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1、裂变径迹定年方法的现状及其主要应用 地理学 张浩 学号：2001130010摘 要 裂变径迹分析是确定岩石低温热历史的一项技术。其遵从同位素定年方法的原理,利用238U自发裂变的现象测量放射性衰变对矿物晶体的物理损伤。本文粗略介绍了裂变径迹分析方法的主要原理以及目前采用比较广泛的实验室技术。并大致介绍了裂变径迹目前的主要应用以及未来发展趋势。并对裂变径迹方法的优缺点进行了初步的分析。关键词 裂变径迹 实验技术 应用The status quo of the fission-track dating method and its main applicationAbstract: The Fis
2、sion-track dating is one of the measurement technologies which can determine the rock thermal history at low temperature. It complies with the principle of isotopic dating method and measure the radioactive decay of mineral crystal of physical injury by the phenomenon of the 238U spontaneous fission
3、. This paper introduces the main principle of the fission-track analysis method and the laboratory techniques used widely in current roughly, outlines the main applications and the future development of the fission- track at present, at last, makes an analysis about the advantages and disadvantages
4、of fission-track method roughly.Keywords: The Fission-track dating; laboratory technique; application1引言裂变径迹法是从大约60年代开始应用到地质学上的一种同位素定年方法,其在测定岩矿年龄、岩体热历史、构造区的上升速度、地热、环保、沉积盆地裂变径迹热年代学、测定活动断层的活动年龄等方面,都有广泛的应用。2裂变径迹法及其测年原理2.1裂变径迹法测年原理裂变径迹法是利用裂变径迹年龄及裂变径迹长度分布形态来反映随时间产生的裂变径迹积累及由温度控制的退火(裂变径迹缩短或消失)两种因素综合作用的结果。其
5、原理可简单阐述为：矿物中的238U等放射性同位素自发地由一个原子核裂变为两个的原子核，这一过程称为自发裂变。自发裂变产生的能量大部分转化为动能，推动两个质量相近的原子核向相反方向运动，然后射入到周围物质晶格中，经过10-20m的距离后动能耗尽，停止下来，就会在矿物晶格内留下一条辐射损伤的痕迹，这条轨迹就称为裂变径迹。裂变径迹在岩石冷却时产生，加温时消失，再度冷却时又重新产生，从而记录了岩石被冷却、加温、冷却的过程。当发生埋深、岩浆烘烤、断层摩擦等地质作用时径迹减少直至消失；当构造抬升、岩浆喷发、断层停止活动时径迹将产生。裂变径迹数据是随温度和时间变化而变化的，温度越高，裂变径迹长度缩短越多，所
