裂變徑跡測(cè)年原理及對(duì)溫度的響應(yīng)

1、裂變徑跡測(cè)年原理及對(duì)溫度的裂變徑跡測(cè)年原理及對(duì)溫度的響應(yīng)響應(yīng)衛(wèi)江偉2015/6/4內(nèi)容概述： 一、一、 裂變徑跡產(chǎn)生原理裂變徑跡產(chǎn)生原理 二、二、 裂變徑跡定年原理裂變徑跡定年原理 三、三、 裂變徑跡封閉溫度原理裂變徑跡封閉溫度原理 四、四、 裂變徑跡相關(guān)應(yīng)用裂變徑跡相關(guān)應(yīng)用一、一、 裂變徑跡產(chǎn)生原理裂變徑跡產(chǎn)生原理 （一）裂變產(chǎn)生（一）裂變產(chǎn)生 （二）徑跡蝕刻（二）徑跡蝕刻 （三）徑跡形態(tài)（三）徑跡形態(tài)一、 裂變徑跡產(chǎn)生原理 （一）裂變產(chǎn)生（一）裂變產(chǎn)生 裂變裂變與與衰變衰變均屬于自然界放射性同位素由不穩(wěn)定均屬于自然界放射性同位素由不穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)時(shí)所發(fā)生的核反應(yīng)過程；狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)

2、時(shí)所發(fā)生的核反應(yīng)過程； 核衰核衰變通常是指變通常是指、等衰變；等衰變； 核裂變核裂變是指一個(gè)重元素的原子核分裂為兩個(gè)質(zhì)量是指一個(gè)重元素的原子核分裂為兩個(gè)質(zhì)量相差不遠(yuǎn)的碎片；裂變反應(yīng)可分為相差不遠(yuǎn)的碎片；裂變反應(yīng)可分為自發(fā)裂變自發(fā)裂變和和誘誘發(fā)裂變。發(fā)裂變。自發(fā)裂變自發(fā)裂變是原子核在沒有外來因素影響是原子核在沒有外來因素影響下自行發(fā)生的核裂變，下自行發(fā)生的核裂變，屬于核素放射性衰變的一屬于核素放射性衰變的一種類型種類型； 誘發(fā)裂變誘發(fā)裂變是重原子核受外來粒子轟擊，發(fā)生的核是重原子核受外來粒子轟擊，發(fā)生的核裂變反應(yīng)，以中子誘發(fā)核裂變最為重要裂變反應(yīng)，以中子誘發(fā)核裂變最為重要 （一）裂變產(chǎn)生（一）裂

3、變產(chǎn)生 重核裂變之后，由于質(zhì)量減少，產(chǎn)生約重核裂變之后，由于質(zhì)量減少，產(chǎn)生約200MeV能能量，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱炎兒笏槠膭?dòng)能，兩個(gè)碎片量，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱炎兒笏槠膭?dòng)能，兩個(gè)碎片在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過一系列在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過一系列或其他形式衰變最終形或其他形式衰變最終形成兩個(gè)穩(wěn)定的核素；成兩個(gè)穩(wěn)定的核素； 碎片運(yùn)動(dòng)時(shí)與碎片運(yùn)動(dòng)時(shí)與周圍物質(zhì)的原子核和電子發(fā)生電磁周圍物質(zhì)的原子核和電子發(fā)生電磁作用作用，從而使碎片改變方向和損失能量；，從而使碎片改變方向和損失能量； 當(dāng)通過的物質(zhì)為當(dāng)通過的物質(zhì)為絕緣材料絕緣材料時(shí)，就會(huì)沿著運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，就會(huì)沿著運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生一個(gè)放射性損傷的狹窄痕跡即徑跡；產(chǎn)生一個(gè)放射性損傷的狹窄

4、痕跡即徑跡； 解釋：解釋：1）緩慢冷卻重結(jié)晶；）緩慢冷卻重結(jié)晶；2）“離子爆炸尖峰離子爆炸尖峰”模型：電離化模型：電離化正離子正離子排斥排斥損傷區(qū)域損傷區(qū)域 此時(shí)形成的徑跡稱為此時(shí)形成的徑跡稱為潛徑跡潛徑跡。一、 裂變徑跡產(chǎn)生原理 （二）徑跡蝕刻（二）徑跡蝕刻 裂變徑跡（裂變徑跡（潛徑跡潛徑跡）直徑約）直徑約50100，即，即5-10nm，長(zhǎng)度約，長(zhǎng)度約15m4，只能在，只能在電子顯電子顯微鏡下觀察到微鏡下觀察到； 由于裂變徑跡區(qū)域特殊的晶格構(gòu)成，可以由于裂變徑跡區(qū)域特殊的晶格構(gòu)成，可以與特定的蝕刻劑發(fā)生反應(yīng)而被溶解，直徑與特定的蝕刻劑發(fā)生反應(yīng)而被溶解，直徑擴(kuò)大到擴(kuò)大到1-2m，長(zhǎng)度基本不變，

