第章第四紀(jì)年代學(xué)課件

1、第十二章 第四紀(jì)年代學(xué)一、物理年代學(xué)方法二、放射性同位素年代法三、其他方法第十二章 第四紀(jì)年代學(xué)一、物理年代學(xué)方法一、物理年代學(xué)方法 概念：利用礦物巖石的物理性質(zhì)（如熱、電、磁性等）測定沉積物的年齡的方法。 種類：古地磁法、熱釋光（TL）、光釋光(OSL)、電子自旋共振（ESR）、裂變徑跡法等。一、物理年代學(xué)方法 概念：利用礦物巖石的物理性質(zhì)（如熱、電、1、古地磁學(xué)方法概念：古地磁學(xué)方法是利用巖石天然剩余磁性的極性正反方向變化，與標(biāo)準(zhǔn)極性年表對比，間接測量巖石年齡的方法。1、古地磁學(xué)方法概念：古地磁學(xué)方法是利用巖石天然剩余磁性的極1、古地磁學(xué)方法實(shí)質(zhì)：相對年代學(xué)和絕對年代學(xué)方法的結(jié)合運(yùn)用古地磁

2、數(shù)據(jù)建立極性時（世、期）和極性亞時（事件）的相對順序，再運(yùn)用同位素（主要是KAr法）測定他們各自的年代，繼而建立統(tǒng)一的磁性年表。1、古地磁學(xué)方法實(shí)質(zhì)：相對年代學(xué)和絕對年代學(xué)方法的結(jié)合運(yùn)1、古地磁學(xué)方法（1）基本原理A過去地質(zhì)歷史時期與現(xiàn)代一樣，地球是一個地心軸偶極子磁場。B.含有鐵磁性礦物的巖石，在形成過程中受到地磁場的作用而被磁化，磁化方向與當(dāng)時的磁場方向一致。a.沉積巖：沉積剩余磁性。b.火成巖：居里點(diǎn)之下，稱為熱剩磁。居里點(diǎn)溫度一般在500650（表） C.不同時期磁場是變化的,因此保存在沉積物中的磁場特征也是變化的：變化包括磁極移動（106109年）和磁場倒轉(zhuǎn)（104-106）。1、古

3、地磁學(xué)方法（1）基本原理地磁場圖地磁場圖載有剩磁的天然礦物的居里溫度礦物 組成 居里溫度()磁鐵礦Fe3O4 585赤鐵礦 Fe2O3 675磁赤鐵礦 Fe2O3 740磁黃鐵礦 Fe7O8 300鐵 Fe 780 鎂鐵礦 MgFe2O4 440錳尖晶石 Mn Fe2O4 310針鐵礦 FeOOH 120鈦尖晶石 Fe2TiO4 -153 纖鐵礦 FeOOH -196 鈦鐵礦 FeTiO3 -218載有剩磁的天然礦物的居里溫度礦物 組成 1、古地磁學(xué)方法 正極性：指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向相同，其磁傾角為正值，磁偏角接近0。 反極性：是指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向相反，其

4、磁傾角為負(fù)值，磁偏角接近180。 極性時（世、期）：指以某種極性占優(yōu)勢、持續(xù)時間較長的時間單位，一般在100萬年左右。 極性亞時（事件）：極性時中短暫的（1萬年十幾萬年）極性倒轉(zhuǎn)時期。1、古地磁學(xué)方法 正極性：指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性1、古地磁學(xué)方法 （2）古地磁極性年表（A.Cox） 古地磁極性年表是根據(jù)一系列主要用K-Ar法測定年齡的不同時間尺度的極性變化事件編制的地磁極性時間表。 目前用于第四紀(jì)研究的極性年表是A.Cox 等1969年根據(jù)陸地和大洋已有的140多個數(shù)據(jù)擬定的5MaB.P.以來的地磁極性時間表，后經(jīng)許多研究者補(bǔ)充修正，綜合成表。1、古地磁學(xué)方法 （2）古地磁極性年

