CN104749346A - 一种基于热分析测定地质年代的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于热分析测定地质年代的方法，先选定参照样品，测出参照样品²³⁸U、²³²Th和¹⁴⁷S_m同位素含量的平均值，算出和的数值，计算出参照样品的标，用差示扫描量热仪作出参照样品等温DSC曲线，测出其单位质量放出的退火质量，算出参照样品平均每个α离子核径迹放出的退火热量，后测量出待测样品中铀、钍和钐的含量，计算出和，将待测样品用差示扫描量热仪作等温DSC曲线，测出退火热量，计算出待测样品单位质量中核径迹数，最后计算出待测样品的地质年龄t，待测样品和参照样品所经历地质环境相近，本发明用测热代替了测氦,简单实用。

Description

一种基于热分析测定地质年代的方法

技术领域

本发明属于地质测年技术领域，具体涉及一种基于热分析测定地质年代的方法。

背景技术

磷灰石(U-Th)/He同位素测年技术是近年来快速发展起来的测年技术。目前该方法已被广泛应用于浅表地壳的剥蚀研究、近地表物质的测年研究和低温段地质热历史研究。该测年法中最重要的工作之一是准确测定被测定矿物中²³⁸U、²³²Th、¹⁴⁷Sm和⁴He同位素的含量，中子活化分析测定²³⁸U、²³²Th、¹⁴⁷Sm同位素含量是比较成熟的方法之一，而氦同位素是气体，其测量的难度比较大。因此，如何准确测定矿物中⁴He同位素的含量成为(U-Th)/He同位素测年技术的关键。国外有的研究机构已经建立了相关实验室，国内虽有几家做过尝试，但终因实验比较复杂，要求精密而未见数据报道。

(U-Th)/He同位素定年法的基本公式是

$N_{4_{\mathrm{He}}}=8N_{{238}_U}(e^{{\mathrm{\λ}}_{238}t}-1)+7N_{{235}_U}(e^{{\mathrm{\λ}}_{235}t}-1)+6N_{{232}_{\mathrm{Th}}}(e^{{\mathrm{\λ}}_{232}t}-1)+1N_{{147}_{S_m}}(e^{{\mathrm{\λ}}_{147}t}-1)---\left(1\right)$

其中和分别表示每克样品中²³⁸U、²³⁵U、²³²Th和¹⁴⁷S_m的原子核个数；λ₂₃₈，λ₂₃₅，λ₂₃₂和λ₁₄₇是²³⁸U，²³⁵U，²³²Th和¹⁴⁷S_m原子核α衰变常数；t表示(U-Th)/He同位素定年法所测样品的地质年代。

在公式中λ₂₃₈，λ₂₃₅，λ₂₃₂和λ₁₄₇是有定值的已知量，若用实验测出某种地质样品和含量，已知它的地质年龄t,由该公式便可以算出每克样品中应含的⁴He原子核个数。

Durango磷灰石是一种产于墨西哥，由于用多种方法测得的地质年龄基本一致(为31.4±0.5Ma)，国际上经常将其推荐为标准地质样品使用。我国学者中国地质科学院地质研究所张彦，陈文等2011年测出Durango磷灰石样品的²³⁸U，²³²Th和¹⁴⁷S_m同位素含量平均值分别为13.612μg/g，265.555μg/g和30.99μg/g，由此可计算出 $N_{{238}_U}=3.443025\×{10}^{16}n/g,$ $N_{{235}_U}=2.494953\×$ ${10}^{14}n/g$ (²³⁵U含量为²³⁸U的1/138)， $N_{{232}_{\mathrm{Th}}}=6.890694\×{10}^{17}n/g$ 和 $N_{{147}_S}=1.269114$ ${\×10}^{17}n/g.$ 将这四个值以及t＝31.4Ma代入(U-Th/He)同位素定年法的基本公式，可以算出这是由Dorango磷灰石标准样推荐年龄算出来的理论值.

