同位素年代學，依據放射性衰變定律，通過測定自然界樣品中放射性核素及其衰變產物穩定子體含量，或者利用放射性射線和裂變碎片對周圍物質作用產生的次生現象及其影響程度，計算岩石、礦物或其他物質形成事件的年齡，研究地球和太陽系星球演化時間序列的學科。
基本介紹
- 中文名：同位素年代學
- 外文名：geochronology
- 所屬學科：物理學
- 內容：地質年代學、宇宙年代學和第四紀年代學
解釋,簡史,定年方法,推薦書目,
解釋
其任務是建立一套適合不同時段的可靠的同位素計時方法，測定天然物質的年齡並作出合理的解釋，為地球和太陽系演化歷經的事件確立時間坐標。同位素年代學包含地質年代學、宇宙年代學和第四紀年代學。地質年代學(geochronology)主要研究地質體的定年和地球演化的時間序列。宇宙年代學(cosmochronology)研究地外物質的定年和天體演化的事件時序。第四紀年代學(quaternarychronology)研究人類時代開始以來的地球物質定年和人類歷史斷代。
簡史
18世紀中葉之前，關於地球的起源及其年齡，是神學一類問題。
1650年，大主教厄謝爾斷然宣布：世界是公元前4004年創造出來的。隨著地質學作為一門學科的出現，地層學家和古生物學家根據岩石地層形成的先後關係和利用化石進行地層劃分與對比，建立了相對的地層年代表。
19世紀中葉，地質學家已確信演化的地球是十分古老的，至少已有10億年歷史，這種看法得到了生物學家的贊同；但是他們無法獲取準確的年代學數字。
19～20世紀之交，放射性的發現和放射性衰變理論的提出，使地質學家找到了一種能可靠測定地球和地外物質年齡的方法，稱為放射性定年或同位素定年。
1905年和1907年，美國化學家B.B.博爾特伍德和英國物理學家E.盧瑟福分別對鈾礦物進行定年工作，獲得最早的一批年齡數據。
1913年，地質學家A.霍姆斯在《地球的年齡》一書中，提出了第一張地質年代表，他依據放射性定年數據，指出前寒武紀片麻岩至少具有13億年的歷史。
1919年，英國物理學家F.W.阿斯頓設計製造質譜儀，被用於放射性定年。
1923年美國設定“原子蛻變地質年代測試委員會”，放射性定年方法獲得科學界正式承認。1940年，現代尼爾型質譜計問世，成為放射性定年的基本工具。20世紀40年代，作為同位素年代學的三個支柱的鈾–鉛、銣–鍶和鉀–氬定年方法陸續建立；50～60年代，這些方法在理論解釋和實驗技術方面不斷完善和提高。40年代末和50年代初，美國化學家W.F.利比發明放射性碳定年法，現已成為考古研究中廣泛套用的技術手段。
1964年，國際地質年代學委員會成立。隨著測試技術水平的日益提高，新的定年方法不斷地建立，如60年代的錸–鋨法、鈾系不平衡法、裂變徑跡法和氬法，70年代的沉降核類法、鑥–鉿法和釤–釹法，80年代初的電子自旋共振法和鑭–鈰法等。中國的同位素年代學實驗室建設和研究工作開始於20世紀50年代末期，1960年建立鉀–氬法定年，次年發表最早的一批年齡數據；1962年和1968年分別建立鈾–鉛和銣–鍶定年方法。
1972年，首次發表中國考古學研究的放射性碳定年數據。
定年方法
基本上可分為兩類：
第一類定年方法
基於天然放射性核素的衰變，直接利用衰變定律有關方程來定年的方法。原則上，任何自然界存在的放射性核素都能用於年齡測定。按照放射性衰變定律，定年方程可以寫成：或式中N0和N分別為岩石或礦物中放射性母體同位素的初始和現存原子數目；D*是放射成因子體的現今原子數目(D*＝N0－N)；λ是衰變常數；t是衰變經歷的時間（或岩石和礦物在某一次事件中形成的年齡）。上述方程表明，任何放射性母體隨時間按指數規律衰減，放射成因穩定子體隨時間呈指數增長。因而，只要準確測定岩石或礦物中母體和子體同位素的含量，就可以計算出岩石或礦物形成事件的年齡。
具體的定年方法按照放射性核素半衰期和它們的來源或起因不同，可分成4種情況。
①現存放射性核素定年。通過測定岩石或礦物中天然放射性母體及其衰變的最終子體的含量，利用方程(2)計算年齡。如鉀–氬法、銣–鍶法、鈾–鉛法、釤–釹法、鑭–鈰法、鑥–鉿法和錸–鋨法定年等。這些衰變系統自地球和天體物質形成以來一直存在，放射性母體半衰期長（7×108～1011年），是地質年代學和宇宙年代學的主要定年方法，通常用來測定第四紀以前的地質樣品和天體物質的年齡，鉀–氬法也可用於第四紀樣品的定年。