5、表（A.Cox）用于第四紀(jì)的古地磁極性年表 據(jù)A.Cox，1 9 6 9等資料綜合 黑色為正極性；白色為反極性用于第四紀(jì)的古地磁極性年表 據(jù)A.Cox，1 9 6 9等1、古地磁學(xué)方法 (3) 測年范圍及應(yīng)用條件無時間限制，整個第四紀(jì)都可以。剖面沉積連續(xù)、厚度巨大的細(xì)粒沉積層。 (4) 應(yīng)用情況方法成熟，廣泛應(yīng)用。 1、古地磁學(xué)方法 (3) 測年范圍及應(yīng)用條件1、古地磁學(xué)方法 (5) 采樣要求 巖石必須含有鐵磁性物質(zhì)，但后期巖脈穿插的巖石樣品不行。 取定向標(biāo)本：產(chǎn)狀要素法、自然方位法 采樣間距及大小：垂直間距1m，大小2cm*2cm*2cm。1、古地磁學(xué)方法 (5) 采樣要求 古地磁方法綜述

6、綜上所述，一些巖石中固有的這種剩余磁性是揭示過去地球磁場歷史的信息，類似于化石一樣地能保存到現(xiàn)在。我們通過分析巖石中的天然剩余磁性，可以了解巖石形成時的地磁極性。通過其它同位素測年確定每次地磁場變化的年代，建立古地磁極性年表，以此為標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)巖石磁性的變化與之對比，從而可以確沉積物的年代。 古地磁法的不足之處在于：退磁困難；難以判斷不同層位相同極性所屬時代。1、古地磁學(xué)方法 古地磁方法綜述1、古地磁學(xué)方法古地磁對比圖河北平原肅寧縣東官亭村厚達(dá)500m的第四紀(jì)沉積物的古地磁極性變化（據(jù)李素珍，1976）1.亞砂土；2.亞粘土；3.砂層；4正向極性；5.反向極性；6.正向傾角；7.反向傾角古地

7、磁對比圖河北平原肅寧縣東官亭村厚達(dá)500m的第四紀(jì)沉積物這是基本原理相似而測試對象不同的3種年代學(xué)方法。基本原理：三種方法不同之處在于：TD是通過不同的激活手段（加熱、光照、加磁場）使其釋放出來的。2、熱釋光（TL）、光釋光(OSL)、電子自旋共振（ESR）法 TDIDADt=2、熱釋光（TL）、光釋光(OSL)、電子自旋共振（ESR）（1）熱釋光（Thermoluminescence）A.基本原理非金屬絕緣礦物 發(fā)光 （釋放儲 存的輻射能量）發(fā)光強(qiáng)度吸收的輻射能量時間（t）發(fā)光強(qiáng)度時間（t）熱發(fā)光現(xiàn)象可分為二個階段：貯集階段、發(fā)光階段（圖）計算公式加熱至紅外溫度A=PD（1）熱釋光（Ther

8、moluminescence）加熱至紅第章第四紀(jì)年代學(xué)課件（1）熱釋光（Thermoluminescence）B.基本假設(shè)條件a、所測樣品經(jīng)歷了一次徹底的“零化”(熱)事件，重新啟動時間鐘。b、被測樣品具有足夠高的熱穩(wěn)定性.c、樣品經(jīng)過“零化”事件后,必須埋藏在鈾、釷和鉀封閉體系或動態(tài)平衡環(huán)境中，輻射計量率為常數(shù)。（1）熱釋光（Thermoluminescence）B.基本（1）熱釋光（Thermoluminescence）C、測量對象及測年范圍a.對象受熱樣品：古陶片、古磚瓦、古窯壁、烤過的燧石石器、方解石脈、斷層泥等。充分暴露的樣品：黃土、沙漠砂、沙丘砂、海岸沙丘砂。（1）熱釋光（Ther