6、测的裂变径迹年龄越小。裂变径迹分析是确定岩石低温热历史的一项技术。裂变径迹定年方法遵从同位素定年方法的原理,利用238U自发裂变的现象,但它测量的是放射性衰变对矿物晶体的物理损伤,而不是另一种同位素。裂变径迹都具有随温度增加而径迹密度减少和径迹长度缩短的特性，这一特性称为退火。当温度较高时，裂变径迹的长度和密度均随温度的升高而减小，即为退火作用。退火作用的发生，具体表现在裂变径迹的长度逐渐缩短，直至完全消失。2.2裂变径迹年龄计算t=1Dln(1+DI1fsi)t 裂变径迹年龄D 238U总的裂变径迹衰变常数,1.5512510-10/af 238U自发裂变径迹衰变常数I 235U/238U的
7、同位素比值，7.252710-12235U的热中子截面积，580.210-24cm2中子通量s/i自发裂变径迹与诱发裂变径迹密度的比值3 目前裂变径迹主要分析方法裂变径迹定年在90年代以前采用五种分析方法,即:总体法、外探测器法、减去法、再抛光法和再蚀刻法。每种方法都有其优缺点,适合不同的测定对象。但是,各个实验室的实验方法不同,尽管采用国际标准样来进行年龄对比,但对同一测定对象可能会出现不同的结果。因而,裂变径迹年龄受到部分专家的怀疑,甚至否定。80年代,大部分从事裂变径迹分析工作的研究人员提出国际上要有统一的标准化刻度,从而使裂变径迹年龄得到认可。在1988年第六届国际裂变径迹测定地质年代
8、学术讨论会上通过了裂变径迹测定年代要进行标准化刻度的推荐意见,提出了绝对法和Zeta法的刻度方法,对年龄标准、照射要求、年龄测定和报告形式都有统一要求。但是,这种标准也有明显的不足,如对小颗粒磷灰石的定年,如果矿物颗粒铀含量不均匀,出现径迹密度不均匀时,就会出现较大的年龄误差。4裂变径迹分析法目前的实验技术4.1 地质学上常用的裂变径迹分析矿物到目前为止,已发现很多矿物可用来作裂变径迹分析用,但是常用的矿物是铀含量较高的、粒度至少大于50Lm的重矿物,如磷灰石、锆石、榍石等,也有选用玻璃质的岩石作裂变径迹分析用,如玻璃陨石、火山玻璃等。用外探测器法时,要用铀含量极低的白云母来覆盖样品,反映样品
9、的诱发裂变径迹密度,而白云母对诱发裂变径迹密度的影响忽略不计。也有采用石英、石膏、萤石等铀含量较低的矿物来作裂变径迹分析用的,但由于自发裂变径迹密度低,只能使用总体法来做裂变径迹分析实验,并且难度较大,准确度较差。4.2 样品的破碎与单矿物分选把采集的岩矿样品,先切光薄片观察所选矿物的含量、晶形及粒度大小等,根据所需要的矿物用量决定碎多少样,碎成什么粒度。其原则是矿物晶体越大越好,但不能与其它矿物粘连在一起,以免选不出来。矿物用量一般需50至100颗,年代越新所需要的矿物颗粒越多。破碎后筛分,经摇床分选,把所需重矿物富集,再通过磁选、电磁选、重液分离等流程。在1996年11月国际裂变径迹组织介
10、绍了分离锆石与磷灰石的新方法：制作一个简单的玻璃测试管,内放待分离的磷灰石与锆石及重液(二碘甲烷),把一压缩管插入其中,可以快速分离锆石与磷灰石,并且节省二碘甲烷的用量。4.3 裂变径迹分析中的制片技术裂变径迹分析中要把矿物或玻璃质的岩石样品粘在一个载体上,以便抛磨、蚀刻和测量。对这种光薄片的要求主要有:(1)载体能粘牢矿物,透明度要好,常使用环氧树脂和三乙醇胺的混合物来作载体,加热搅拌到无色透明及气泡尽量少为止。(2)光薄片的厚度要适当,既要透明,又要便于抛磨、蚀刻等,一般3mm左右。(3)矿物要尽量粘在一个平面内,否则有的磨掉了,而有的还未揭露出内表面。(4)表面要高度光洁,尽量不要有擦痕
11、和斑点,以免蚀刻后出现太多假蚀刻坑,增加鉴别径迹的困难。(5)载体要耐蚀刻剂的腐蚀而不被破坏。由于锆石需在较高温度及强酸碱条件下进行蚀刻,如用环氧树脂粘结矿物,在蚀刻过程中锆石会因环氧树脂受腐蚀而脱落。因而锆石样常采用太空塑料(聚全氟乙丙烯)来制片,把锆石压嵌在太空塑料片内进行蚀刻。制片后要对样品进行抛磨,以便露出样品内表面,并且使样品表面光洁,蚀刻后径迹显得清晰,易于观察,计数准确。现在多选用裂变径迹分析仪器来测量径迹密度及径迹长度分布,因此更需使矿物表面光洁。4.4 裂变径迹分析中的蚀刻技术常用的裂变径迹分析矿物是磷灰石、锆石、榍石、白云母(外探测器法作盖片)、玻璃陨石及火山玻璃。蚀刻剂的
