Sự phân rã phóng xạ và định tuổi đồng vị phóng xạ; cơ sở khoa học; sự phân rã phóng xạ; các phương pháp xác định tuổi tuyệt đối; định tuổi vết phân hạch; đồng vị do tia vũ trụ... Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết nội dung bài viết.
Đ ỊN H T U Ổ I Đ Á Tài liệu tham khào C o n d ie K 753 T ố n g D u y T h a n h , 200 L ịch s T iế n h ó a T r i Đ â t (Đ ịa s ) N x b c & S lo a n R E., 98 O r ig in a n d E v o lu tìo n o f E a rth P r in c ip le s o f H is to ric a l G e o lo g y P r in tic e - H a ỉl, In c p g s D i h ọ c Q u ô 'c g ia H N ộ i 34 tr H N ộ i V V icander R J & M o n r o e s , 1993 H is to r ic a l G e o lo g y W e s t P u b lis h in g C o m p a g tĩy : 64 p g s M in rte a p o lis , S t N evv Y o rk , h ttp :// e n w i k i p e d i a o r g / w i k i / R e l a t i v e _ d a t i n g L o s A n g e le s S a n F r a n c is c o L y e ll C h a r le s , -1 3 P r in c i p le s of G e o lo g y O n - lin e E le c t r o n ic E d it io n : E le c t r o n ic S c h o la r ly P u b lis h in g P re p a re d b y 3yỗKOBMH M.E., 1968 MeTOAbi n a ^ e HT0/i0-crpaTMrpacị)MMecKMx MCC/ieAOBaHMM R o b e r t R o b b itìs W ik ip e d ia - O p e ti E n c y c lo p e d ia M acL eod N P r in c i p le s of OcHOBbi ÕMocrpaTpaỘHM M34aTe/iCTB0 “ Bucuiasỉ uiKOAa" 232 crp MocKBa s tr a tig r a p h y w w w n h m a c u k / h o s t e d _ s i t e s / ./s tr a t_ p r in c ip le s XaMH B E., KOPOBKOBCKMÌÍ H.B., H caM H O B H A., 1997 M cro p n M e c K a a r e o /io r n a M.ĩdam M o c k o ô ck o ỉo Y H u e q ĩc u m em a P o m e r o l e C h , B a b in C l., L a n c e lo t Y , L e P ic h o n X., R a t p , R en a rd M , 1987 S tr a t ig r a p h ie P r in c ip e s 448 CTp M ocK B a M é th o d e s A p lic a tio n s (3e é d itio n ) D O /N p g s P a ris Tuổi tuyệt đối đá T ô n g D u y T h a n h K h o a Đ ịa c h ấ t, T rư n g Đ i h ọ c K h o a h ọ c T ự n h iê n (Đ H Q G H N ) Giới thiệu P hư ơng pháp xác đ ịn h tuối tương đối đá i'ho ta nhận biết m ối quan hệ già trẻ đối tượng địa châ't đ ợc so sánh, nhiều biết gần đ ún g thời gian đ ể hình thành nước biến n hư Tuy vậy, không đảm bảo đư ợc thuở ban đẩu nước biển nước H ơn nữa, th ể trưừng hựp nhà địa chât cần xác dịnh không phái chi quan hệ già trẻ đ ối tượng nghiên cứu mà tuổi tính theo đơn v ị thời gian chúng, địa chất n gư ời ta gọi xác định tuổi tuyệt đôĩ V iệc xác đ ịnh tuối tuyệt đối đặc biệt quan trọng n hữ n g đối tượng mà ta k hông th ể áp d ụ n g p hư ơn g pháp sinh địa tầng, ví dụ n hư đá m agm a xâm nhập tích đại d ơng lượng m uối đại d n g n gu ồn nước từ lục địa biến sơ' ớc lư ợng khơng xác Tính tuối địa chất h ay chí tính tuổi Trái Đất hoài v ọ n g nhà nghiên