9、moluminescence）C、測量（1）熱釋光（Thermoluminescence）C、測量對象及測年范圍b.測年范圍決定于樣品的環(huán)境計量率和被測礦物。一般在1.0Ma以內(nèi)。當(dāng)環(huán)境計量率為1Gy/Ka時，石英可測1K 年-10萬年或50萬年；鉀長石可測2K 年-50萬年。不同樣品的熱發(fā)光年齡的計時起點(diǎn)不同：年齡值是最后一次光照曬后埋藏之日起至測量之日所經(jīng)歷的時間。（1）熱釋光（Thermoluminescence）C、測量（1）熱釋光（Thermoluminescence）D. 取樣注意事項(xiàng)a. 注意避光：開挖新鮮露頭，樣品要及時用黑布或不透光的容器包裝，避免陽光照射。b. 采集埋藏穩(wěn)定

10、、巖性均一的細(xì)粒部分的樣品，對于陶瓷樣品同時采取周圍的土樣，保證得出準(zhǔn)確的環(huán)境劑量。C. 少樣品水分的丟失，含水狀態(tài)對計算環(huán)境劑量率有影響。d.斷層樣品的采?。鹤钚乱淮位顒拥臄鄬幽啵⑼瑫r取斷層兩盤的的圍巖樣，供校準(zhǔn)環(huán)境劑量。e.樣品量：除陶瓷樣品外，其它樣品需200-250克。（1）熱釋光（Thermoluminescence）D. ?。?）光釋光(OSL）法光釋光法（Optically Stimulated Luminescence）是1985年由D.J Huntley等提出和建立的一種新的第四紀(jì)沉積物年齡測定方法。它是在熱釋光基礎(chǔ)上建立起來的，近年來獲得迅猛發(fā)展。不少專家認(rèn)為，光釋光法進(jìn)

11、一步發(fā)展可能成為一種可與14C法媲美的第四紀(jì)測年方法。我國是1990年由中科院地質(zhì)所盧演儔開始做工作，1994年建立實(shí)驗(yàn)室。（2）光釋光(OSL）法光釋光法（Optically Sti光釋光法與熱釋光法不同之處在于： 被測礦物由于輻射儲存的電離輻射能是通過不同波段的光波激發(fā)釋放的。 利用不同的光源可獲得不同碎屑礦物的OSL信號，可進(jìn)行單礦物測年。 不存在困擾沉積物TL測年的殘留TL水平問題。因?yàn)镺SL信號只與光敏陷電子有關(guān)。 可用于曾在搬運(yùn)、沉積過程中短暫暴露于日光下的沉積物年齡的測定。 取樣時必須絕對避光，用黑雨傘或黑布避光取樣。(2) 光 釋 光 法 (OSL)光釋光法與熱釋光法不同之處在

12、于：(2) 光 釋 光 法 (O（）電子自旋共振（ESR）法1）原理 順磁中心非金屬絕緣礦物 游離電子 雜質(zhì)心 躍移 ESR累積信號 （Al.Fe.Mn） Si-O鍵斷裂 自由電子中心ESR累積信號吸收的輻射能量時間（t）ESR累積信號時間（t）t=應(yīng)用條件與熱發(fā)光法相同，但樣品可以重復(fù)利用。輻射磁場TD-IDAD（）電子自旋共振（ESR）法1）原理 第章第四紀(jì)年代學(xué)課件（）電子自旋共振（ESR）法2）測試對象沉積和淀積形成的樣品：碳酸鹽類、磷酸巖類（牙齒、動物骨頭）、硫酸鹽類、硅酸鹽類樣品。受熱樣品：火山物質(zhì)、古代人們燒烤過的材料。受壓力作用的樣品：斷層活動影響的樣品。經(jīng)過太陽照射的樣品：3

