放射性与地球年龄

资源学院：苏本玉地球物理学导论地质现象是过去已经发生过的事件遗留下来的痕迹的总和。2放射性与地球年龄地质学家和古生物学家依靠古代动物和植物的化石来确定地层的年龄，发射性发现之后，测定地层和矿物的年龄才有物理依据。过去现在将来2.1元素的放射性2.2放射性系列和放射性平衡2.3地球年龄的测定2放射性与地球年龄2.1.1同位素放射性衰变2.1.2放射性衰变规律2.1元素的放射性2.1.1同位素放射性衰变某些元素的原子核能够在不受外界条件影响下，自发地变成另一种元素的原子核，同时发射出射线，这种现象叫做放射性衰变。这种不依靠外力而自发衰变的元素叫天然放射性元素。所有原子序数Z83的元素同位素均为天然放射性元素。自然界中的所有元素经过人为放射性元素照射后，都能显示出放射性能力。具有这种放射性能力的元素叫做人工放射性元素，或者叫做人工放射性同位素。2.1.1同位素放射性衰变衰变母体衰变子体新的元素射线,,cmHe3-4210.24,,:穿透能力仅为穿透能力很差，对岩石少，原子序数减数减少衰变的母元素原子质量因此，发生是指粒子流也叫射线2.1.1同位素放射性衰变.,1,,:01几毫米厚的岩石质量数不变，可以穿透不变，原子序数增加变的母元素原子质量数衰因此，发生是指粒子流也叫射线e十厘米岩石。穿透几厘米到几物穿透能力很强。可以低能级的基本态产能级的激发态跃迁回到原子核由高波长极短的电磁辐射，射线:2.1.2放射性衰变规律特殊优点：放射性元素的衰变都是由给定的放射性原子核的特征概率所决定。这种概率特征不受外界的物理环境的影响（例如，温度、压力、地球磁场等因素），而且与原子核的形成的时间无关。放射性元素的衰变规律：每单位时间所衰变的原子数目仅与当时存在的衰变原子的数目成正比。由给定的放射性原子核的特征概率所决定。这种概率特征不受外界的物理环境的影响（例如，温度、压力、地球磁场等因素），而且与原子核的形成的时间无关。2.1.2放射性衰变规律放射性元素的衰变规律：每单位时间所衰变的原子数目仅与当时存在的衰变原子的数目成正比。称为衰变常数。它反映了不同放射性元素的衰变特性。上式子表明了放射性元素的衰变规律。在放射性衰变过程中，原子数目是按指数规律减少的，不同的放射性元素具有不同的，其值越大，衰减的越快。NdtdNteNN02.1.2放射性衰变规律常用来表示衰变速率的量是半衰期2/1002TeNN693.02ln2/1T放射性元素半衰期越大，衰变的越慢。通常人为原子数衰变到原来的数目的千分之一时，放射性衰变就结束了，这段时间大约为半衰期的十倍。2.2放射性序列和放射性平衡2.2.1放射性级联衰变系列2.2.2放射性平衡2.2.1放射性级联衰变系列每一系列中由一个起始元素，它经过放射性衰变成为一个新的核素，这个核素不稳定，继续进行蜕变，直到生产稳定的核素为止，形成放射系，也称为级联衰变链。放射系有4个：钍系、铀系、锕系和镎系2.2.1放射性级联衰变系列1）钍系：从232Th开始，经过10次连续衰变，包括6次α衰变，4次β衰变，最后到稳定元素的原子核208Pb。该系成员的质量数A都是4的整倍数，A=4n，所以钍系也叫4n系。母核232Th的半衰期为1.41×1010年。子核半衰期最长的是228Ra（镭），其值为5.76年。所以，钍系建立起长期平衡，需要几十年时间。质量数A=4n钍系2.2.1放射性级联衰变系列•2）铀系：从238U开始，经过14次连续衰变，包括8次发射α粒子的衰变和6次发射β粒子的衰变，最后到稳定元素的原子核206Pb。该系成员的质量数A都是4的整倍数加2，A＝4n+2，所以铀系也叫4n+2系。母核238U的半衰期为4.468×109年。子核半衰期最长的是234U，其值为2.45×105年。所以，铀系建立起长期平衡，需要几百万年的时间。