Tương quan của tốc độ phân rã phóng xạ và chu kỳ bán.. huỷ[r]
(1)Đ ỊN H T U Ổ I Đ Á 753
Tài liệu tham khào
C o n d i e K c & S lo a n R E., 9 O r i g i n a n d E v o l u tìo n o f E a rth P r in c i p le s o f H is to r ic a l G e o lo g y P r in t ic e - H a ỉl, In c 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 / R e l a t i v e _ d a t i n g
L y e ll C h a r l e s , -1 3 P r i n c i p l e s o f G e o lo g y O n - l in 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 R o b e r t R o b b it ì s W ik ip e d ia - O p e t i E n c y c lo p e d ia
M a c L e o d N P r i n c i p l e s o f s t r a t i g 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 t r a t _ p r i n c i p l e s
P o m e r o l e C h , B a b i n C l., L a n c e l o t Y , L e P ic h o n X., R a t p , R e n a r d M , 987 S t r a t i g r a p h i e P r i n c i p e s M é t h o d e s A p l i c a t i o n s (3 e é d i t i o n ) D O / N p g s P a ris
T ố n g D u y T h a n h , 0 L ịch s T i ế n h ó a T r i Đ â t (Đ ịa s ) N x b D i h ọ c Q u ô 'c g ia H N ộ i. tr H N ộ i
V V ican d er R J & M o n r o e s , 1993 H i s t o r i c a l G e o lo g y W e s t P u b li s h in g C o m p a g tĩy : p g s M i n r te 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
3yỗKOBMH M.E., 1968 MeTOAbi n a ^ e0HT0/i0-crpaTMrpacị)MMecKMx MCC/ieAOBaHMM OcHOBbi ÕM ocrpaTpaỘHM M34aTe/iCTB0 “ Bucuiasỉ uiKOAa" 232 crp MocKBa.
XaMH B E., KOPOBKOBCKMÌÍ H.B., H c a M H O B H A., 1997 M c ro p n M e c K a a r e o / i o r n a M.ĩdam M o c k o ô c k o ỉo Y H u e q ĩc u m em a 448 CTp M o c K B a
Tuổi tuyệt đối đá T ô n g D u y T h a n h K h o a Đ ị a c h ấ t ,
T r n g Đ i h ọ c K h o a h ọ c T ự n h i ê n ( Đ H Q G H N )
Giới thiệu
P h n g p h áp xác đ ịn h tuối tư ơng đ ối đá chỉ i'ho ta nhận biết đ ợ c m ố i quan h ệ già trẻ đối tư ợng địa châ't đ ợ c so sán h, đ ó nhiều trưừng hựp nhà địa chât cần xác d ịnh không phái chi là quan h ệ già trẻ đ ố i tư ợng n ghiên cứu mà là tuổi tính th eo đ ơn v ị thời gian chúng, trong địa chất n gư i ta gọi xác định tuổi tuyệt đôĩ. V iệc xác đ ịn h tuối tu yệt đ ối đ ặc biệt quan trọng đ ối với n h ữ n g đ ối tư ợ n g mà ta k h ôn g th ể áp d ụ n g các p h n g pháp sinh địa tầng, v í dụ n h đá m agm a xâm nhập.
Tính tuối đ ịa chất h a y chí tính tuổi Trái Đất hoài v ọ n g nhà n gh iên cứu từ n h iều th ế ký trước Đ ã có ý n iệm đ ếm lớp đá trầm tích đ ế tính tu ổi địa châ't vớ i lập luận m ỗi cặp hai lớp đá ứ n g vớ i m ột năm , lớp th ô đư ợc thành tạo vào m ùa hè, n c lũ, lớp m ịn đ ợ c thành tạo m ùa đ ô n g , n c cạn T heo cách có th ế đ ếm đ ợ c các lớp ứ n g vớ i đá trầm tích m ột s ố v ù n g s ố tối đa cũ n g vài trăm n gh ìn cặp lớp ứ n g vớ i vài trăm n g h ìn năm C on s ố n ày k h ôn g đ bao so với lịch sử h ình thành th ể đá trầm tích nói riêng và lịch sử địa chất Trái Đâ't nói chung M ột ý n iệm khác v o đ ộ m u ối n ớc b iển với su y luận ban đ ầu n c biển nư ớc n gọt n h n g u n n c khác lục địa, độ m ặn của nư ớc b iển d o m uối đ ợ c n gu ồn nước đưa từ lục địa biển N ế u tính đ ợ c tống lư ợn g m u ối hàng năm d o n g u n n c đ a từ lục địa biến, đ ổ n g thời biết tổn g lư ợ n g m u ố i nư ớc b iển có thể
b iết gần đ ú n g thời gian đ ể hình thành n ớc biến n h ư h iện T uy vậy, k hôn g đảm bảo đ ợ c thu ở ban đẩu nư ớc biển cũ n g nước H ơn nữa, th ể tích đại d n g lư ợn g m uối đại d n g và n g u n n ớc từ lục địa b iến là con sô' ớc lư ợ n g k g xác.
