Nghiên cứu phương pháp xác định tuổi vết hạch trên thiết bị hiển vi quang học phục vụ việc nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực xác định tuổi đồng vị lấy ví dụ151454

N ội dung báo cáo bao gồm ba phần chính: 1 Hệ thống hóa những vấn đề về vật lý hạt nhân và nguyên lý của việc xác định tuổi đổng vị; 2 T ổng quan vể nội dung của phương pháp phán tích tu

Q U Ố C G IA H À N Ộ I )C K H O A H Ọ C T ự N H IÊ N

if: íjc Jịz % ĩị: »5c

TÊN ĐỂ TÀI:

N G H IÊ N CỨU PH Ư Ơ N G PH Á P XÁC Đ ỊN H T ư ổ l V Ê T H Ạ C H T R Ê N T H IẾ T

BỊ H IỂN VI Q U A N G H Ọ C PH ỤC yụ V IỆC N G H IÊ N c ứ u VÀ Đ À O TẠO

HÀ N Ộ I - 2008

BÁO C Á O T Ó M T Ắ T

a T ê n đ ề tà i: N ghiên cứu phương pháp xác định tuổi V ết H ạch trên thiết bị hiển vi quang học phục vụ việc nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực xác định tuổi đồng vị:Lấy ví dụ áp dụng cho các đá biến chất ở đới siết trượt Sổng Hồng

b C hủ trì đề t à i : TS Vũ Văn Tích

c C ác cán bộ tham gia: N guyễn Duyên An

d M ục tiêu và nội d u n g nghiên cứu:

+ M ục tiêu:

- N ghiên cứu áp dụng phương pháp xác định tuổi Vết phân hạch và xây dựng quy trình phân tích trên hệ thống kính hiển vi phân cực tại khoa Đ ịa chất

+ C ác nội dung nghiên cứu:

- N ghiên cứu áp dụng phương pháp xác định tuổi V ết hạch nhằm triển khai thực hiện trên thiết bị hiển vi quang học tại khoa Đ ịa chất N ghiên cứu chuẩn hoá (calibration) thiết bị đo V ết hạch, quy trình thực hiện việc đo vết hạch trên mẫu chuẩn, quy trình chuẩn bị m ẫu, điều kiện kích hoạt m ẫu trong lò phản ứng hạt nhân, qui trình đếm vết trên thiết bị hiển vi quang học

- N ghiên cứu tín h toán tuổi nguội lạnh của đá biến chất thuộc đới siết trượt Sông

H ồng N ghiên cứu tốc độ trồi lộ của đá biến chất thuộc đới siết trượt Sông Hồng

e C ác kết quả đạt được: + Q ui trình công nghệ về xác định tuổi đồng vị trên hệ thống

kính hiển vi quang học tại khoa Đ ịa chất

+ K ết quả tính tuổi hai m ẫu áp dụng

f, Tình hình kin h phí của dể tài:

1 Thuê khoán ch u y ên m ôn 12 triệu đồng 12 triêu đồng

SU M M A R Y O F P R O JE C T

a T itle and code.

- T itle: Study on F ission Track dating m ethod by optical m icroscope serving for research and fo rm atio n in isotope geochronology: Case study for the m etam orphic rock

in R ed R iver sh ear zone

- Code: Q T-07-41

b H ead o f project.

-D r Vu V a n T ich

c Particip ant.

- G raduate student N guyễn D uyên A n

d O bject and co n ten t o f project.

+ O bject

- Study on datin g m ethod o f Fission T racks and th eir application

- A p p licatio n o f this m ethod on m icroscope system at F acu lty o f geology

+ Content

- Study on m etho d o lo g y on Fission track datin g in order to develop this m ethod

on m icroscope o f F a c u lty o f G eology

- M ak in g th e calibratio n FTD system and process o f m easurem ent

- Study on process o f sam ple preparing

- Study on process o f fit counting fission tacks on m icroscope in high resolution

- Study on d atin g the age o f rock from Song H ong sh ear zone

- Study on rate o f exhum ation o f m etam orphic rock

e R esults.