12、选择与蚀刻时间、温度的选择很重要,即蚀刻条件的选择关系到测量数据的准确性。4.5 样品的辐照样品及标准样蚀刻好以后,以白云母做盖片。进行反应堆辐照,用它及标准样来测量计算Zeta常数值。通常辐照的热中子通量因矿物的铀含量不同而有所差异。4.6 裂变径迹的统计与测量封闭径迹长度的测量一直是一个难题,而投影径迹长度容易测量,并且与密度测量的径迹一致,但是反映的信息较少。但所有的人都认为:封闭径迹长度能反映更多的热历史信息,尽管测量较困难,但测量封闭径迹长度是一个必然趋势。封闭长度的测量原来是采用测量径迹中的径迹和损伤裂缝中的径迹中那些近于水平的径迹长度作为封闭径迹长度,但是这一类径迹数量极少,测量
13、条数达100条的样品都很难见到。现在采用重离子打孔技术来蚀刻出封闭径迹,显示效率提高了几倍到几十倍,尽管封闭径迹长度需要修正但是这无疑是一个可行的好方法。5 裂变径迹法目前的主要应用5.1在造山带及高原抬升历史研究方面的应用磷灰石裂变径迹定年方法被广泛应用于世界各地造山带的研究中。应用磷灰石的裂变径迹年龄及有效封闭温度计算造山带的抬升和侵蚀速率有以下3种方法：一：通过磷灰石裂变径迹年龄相对采样点的海拔高度给出相应年龄段的视抬升速率;二：把一定海拔高度磷灰石裂变径迹年龄外推到其年龄为0时的深度,假定或通过其它方法给出一个地温梯度,用采样点的海拔高度和年龄为0时的深度之差除以裂变径迹年龄就可以得到
14、岩石抬升的速率;三：用同一同位素体系(如裂变径迹)不同封闭温度的矿物(磷灰石、错石或檐石)或不同同位素体系矿物的封闭温度的不同来计算冷却速率,除以地热梯度就可以得出抬升速率。5.2在活断层研究方面的应用裂变径迹年龄也可以用于活断层的活动历史分析。断层活动时会产生较高的热量,使断裂带中岩石的温度升高,尤其是在大断裂中,其温度的升高足以使矿物中的裂变径迹部分或全部退火。通过断裂带中磷灰石、错石及檐石等矿物裂变径迹年龄和裂变径迹长度的测量就可以研究断裂活动的历史。正确判断断裂带中矿物的裂变径迹是经历了部分退火还是完全退火是研究断裂带活动历史的关键。5.3裂变径迹法在地球化学勘探中的应用测定天然水(地
15、表水或地下水)中的铀是水化学找铀矿的一项重要分析内容。水通过铀富集的地方,就会携带一些铀在水中,从水中铀异常可以推断水流经的路程上可能有铀矿,由于裂变径迹法需要样品少、灵敏度高、成本低,又适于大量分析测定,因此很适于作为水化学找铀矿的分析手段。5.4在火山灰年代学中的应用裂变径迹对第四纪年代学的主要贡献在于火山灰年代学。裂变径迹尤其适合测定老于4一5万年的火山灰年龄,而这正超出了14C的测年极限。它比K一Ar法和14C法优越就在于它把污染问题降到最小程度。这点对火山灰测年极为重要,因为它经常有碎屑混入物,并且用K一A法也不可能测出玻璃碎片的年龄。因为存在过剩放射成因氢使年龄偏老,而且在水化过程
16、或后期钾的获得或氢的流失会使测得的年龄偏低。这样也就很难确定玻璃的年龄是太老、太年轻、或是偶然正确的。在过去的10年里,人们对第四纪火山灰的错石或玻璃作了很多裂变径迹测年工作。证明了裂变径迹测年在火山灰年代学的应用。5.5在油气勘探中的应用自80年代以来,裂变径迹法在油气勘探中获得了很大的成功。温度是控制油气生成、运移和聚集的重要条件之一,含油气盆地的热史重建对于油气资源评价是必不可少的。磷灰石裂变径迹的退火带与石油大量生成所需要的最佳温度恰好一致,这种巧合使磷灰石裂变径迹成为对油气勘探非常有用的地质温度计,因而裂变径迹法的应用愈来愈多,要测试的样品也愈来愈多。因此,从选样、制片、蚀刻到统计测量都需要提高效率