13、）測年范圍視不同樣品和環(huán)境劑量率大小而定，一般可以測距今幾百年到幾百萬年時間段的年齡。（）電子自旋共振（ESR）法2）測試對象（）電子自旋共振（ESR）法4）樣品的采集量A.石筍、石膏、鈣華等樣品及牙齒、動物骨頭等生物化石：克。B. 含石英顆粒（松散沉積物）樣品的采集量視待測樣品中石英含量而定，一般需要克。（）電子自旋共振（ESR）法4）樣品的采集量、裂變徑跡法（Fission Track）(1)基本原理238U 原子核碎片 絕緣礦物損傷 痕跡裂變徑跡密度tt的計算法:(公式,備注)可以利用徑跡密度和長度的變化特征，恢復(fù)樣品的受熱歷史，因此該方法廣泛應(yīng)用于古地溫及構(gòu)造熱史、抬升速率方面的研究。

14、裂變、裂變徑跡法（Fission Track）(1)基本原理裂（2）測量對象磷灰石、鋯石、榍石、云母、火山玻璃、隕石等。對沉積巖來說，則為代表巖石形成以來的自生礦物（磷灰石等）。（3）測年范圍：幾百年幾百萬年，尤宜用于測MaBP以來的樣品。、裂變徑跡法（Fission Track）（2）測量對象、裂變徑跡法（Fission Track）（4）取樣注意事項(xiàng)巖石新鮮礦物結(jié)晶程度高，不含或少含雜質(zhì)。樣品量確保足以遴選出幾十個或更多的測試礦物顆粒，要求選單礦物顆，送巖石樣品一般需Kg。、裂變徑跡法（Fission Track）（4）取樣注意事項(xiàng)、裂變徑跡法（Fission Track二、放射性同位素年

15、代法基本原理利用礦物和巖石中含有微量放射性同位素的自行衰變計算年齡的一大類方法。計算公式： N=N0e t= ln D=N0(1-et) 分類：按照放射性同位素來源不同，可分為3類：1、宇宙成因同位素法（14C法）、2、非宇宙成因同位素法：K-Ar法、U系法3、人工核放射性沉降法。-t1N0 N二、放射性同位素年代法基本原理-t1N0 N1、 14C法（1）基本原理放射性碳的形成與衰變(圖)14C的半衰期: 5730a(或5568a)14C的衰變常數(shù): 1.2 10-4 a計算公式: I=I0e-t t=log 18.5 103 (a)I。I1、 14C法（1）基本原理I。I第章第四紀(jì)年代學(xué)課

16、件1、14C法基本假設(shè)條件：a.近幾萬年來宇宙射線強(qiáng)度不變；b.在交換庫中14C處于動態(tài)平衡， 14C含量一定；c.樣品被埋藏后處于封閉體系， 無14C的加入， 14C按衰變規(guī)律自然減少。1、14C法基本假設(shè)條件：1、14C法（2）測量對象和測量時限測量時限：可精確測定五萬年以來的含碳樣品的年齡。（時限的計算）測量對象：所有含碳物質(zhì)和水。（3）取樣要求注意事項(xiàng)a. 不要采集受污染的樣品；避開污染源b. 不要讓樣品受污染：防止標(biāo)簽和包裝袋污染樣品采集量（表）（4）對14C法的評價精度最高、用途最廣、方法最成熟的第四紀(jì)年代學(xué)方法。1、14C法（2）測量對象和測量時限14C樣品采集量木炭 3090g

17、干燥木頭 60g 和其他植物遺體干燥泥炭、古樹根 150300g草、皮、毛、蹄、鹿和其他動物的角 5002200g火燒骨 2200g貝殼 2200g對于年齡大于36000年或有特殊較高要求的樣品，樣品的采集量應(yīng)為要求量的2倍。 14C樣品采集量木炭 2、K-Ar法（1）基本原理（圖）（2）基本假設(shè)條件（非宇宙成因放射性同位素法都相同）放射性元素的半衰期準(zhǔn)確知道 t=0時,無放射成因的40Ar, 即40Ar/ 36Ar為大氣比值 t時段內(nèi), K與Ar處于一個封閉體系。（3）測量對象單礦物：長石、云母、角閃石、海綠石（含鉀礦物）全巖類：玄武巖、輝綠巖、粗面巖等（4）測年范圍：10萬年10億年（Q3

