作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/26 11:06:10
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岩石年龄测定更准确的新发现
——首次直接观察到核径迹在高能离子轰击下缩小完整过程


 

在地球地质的探索中,科学家通过岩石年龄、温度等要素,对地球和生命的演化进行分析解读。而测定上述要素需要更有效精准的工具方法,数十年来,科学家们不断探索这把“利剑”。

自上世纪60年代中期, 核物理中的“裂变径迹”被引入地质、地球化学领域至今,它已成为岩石年龄测定和热历史分析的重要方法,也被称为“裂变径迹定年法”。

中科院青藏高原所新生代环境团队李伟星研究员等利用俄罗斯杜布纳联合核子研究所、哈萨克斯坦核物理研究所快重离子加速器、美国阿贡实验室原位离子辐照等大型科学装置,通过连接透射电镜与离子加速器,首次直接观察到核径迹在高能离子轰击下半径缩小、长度变短的完整过程(图1)。相关研究成果发表在国际地球化学领域学术期刊《地球化学与宇宙化学学报》。

什么是裂变径迹?论文第一作者和通讯作者李伟星解释,矿物中微量铀-238自发裂变后,高速运动的核子在矿物中产生长度大约为20微米的损伤核径迹。在光学显微镜下,可以观察到经化学蚀刻放大后的裂变径迹。

此外,裂变径迹还具有“退火”特性,即当地质环境受热时,损伤恢复、径迹缩短、密度下降甚至完全消失,据此便可限定岩石形成的时间和温度历史。这是判定岩石年龄及热史分析的基本假设。

“如果矿物中的其它因素也导致了裂变径迹密度、长度变化,那对岩石年龄、温度等的判定将会产生差错。”李伟星进一步告诉《中国科学报》。

早在2005年,挪威地质学家Hendriks等人就推测,裂变径迹在铀-238和钍-232衰变后所释放的高能阿尔法(α)粒子轰击下,裂变径迹数量变少或长度变短,这种“非热”辐照退火引起裂变径迹测量年龄偏年轻,直接影响裂变径迹定年在板块、地形及盆地演化分析中的广泛应用。

不过,该推测一直缺乏实验证据有效支持,是领域内颇具争议的科学问题。争议的核心是“热”退火和“辐照”退火都可能阻碍蚀刻液在裂变径迹中前进,导致裂变径迹蚀刻长度缩短,而常规蚀刻方法无法区分这两种退火。

中科院青藏高原所新生代环境团队及合作者巧妙设计实验,先用“快重离子”加速器产生的核径迹来模拟裂变径迹,再将透射电镜与另一离子加速器相连,首次直接观察到核径迹在高能离子轰击下半径缩小、长度变短的完整过程。这一创新方法直观地研究“未蚀刻”径迹辐照退火效应。原位离子辐照可以方便地选择不同离子模拟α-粒子或α-反冲核,也可以在不加热条件下进行,解决了“蚀刻”方法无法区分辐照退火和热退火的难题。

本研究通过原位辐照和量化分析发现,α-反冲核的核碰撞导致了裂变径迹破碎、缩小,阻碍蚀刻液前进以及蚀刻径迹长度缩短。研究还发现,锆石比磷灰石的α-辐照退火效应更为灵敏,且锆石中铀和钍含量一般比磷灰石高,因此,在裂变径迹实践应用中,须考虑锆石的α-辐照退火效应,磷灰石的退火效应则较弱,可能可忽略。

审稿人认为,该研究回答了领域内的一个“根本性问题”,是一项“里程碑式的工作”。

李伟星表示,该研究是典型的学科交叉研究,涉及材料与核工程、地质专业,“将对地质学、石油勘探等科学实践应用中利用锆石和磷灰石裂变径迹准确限定岩石年龄、提高热历史分析精度具有重要意义。”

 

图 原位电镜照片显示不同初始半径的核径迹在α反冲核轰击下逐渐缩小的过程。(中科院青藏所供图)

 
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