cứu từ n hiều th ế ký trước Đ ã có ý niệm đ ếm lớp đá trầm tích đ ế tính tuổi địa châ't với lập luận m ỗi cặp hai lớp đá ứng với m ột năm , lớp thô thành tạo vào m ùa hè, nước lũ, lớp m ịn đ ợc thành tạo mùa đ ông, nước cạn Theo cách có th ế đếm đư ợc lớp ứ n g với đá trầm tích m ột s ố v ù n g s ố tối đa cũ n g vài trăm n ghìn cặp lớp ứng với vài trăm n ghìn năm Con s ố k hơng đáng bao so với lịch sử hình thành thể đá trầm tích nói riêng lịch sử địa chất Trái Đâ't nói chung M ột ý n iệm khác vào đ ộ m uối nước biển với su y luận ban đầu nước biển nước n hư n gu ồn nước khác lục địa, độ m ặn nước biển d o m uối đ ợ c n guồn nước đưa từ lục địa biển N ếu tính đ ợc tống lượng m uối hàng năm d o n gu ồn nước đ ưa từ lục địa biến, đ ổn g thời biết tổng lư ợn g m u ối nước biển V iệc tính tuổi tuyệt đối đá đư ợc thực có sở khoa học nhờ phát m inh A Becquerel, Pierre M arie C urie v ề tư ợng p h ón g xạ T rong tự n hiên n g u y ên tổ hố học thư ờn g có n h ữ n g đ n g v ị khác biệt trọng lư ợ n g n g u y ê n tử, có n h ữ n g đ ổn g vị v ữ n g bên cạnh n h ữ n g đ n g v ị k hôn g vữ n g N h ữ n g đ ổ n g v ị k h ôn g v ữ n g tượng phân h u ý p h ó n g xạ bị phân rã bị biến đổi đ ể trở thành n h ữ n g đ ổ n g v ị v ữ n g n g u y ên tố khác Thí d ụ đ ổ n g vị chì Pb206 Pb207 sản phẩm cuối cù n g v n g trình phân rã p h ó n g xạ từ đ ổ n g vị urani Ư238 235 M ỗi m ột n g u y ên tố p h ó n g xạ có m ột tốc độ phân rã p h ón g xạ k h ơn g thay đổi, tốc đ ộ đ ó k g chịu ảnh h n g bâ't kỳ tác nhân bên n gồi nào, có lẽ chi trử trường hợp n hiệt đ ộ cực cao vũ trụ m ới có th ể làm thay đ ổi tốc đ ộ Bằng thực n ghiệm có th ể xác đ ịn h đ ợ c chu kỳ bán h uý m ỗi n g u y ên Sự phân rã phóng xạ định tuổi đồng vị phóng xạ Cơ sờ khoa học 754 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT t ố p h ó n g xạ Từ n h ữ n g đ iều vừ a trình bày đây, ta xác đ ịnh tuổi đá chứa đ ổ n g v ị p h ó n g xạ Biết chu kỳ bán h uỷ đ ổ n g vị p h ó n g xạ khối lư ợ n g đ ổn g vị v n g d o trình p h ón g xạ phân rã tạo nên đá, ta tính đ ợc tuổi đá chứa chúng định có tính chu kỳ số nguyên tử nửa d o phân rã p hón g xạ; chu kỳ gọi chu kỳ bán huỳ N h sau m ột chu kỳ bán h uỷ mât 50% SỐ nguyên thuỷ nguyên tử đê cho đồng vị con; sau hai chu kỳ 75% bị phân rã, sau ba chu kỳ bị phân rã 88% tiếp tục số n gu yên tử m ẹ trờ thành cực nhò [H l] Sự phân rã phóng xạ Trong câu trúc n gu yên tử, gẩn toàn khối lư ợng n guyên tử tập trung nhân, bao g m neutron proton Tống cua neutron proton sô khối lượng n guyên tử s ố proton s ố n gu yên tử Electron m ang điện tích âm có khối lư ợ n g rât nhỏ, quay quanh nhân Trong n g u y ên tử trung hồ s ố electron