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地质定年方法

发布时间:2018-12-24 17:03:28

  为地质事件确定年代在地球发展史的研究中极为重要,科学家们一直在探索能准确地进行地质定年的技术手段。

  20世纪50年代中期,美国布鲁克海文国家实验室的雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)(就是那位因研究来自太阳的电子中微子获2002年诺贝尔物理学奖的戴维斯)与研究产生宇宙环境背景辐射的奥利弗·谢弗(Oliver Schaeffer)合作提出了一个用“宇宙成因核素(Cosmogenic Nuclides)”可以较准确地进行地质定年的思路。 

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雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)(图片来自网络)

  所谓“宇宙成因核素”是指来自外层宇宙空间的宇宙射线粒子通过轰击暴露在地球外表的物质(包括大气层和地表)在其内部发生各类核反应产生了新的核素(具有一定质子数和一定中子数的原子),包括这类核素的一些同位素(即质子数相同中子数不同的一类原子)。

  宇宙射线直接轰击暴露在地表的岩石而产生的核素称为“原地生成核素”,包括10Be(铍)、26Al(铝)、36Cl(氯)、3He(氦)等。通过测定岩石中宇宙成因核素的浓度,并利用核素的生成量和因剥蚀、放射性衰变而引起的流失量函数可以计算出相应的岩石暴露时间从而确定其年代,这种方法被称为“宇宙成因核素测年法”。

  根据这个原理应可以测算出冰川的行踪。冰川移动后地面或地物才暴露出来,在宇宙射线的照射下这些地面或地物中就会产生某些同位素(产生速率与纬度、高度及组成物的性质相关)。其中一些为稳定同位素,它们的浓度会随着时间的推移逐渐增高,根据其产生的速率与积累的浓度便可计算出的时间从而确定其年代。另外,还会产生一些放射性同位素,它们的浓度随着时间的推移在积累的同时又按自身的半衰期在衰减。综合以上这些条件,测定这些地面或地物中宇宙成因核素的浓度即可确定其暴露的年代,由所测的一系列数据即可较精确地计算出冰川移动的行踪。

  20世纪50年代时,戴维斯和谢弗已对某些原地生成核素进行了研究,遗憾的是他们提出的这种可以用于测试地表岩石暴露年代的新思路在那时没有引起人们的足够重视。另一个原因是用这种思路进行研究需要更高灵敏度的粒子探测技术,这在当时还无法实现,地质学家们只能等待相关技术的发展。谁曾想,这一等就等了几十年。 

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戴维斯和谢弗1955年在《Ann NY Acad Sci》上发表的“Chlorine-36in nature”(图片来自网络)

  20世纪70年代,斯里尼瓦桑(B. Srinivasan)以及横山幸治(YujiYokoyama)等人对这种宇宙成因核素测年法的研究有了进展。斯里尼瓦桑发现了宇宙成因同位素Xe(氙)(包括124Xe、128Xe、131Xe),估算了它们的形成速率。而横山幸治等测定了宇宙成因同位素22Na(钠)和24Na的形成,给出了各种钠同位素形成速率的计算方法。 

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  斯里尼瓦桑、横山幸治20世纪70年代在《Earth and Planetary Science Letters》上发表的文章(图片来自网络)



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