由(U-Th)/He同位素定年法相关技术还可以直接测出该样品的实际含量,中国地质科学院地质研究所张彦，陈文等2011年实际测量值为 $N_{4_{\mathrm{He}}}=7.508144\×{10}^{15}n/g.$

对比理论值和实测值可见二者之差为3％左右。由此可见在长达31.4Ma地质年龄期间，铀、钍和钐发生α衰变产生的⁴He个数仍然保存在Durango磷灰石中，损失很小。磷灰石中⁴He个数和它的核径迹条数是一一对应的，通过热分析法测量核径迹数，将其应用到(U-Th)/He同位素定年法中是可行的。目前还没有基于热分析测定地质年代的方法出现。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于热分析测定地质年代的方法，简单实用。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于热分析测定地质年代的方法，包括以下步骤：

1)参照样品的选定和置备：

1.1)选定和待测样品同一类矿物的国际标准地质样品或非国际标准地质样品作为参照样品，如果选择非国际标准地质样品，其已知地质年代必须可靠；

1.2)测出该参照样品²³⁸U、²³²Th和¹⁴⁷S_m同位素含量的平均值，算出 和的数值，将这四个值以及该参照样品的地质年龄t代入(1)式计算出该参照样品的

其中和分别表示每克样品中²³⁸U、²³⁵U、²³²Th和¹⁴⁷S_m的原子核个数；λ₂₃₈，λ₂₃₅，λ₂₃₂和λ₁₄₇是²³⁸U，²³⁵U，²³²Th和¹⁴⁷S_m原子核α衰变常数；t表示(U-Th)/He同位素定年法所测样品的地质年代；

1.3)用差示扫描量热仪测出参照样品等温DSC曲线，测出其单位质量放出的退火质量Q_标，用如下公式算出参照样品平均每个α离子核径迹放出的退火热量q，

2)热分析法测定地质年代待测样品的处理以及地质年代的计算：

2.1)用中子活化分析或者其他分析手段测量出待测样品中铀、钍和钐的含量，计算出和

2.2)将待测样品用差示扫描量热仪作等温DSC曲线，测出其单位质量放出的退火热量Q_待；

2.3)用下式计算出待测样品单位质量中核径迹数:

2.4)将待测样品中计算出的和以及(3)式中求出的代入(1)式，计算出待测样品的地质年龄t。

所述的待测样品和参照样品所经历地质环境相近。

所述的步骤2.2)所使用的差示扫描量热仪与步骤1.3)所用的差示扫描量热仪相同，测试和工作条件相同。

本发明的优点：本发明用测热代替了测氦,绕过了氦气体的测量实验复杂，要求精密，测量的难度比较大的问题，简单实用。

附图说明

图1为Durango磷灰石标准样等温DSC曲线。

图2为马鞍山磷灰石等温DSC曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行详细说明。

一种基于热分析测定地质年代的方法，包括以下步骤：

1)参照样品选定和置备：

1.1)采集到的安徽马鞍山磷灰石作为待测样品，选定和待测样品同一类矿物的国际标准地质样品Durango磷灰石为参照样品；

1.2)测出参照样品Durango磷灰石的²³⁸U，²³²Th和¹⁴⁷S_m同位素含量平均值，分别为13.612μg/g、265.555μg/g和30.99μg/g，由此可计算出 $N_{{238}_U}=3.443025$ $\×{10}^{16}n/g,$ $N_{{235}_U}=2.494953\×{10}^{14}n/g,$ $N_{{232}_{\mathrm{Th}}}=6.890694\×{10}^{17}n/g$ 和 $N_{{147}_S}=1.269114\×{10}^{17}n/g,$ 其中是由在天然铀中²³⁵U含量为U²³⁸的1/138算出来的，将这四个值以及Durango磷灰石参照样品的推荐年龄t＝31.4Ma代入(1)式求出

1.3)用Q2000差示扫描量热仪测出Durango磷灰石参照样品等温DSC曲线，测试条件：样品质量m＝5.23mg；样品颗粒直径75—150μm；设置恒温温度366℃，测量曲线如图1所示，测出其单位质量放出的退火质量Q_标,用如下公式算出参照样品平均每个α离子核径迹放出的退火热量q，

退火热量为Q_标＝2.774J/g，

2)热分析法测定地质年代待测样品的处理以及地质年代的计算，

2.1)用中子活化分析测量出待测样品中铀、钍的含量，得到铀、钍含量如下表1

表1为待测样品安徽马鞍山磷灰石铀、钍含量

样品名称	质量(mg)	U含量	Th含量
				安徽马鞍山磷灰石	100.5	26.2±2.9％ppm	189.6±2.2％ppm

根据表1中安徽马鞍山磷灰石U和Th的含量，计算出 $N_{{235}_U}=4.80000\×{10}^{14}n/g$ 和 $N_{{232}_{\mathrm{Th}}}=4.91979\×{10}^{17}n/g,$ 未测量到¹⁴⁷S含量，