Sự phân rã phóng xạ định tuổi đồng vị phóng xạ
Cơ sờ khoa học
(2)754 BÁCH KHOA TH Ư ĐỊA CHÁT
t ố p h ó n g xạ Từ n h ữ n g đ iều vừ a trình bày đ ây, ta xác đ ịn h đư ợc tuổi đá chứa đ ổ n g v ị p h ó n g xạ Biết đ ợ c chu kỳ bán h u ỷ đ ổ n g vị p h ó n g xạ khối lư ợ n g đ ổ n g vị v n g d o q trình p h ó n g xạ p hân rã tạo n ên đá, ta sẽ tính đ ợ c tuổi đá chứa chúng.
Sự phân rã phóng xạ
Trong câu trúc n g u y ên tử, gẩn toàn khối lư ợ n g n gu yên tử tập trung nhân, bao g m n eutron proton Tống cua neutron proton sô khối lư ợn g n gu yên tử s ố proton s ố của n g u y ê n tử Electron m ang đ iện tích âm có khối lư ợ n g rât nhỏ, quay quanh nhân Trong n g u y ê n tử trung hồ s ố electron proton n hau Châ't đ ồn g vị châ't có cù n g m ột s ố p roton (s ố n g u y ê n tử) n hư n g có s ố n eutron khác d o đ ó có s ố khối lượng khác nhau.
N g u y ên tử phóng xạ có nhân khơng v n g và tửng đợt phóng hạt vói lượng d o hoạt đ ộ n g phân rã p hón g xạ E Rutheríord xác đ ịn h ba loại hạt khác alpha, beta gam m a N g u y ê n tử p h ón g xạ đ ổn g vị m ẹ, n gu n tử cịn lại sau phân rã phóng xạ đ vị Cách thức phân rã tuỳ thuộc vào kiêu s ố hạt liên quan sự phân h uỷ p hón g xạ n gu yên tứ mẹ N h n g đ ổ n g v ị quan trọng nhât định tuổi địa chất k iêu phân rã chúng ghi Bảng 1.
Các đ ổ n g vị m ẹ urani thori trải qua m ột loạt p h ỏn g liên tục hạt alpha, môi lấn p h ó n g n h sinh m ột đ ổ n g vị con, n hữ n g đ ổ n g v ị con lại p h ón g xạ tiếp; chuỗi h iện tượng n ày g ọi là loạt phân rã D o m ỗi lẩn p h ón g m ột hạt alp sẽ làm giảm SỐ nguyên tử đồng vị phóng xạ nên các đ ổ n g v ị m ẹ n h ữ n g n g u y ê n tố khác n hau Trong trường hợp urani thori sản p h ẩ m cu ối đ ổ n g v ị chì Q uy luật quá trình phân rã p h ón g xạ qua m ột thời gian n hất
định có tính chu kỳ số nguyên tử một nửa d o phân rã p h ón g xạ; chu kỳ đ ó g ọi chu kỳ bán huỳ. N h sau m ột chu kỳ bán h u ỷ m ât 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 s ố của n g u y ên tử m ẹ trờ thành cực n hò [H l].
