡條件 (4)元素壽命長度 (5)元素豐度足夠大,常用放射性元素豐度(10-6),,,,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,瀝青鈾礦 -鈾礦石,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,放射性衰變?cè)?,主要的放射性系列： 三個(gè)系列：釷系、鈾系以及錒系，它們由天然產(chǎn)生的不穩(wěn)定重核引起，這些重核元素的半衰期可與其元素年齡相比擬。,釷系、鈾系、錒系衰變特征,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡

15、的測(cè)定 : 銣鍶法: 銣有兩個(gè)同位素Rb87和Rb85,Rb87是放射性的, 半衰期很長,可以用來測(cè)定極老巖石或礦物的年齡。 根據(jù)公式(37),可得:,因?yàn)樗プ冮_始時(shí),鍶的數(shù)量不一定為零,所以:,(318),(319),第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 銣鍶法:,在鍶的同位素中,除放射性Sr87之外。還有非放射性Sr86,其數(shù)量不變。通常采用同位素之比,即對(duì)(319)式的兩端,分別除以Sr86,則 :,(320),式中 可用質(zhì)譜儀測(cè)出來, 可用化學(xué)方法測(cè)定出來。 和 是兩個(gè)未知數(shù)。一般使用同齡直線法求解。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原

16、理,樣品年齡的測(cè)定 : 同齡直線法:,用同齡直線法計(jì)算年齡,需要準(zhǔn)確的斜率。通常采用最小二乘法,以便減小誤差。同齡直線法又稱等時(shí)線法,不僅在銣鍶法,而且在鉀氬法和鉛法中,也得到廣泛應(yīng)用。 銣鍶法的優(yōu)點(diǎn)是衰變?cè)厥枪腆w,不易丟失；缺點(diǎn)是鍶在地殼中的含量低。該法適用于測(cè)定古老巖石年齡和隕石年齡。,在同一巖漿分異出來的一套巖石中： 和 的值可能不同。,,但 和 的比值, 能很好地滿足(320)式所示的線性關(guān)系，因此,若把這些比值點(diǎn)在一張直角坐標(biāo)圖上,應(yīng)該成一條直線,稱為同齡直線。截距為 ,斜率為 。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 :

17、 鉀氬法 : 鉀的衰變有兩種方式：K40+eAr40++X射線 K40Ca40+ 上式表示K40可以通過俘獲k軌道上的一個(gè)電子,衰變成Ar40；也可以通過衰變,衰變成Ca40。這兩個(gè)分支在自然界中都存在,但是,由于礦物中Ca的來源很多,不易區(qū)分出有多少Ca是來源于放射性衰變,所以一般不用鉀鈣分支測(cè)定年齡,而用鉀氬分支。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉀氬法 (續(xù)）: 由于兩個(gè)分支同時(shí)存在,既使采用鉀氬分支,也要考慮鉀鈣分支的影響,這種影響主要表現(xiàn)在：所測(cè)出的鉀是兩個(gè)分支衰變后的剩余鉀,需要從中計(jì)算出鉀氬分支的那一部分；而且,因?yàn)?/p>

18、鉀的衰變有兩個(gè)方式,衰變常數(shù)就不應(yīng)當(dāng)是一個(gè),而是兩個(gè)之和。因此,年齡計(jì)算基本公式(37)要改寫成：,式中e、分別為鉀氬和鉀鈣分支的衰變常數(shù),Ar40/K40為現(xiàn)在放射性氬與放射性鉀的原子數(shù)目之比。當(dāng)衰變只有一個(gè)分支時(shí),則退化為(37)式。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉀氬法(續(xù)) : 實(shí)際上,氬的丟失和過剩是不容忽視的。引起氬丟失的主要因素是受熱。據(jù)估計(jì),在常溫下云母類礦物尚能保持封閉系統(tǒng),在100溫度下,就成為氬的開放系統(tǒng)了。由于氬的嚴(yán)重丟失,將造成鉀氬年齡嚴(yán)重偏低。造成氬過剩的主要原因是當(dāng)?shù)貧は虏亢蜕系蒯５膸r漿運(yùn)移上升時(shí),將那里的放射性鉀衰變而成的氬置于結(jié)晶