5、長(zhǎng)度基本不變(15m左右左右)； 這時(shí)就可以在這時(shí)就可以在普通光學(xué)顯微鏡下普通光學(xué)顯微鏡下觀察和統(tǒng)觀察和統(tǒng)計(jì)裂變徑跡的長(zhǎng)度和數(shù)目，此時(shí)看到的稱計(jì)裂變徑跡的長(zhǎng)度和數(shù)目，此時(shí)看到的稱為為徑跡徑跡； （三）徑跡形態(tài) 裂變徑跡蝕刻外貌外貌受礦物結(jié)晶對(duì)稱性、蝕刻面在晶體結(jié)構(gòu)中的位置、徑跡取向、蝕刻時(shí)間等有關(guān)；徑跡蝕刻數(shù)目數(shù)目與蝕刻劑種類和濃度、蝕刻時(shí)間、蝕刻溫度、蝕刻面在晶體結(jié)構(gòu)中的位置有關(guān)。表1 不同的常見礦物的蝕刻條件礦物名稱蝕刻劑溫度時(shí)間磷灰石70%HNO32015s白云母40%HF204h鋯石20gNaOH+5gH202202.5h榍石6:3:2:1 H2O+HCl+HNO3+HF205min圖

6、圖1 磷灰石（磷灰石（0001）面蝕刻徑跡隨蝕刻時(shí)間的變化）面蝕刻徑跡隨蝕刻時(shí)間的變化注：注：磷灰石磷灰石（Ca5PO43(F,OH)）六方晶系，柱狀）六方晶系，柱狀,無雜質(zhì)者無色透明；無雜質(zhì)者無色透明； 鋯石鋯石（ZrSiO4）島狀硅酸鹽礦物，四方晶系，呈四方雙錐、柱狀等。）島狀硅酸鹽礦物，四方晶系，呈四方雙錐、柱狀等。 磷灰石裂變徑跡鏡下照片：二、二、 裂變徑跡定年原理裂變徑跡定年原理 （一）（一） 定年基本思路定年基本思路 （二）（二） 定年公式推導(dǎo)定年公式推導(dǎo) （三）（三） 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校正相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校正二、二、 裂變徑跡定年原理裂變徑跡定年原理 （一）（一） 定年基本思路定年基本思路 一般

7、同位素定年基本思路：一般同位素定年基本思路： 已知一衰變體系，則已知一衰變體系，則衰變常數(shù)衰變常數(shù)確定確定（ ）；）； 分別測(cè)定放射性分別測(cè)定放射性母體當(dāng)前剩余含量母體當(dāng)前剩余含量（N）及）及子體同位素當(dāng)前含量子體同位素當(dāng)前含量（D*）；）； 帶入帶入衰變方程衰變方程獲取同位素封閉年齡；獲取同位素封閉年齡；) 1(0*tteNNNeNNDteNN0 裂變徑跡定年基本思路：裂變徑跡定年基本思路： 已知已知238U自發(fā)裂變衰變常數(shù)自發(fā)裂變衰變常數(shù)F; 測(cè)定測(cè)定238U發(fā)生自發(fā)裂變的原子含量，相當(dāng)于發(fā)生自發(fā)裂變的原子含量，相當(dāng)于測(cè)定測(cè)定D*值值，可以通過測(cè)定，可以通過測(cè)定自發(fā)徑跡的密度自發(fā)徑跡的密度