+ In science:

- Process and tech n iq u e o f m easurem ent o f fission track age on m icroscope of

F acu lty o f geology

+ In education:

- The d atas from this research result help to finish one stu d en t’s thesis in 2007

Lời nói đáu

M ỤC LỤC

6

Chương 1: Đ ồng vị và nguyên lí xác định tuổi đồng vị

1.1 N guyên tử và cấu tạo nguyên tử 7

1.2 Đ ổng vị, hệ đồng v ị 7

1.2.1 Đ ổng vị, đồng vị bền và đồng vị phóng x ạ 7

1.2.2 Hệ đồng v ị 8

1.3 H iện tượng phóng xạ và các cơ chế phóng xạ 8

1.4 Phương trình tuổi cơ bản và thời gian bán r ã 12

Chương 2: N hữ ng Ván để chi phối việc sử dụng các phương pháp xác định tuổi đồng vị phóng xạ và luận giải kết quả tuổi 2.1 Đạc điểm hoá-Iý cần lưu ý trong xác định tu ổ i 15

2.2 N hiệt độ đóng và ý nghĩa tuổi của các phương p h á p 15

2.2.1 K hái niệm nhiệt độ đ ó n g 15

2.2.2 Ý nghĩa tuổi của các phương p h á p 16

2.3 Các nguyên nhân gây m ất đổng vị trong m ột h ệ 17

Chương 3: Phương pháp vết phân hạch 3.1 Giới thiệu phương p h á p 19

3.2 N guyên lý của phương p h á p 19

3.2.1 K hoáng vật (detector) ghi nhận các vết hạch ở trạng thái c ứ n g 19

3.2.2 N guồn gốc của các vết trong các khoáng v ậ t 20

3.2.3 Xác định tuổi bàng vết phàn hạch: phương trình t u ổ i 20

3 2 4 C ách xác định tu ổ i 21

3.2.5 N guvên nhân m ất vết phân hạch trong m ẫu phân t í c h 23

3.3 N hiệt độ đóng của hệ và 2,iái thích tuổi vết phân hạch trong địa c h ấ t 26

3.3.1 K hái niệm nhiệt độ đóng của phương pháp vết phân h ạ c h 27

3.3.2 Xác địn h nhiệt độ đ ó n g 27

3.3.3 Các thông số ảnh hưởng hưởng tới nhiệt độ đ ó n g 29

3.3.4 Giải thích tu ổ i vết phân h ạ c h 30

3.3.5 H iệu chỉnh tuổi biểu k iế n 32

3.3.6 H iệu chỉnh tuổi biểu kiến bằng phương pháp tuổi m ạt b ằ n g 34

Chương 4: Q uy trình phân tích tuổi vết phân hạch trén kính hiển vi phân cực tại khoa Đ ịa chất và kết quả áp dụng 4.1 Giới thiệu thiết bị phân tíc h 37

4.1.1 Cấu tạo và tính n â n g 37

4.2 Q uy trình phân tích tuổi bằng vết phân h ạ c h 38

4.2.1 Chuẩn bị m ẫ u 38

4.2.2 Quy trình đếm vết phân h ạ c h 39

4.2 3 Cách xác định liều lượng n ơ tr o n 40

4.3 Đ ánh giá độ chính xác của giá trị t u ổ i 40

4.3.1 Tính toán sai số của tuổi xác định từ phương pháp detector n g o à i 40

4.3.2 Tính toán sai số của tuổi xác định từ phương pháp detector tro n g 43

4.3.3 Sai số trong xác định liều lượng n ơ tro n 43

4.4 Ví dụ áp dụng xác định tuổi bằng phương pháp vết phân h ạ c h 44

4.4.1 Áp dụng phương pháp xác định tuổi đá biến chất tại đới siết trượt Sông Hồng 44 4.4.2 Giá trị địa chất về tuổi của m ẫu phân tíc h 45

Chương 5 K ết luận và kiên n g h ị 46

Có thể nói, tuổi đổng vị là một ngã tư của của nhiều lĩnh vực, chính vì vậy, việc thực hiện đề tài “N ghiên cứu phương pháp xác định tuổi Vết H ạch trên thiết bị hiển vi quang học tại kh o a Đ ịa chất phục vụ việc nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực xác