19、或重結(jié)晶礦物中,攜帶到地面。過剩氬的存在,使鉀氬年齡可能高到不合理程度。但鉀氬法也優(yōu)點(diǎn),主要是含鉀礦物較多,可以廣泛使用；而且由于它的半衰期短,可用來測(cè)定較新(如1 105年)礦物的年齡。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉛法 : 鈾和釷放射系衰變時(shí),最后的穩(wěn)定元素都是鉛的同位素 U238Pb206+8He4 U235Pb207+7He4 Th232Pb208+6He4 這三個(gè)放射系都滿足以上所說的條件,即式(33)可以化簡為式(37)。如果礦物和巖石在形成時(shí)原來不含放射性來源的鉛,則由現(xiàn)在所含的鈾或釷與鉛的比值,就可以測(cè)出礦物

20、自形成時(shí)到現(xiàn)在的時(shí)間,由式(37),可寫出：,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉛法（續(xù)） :,(322),由上式中任何一式都可以求t。另一方法是用前二式相除,即,(323),式中兩種鈾同位素現(xiàn)在的比值是已知的,等于137.8。所以由巖、礦所含鉛同位素比值也可求t。應(yīng)注意的是上式左端是原子數(shù)目之比。若實(shí)測(cè)的是質(zhì)量之比,則還應(yīng)乘以原子量之比。鈾、釷在巖、礦中常是共生的, 可彼此驗(yàn)證。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 1鉛法（續(xù)） :,還可利用整合曲線法測(cè)年,將(322)式改寫為：,(324),每給一個(gè)t,可算出一對(duì)比值Pb206/U238和Pb20

21、7/U235。以Pb206/U238為縱坐標(biāo),相應(yīng)的Pb207/U235為橫坐標(biāo),得到的理論曲線,稱為整合線,如圖32所示。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉛法（續(xù)） :,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉛法 (續(xù)):,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉛法 (續(xù)):,如果在原始礦物中,放射性產(chǎn)物和不是零,可采與銣鍶法類似的同齡直線法。因?yàn)榉欠派湫糟U的數(shù)量保持不變,所以：,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 鉛法 (續(xù)):,也可將上面兩式相除,得到：,上式中U235/U238的是常數(shù),它等于0.0

22、0725,因此方括號(hào)內(nèi)的數(shù)值皆為常數(shù)。從而可由直線斜率求得年齡。這種方法稱為鉛鉛法,由于全部采用鉛的同位素比值,可以消除許多誤差,對(duì)研究地球年齡及其演化十分有利。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 碳14(C14)法 : C14是放射性的。大氣中的C14一方面衰變,一方面又因宇宙線對(duì)大氣的作用而得到補(bǔ)償,大氣中的C14含量保持穩(wěn)定值，大氣中CO2的146C:126C1012。活著的動(dòng)、植物從大氣中吸收CO2，動(dòng)物和人體食取植物，因而都有同樣的14C:12C比值。 在生物死亡或碳酸鈣沉淀之后,循環(huán)即停止。這時(shí)所含的C14得不到補(bǔ)償,便由于衰變而減少；因此可以測(cè)定循環(huán)停

23、止的時(shí)間。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 碳14(C14)法 :,C14衰變成N14,半衰期為5720年,只能用于測(cè)定較短的時(shí)間。這對(duì)于鑒定某些考古學(xué)或人類學(xué)中的重要事件的年代,或確定某些近代的地質(zhì)活動(dòng)(如冰川的進(jìn)退,階地的形成,海面升降,火山活動(dòng)等)的時(shí)間頗為有用。C14法測(cè)齡的主要因難在于實(shí)驗(yàn)技術(shù),其中包括用于制樣及純化的高真空系統(tǒng)和探測(cè)裝置。目前，應(yīng)用小型氣體正比計(jì)數(shù)器和加速器質(zhì)譜儀，僅需幾mg到100mg的碳樣品即可完成年齡測(cè)定。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 碳-14(C14)法 :,例：測(cè)得某古尸146C:126C比值為0.5

24、1012，計(jì)算古尸的年代。 解： 146C0:126C= 1012, 而 146C:126C=0.51012知：,,,代入,得：,,動(dòng)植物通過光合作用利用二氧化碳來補(bǔ)充活體， 14C在其活組織內(nèi)是平衡的。 當(dāng)動(dòng)植物死亡后，補(bǔ)充停止， 14C開始衰變。 直接應(yīng)用衰變公式 （放射性測(cè)年原理） 半衰期為5720年，只能用于1萬年之內(nèi)的事件測(cè)年。 14C測(cè)年方法被廣泛用于考古測(cè)年。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 碳14(C14)法 :,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 1碳14(C14)法(續(xù)) :,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)