2.2)将待测样品安徽马鞍山磷灰石应用Q2000差示扫描量热仪作等温DSC曲线，测试条件：样品质量m＝5.23mg；样品颗粒直径75—150μm；设置恒温温度366℃，如图2所示，测出其单位质量放出的退火热量Q_待＝2.584J/g,

2.3)用下式计算出待测样品单位质量中核径迹数:

2.4)将待测磷灰石样品中计算出的 $N_{{235}_U}=$ $4.80000\×{10}^{14}n/g$ 和 $N_{{232}_{\mathrm{Th}}}=4.91979\×{10}^{17}n/g,$ $N_{4_{\mathrm{He}}}=7.222597\×{10}^{15}n/g$ 代入(1)式，计算出待测样品的地质年代t＝3.13570×10⁷a。

本实施例核径迹是随加热温度和时间增加逐渐消退的，在同一温度下加热时间(与量仪器扫瞄速率有关)不同，测出的退火热量不同，在同一长短的加热时间内，加热温度不同，测出的退火热量不同，目前的热分析仪器能够采集的热量占样品实际放出热量20％—97％，可见，同样地质样品用不同热分析仪器或同样的仪器采用不同的方法，测出退火热量有别，因此测出的退火热量和地质年代在一般情况下没有确定对应关系，本实施例采用的是一种与标准地质样品年龄对比法的方法进行测年，只有保持待测样品和标准样品在同一条件下(包括使用的仪器，仪器的设置条件)测量退火热量，采用该方法所测地质年代才可靠，譬如，对本实施例中的样品，用Q2000差示扫描量热仪对参照样品Durango磷灰石作升温速率为10℃/min的DSC曲线(不是等温DSC)，测得的退火热量为Q_标＝0.6457J/g,测出安徽马鞍山磷灰石的退火热为Q_待＝0.6275J/g，用同样的方法算出安徽马鞍山磷灰石的地质年龄为3.13573×10⁷a，尽管后一种方法测出退火热量是前一种方法的大约四分之一，由于保持了参照样品和待测样品是热分析仪器在相同的工作条件下测出热量，所以测出的地质年龄基本相同。

所述的待测样品和参照样品所经历地质环境相近,这样封闭温度对测年结果的影响在待测样品和参考样品中同样存在会抵消掉很大一部分,测年结果可信度高，否则测量误差可能较大。

Claims (3)

1.一种基于热分析测定地质年代的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)参照样品的选定和置备：

1.1)选定和待测样品同一类矿物的国际标准地质样品或非国际标准地质样品作为参照样品，如果选择非国际标准地质样品，其已知地质年代必须可靠；

1.2)测出该参照样品²³⁸U、²³²Th和¹⁴⁷S_m同位素含量的平均值，算出 和的数值，将这四个值以及该参照样品的地质年龄t代入(1)式计算出该参照样品的

其中和分别表示每克样品中²³⁸U、²³⁵U、²³²Th和¹⁴⁷S_m的原子核个数；λ₂₃₈，λ₂₃₅，λ₂₃₂和λ₁₄₇是²³⁸U，²³⁵U，²³²Th和¹⁴⁷S_m原子核α衰变常数；t表示(U-Th)/He同位素定年法所测样品的地质年代；

1.3)用差示扫描量热仪测出参照样品等温DSC曲线，测出其单位质量放出的退火质量Q_标,用如下公式算出参照样品平均每个α离子核径迹放出的退火热量q，

2)热分析法测定地质年代待测样品的处理以及地质年代的计算：

2.1)用中子活化分析或者其他分析手段测量出待测样品中铀、钍和钐的含量，计算出和

2.2)将待测样品用差示扫描量热仪作等温DSC曲线，测出其单位质量放出的退火热量Q_待；

2.3)用下式计算出待测样品单位质量中核径迹数:

2.4)将待测样品中计算出的和以及(3)式中求出的代入(1)式，计算出待测样品的地质年龄t。

2.根据权利要求1所述的一种基于热分析测定地质年代的方法，其特征在于：所述的待测样品和参照样品所经历地质环境相近。

3.根据权利要求1所述的一种基于热分析测定地质年代的方法，其特征在于：所述的步骤2.3)所使用的差示扫描量热仪与步骤1.3)所用的差示扫描量热仪相同，测试和作条件相同。