đ ịnh tuổi đồng vị: Lấy ví dụ áp dụng cho các đá biến chất ở đới siết trượt Sõng H ồng”

có ý nghĩa thiết thực, nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập tại trường Đại học K hoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

N ội dung báo cáo bao gồm ba phần chính:

(1) Hệ thống hóa những vấn đề về vật lý hạt nhân và nguyên lý của việc xác định tuổi đổng vị;

(2) T ổng quan vể nội dung của phương pháp phán tích tuổi V ết phân hạch và xây dựng quy trình phàn tích tuổi trẽn hệ thông kính hiển vi phân cựuc tại khoa địa chất

(3) Trình bày kết quả áp dụng phương pháp phân tích tuổi Vết phân hạch và ý nghĩa của giá trị tuổi thu được từ phương pháp này trên thiết bị kinh hiển vi phân cực

Chương 1

Đ Ổ N G VỊ VÀ N G U Y Ê N LÍ XÁC Đ ỊN H T ư ổ l Đ Ổ N G VỊ

1.1 N guyên tử và cấu tạo nguyên tử

Trước khi đi vào xem xét khái niệm đồng vị và các phản ứng hạt nhân m ột cách chi tiết, chúng ta hãy bắt đầu bằng các khái niệm cơ sở về nguyên tử và hạt nhân của

nó N hư chúng ta được biết, nguyên tử bao gồm hạt nhân và các điện tử chuyển động trong quỹ đạo của hạt nhân Hạt nhân của m ột nguyên tử bao gồm các proton và nơtron T hông thường nguyên tử được ký hiệu bằng chữ X và cấu tạo chung của nó được biểu diễn như sau :

trong đó A = N + z được gọi là số khối hay khối lượng của nguyên tử (vì khối lượng của các điện tử là không đáng kể), N là số nơtron, z là so proton = số điện tích hạt

„ 2 7 A I

nhân V í dụ 13 Lưu ý, số proton (Z) quyết định độ phổ biến của nguyên tố

Đ ơn vị khối lượng cơ sở của hạt nhân hay đơn vị khối lượng nguyên tử là dalton (tên nhà bác học phát hiện ra nguyên tử), sau nàv lại được gọi là đơn vị carbon (đv.C)

vì đơn vị này dựa trên khối lượng của nguyên tử 12c Đ iều này có nghĩa rằng khối lượng nguyên tử của l2C bàng 12 (đv.C) Khối lượng của nguyên tử bằng tổng khối lượng của proton, nơtron và electron Trong đó, khối lượng proton = 1,007593 (đv.C) =

1 ,6 7 2 6 2 3 1 1 0 27 kg K hối lượng của nơtron - 1,008982 (đv.C) = 1 ,6 7 2 6 1 0 27 kg Khối lượng của electro n = 0,000584756 (đv.C) = 9.10093897.10 ?1kg

1.2 Đ ồng vị, hệ đồn g vị

1.2.1 Đ ồng vị, đ ồn g vị bền và đồng vị phóng xạ

Bây giờ chúng ta có thể đi đến khái niệm về đồng vị như sau : Đ ổng vị là một

trong nhữní: kiểu khác nhau về hạt nhân n su y ên tử của cùng m ột neu y ên tố ch ú n s chí khác nhau vể số nơtron (N) nhưng giống nhau về số proton (Z)

Trong tự nhiên có những nguyên tổ có m òt sổ đ ổ n s vị nhưng có nguvên tố không có đổng vị nào Trên bảng 1.1 trình bày m ột số đổng vị trong tự nhiên của một vài nguyên tố

