同位素年齡測定

基本原理是：假設岩石形成時，含有一定量的具放射性的母體同位素，隨時間的流逝，該母體同位素蛻變，其含量逐漸減少，蛻變后形成的子體同位素則逐漸增多，只要測定母體同位素與子體同位素之比，則該比值就可作為岩石形成以來的時間的尺度。

測定地質年代的同位素須具備2個基本條件：

（1）母體同位素在岩石中分佈較普遍，並能測定其含量；

（2）其子體同位素能在岩石中保存下來，並可測定其含量。

有些同位素是不穩定的，隨時間將衰變成一種或多種同位素，每種同位素放射衰變的速率是恆定的。同位素衰變為最初總量的一半所需要的時間稱為該同位素的半衰期。累積的衰變產物與原始同位素剩餘量的比值，可用來測定含有放射性礦物的岩石年齡。計算公式為：

D*=N（eλt-1）或t=1/λ*ln（1+D*/N）

U238和U235都自然地衰變並釋放出α粒子。U238的半衰期是45億年，即1克U238在45億年後將剩下0.5克，90億年之後只剩0.25克，依此類推。U238衰變成U234，然後依次相當快地經過一系列子體產物衰變成同位素Pb206。同樣，U235衰變成Pb207，Th232衰變成Pb208如此放射衰變的結果，含鈾礦物不斷地積累著鉛。這三個衰變系列可分別用下列簡化式來表示：

238U→206Pb+8α+6β-

235U→207Pb+7α+4β-

232Th→208Pb+6α+4β-

用鈾一鉛測定法確定岩石年齡的程序如下：

1）從要測定的岩石里分離出含鈾礦物，如鋯石。首先把岩石粉碎成1毫米大小的碎屑，然後把岩屑放入重液，鋯石等重礦物將下沉，且輕礦物則浮起並可從液體中離析出來，再把鋯英石從其他重礦物中離出。

2）仔細的進行化學分析，測出鋯石內鈾和鉛的總量。

3）用質譜儀測出每個鉛同位素的相對含量（同位素比值）。

4）岩石的近似年齡可通過上面公式算出，即從U238－Pb206、U235－Pb207、Th232－Pb208，或是由Pb206與Pb207的比值計算出來。

自然鉀有三個同位素，即K39、K40和K41，穩定同位素、K41的丰度遠比不穩定同位素K40要高。通過質子對電子的捕獲，K40轉變成惰性氣體Ar40。K40的半衰期是13億年，因此很老的岩石年代可以用鉀氬法測定，40，000年以前的岩石仍可以用這個方法測定。黑雲母、白雲母、角閃石、透長石、海綠石和蘭閃石等含鉀礦物，以及全岩都可用K－Ar法測定。由於含鉀礦物在多數岩石里較豐富，因此這一方法被廣泛應用。礦物或岩石內鉀的含量可由化學分析得知，氬的百分數由質譜儀間接測定而得。但氬是氣體，它可以在變質期間從礦物和岩石中丟失。由於這個原因，鉀－氬法提供的是花崗質岩石最後一次熱事件的年齡，變質岩最後一次變質的年齡，或者一個地區最後一次重要上升和剝蝕的年齡。因為氬丟失的可能性大，所以一般認為鉀－氬法得出的數據，代表著岩石的最低限年齡，然而有的情況用鉀氬法測得的年齡又太老。如果變質作用期間它不完全丟失，Ar40可以從沉積岩里原先的礦物繼承下來，變質岩測出的年齡就比真正變質作用的時代要老。在測定淺變質岩（如板岩）時，會有這種問題。此外，有些礦物可以吸附外來的氬，對這種礦物用鉀氬法測得的年齡數據一般偏大。

多數造岩礦物里含有少量的銣，不穩定同位素Rb87衰變放射出一個電子成為Sr87。衰變公式為：87Rb→87Sr+β-+υ+Q。Sr87的半衰期為500億年，可用它測定古生代和前寒武紀的地質事件。假定岩石結晶時所有礦物含Sr87和Sr86的比值相同。存在於岩石內Sr87的累積數量和Rb87的初始數量是成正比關係，所以隨著時間變化岩石內Sr87/Sr86的比值將增加，而Rb87/Sr86的比值則減小。在Rb-Sr等時線圖上Sr87/Sr86的比值與Rb87/Sr86的比值是相對應的，由於Rb87的半衰期已經知道，樣品的年齡可從等時線的斜率計算出來，它在圖上是一條連接各點的直線，全岩Rb-Sr年齡是通過用Rb-Sr等時線圖來測定。由於黑雲母和白雲母在變質時可能丟失Sr，因此這些礦物的Rb-Sr測定所提供的年齡值是岩石最後受熱的年齡。另一方面，在中等熱度情況下， Sr往往不從岩石里移出，所以一個Rb-Sr年代一般可提供火成岩最初結晶的年齡，或者變質岩第一次強烈變質的年齡。然而，如果岩心曾受過交代蝕變作用或者曾受過兩次強烈變質作用，全岩Rb-Sr測定所表示的年齡值可能是最後的而不是最初的地質事件。

晶體或玻璃質內的U238和U235能自發地裂變產生很細的裂變徑跡，呈線形帶狀，長約0.0075mm，寬約0.000001mm。它是由於結晶格架中的缺損或玻璃內化學鍵的破壞造成裂變碎片高速運動而引起的。每單位面積的徑跡數目是鈾的丰度和該物質年齡的函數。只要鈾的含量被測出來，則其年齡便可由計算一定面積內含的徑跡數目而測得。因裂變徑跡的直徑非常小，它們需要在酸溶液里浸蝕放大，這個方法最有效的方面是可測定非常小的標本。不利的一面是晚期熱事件可導致徑跡的破壞，因此這個方法只能給出最小年齡值。

斯托克思（W.L.Stokes）認為C14測定法是極為成功的方法。放射性C14是由於大氣層中宇宙射線衝擊N14而產生的。C14與氧結合形成二氧化碳，二氧化碳被生物吸收到組織、外殼和骨骼。當生物活著的時候，放射性同位素C14與穩定同位素C12的比例保持平衡。雖然C14有一部分衰變為C12，但是新的C14不斷補充進去，使C14與C12的比例仍然保持平衡。當生物死後，C14不僅得不到補充，相反由於衰變而含量不斷減少。C14的半哀期為5730年。其半衰期是如此之短，以至這種方法只適於測定40，000年以內的年齡（但若用補充方法也可得到60,000年範圍內的年齡數據）。人們把標本中含C14率與現代生物中含C14率進行比較以求得標本年齡。C14測定法被古人類學家、考古學家和地質學家廣泛採用。用這種方法可測定炭片、木頭、穀物、蜂臘、頭髮、纖維、泥炭、生物殼、象牙、骨頭等物的年齡。