proton Châ't đ ồng vị châ't có m ột s ố proton (s ố n gu yên tử) có s ố neutron khác d o đ ó có s ố khối lượng khác Các phương pháp xác định tuổi tuyệt đối N gày nhiều phương pháp xác định tuổi tuyệt đối đà sứ d ụng phòng thí nghiệm địa niên đại, s ố đ ó quan trọng nhât phương pháp Rubidi- Stronti, phương pháp Kali - Argon, phương pháp Urani - Thori - Chì, phương pháp Samari N eod ym i phương pháp định tuổi vết phân hạch N gu yên tử phóng xạ có nhân khơng v n g tửng đợt phóng hạt vói lượng d o hoạt đ ộn g phân rã phóng xạ E Rutheríord xác đ ịnh ba loại hạt khác alpha, beta gam ma N g u y ên tử p hóng xạ đ vị mẹ, nguyên tử lại sau phân rã phóng xạ vị Cách thức phân rã tuỳ thuộc vào kiêu số hạt liên quan phân huỷ phóng xạ nguyên tứ mẹ N h n g đ ổ n g vị quan trọng nhât định tuổi địa chất kiêu phân rã chúng ghi Bảng Các đ ổn g vị m ẹ urani thori trải qua m ột loạt p hỏng liên tục hạt alpha, mơi lấn p h ó n g n h sinh m ột đ ổn g vị con, đ ổ n g v ị lại p hóng xạ tiếp; chuỗi tượng gọi loạt phân rã D o m ỗi lẩn p hón g m ột hạt alpha làm giảm SỐ nguyên tử đồng vị phóng xạ nên đ ổ n g vị m ẹ n hữ n g n gu yên tố khác Trong trường hợp urani thori sản p hẩm cuối đ ổn g vị chì Q uy luật trình phân rã p hón g xạ qua m ột thời gian Phương p h p K a li - Argon Phương pháp Kali - Argon p hư ơn g p háp sử d ụn g rộng rãi địa chất, điểu hạn c h ế khí argon d ễ bị bay m ất sau hình thành D o thư ờng xảy trường hợp tuổi đá đ ợc xác định trẻ tuồi thực, có loại khoáng vật g iữ đư ợc argon tốt P hư ơng pháp Kali A rgon cũ n g sử d ụ n g n hữ ng khoáng vật g iố n g nhu p hư ơn g pháp Rưbidi - Stronti [Bảng 1] N g y p hư ơn g pháp Kali - A rgon sử d ụ n g rộng rãi đối v ó i đá phun trào trẻ (do đá phun trào chứa nhiểu Kali nhóm khống vật plagioclas, íelspat) xác định thời gian nâng trồi lục địa P hương pháp A rgon'40/Argorv39 m ột loại p hư ơn g pháp Kali - Argon đư ợc sử d ụ n g định tuổi cho tượng n ung n óng v ỏ Trái Đât, định tuổi tro núi lửa từ hố đá Phương ph p R u b id i - S tro n ti m ột phương pháp định tuổi áp d ụn g rộng rãi địa chât Phương pháp cho p hép xác định tuối khống vật đá có chứa rubidi mica, sét, íelspat, granit Bàng Các đồng vị phóng xạ thường dùng định tuổi đồng vị Đồng vị mẹ 87Rb —► Đồng vị Cách thức phân rả Chu kỳ bán huỷ Vặt liệu đề xác định Khoảng tuổi xác định 87Sr electron 48,8 tỷ n tồn đá, íelspat, mica >100 tr.n 40K —► ^Ar bắt giữ electron 1,25 tồn đá, íelspat, mica >100000 tr.n —► ^Ca electron 1,47 tỷ n toàn đá, felspat, mica >100000 tr.n 206pb hạt alpha, electron 4.47 tỷ n zircon, toàn đá >100tr.n 238u - ^P b hạt alpha, electron 0,704 tỷ n zircon, toàn đá >100 tr.n 232Th — 208pb hạt alpha, electron 