②天然放射系中間子核素定年。利用鈾–238、鈾–235和釷–232三個天然放射系的某些中間子核的放射性衰減或放射成因核素累增來進行定年的方法，統稱為鈾系法。已用於鈾系法定年的核素主要有鈾–234、釷–230、鏷–231、鉛–210和鐳–226等。它們的半衰期小於2.5×105年，適合於第四紀以來年輕地質體、環境和考古樣品的年齡測定。常用的方法有不平衡鈾法、–釷法、–鈾法、鏷–鈾法、–鏷法和鉛–210法等。
③已滅絕放射性核素定年。許多短壽命（半衰期小於108年）的現在已經滅絕的核素在太陽系演化早期曾經存在過，如碘–129、鈽–244、鉿–182、釤–146和鈮–92等。與這些核素有關的衰變系統（碘–氙、鈽–氙、鉿–鎢、釤–釹和鈮–鋯等）已被用來確定隕石的相對年齡，估算地球的年齡、地核形成年齡和地殼–地幔分異或最早地殼形成的年齡。
④宇宙成因和人為起因放射性核素定年。宇宙射線與地球大氣組分、地表和天體物質相互作用產生的放射性核素如碳–14、氚（氫–3）、鈹–10、鋁–26、矽–32、氯–36、氬–39、錳–53、鐵–55和氪–81等，能被用於海洋沉積物、有機碳樣品、大陸冰川和地下水等的定年，也可測定地球岩石的暴露年齡、隕石的宇宙線暴露年齡和墜地年齡。其中，碳–14法定年是最成熟的；通過測定含碳物質中碳–14的現存含量和確知的初始含量，利用方程(1)計算年齡。人類大氣核試驗釋放的放射性核素如氚、鍶–90、銫–137、鈰–144、鈽–239和鎇–241等，因參與大氣和水圈循環而沉降到地表水體或進入沉積物，也可以用來測定這些物質的年齡。一般把宇宙成因和人為起因核素中半衰期較短的矽–32、鐵–55、鍶–90、銫–137和鈰–144等的定年方法統稱為沉降核素法。
第二類定年方法
與核輻射效應有關，利用放射性射線或自然輻射以及裂變碎片對周圍物質作用的程度進行定年的方法。包括裂變徑跡法、熱釋光法和電子自旋共振法等。裂變徑跡法定年是依據鈾–238的自發裂變碎片對周圍物質作用產生的輻射損傷程度（裂變徑跡數目）隨時間變化這一現象來定年，適用時域廣，可以測定各類岩石或礦物的地質年齡、沉積盆地熱年代和斷層活動年齡等。熱釋光法和電子自旋共振法都是基於樣品吸收的自然輻射劑量是時間的函式這一原理來定年的，區別之處在於它們計算礦物所接受的累積輻射劑量時依據的物理現象不同，前者利用熱釋光強度，後者則根據未成對電子的數目（電子自旋共振強度）；這兩種方法可套用於第四紀沉積物、斷層活動、考古和古人類活動的遺址的定年。常用的放射性核素定年方法及其定年範圍見表。
常用的放射性核素定年方法及其定年範圍①方法母體衰變方式②半衰期（年）定年範圍（年）鉛–210210Pbβ−22.3≤100碳–1414Cβ−5730200～5×104鏷–鈾231Paα3.28×1043×103～20×104–鏷230Th,231Paα5.817×104③4×103～30×104–釷230Thα7.52×1045×103～40×104–鈾230Th,234Uα1.097×105③5×103～35×104不平衡鈾234Uα2.48×1051×104～125×104鋁–2626Alβ+,EC7.05×105＜4×106鈹–1010Beβ−1.51×106＜9×106碘–129129Iβ−1.6×107＜1×108鈾–鉛235Uα7.038×1088×107～4×109鉀–氬40Kβ−,EC1.25×1095×104～4×109鈾–鉛238Uα4.468×1098×107～＞4.6×109釷–鉛232Thα1.401×10108×107～＞4.6×109錸–鋨187Reβ−4.3×10101×108～＞4.6×109銣–鍶87Rbβ−4.88×10108×107～＞4.6×109釤–釹147Smα1.06×10113×108～＞4.6×109
註：①表中按放射性核素的半衰期增長的順序排列。
②衰變方式分別代表α衰變、β+衰變、β−衰變和電子俘獲衰變(EC)。
③有效半衰期，其相應的衰變常數等於兩種母核的衰變常數之差。
推薦書目
范嗣昆,伍勤生.同位素地質年齡測定.北京:科學出版社,1975.