铀系质量数A=4n+22.2.1放射性级联衰变系列3）锕系：从225U开始，经过11次连续衰变，包括7次是α衰变和4次β衰变，最后到稳定元素的原子核207Pb。由于235U俗称锕铀，因而该系称为锕系。该系成员的质量数A都是4的整倍数加3，A=4n+3，所以锕系也叫4n+3系。母核235U的半衰期为7.038×108年。子核半衰期最长的是231Pa（镤），其值为3.28×104年，所以，锕系建立起长期平衡，需要几十万年的时间。锕系质量数A=4n+32.2.1放射性级联衰变系列•4）镎系：该系母体通常是238Pu（钚）。把235U放在反应堆中照射。连续俘获3个中子，变成238U，再经过两次β-衰变，便得到238Pu。238Pu的半衰期是14.4年，经过13次衰变（包括8次α衰变和5次β衰变）到209Bi（铋）。在这个放射系中237Np的半衰期最长，为2.14×106年，所以这个系称为镎系。该系成员的质量数A都是4的整倍数加1，A＝4n+1，因此也叫4n+1系。镎系质量数A=4n+12.2.1放射性级联衰变系列镎系中，镎的半衰期最长，为2.14×l06年，由于其比地球年龄短得多，因此天然不存在镎系。2.2.2放射性平衡在递次衰变中，如果母体的半衰期比子体长，从纯母体出发，经过足够长（7～10倍于子体半衰期）时间以后，母体发生衰变的原子数与中间子体发生衰变的原子数相同，称在该母子体之间达到了放射性平衡。N2N1N32.2.2放射性平衡1,2,分别代表相继母、子体两代元素的衰变常数，N1和N2分别代表他们在任意时刻t的原子数目，1N1母体的衰变率，2N2是子体的衰变率。22112ddNNtN已知条件:t=0时,（1）母体原子数目N01,（2）子体原子数目N02=0)(21120112tteeNN2.2.2放射性平衡12时)(21120112tteeNN)1(22112teNN表示子体元素的积累2.2.2放射性平衡)1(22112teNNt2211NN表明两代元素达到了平衡状态。从理论上，两代元素达到放射性平衡所需要的时间是t→∞,实际上，只要t10T1/2就可以认为放射性达到了平衡状态，误差0.1%。2.2.2放射性平衡自然界中，钍系一般都处于平衡状态，因为钍系中半衰期最长的子体，其半衰期为6.75年，一般60年即可出现平衡。铀系则常处于不平衡状态，而铀系即铀-镭间的放射性平衡问题对找矿有重要意义。引入铀-镭平衡系数C:铀系处于平衡状态时，7104.3)(/)(UmRam2.2.2放射性平衡C=1表示镭处于平衡状态；C1平衡趋向于镭，称为富镭；C1平衡趋向于铀，称为富铀。67109.2)](/)([104.31)](/)([UmRamUmRamC7104.3)(/)(UmRam2.2.3岩（矿）石的放射性自然界中，几乎所有的岩石和矿物都含有一定数量的放射性元素，所以，几乎各种岩石都有或弱或强的放射性。钾的一种同位素40K也具有放射性，放射性不强，但是40K在地壳中普遍存在，所以对岩矿石的放射性影响很重要。微量的铀和钍及它们的衰变产物岩矿石放射性不同种类的岩石，形成过程中所处的物理化学环境、成份不同，所以放射性不同。2.2.3岩（矿）石的放射性1）岩浆岩：不同种类的岩浆岩的天然放射性差别很大。酸性岩浆岩：放射性强中性岩浆岩：放射性中基性岩浆岩：放射性弱超基性岩浆岩：放射性最弱2.2.3岩（矿）石的放射性2）沉积岩：沉积岩的放射性含量主要随粘土含量增加而增加，粘土吸附性较强，在沉积过程中吸附了较多的铀和钍的化合物；3）变质岩：放射性元素的含量与变质前的含量和变质程度有关；4）蚀变岩与未蚀变岩相比，蚀变围岩中的铀含量增高。5）不同年代的同一种岩性的岩石，或不同地区的同一种岩性的岩石，其中的铀、钍和钾含量也有很大差异，一般规律是年代越新铀含量越高。