8、(s)轉(zhuǎn)換得到；轉(zhuǎn)換得到； 測(cè)定測(cè)定238U當(dāng)前剩余的原子含量，相當(dāng)于測(cè)定當(dāng)前剩余的原子含量，相當(dāng)于測(cè)定N值值，目前常用的是間接法測(cè)量，目前常用的是間接法測(cè)量238U的含量，的含量，通過測(cè)量樣品中通過測(cè)量樣品中235U含量，利用自然體系中含量，利用自然體系中238U和和235U含量比值的固定關(guān)系求的含量比值的固定關(guān)系求的238U的的含量。含量。235U含量可通過將樣品進(jìn)行反應(yīng)堆中含量可通過將樣品進(jìn)行反應(yīng)堆中子照射，得到誘發(fā)徑跡，通過統(tǒng)計(jì)子照射，得到誘發(fā)徑跡，通過統(tǒng)計(jì)誘發(fā)徑跡誘發(fā)徑跡密度（密度（i）轉(zhuǎn)換得到。轉(zhuǎn)換得到。二、二、 裂變徑跡定年原理裂變徑跡定年原理 （二）（二） 定年公式推導(dǎo)定年公式

9、推導(dǎo) （三）（三） 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校正相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)校正 標(biāo)準(zhǔn)礦物校正標(biāo)準(zhǔn)礦物校正 鈾標(biāo)準(zhǔn)玻璃校正鈾標(biāo)準(zhǔn)玻璃校正)1ln(1gIgtiisFDD三、三、 裂變徑跡封閉溫度原理裂變徑跡封閉溫度原理 （一）（一） 裂變徑跡部分退火帶及封閉封閉溫裂變徑跡部分退火帶及封閉封閉溫度度 （二）（二） 裂變徑跡長(zhǎng)度分布與熱史裂變徑跡長(zhǎng)度分布與熱史三、三、 裂變徑跡封閉溫度原理裂變徑跡封閉溫度原理 （一）（一） 裂變徑跡部分退火帶及封閉封閉溫度裂變徑跡部分退火帶及封閉封閉溫度 退火退火：裂變徑跡（潛徑跡）并不總是穩(wěn)定存：裂變徑跡（潛徑跡）并不總是穩(wěn)定存在，潛徑跡的穩(wěn)定性受溫度影響最為明顯，在，潛徑跡的穩(wěn)定性受溫度影響最為

10、明顯，表現(xiàn)為表現(xiàn)為隨溫度升高隨溫度升高而而徑跡密度減少徑跡密度減少、長(zhǎng)度變長(zhǎng)度變短短直至完全消失，這種受加熱徑跡發(fā)生衰退直至完全消失，這種受加熱徑跡發(fā)生衰退的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為退火退火； 徑跡退火有一個(gè)上限溫度當(dāng)溫度高于該溫度徑跡退火有一個(gè)上限溫度當(dāng)溫度高于該溫度后，徑跡完全消失，這一溫度稱為后，徑跡完全消失，這一溫度稱為封閉溫度封閉溫度,磷灰石徑跡封閉溫度在磷灰石徑跡封閉溫度在120左右；左右； 部分退火帶部分退火帶:從徑跡開始發(fā)生退火到完全退火從徑跡開始發(fā)生退火到完全退火（消失）對(duì)應(yīng)的溫度范圍稱為（消失）對(duì)應(yīng)的溫度范圍稱為部分退火帶部分退火帶，磷灰石的部分退火帶大致為磷灰石的部分退火帶大致

11、為70120。三、 裂變徑跡封閉溫度原理 （二）（二） 裂變徑跡長(zhǎng)度分布與熱史裂變徑跡長(zhǎng)度分布與熱史 徑跡長(zhǎng)度和數(shù)目都受溫度影響明顯，不同的徑跡長(zhǎng)度和數(shù)目都受溫度影響明顯，不同的冷卻歷史（或熱史）對(duì)應(yīng)有不同的徑跡長(zhǎng)度冷卻歷史（或熱史）對(duì)應(yīng)有不同的徑跡長(zhǎng)度分布圖。分布圖。圖圖2 幾種受熱史的古徑跡長(zhǎng)度分布圖幾種受熱史的古徑跡長(zhǎng)度分布圖四、四、 裂變徑跡相關(guān)應(yīng)用裂變徑跡相關(guān)應(yīng)用 （一）（一） 造山帶隆升過程造山帶隆升過程 平均地溫梯度：平均地溫梯度：30/Km. 利用同一高程不同礦物的裂變徑跡年齡利用同一高程不同礦物的裂變徑跡年齡（AFT、ZFT），其年齡對(duì)應(yīng)不同的溫度，），其年齡對(duì)應(yīng)不同的溫度，將溫度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的深度，則可得出該時(shí)將溫度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的深度，則可得出該時(shí)間段內(nèi)的隆升速率；間段內(nèi)的隆升速率； 利用不同高程上，同一礦物的裂變徑跡年利用不同高程上，同一礦物的裂變