Các phương pháp xác định tuổi tuyệt đối
N g y nhiều phương pháp xác định tuổi tuyệt đối đà đư ợc sứ d ụ n g p hịn g thí n ghiệm địa niên đại, s ố đ ó quan trọng nhât p hư ơn g pháp Rubidi- Stronti, phương pháp Kali - A rgon, phương pháp Urani Thori Chì, p hư ơn g pháp Samari -N eo d y m i phư ơn g pháp định tuổi v ết phân hạch.
Phương p h p K a li - Argon
Phương pháp Kali - A rgon p h n g p h áp đư ợc sử d ụ n g rộng rãi địa chất, đ iểu hạn c h ế khí argon d ễ bị bay m ất sau đư ợc hình thành D o đó th n g xảy trường hợp tuổi đá đ ợ c xác định sẽ trẻ tuồi thực, m ặc dầu cũ n g có loại khống vật g iữ đ ợ c argon tốt P hư ng p háp Kali -A rgon cũ n g sử d ụ n g n h ữ n g khoáng vật g iố n g nhu p h n g pháp Rưbidi - Stronti [Bảng 1] N g y nay p h n g pháp Kali - A rgon đ ợc sử d ụ n g rộng rãi đối v ó i đá phu n trào trẻ (do đá p h u n trào chứa nhiểu Kali n hóm khống vật p lagioclas, íelsp at) và xác đ ịnh thời gian n âng trồi lục địa. P hư ng pháp A rgon'40/Argorv39 cũ n g m ột loại của p h n g pháp K ali - A rgon đ ợ c sử d ụ n g đ ịnh tuổi cho h iện tư ợng n u n g n ón g v ỏ Trái Đât, đ ịnh tuổi tro núi lửa từ hố đá.
Phương p h p R u b id i - S tro n ti m ột n hữ n g phư ơn g pháp định tuổi áp d ụ n g rộng rãi trong địa chât Phương pháp ch o p h ép xác định tuối khống vật đá có chứa rubidi n h mica, sét, íelspat, granit.
Bàng 1. Các đồng vị phóng xạ thường dùng định tuổi đồng vị
Đồng vị mẹ
Đồng
vị con Cách thức phân rả
Chu kỳ
bán huỷ Vặt liệu đề xác định
Khoảng tuổi xác định
87Rb —► 87Sr electron 48,8 tỷ n toàn 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
238u - 206pb hạt alpha, electron 4.47 tỷ n zircon, toàn đá >100tr.n
^ 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 1 h ta lp h a 106 tỷ n tồn đá, khống vật silicat > 0 tr.n
232Th —► 226pb hạtalpha 75 200 n trầm tích đại dương >500 000 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
(3)Đ ỊN H T U Ổ I Đ Á 755
0 ,
Số lượng chu kỳ bán hủy
W Ê Đồng vị mẹ l l M Đồng vị
Hình 1. 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 p h p U ratĩi - Tỉíori - Chì. Hai đ ổ n g vị của urani thori trải qua phân rã alpha beta sẽ cho đ ổn g vị chì vữ n g Đ iểu cho n hiều khả năng định tuối v ì đ ổ n g v ị trung gian lại cũng p h ón g xạ Zircon k hốn g vật thư ờn g có trong nhiều loại đá đ ặc biệt thích h ợp ch o p hư ơn g pháp Urani - Chì Phương p háp Ưrani - Chì - Zircon m ột trong n n g p h n g pháp xác đ ể định tuổi đá granit cô với khả n ăng đạt đ ộ xác 5 triệu năm với đá có tuổi tỷ năm.
Phương ph áp S am ari - N eodym i. Samari'147 phân rã thành N eod ym i'143 có chu kỳ bán h u ỷ dài, khoảng 106 tỳ năm Cả hai đ ổn g vị m ẹ đểu n guyên tố đất có hành vi địa hố tương tự Các q trình địa chât hậu sinh n h p hon g hố, biến chât khơng thể tách hai đ ổn g vị giốn g chúng đã tách cặp đ ồng vị m ẹ - phương pháp định tuổi khác Vì phư ơn g pháp Samari - N eod ym i có khả "nhìn thâu" kiện địa chât hậu sinh và ghi thòi gian đẩu tiên đá tách từ bên trong Trái Đất đê trờ thành thành phần vỏ Vì tuổi theo phương pháp Samari - N eo d y m i thường coi là tuổi thành tạo vỏ Trái Đất.