2.2.4放射性产生的热放射性元素衰变，辐射出α、β粒子和γ射线由于周围介质的作用而趋于停止，全部被周围介质吸收，它们的动能就转换为介质加热。地球热量的来源：1）主要考虑，238U、235U和232Th：半衰期长，地球岩石中分布广。2）40K同位素：在地质历史时期，丰度高。热量的测定原则上，如果知道最终生产的元素的质量，母元素的质量以及辐射的粒子：2.2.4放射性产生的热2221)(mccmmE爱因斯坦能量公式•实验室测定各种辐射产生的能量：元素生热率→岩矿物生热率→岩矿石的生热量•根据放射性元素的浓度和生热率，计算出每年每克物质产生的能量（卡）。2.2.4放射性产生的热放射性元素半衰期(亿年)生热率(J/g.a)235U7.0418238U452.79232Th1410.8440K15.40.922.2.4放射性产生的热J/g.a：每年每克物质产生的焦耳数岩石生热率(J/g.a)岩石生热率(J/g.a)花岗岩34.33×10-6榴辉岩0.33×10-6～1.42×10-6中性岩浆岩14.24×10-6橄榄岩0.04×10-6玄武岩5.02×10-6球粒陨石0.16×10-62.2.4放射性产生的热J/g.a：每年每克物质产生的焦耳数壳层235U238U232ThK共计所占比例(%)地壳22.59535.55544.76158.991261.8976.3地幔5.86144.35168.6146.02364.8421.7地核0.8516.7414.64/32.222.0共计29.29698.73728.02205.021661.06100所占比例(%)1.741.744.312.31002.2.4放射性产生的热地球各壳层的放射性生成热2.2.4放射性产生的热地球释放总能量5.8x1030-20.0x1030J流出地球总能量0.84x1030-8.0x1030J地球总的来说地球在加热2.3地球年龄的测定方法1、1962开尔文（1824～1907）：地球冷却推断地球的年龄约为100万年。2、1899年爱尔兰地质学家狄利通过海水的盐度推断地球的年龄约为100万年。3、后来地质学家依靠古代动植物的化石来测定地层年龄，推断地球的年龄为几亿年。4、1896年，法国物理学家贝克勒尔发现元素的放射性。提供了测定绝对地质年龄的工具。5、1906年，英国物理学家卢瑟福提出利用放射性同位素测定岩石年龄和地球年龄的方法。基于这种方法发展成为专门学科，叫做“地质年代”2.3地球年龄的测定方法2.3.1放射性测年原理2.3.2同位素地质年龄2.3.3放射性测年方法2.3.4地球年龄2.3.5地球年表2.3.1放射性测年原理设母元素的数量为N,相继产生的子元素的数理分布为N1、N2、…Nn,其中Nn最后稳定元素的数量。它们之间的关系为：1122112111nnnNdtdNNNdtdNNNdtdNNdtdN2.3.1放射性测年原理00NNt时，则有若NdtdNdtNdNtNNdtdNN001teNN02.3.1放射性测年原理00210nNNNNNt，时，则有若NdtdNdtNdNtNNdtdNN001teNN02.3.1放射性测年原理)()(122101210101211ttttttteeeeNNeeNNeNN2.3.1放射性测年原理teNN0引入量：*NNNN0*NNeNt*)1(*teNNnNN*)1(tneNN)1ln(1NNtn)1(*teNN2.3.2同位素地质年龄同位素地质年龄，简称同位素年龄，过去和现在有人也把它称作绝对年龄，是指利用放射性同位素放射性衰变规律，测定矿物或岩石在某次地质事件中，从岩浆熔体、流体中结晶或重结晶后，到现在所经历的时间。岩浆岩：最近一次冷却结晶成岩的年龄；沉积岩：最近一次上升或剥蚀的年龄；