25、定 : 1裂變徑跡測(cè)定法 : 母原子核可自發(fā)或誘發(fā)地分裂成兩或三部分，U238的裂變產(chǎn)物是高能粒子,在穿過晶體時(shí),形成寬約10nm的損壞區(qū)。在損壞區(qū)內(nèi),有長達(dá)1100m的“徑跡”許多條。徑跡的疏密程度與放射性強(qiáng)弱有關(guān)。若已知徑跡體密度DF,則：,其中F是裂變常數(shù), 是包括裂變和衰變的總衰變常數(shù)。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 1裂變徑跡測(cè)定法 :,實(shí)際上無法測(cè)量體密度DF,只能測(cè)量表面徑跡密度F。采用熱中子照射樣品的辦法,使其中U235受熱中子作用發(fā)生裂變。這種誘生面密度用i表示。若取n為熱中子通量,為熱中子引起的裂變截面,則有：,上式所給的時(shí)間是U238自發(fā)裂變的

26、年齡。對(duì)地球巖石, 基本不存在U235的誘生裂變。但對(duì)于隕石等樣品,宇宙線中子流引起的誘生裂變是不可忽視的。 樣品加溫到一定程度,徑跡將消失。因此,徑跡法測(cè)齡給出的是樣品受最近一次熱事件以來的時(shí)間。,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 1裂變徑跡測(cè)定法 :,第二節(jié) 放射性元素和放射性測(cè)年原理,樣品年齡的測(cè)定 : 1裂變徑跡測(cè)定法 :,用化學(xué)試劑蝕刻后，裂變徑跡的寬度加大到12m，可用光學(xué)顯微鏡觀察。,第三節(jié) 地球的年齡,估計(jì)地球年齡的途徑: 尋找地球最古老巖石的年齡,作地球年齡的下限； 利用同位素周期系的性質(zhì),估計(jì)地球元素的年齡,作為地球年齡的上限； 在計(jì)算地球上各地質(zhì)時(shí)

27、期的礦物或巖石年齡的基礎(chǔ)上,在一定地質(zhì)構(gòu)造學(xué)說的指導(dǎo)下,進(jìn)行合理推測(cè),得出可能的地球年齡； 在計(jì)算隕石或月球樣品年齡的基礎(chǔ)上,在一定地球起源學(xué)說的指導(dǎo)下,進(jìn)行合理推測(cè),得出地球年齡。,第三節(jié) 地球的年齡,地球年齡的下限巖石年齡: 從地球起源得知,地球是從原始太陽星云演化而來的,如今所見到的地面巖石,是經(jīng)過地球自身的“改造”得到的。地球上的巖石年齡表示其經(jīng)歷最后一次變質(zhì)的年齡,因此,地球的年齡總不會(huì)小于地球上任何巖石的年齡。 表34給出世界上若干地區(qū)的測(cè)定結(jié)果,大致在(3042)億年之間,其中以澳大利亞芒特納里爾的42億年為最大。說明地球的年齡至少在42億年以上。,第三節(jié) 地球的年齡,地

28、球年齡的下限巖石年齡:,世界上最古老巖石的年齡,在地球上最老的巖石 (1998)(Acasta片麻巖，北加拿大) -大約40.3億年,在地球上最老的鋯石(zircons)礦物 (2001)(Jack Hills，西澳大利亞) -大約44.4億年,第三節(jié) 地球的年齡,第三節(jié) 地球的年齡,地球年齡的上限元素年齡 : 沒有物質(zhì)元素作為基礎(chǔ),就談不上物理化學(xué)變化,更談不上分異、變遷等地質(zhì)過程。因此,地球上的元素年齡,可以作為地球年齡的上限。為了計(jì)算這個(gè)年齡,通常采用鉛的同位素相對(duì)豐度數(shù)值：現(xiàn)在豐度為已知值,原始豐度可根據(jù)同位素元素的演化規(guī)律加以推算。 翁文波曾從一個(gè)同位素周期性假說出發(fā),提出一個(gè)原子

