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考古和地质学中用到的几种年代测定方法及基本原理

2006-12-23 15:39阅读:
考古和地质学中用到的几种年代测定方法及基本原理
1 碳同位素测定法

主要用于测定动植物活体组织存活的时间。比如一个树的生长年龄,生物壳的年龄等。

每种活着或者曾经活着的动植物体内都含有碳原子(地球生物生命的基础正是碳水化合物)而碳原子有三种同位素C12(6个质子6个中子)C13(6个质子7个中子)C14(6个质子8个中子)。其中C14最不稳定,会最终蜕变成C12。而有机体活着时通过进食或光合作用进入体内的新的C14原子增加的速度和体内原有的C14原子蜕变的速度是一样的。这样当这个有机体活着时,体内的C12和C13混合比例大约为90:1。但C13比C12多一个粒子,移动速度要稍微慢一点,这样对于任何一个化学作用,最终都会产生C12比C13稍多一点或稍少一点的情况,当这个有机体死亡时这一情况就固定了下来。用精密的测试设备测量这一微小的情况后就可以计算出这个有机体曾经生存的时间长短了。

植物吸入CO2经自身光合作用后,一部分C原子与自身组织结合在一起。而不同种类不同地域的植物这一过程有着极小的差别:C12和C13混合比例不同。利用这微小的差别就可以区分出几万年前的不同植物。
此方法对采样的纯净度要求较高。只适于测定35,000年以内的年龄


2 C14测定法

在碳同位素测定法中我们提到每种活着或者曾经活着的有机体活着时,通过进食或光合作用进入体内的新的C14原子增加的速度和体内原有的C14原子蜕变的速度是一样的,其体内的C14含量是保持稳定的。当这个有机体死亡时,没有外界C14原子的补充,C14含量开始下降。从下降的总量可以测定这个有机体自死亡后存在了多长时间了。
此方法同样对采样的纯净度要求较高。但自然界的环境对有机体体内的C14含量有一定的影响。如火山活跃期间大气中CO2含量是上升的,陆生动植物体内的C14原子也会升高。海洋温度上升时,海水中溶解的CO2含量会降低,海洋动植物体内的C14原子也会降低。
C14的半哀期为5730年。这种方法只适于测定40,000年以内
的年龄(但若用补充方法也可得到60,000年范围内的年龄数据)。偏差大约为20%。





3 钾 氩年龄测定法.

自然钾有三个同位素,即K39、K40和K41,稳定同位素K41的含量远比不稳定同位素K40要高。通过质子对电子的捕获,K40转变成惰性气体Ar40。K40的半衰期是13亿年,因此很老的岩石年代可以用钾氩法测定,40,000年以前的岩石仍可以用这个方法测定。由于含钾矿物在多数岩石里较丰富,因此这一方法被广泛应用。矿物或岩石内钾的含量可由化学分析得知,氩的百分数由质谱仪间接测定而得。但氩是气体,它可以在地质变化期间从矿物和岩石中丢失。丢失的可能性大,所以一般认为钾-氩法得出的数据,代表着岩石的最低限年龄,然而有的情况用钾氩法测得的年龄会有问题。有些矿物可以吸附外来的氩,对这种矿物用钾氩法测得的年龄数据一般偏大。


适于测定200,000年以前的年龄。多用于岩石的年代测定



4 铀 铅测定法

岩石内部存在有锆酸盐宝石的微小晶体。这些晶体是由并不很稀少的金属锆原子硅原子,氧原子组成的。当这些晶体形成时,建造起由锆、硅、氧三种原子组成的有规则的晶体格。别的类型的宝石晶体可能会有别的金属原子嵌入晶格并取代一个原来的锆原子。而锆酸盐晶格能容纳铀原子并且不能容纳铅原子,这样晶格形成时晶体有少量的铀而没有铅原子,而铀原子是放射性原子,经过一系列蜕变最终形成铅原子。U238的半衰期是45亿年,通过测量锆酸盐宝石中的铀铅含量,可以计算出岩石的年龄。

而岩石在地质运动中,受压力,温度等的影响,锆酸盐宝石晶格可能破裂,铅可能泄漏出去,对此,通过分析晶体的不同部位,找出其中铅含量最大值的部分,可以避免因地质运动引起的年代测定误差。


目前地球上最古老的岩石是发现于澳大利亚的一块43亿年前的岩石。


5 铷 锶测定法

和铀一铅测定法类似

多数造岩矿物里含有少量的铷,不稳定同位素Rb87衰变放射出一个电子成为Sr87。Sr87的半衰期为500亿年,可用它测定古生代和前寒武纪的地质事件。

6 裂变径迹


晶体或玻璃质内的U238和U235能自发地裂变产生很细的裂变径迹,呈线形带状,长约0.0075mm,宽约0.000001mm。它是由于结晶格架中的缺损或玻璃内化学键的破坏造成裂变碎片高速运动而引起的。每单位面积的径迹数目是铀的丰度和该物质年龄的函数。只要铀的含量被测出来,则其年龄便可由计算一定面积内含的径迹数目而测得。因裂变径迹的直径非常小,它们需要在酸溶液里浸蚀放大,

这个方法最有效的方面是可测定非常小的标本。不利的一面是晚期地质运动很可能导致径迹的破坏,因此这个方法只能给出最小年龄值。

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