Đ ịnh tu ổ i v ế t ph ân hạch. Khi hạt lượng cao chạy qua vật rắn, ch ú n g tước đ oạt electron từ n g u y ên tử đ n g chúng, phá v ỡ câu trúc tinh th ế tạo nên vết Trong khoáng vật tự nhiên, vết phá vờ d o phân hạch xảy n g u y ên tử urani đư ợc gọi vê t phân hạch. N h ỏ giọt hoá chât vào khoáng vật có thê làm m rộng v ết phân hạch dài đ ến 0,1 m m ta có th ể đ ếm đ ợ c chúng dưới kính h iến vi [H.2].
Đ ơn g v ị tia vũ trụ. Các tia v ũ trụ n gu ồn hạt n ăng lượng cao bắn phá th n g xu yên vào khí quyến; ch ú ng gổ m proton, n eutron n hữ n g hạt khác có tốc đ ộ cao N g u n gố c chúng chưa đ ợ c biết rõ n hư n g ch ú n g đ ến tử n h ữ n g
thiên hà xa Khi vào khí q uyến tia vù trụ đ ụ n g độ với phân tử khí khí q u yển sinh ra n h iều loại n gu yên tử p hón g xạ N h n g n g u y ên tử này tham gia vào n hiều chu kỳ địa chất sinh học, cho ta khả sừ d ụ n g đ ê định tuổi n hiểu kiện khá trẻ lịch sử Trái Đất [Bàng 2] M ột s ố tia vũ trụ xu yên vào đá b ể m ặt Trái Đất đ ến độ sâu lm sinh n g u y ên tử p h ón g xạ có th ể sử d ụ n g đ ế định tuổi b ề m ặt bào m òn trẻ.
H ìn h 2. Các vết phân hạch tự nhiên urani-238 tạo Phương p h p C arbotĩ-14 có vai trị quan trọng trong định tuổi địa chất trẻ 14c sinh d o đ ụ n g đ ộ với n g u y ên tử nitro (nitrogen) khí q u yến và phát m ột proton Sau đ ó carbon p h ón g xạ kết hợp v i o x y tạo thành d ioxid carbon (carbonic - CO2). D io x id carbon p h ón g xạ đ ợ c cối hâp thụ trong trình q uan g hợp đ n g thời cù n g được p hân tán nư ớc biến nư ớc C uối cùng, đ ộ n g vật lại đ n g hoá 14c vào th ể cùa ch ú ng d o tiêu thụ n ớc thức ăn thực vật Khi đ ộ n g vật và cây cố i chết, carbon k h ơn g cịn tăng thêm m ô của ch ú n g đ ợ c 14c bắt đẩu bị phân rã theo chu k ỳ bán h u ý 5730 năm Khi di tích sinh vật bị ch ôn v ù i trước bị phân h u ý lư ợn g carbon p h ó n g xạ chứa đ ó tương ứ n g với thời gian từ ch ú ng bị chôn vùi Trong đ iểu kiện kỹ thuật h iện p h n g pháp 14c đư ợc d ù n g đ ể xác định tuối m ẫu vật đ ến 70.000 năm Phư ng pháp này đ ợ c sử d ụ n g rộng rãi khảo cố đ ể định tuối cho xương, than, hạt thực vật n hiều sản p hẩm d o hoạt đ ộ n g n gư ời n h côn g cụ lao đ ộ n g , quẩn áo, v.v
T r iti (hydro có proton)
(4)756 BÁCH K H O A T H Ư Đ ỊA C HÁ T
B e r y ỉỉ- 0
Beryli-10 cũ n g m ột n g u y ê n tố p h ó n g xạ đ ợ c h ình thành d o đ ụ n g đ ộ củ a tia p h ó n g xạ khí q u yến , n ó đ ợ c m a cu ố n th eo rơi m ặt đất và 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 iệ c xác đ ịn h tốc đ ộ tích tụ tu ổi tích đ ọ n g b ăn g N a m Cực N ó cũ n g tỏ râ't h ữ u ích tron g v iệ c th e o d õi lư ợ n g trầm tích bị cu ố n v o b ên tron g Trái Đ ất đ i h ú t chìm , bị n ó n g ch ảy trở lại b ể m ặt Trái Đ ất d o n ú i lửa p h u n lên.