29、質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)公式,得到地球的元素年齡為(4951)108年。,第三節(jié) 地球的年齡,由地球鉛的演化過程推算地球年齡: 此方法在鉛法測(cè)定原理的整合曲線法中做過介紹。19661968年我國珠峰考察所做的鉛同位素年齡測(cè)定,外推地球年齡為(44.945.9)108年。 由隕石鉛的同位素比值推算地球年齡: 表35給出根據(jù)隕石所得鉛同位素比值得到的年齡。表中a0=Pb206/Pb204,b0=Pb207/Pb204,c0= Pb208/Pb204,表示原始鉛的同位素成份。我國對(duì)1975年吉林隕石雨進(jìn)行同位素年齡測(cè)定所得地球年齡也是(45.50.7)108年。,第三節(jié) 地球的年齡,隕石鉛所得地球年齡,第三節(jié)

30、 地球的年齡,含碳球粒隕石,鐵隕石,第三節(jié) 地球的年齡,地球年齡測(cè)定與地球演化 :,地球年齡的估計(jì),第三節(jié) 地球的年齡,地球年齡測(cè)定與地球演化 :,tntup(或tFp) ：地球形成之前，已經(jīng)先有地球上的元素,尤其是地球上的重元素，其間經(jīng)過大約45億年時(shí)間。 tuptFp：地球和隕石同時(shí)形成。 tFptq：地球形成后，經(jīng)過了復(fù)雜的地質(zhì)變動(dòng)。所得巖石年齡，充其量是最后一次變動(dòng)至今的年齡。 這個(gè)過程并未結(jié)束,因?yàn)檫@里的巖石年齡,只是最古老的巖石年齡。 地球早期7億年的歷史是一個(gè)謎。,第四節(jié) 地質(zhì)年代劃分與地質(zhì)年表,遠(yuǎn)在放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)之前,地質(zhì)學(xué)家就已經(jīng)發(fā)明了比較系統(tǒng)地確定地層相對(duì)年齡的方法,其中

31、最主要的是依據(jù)巖層的相對(duì)位置和它們所含有的古生物化石。 相對(duì)年代的確定方法: 1.地層學(xué)方法：沉積巖的原始沉積總是一層一層疊置起來的，它們存在著下伏沉積一定早于上覆沉積的相對(duì)新老關(guān)系。,第四節(jié) 地質(zhì)年代劃分與地質(zhì)年表,相對(duì)年代的確定方法: 2.古生物學(xué)方法：生物演化是由簡單到復(fù)雜，由低級(jí)到高級(jí)，生物種屬由少到多，而且這種演化和發(fā)展是不可逆的。因而，各地質(zhì)時(shí)期所具有的生物種屬、類別是不相同的。時(shí)代越老，所具有的生物類別越少，生物越低級(jí)，構(gòu)造越簡單；時(shí)代越新，所具有的生物類別越多，生物越高級(jí)，構(gòu)造越復(fù)雜。因此，在時(shí)代較老的巖石中保存的生物化石相對(duì)較低級(jí)，構(gòu)造較簡單；而在時(shí)代較新的巖石中保存的生物

32、化石相對(duì)較高級(jí)，構(gòu)造較復(fù)雜。,植物化石,菊石類化石,5億年前,4億年前,3億年前,2億年前,1億年前,2-3百萬年前,地球生物的演化,第四節(jié) 地質(zhì)年代劃分與地質(zhì)年表,地質(zhì)剖面圖,相對(duì)年代的確定方法: 3.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法：地殼運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)的結(jié)果，使不同時(shí)代的巖層、巖體和構(gòu)造出現(xiàn)彼此切割穿插關(guān)系，利用這些關(guān)系也可以確定巖層、巖體和構(gòu)造的形成先后的順序。,第四節(jié) 地質(zhì)年代劃分與地質(zhì)年表,地質(zhì)學(xué)研究中,把地質(zhì)歷史按不同的級(jí)別劃分了不同的時(shí)間單位。由大到小分別是：宙、代、紀(jì)、世。而在這些時(shí)間單位內(nèi)形成的地層稱為：宇、界、系、統(tǒng)。,級(jí)別 地質(zhì)年代單位 年代地層單位 大 宙 宇 代 界 紀(jì) 系 小 世 統(tǒng),第四節(jié) 地質(zhì)年代劃分與地質(zhì)年表,用放射性同位素方法測(cè)定顯生代(600Ma以來)的年齡與古生物化石方法的結(jié)果差別不大。 對(duì)于寒武紀(jì)以前，放測(cè)射性方法提供了特別有用的數(shù)據(jù)。,謝謝！,