18、以前）2、K-Ar法（1）基本原理（圖）第章第四紀(jì)年代學(xué)課件2、K-Ar法（5）取樣要求 樣品有一定的地質(zhì)意義；有良好的保護(hù)環(huán)境，樣品無蝕變；粘土樣品應(yīng)選取細(xì)粒部分(2u或1u),并作X光衍射和電子顯微鏡分析，判斷是否1MD伊利石。5 0.5-2 12、K-Ar法（5）取樣要求2、K-Ar法（6）方法評價：比較成熟、廣泛使用（古地磁年表）； 優(yōu)點(diǎn)：K的衰變常數(shù)適中，K- Ar分析靈敏度高。 但主要用于侵入巖、火山巖有關(guān)的巖石測年。 海綠石可提供沉積巖的最小年齡值。 中子活化法（Merrihue,1965）： 39K 39Ar , 39Ar=J 40K 這樣可以利用40Ar/39Ar計算年齡值。

19、母、子體同位素同時在質(zhì)譜儀上分析，克服了樣品不均勻性造成的影響?？焖僦凶诱丈?、K-Ar法（6）方法評價：比較成熟、廣泛使用（古地磁年表3、鈾系法（鈾系不平 衡法）（1）基本原理238U、235 U、232Th 非平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)衰變過程服從 N=N0e-t , t=ln 放射性積累：t=0時：231Pa.230Th=0,238U有一定的含量 t時段內(nèi)： 238U衰變引起231Pa.230Th積累 230Th/234U、 231Pa/235U比值的變化放射性衰減： t=0時：234U、230U、230Th、231Pa過剩， t時段內(nèi)：上述同位素作為母核衰變 234U/238U、 226Ra/

20、230Th、230Th/232Th、231Pa/230Th比值的變化。因此有兩種方法：中間產(chǎn)物積累法、中間產(chǎn)物衰減法。同位素分餾效應(yīng)物理、化學(xué)、生物作用衰變t1N0N3、鈾系法（鈾系不平 衡法）（1）基本原理同位素分餾效應(yīng)物理3、鈾系法（鈾系不平衡法）(2)假設(shè)條件： 母體和子體的半衰期應(yīng)準(zhǔn)確知道（表）。 在時間為零的初始點(diǎn)，系統(tǒng)中用于測年的子體同位素放射性為零或可忽略不計或已知。 系統(tǒng)一旦形成，必須封閉，即不再獲得或丟失子、母體核素，只有這樣，系統(tǒng)的放射性平衡才能回復(fù)。3、鈾系法（鈾系不平衡法）(2)假設(shè)條件：3、鈾系法（鈾系不平衡法）230Th-234U法（鍰-鈾法）利用沉積物中母核238U放射性衰變系列中234U過剩和238U及234U/238U與230Th/234U放射性不平衡來計算樣品的年齡。衰變鏈238U 234Th 234Pa 234U 230Th半衰期 4.99Ga 24.1d 1.18min 2.48*105 75ka3、鈾系法（鈾系不平衡法）230Th-234U法（鍰-鈾法）第章第四紀(jì)年代學(xué)課件3、鈾系法（鈾系不平衡法）（3）測量對象沉積物、碳酸鹽（純碳酸鹽和不純碳酸鹽）、火山巖等。沉積物：海洋沉積、錳結(jié)核、湖泊沉積、鹽類等；碳酸鹽：珊瑚、鐘乳石、石筍（純碳酸鹽）鈣質(zhì)層、鈣結(jié)核、灰華、骨頭（純碳酸鹽）（4）測年范圍幾