裂变径迹测年原理及对温度的响应

• （三）径迹形态 • 裂变径迹蚀刻外貌受矿物结晶对称性、蚀刻 面在晶体结构中的位置、径迹取向、蚀刻时 间等有关；径迹蚀刻数目与蚀刻剂种类和浓 度、蚀刻时间、蚀刻温度、蚀刻面在晶体结 构中的位置有关。
• 表1 不同的常见矿物的蚀刻条件
矿物名称 磷灰石 白云母 锆石 榍石 70%HNO3 40%HF 20gNaOH+5gH2 0 6:3:2:1 H2 O+HCl+HNO3+HF 蚀刻剂 温度 20 20 220 20 时间 15s 4h 2.5h 5min
裂变径迹测年原理及对温度的 响应
卫江伟 2015/6/4
内容概述：
• • • • 一、 裂变径迹产生原理 二、 裂变径迹定年原理 三、 裂变径迹封闭温度原理 四、 裂变径迹相关应用
一、 裂变径迹产生原理
• （一）裂变产生 • （二）径迹蚀刻 • （三）径迹形态
一、 裂变径迹产生原理
• （一）裂变产生 • 裂变与衰变均属于自然界放射性同位素由不稳定 状态变为稳定状态时所发生的核反应过程； • 核衰变通常是指α、β、γ等衰变； • 核裂变是指一个重元素的原子核分裂为两个质量 相差不远的碎片；裂变反应可分为自发裂变和诱 发裂变。自发裂变是原子核在没有外来因素影响 下自行发生的核裂变，属于核素放射性衰变的一 种类型； • 诱发裂变是重原子核受外来粒子轰击，发生的核 裂变反应，以中子诱发核裂变最为重要
• （一）裂变产生 • 重核裂变之后，由于质量减少，产生约200MeV能 量，大部分转变为裂变后碎片的动能，两个碎片 在运动过程中经过一系列β或其他形式衰变最终形 成两个稳定的核素； • 碎片运动时与周围物质的原子核和电子发生电磁 作用，从而使碎片改变方向和损失能量； • 当通过的物质为绝缘材料时，就会沿着运动轨迹 产生一个放射性损伤的狭窄痕迹即径迹； • 解释：1）缓慢冷却重结晶；2）“离子爆炸尖峰” 模型：电离化——正离子——排斥——损伤区域 • 此时形成的径迹称为潜径迹。
二、 裂变径迹定年原理
• （一） 定年基本思路 • 一般同位素定年基本思路： • 已知一衰变体系，则衰变常数λ确定 （ N N0 e t ）； • 分别测定放射性母体当前剩余含量（N）及 子体同位素当前含量（D*）； • 带入衰变方程获取同位素封闭年龄；
D* N0 N Ne t N N (et 1)
一、 裂变径迹产生原理
• （二）径迹蚀刻 • 裂变径迹（潜径迹）直径约50~100Å，即 5-10nm，长度约15μm[4]，只能在电子显 微镜下观察到； • 由于裂变径迹区域特殊的晶格构成，可以 与特定的蚀刻剂发生反应而被溶解，直径 扩大到1-2μm，长度基本不变(15μm左右)； • 这时就可以在普通光学显微镜下观察和统 计裂变径迹的长度和数目，此时看到的称 为径迹；
• 图1 磷灰石（0001）面蚀刻径迹随蚀刻时间的变化 • 注：磷灰石（Ca5[PO4]3(F,OH)）六方晶系，柱状,无杂质者无色透明； • 锆石（Zr[SiO4]）岛状硅酸盐矿物，四方晶系，呈四方双锥、柱状 等。
• 磷灰石裂变径迹镜下照片：
二、 裂变径迹定年原理
• （一） 定年基本思路 • （二） 定年公式推导 • （三） 相关标准校正
• 裂变径迹定年基本思路： • 已知238U自发裂变衰变常数λF; • 测定238U发生自发裂变的原子含量，相当于 测定D*值，可以通过测定自发径迹的密度 (ρs)转换得到； • 测定238U当前剩余的原子含量，相当于测定 N值，目前常用的是间接法测量238U的含量， 通过测量样品中235U含量，利用自然体系中 238U和235U含量比值的固定关系求的238U的 含量。235U含量可通过将样品进行反应堆中 子照射，得到诱发径迹，通过统计诱发径迹 密度（ρi）转换得到。
三、 裂变径迹封闭温度原理
• （二） 裂变径迹长度分布与热史 • 径迹ห้องสมุดไป่ตู้度和数目都受温度影响明显，不同的 冷却历史（或热史）对应有不同的径迹长度 分布图。
• 图2 几种受热史的古径迹长度分布图
四、 裂变径迹相关应用
• （一） 造山带隆升过程 • 平均地温梯度：30℃/Km. • 利用同一高程不同矿物的裂变径迹年龄 （AFT、ZFT），其年龄对应不同的温度， 将温度转化为对应的深度，则可得出该时 间段内的隆升速率； • 利用不同高程上，同一矿物的裂变径迹年 龄得出相关隆升速率。
三、 裂变径迹封闭温度原理
• （一） 裂变径迹部分退火带及封闭封闭温度 • 退火：裂变径迹（潜径迹）并不总是稳定存 在，潜径迹的稳定性受温度影响最为明显， 表现为随温度升高而径迹密度减少、长度变 短直至完全消失，这种受加热径迹发生衰退 的现象称为退火； • 径迹退火有一个上限温度当温度高于该温度 后，径迹完全消失，这一温度称为封闭温度, 磷灰石径迹封闭温度在120℃左右； • 部分退火带:从径迹开始发生退火到完全退火 （消失）对应的温度范围称为部分退火带， 磷灰石的部分退火带大致为70~120℃。
二、 裂变径迹定年原理
• （二） 定年公式推导
D s Igi t ln(1 ) D F i g
1
• （三） 相关标准校正 • 标准矿物校正 • 铀标准玻璃校正
三、 裂变径迹封闭温度原理
• （一） 裂变径迹部分退火带及封闭封闭温 度 • （二） 裂变径迹长度分布与热史
• 图3 岩石抬升与封闭温度示意图
四、 裂变径迹相关应用
• （二） 盆地热演化史 • 研究深度：一般3-5Km • 磷灰石部分退火带正好和油气生成温度近 一致，为含油气盆地热史分析有较明显的 优势。