S ilic -3 2 đ ợ c sin h tron g khí q u y ế n d o p hản ứ n g p roton n ă n g lư ợ n g cao v i argon bị p hân h u ý vớ i chu kỳ bán h u ỷ 280 năm Silic-32 rơi x u ố n g đ ại d n g đ ợ c sử d ụ n g đ ể đ o tốc đ ộ xáo trộn n c b iến n ô n g vớ i n c b iến sâu Kết n g h iê n cứu ch o thấy phải mâ't 1.000 n ăm đ ê có th ể xáo trộn h oàn toàn n c đ ại d n g
C h lo r-3 6 đ ổ n g v ị p h ó n g xạ đ ợ c sin h trong đá d o p h ản ứ n g tia v ũ trụ D o lư ợ n g đ ổ n g v ị n ày chỉ đ ợ c sin h đ ộ sâu k h o ả n g 40cm , n ên ch ú n g đ ợ c d ù n g đ ịn h tuổi ch o d n g địa h ìn h trẻ (khoảng triệu năm) b ề mặt bào mòn, đ ấ t,
d ò n g d u n g nham
N h p h n g p h p đ ổ n g v ị p h ó n g xạ n g y n a y có th ể xác đ ịn h đ ợ c tuổi tâ't thàn h h ệ địa chất C ác p hân v ị thời đ ịa tầng q u ố c t ế cũ n g đ ợ c xác đ ịn h tuổi m ột b iên n iên sử k iện trong lịch sử p h át triển đ ịa chất đ ợ c xác lập Đ già nhất Trái Đ ất đ ợ c xác đ ịn h tu ổi 3,96 tỷ n ăm là m ột loại đá b iến châ't đ ợ c tìm th ây C anada. Phải có đá g ố c đ ê h ìn h thàn h đá b iến chất có tu ổi 3,96 tỷ n ăm này, n h v ậ y tu ổ i Trái Đ ât p hải cổ
hơn n h iều so với tuổi 3,96 tỷ năm N ếu vù trụ đư ợc thành tạo sau vụ n ổ Big Bang, cách khoảng 20 tỷ năm Trái Đ ất phải đư ợc hình thành sau Big Bang, từ n h ữ n g vật chất khí bị bắn n gu ội kết nhan lại Từ đó, đá có tuổi 3,96 tỷ năm su y ra Trái Đ ất phải đ ợ c hình thành trước đó, từ cách đây ch ù n g 4,6 tỷ năm.
Tài liệu tham khảo
C o n d i e K c & S lo a n R E., 1998 O r ig in a n d E v o l u t i o n o f E a rth P r in c i p le s o f H is to r ic a l G e o lo g y P r in t i c e - H a ll , I n c : 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 l e s L , -1 3 P r i n c i p l e s o f G e o lo g y O n - l in 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 r e p a re d b y 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 a c L e o d N P r i n c i p l e s o f s t r a t i g 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 t r a t _ p r i n c i p l e 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 i c h o n X., R a t p , R e n a r d M , 987 S t r a t i g r a p h i e P r i n c i p e s M é t h o d e s A p l i c a t i o n s (3e é d i t i o n ) D O I N p g s P a r is
T ố n g D u y T h a n h , 0 L ịc h s T i ế 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. 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 , G i o t r ì n h p h n g p h p x c đ ị n h t u ổ i đ ị a 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 tr H N ộ i
V V ic an d e r R J & M o n r o e s , 993 H i s t o r i c a l G e o lo g y W e s ỉ P u b li s h it ĩg C o tn p a g n y p g s M i n n e a p o l i s , 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 e e p c u m e m a :
h t t p : / / 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 w w w n h m a c u k / h o s t e d _ s i t e 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 w w w n h m a c u k / h o s t e d _ s i t e s / / s t r a t _ p r i n c i p l e s