14 tỷ n zircon, toàn đá >300 tr.n 147S m - 143Nd h ta lp h a 106 tỷ n toàn đá, khoáng vật silicat >1000 232Th —► 226pb hạtalpha 75 200 n trầm tích đại dương >500 000 n tr.n 23ữTh hạt alpha 248 000 n dung nham > tr.n 210Pb — 208pb hạt alpha 22,3 n trầm tích, băng < 100 n 14c —» 14n electron 5730 n chất hữu cơ, nước, carbonat < 70 000 n (Chữ viết tắt bảng: n = năm, tr.n = triệu năm) Đ ỊN H T U Ổ I Đ Á 755 thiên hà xa Khi vào khí quyến tia vù trụ đ ụ n g độ với phân tử khí khí q uyển sinh n hiều loại n guyên tử phóng xạ N h n g n gu yên tử tham gia vào nhiều chu kỳ địa chất sinh học, cho ta khả sừ d ụn g đ ê định tuổi nhiểu kiện trẻ lịch sử Trái Đất [Bàng 2] Một số tia vũ trụ xu yên vào đá bể mặt Trái Đất đến độ sâu lm sinh n gu yên tử p hón g xạ có th ể sử d ụ n g đ ế định tuổi b ề mặt bào m òn trẻ , Số lượng chu kỳ bán hủy W Ê Đồng vị mẹ llM Đồng vị Hình Tương quan tốc độ phân rã phóng xạ chu kỳ bán huỷ Sau chu kỳ bán huỷ nửa đồng vị mẹ bào tồn; sau hai chu kỳ bán huỷ 1/4 bảo tồn (Condie K.c & Sloan R E.) Phương ph áp U ratĩi - Tỉíori - Chì Hai đ ổn g vị Hình Các vết phân hạch tự nhiên urani-238 tạo urani thori trải qua phân rã alpha beta cho đ vị chì vững Đ iểu cho nhiều khả định tuối v ì đ ổn g vị trung gian lại phóng xạ Zircon khống vật thường có nhiều loại đá đặc biệt thích hợp cho phương pháp Urani - Chì Phương pháp Ưrani - Chì - Zircon m ột nhửng phương pháp xác đ ể định tuổi đá granit với khả đạt độ xác triệu năm với đá có tuổi tỷ năm Phương pháp Sam ari - N eodym i Samari'147 phân rã thành N eodym i'143 có chu kỳ bán huỷ dài, khoảng 106 tỳ năm Cả hai đ vị m ẹ đểu nguyên tố đất có hành vi địa hố tương tự Các q trình địa chât hậu sinh phong hố, biến chât tách hai đ vị giống chúng tách cặp đồng vị m ẹ - phương pháp định tuổi khác Vì phương pháp Samari - N eod ym i có khả "nhìn thâu" kiện địa chât hậu sinh ghi thòi gian đẩu tiên đá tách từ bên Trái Đất đê trờ thành thành phần vỏ Vì tuổi theo phương pháp Samari - N eod ym i thường coi tuổi thành tạo vỏ Trái Đất Định tu ổ i v ế t phân hạch Khi hạt lượng cao chạy qua vật rắn, chúng tước đoạt electron từ n gu yên tử đ ờng chúng, phá vỡ câu trúc tinh tạo nên vết Trong khoáng vật tự nhiên, vết phá vờ phân hạch xảy n gu yên tử urani gọi vêt phân hạch N h ỏ giọt hoá chât vào khống vật có thê làm m rộng vết phân hạch dài đến 0,1 m m ta có th ể đếm chúng kính hiến vi [H.2] Đ ông v ị tia vũ trụ Các tia vũ trụ n guồn hạt lượng cao bắn phá thường xuyên vào khí quyến; chúng gổm proton, neutron hạt khác có tốc đ ộ cao N gu ồn gốc chúng chưa biết rõ chúng đến tử n hữ ng Phương p h p C arbotĩ-14 có vai trò quan trọng định tuổi địa chất trẻ 14c sinh d o đ ụn g độ với n gu yên tử nitro (nitrogen) khí quyến phát m ột proton Sau đ ó carbon p hóng xạ kết hợp với o x y tạo thành d ioxid carbon (carbonic - CO 2) D io x id carbon p hón g xạ đư ợc cối hâp thụ trình quang hợp đ ồn g thời phân tán nước biến nước C uối cùng, đ ộ n g vật lại đ ồn g hoá 14c vào th ể cùa chúng tiêu thụ nước thức ăn thực vật Khi đ ộn g vật cối chết, carbon k hơng tăng thêm m chúng đư ợc 14c bắt đẩu bị phân rã theo chu k ỳ bán h uý 5730 năm Khi di tích sinh vật bị chơn vù i trước bị phân h uý lượng carbon p h ó n g xạ chứa tương ứ ng với thời gian từ chúng bị chôn vùi Trong đ iểu kiện kỹ thuật h iện phư ơng pháp 14c d ùn g đ ể xác định tuối m ẫu vật đến 70.000 năm Phương pháp đư ợc sử d ụn g rộng rãi khảo cố đ ể định tuối cho xương, than, hạt thực vật nhiều sản phẩm hoạt đ ộn g người n hư công cụ lao đ ộ n g , quẩn áo, v.v T riti (hydro có proton) Triti hydro p hón g xạ hình thành thư ợn g tầng khí quyến d o đ ụn g đ ộ tia vũ trụ với n gu yên tử oxy nitro C ũng hydro, triti kết hợp nhanh chóng với n gu yên tử oxy khí q u y ến đ ế hình thành phân tử nước C ùng với nước thư ờng, nước tri ti rơi xuống b ể mặt Trái Đât, lẫn nước biển, sơng, ao hổ có ích việc theo dõi vận đ ộn g nước đất, định tuổi tốc độ tăng trưởng băng, nghiên cửu hồn lưu khí quyến D o chu kỳ bán huỷ ngắn (12,3 năm), triti sừ d ụn g định tuổi loại nước có d i 100 năm tuối 756 BÁCH KHO A T H Ư Đ ỊA CHÁT B eryỉỉ-1 Beryli-10 cũ n g m ột n g u y ê n tố p h ó n g xạ đ ợc hình thành d o đ ụ n g đ ộ tia p h ón g xạ khí q uyến, n ó đ ợ c m a cu ốn theo rơi m ặt đất cù n g có th ể kết đ ọ n g đá trầm tích n h đá vơi Beryli-10 có ích ch o v iệc xác đ ịnh tốc đ ộ tích tụ tuổi tích đ ọ n g b ăng N am Cực N ó cũ n g tỏ râ't h ữ u ích v iệc th eo dõi lư ợ n g trầm tích bị cu ốn vào b ên Trái Đ ất đ i h út chìm , bị n ó n g chảy trở lại b ể m ặt Trái Đ ất d o n ú i lửa p hu n lên S ilic-32 đ ợc sin h tron g khí q u yến d o phản ứ n g proton n ăn g lư ợ n g cao vớ i argon bị phân h uý với chu kỳ bán h u ỷ 280 năm Silic-32 rơi x u ố n g đại d n g đ ợ c sử d ụ n g đ ể đ o tốc đ ộ xáo trộn nước b iến n ô n g với n ớc b iến sâu Kết n g h iên cứu ch o thấy phải mâ't 1.000 n ăm đ ê có th ể xáo trộn h oàn toàn nước đại d n g C h lor-36 đ ổ n g vị p h ó n g xạ đ ợc sin h đá p hản ứ n g tia vũ trụ D o lư ợ n g đ ổ n g v ị n ày đ ợc sinh đ ộ sâu k hoản g 40cm , n ên ch ú n g đ ợc d ù n g đ ịn h tuổi ch o d ạn g địa h ình trẻ (khoảng triệu năm) bề mặt bào mòn, đ ấ t, d òn g d u n g nham N h p h n g p háp đ ổ n g vị p h ó n g xạ n gà y n ay có th ể xác đ ịnh đ ợ c tuổi tâ't thành h ệ địa chất Các phân v ị thời địa tầng q u ốc t ế cũ n g đ ợ c xác đ ịn h tuổi m ột biên n iên sử kiện lịch sử p hát triển địa chất đ ợ c xác lập Đ già Trái Đất đ ợ c xác đ ịn h tuổi 3,96 tỷ năm m ột loại đá b iến châ't đ ợ c tìm thây C anada Phải có đá g ố c đ ê h ình thành đá biến chất có tuổi 3,96 tỷ n ăm này, n h tuổi Trái Đ ât phải cổ n hiều so với tuổi 3,96 tỷ năm N ếu vù trụ thành tạo sau vụ n ổ Big Bang, cách khoảng 20 tỷ năm Trái Đất phải hình thành sau Big Bang, từ n hữ n g vật chất khí bị bắn n guội kết nhan lại Từ đó, đá có tuổi 3,96 tỷ năm suy Trái Đất phải đư ợc hình thành trước đó, từ cách ch ù ng 4,6 tỷ năm Tài liệu tham khảo C o n d ie K c & S lo a n R E., 1998 O r ig in a n d E v o lu tio n o f E a rth P r in c ip le s o f H is to ric a l G e o lo g y P r in t ic e - H a ll, I n c : 498 p g s h t t p : / / e n w i k i p e d i a o r g / w i k i / A b s o l u t e _ d a t i n g C h a r le s L , 30-1833 P r in c i p le s o f G e o lo g y O n - lin e E le c t r o n ic E d it io n : E le c t r o n ic S c h o ỉa r ly P u b lis h in g P re p a re d by R o b e rt R o b b in s W ik ip e d ia - O p e tí E n c y c lo p e d ia M acL eod N P r in c i p le s of s t r a tig r a p h y w w w n h m a c u k /h o s te d _ s ite s / /s tr a t_ p r in c ip le s P o m e r o l e C h , B a b in C l., L a n c e lo t Y., L e P ic h o n X., R a t p , R en a rd M , 1987 S tr a t ig r a p h ie P r in c ip e s M é th o d e s A p lic a tio n s (3e é d itio n ) D O I N 27 p g s P a ris T ố n g D u y T h a n h , 2009 L ịc h s T iế n h ó a T r i Đ ấ t (Đ ịa s ) N X B Đ i h ọ c Q u ố c g ia H N ộ i 34 tr H N ộ i V ũ V ă n T íc h , N g u y ề n V ă n V ợ n g , 201 G iá o tr ì n h p h n g p h p x c đ ị n h tu ổ i đ ịa c h ấ t b ằ n g đ n g v ị p h ó n g x N X /Ỉ G iá o d ụ c V iệ t N a m 184 tr H N ộ i V V icander R J & M o n r o e s , 1993 H is to r ic a l G e o lo g y W e s ỉ P u b lis h it ĩg C o tn p a g n y 64 p g s M in n e a p o lis , S t N evv Y o rk , L o s A n g e le s S a n F r a n c is c o XaMH B E., KOPOBKOBCKHÌÌ H B , HcaMHOB H A 1997 McropMHecKaa recM orm i ỈÌ3dam MOCKOSCKOỈO y n u ee p c u m em a : 448 crp ... đ ịn h tuổi 3,96 tỷ năm m ột loại đá b iến châ't đ ợ c tìm thây C anada Phải có đá g ố c đ ê h ình thành đá biến chất có tuổi 3,96 tỷ n ăm này, n h tuổi Trái Đ ât phải cổ n hiều so với tuổi 3,96... neutron khác d o đ ó có s ố khối lượng khác Các phương pháp xác định tuổi tuyệt đối N gày nhiều phương pháp xác định tuổi tuyệt đối đà sứ d ụng phòng thí nghiệm địa niên đại, s ố đ ó quan trọng... nhiều loại đá đặc biệt thích hợp cho phương pháp Urani - Chì Phương pháp Ưrani - Chì - Zircon m ột nhửng phương pháp xác đ ể định tuổi đá granit với khả đạt độ xác triệu năm với đá có tuổi tỷ năm