Trong các đ ổ n s vị của m ột nguyên tố, thì có đổng vị có hạt nhân bến {dồng vị

bển), nhưng có đồng vị lại có hạt nhân không bền (đổng vị phúng xạ) trong đề tài này

chúng tôi chỉ để cập đến các đồng vị phóng xạ và sử d ụ n e c h ú n s như c ỏ n 2 cụ cho việc xác định tuổi chứ k h ô n s để cập đến các đổng vị bển m ãc dù chúng cũng có thế được sư dụng để xác định tuổi cũ ng như xác định nguồn gốc cua khoáng vật hay đá chứa nó

Bảng 1.1: Bảng phân loại m ột sô đồng vị

K hái niệm về hệ đồng vị ở đáy được định nghĩa là m ột khoáng vật m ột đá hay

m ột thể vật chất nào đó có chứa m ột cặp đồng vị m à chúng có quan hệ m ẹ-con với nhau

Ví dụ khoáng vật biotit có chứa các đồng vị 40K và 40Ar, các đồng vị này có quan hệ m ẹ và con (đổng vị 40A r được sinh ra từ đồng vị 40K) Khi đó cả khoáng vật biotit, đồng vị 40K và 40A r được xem như là m ột hệ đồng vị

Hệ đồng vị được gọi là kín nếu từ khi khoáng vật biotit được hình thành (trong quá trình m agm a hoặc biến chất) cho đến thời điểm chúng ta lấy khoáng vật này ra để xác định tuổi, các đổng vị 40K và 40Ar có mặt trong khoáng vật này không bị m ất đi hay thêm vào từ m ôi trường bén ngoài Ngược lại hệ được gọi là m ở nếu từ thời điếm kết tinh cho tới hiện tại, hàm lượng của một trong các đổng vị trên bị thay đổi do chúng thoát ra hay được hấp thụ vào trong khoáng vật này từ m ôi trường bên ngoài

1.3 Hiện tượng ph óng xạ và các cơ chê phóng xạ

H ạt nhân nguvẽn tử của các nguyên tố không bển vững bị chuyển đổi tức do hoạt động tự bức xạ các hạt và giải phóng nâng lượns nhiệt, quá trình nàv gâv ra một hiện tượng gọi là hiện tượng phóng xạ H iện tượng này xảy ra theo các cơ chế khác nhau n h ư n s đểu dẫn đến thay đổi số z và số N của các nguyên tố tức là quá trình chuyển đổi nguyên tố này thành một nguyên tố khác N guyên tố mới được sinh ra (nguyên tỏ con) có thế lại tiếp tục phóng xạ cho tới khi tạo ra n su y én tố bền vững Đâv

là nguyên nhàn tại sao m ột nguyên tố có thể sinh ra cùng m ột lúc các nguyên tố con khác nhau H iện tượng phóng xa xẩv ra theo các cơ chế khác nhau như sau (hình 1.1):

H ình 1.1: M ô hình biểu diễn các quá trình phóng xạ trong tự nhiên của các nguyên tố

có hạt nhân không bền (n là ký hiệu của nơtron)

1.3.1 Phóng xạ B eta (p)

Phần lớn các nguyên tố không bền vững đều phóng xạ do bức xạ m ột hạt mang điện tích âm gọi là tia P' và các nơtrino từ hạt nhân, đi cùng với nó là giải phóng một năng lượng nhiệt dưới dạng tia y Thực chất phóng xạ [5 là sư chuvển đổi m ột nơtron thành m ột prồton và m ột electron Khi đó electron bị đẩy ra khỏi hạt nhân như m ột hat P' (hình 1.1) H ậu quả của quá trình này làm cho số prồton của nguyên tố tăng lên một trons khi số nơtron eiảm đi m ột theo báng 1.2:

Bảng 1.2 : M ối quan hệ giữa đổng vị mẹ và con

1.3.2 P h óng xạ P ositron (P+)

N hiều phóng xạ hạt nhân là do sự bức xạ m ột điện tử m ang điện tích dương gọi

là positron Thực chất của quá trình này là sự chuyển đổi m ột prôton trong hạt nhân thành m ột nơtron, m ột positron và m ột nơtrino Theo đó số z giảm đi một, số N tăng thêm m ột và số khối vẫn không đổi (hình 1.1) Q uá trình này được diễn giải theo bảng 1.3:

Bảng 1.3: M ối quan hệ giữa đồng vị mẹ và con

R õ ràng các nguyên tố con sinh ra là m ột đồng đẳng và có số prổton thấp hơn

m ột so với nguyên tố mẹ Q uá trình này thể hiện dưới dạng phản ứng như ví dụ sau:

'ỈF - > 'Ịo + P+ + V + Q trong đó p+ là positron, V là nơtrino, Q là năng lượng giải phóng

1.3.3 H iện tượng bát điện tử

Các quá trình luân phiên theo đó hạt nhân của nguyên tố có thể bị giám số

prôton và tăng số nơtron của nó liên quan đến sự bắt các điện tứ của lớp trong cùng

(lớp K) gần hạt nh ân nhất Q uá trình này thực chất là sự tương tác giữa một prôton trong hạt nhân và m ột điện tử ở lớp trong cùng, thành m ột nơĩron và một nơtrino, quá trình này được biểu diễn theo hình (1.1) và báng 1.4 sau đây:

Bảng 1.4: M ỏi quan hệ giữa đồng vị mẹ và con

Đi cùng quá trình bắt điện tử là sự bức xạ tia X vì khi m ột điên tử bị trung hoà bởi m ột proton trong hạt nhân thì m ột điện tử khác ờ lớp sát ngoài sẽ thế chỗ cứ như vậv một điện tử chuyển đổi từ mức năng lượng cao sang mức năng lương thấp thì sẽ phát ra tia X

1.3.4 P h ón g xạ alph a (a )

Q uá trình phóng xạ thường xảy ra với các nguyên to có số z từ 58 (Ce) trờ lén

đê tạo ra các hạt nhân có số z thấp hơn và m ột số nguyên tổ như [Li và ' Be

(hình 1.1) Các hạt a bao sổm 2 prỏton và 2 nơtron và có điện tích 2* Quá trình này

có thể biểu diễn liên quan đến sự thay đổi các giá trị z và N của nguyên tố mẹ thành nguyên tố con theo bảng dưới đây (bảng 1.5):

Q uá trình này làm giảm cả số z và số N đi 2 và dẫn đến số khối giảm đi 4

N guyên tố con sinh ra là m ột đồng vị của m ột nguyên tố khác chứ không phải là đổng phân của nguyên tố m ẹ như trường hợp của quá trình phóng xạ p và a hay bắt điện tử

Bảng 1.5: M òi quan hệ giưa đổng vị m ẹ và con

nó bị bắn phá bởi các nơtron, prôton, positron, hay tia a Trong quá trình phân hạch thì

số z của các nguyên tố con thông thường khổng bằng nhau Điều này có nghĩa là hạt nhân mẹ của nó k h ô n g bị phân đôi thành hai phần bằng nhau (hình 1.1)

B ảng 1.6: Bảng tuần hoàn giản lược thể hiện các đồng vị mẹ và con

Các quá trình phóng xạ này làm tăng độ phổ biến của nguyên tố con và ngược lại làm giảm độ phổ biến của nguyên tố mẹ K hống những thế, quá trình này còn tạo ra các đồng vị phóng xạ m ẹ và con khác nhau Trong những nguyên tố đó, có những nguyên tố vừa là đổng vị con vừa là đồng vị mẹ (bảng 1.6) V í dụ như với quá trình phân hạch của u cho ra Th, sau đó Th lại phóng xạ đê cho ra Pb N hư vậy Th vừa là đồng vị con của u nhưng đồng thời là đồng vị m ẹ của Pb.

1.4 Phương trình tuổi cơ sở và thời gian bán rả

M ọi phương pháp xác định tuổi đồng vị đều dựa trên quá trình phóng xạ tựnhiên của các nguyên tố Q uá trình này không phụ thuộc vào bất cứ m ột điều kiện lý hoá nào của m ôi trường m à chỉ phụ thuộc vào thời gian (t) Theo định luật phóng xạ, tuỳ theo từng nguyên tố, ứng với mỗi khoảng thời gian t nhất định, thì lượng hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đó sẽ bị giảm đi m ột nửa K hoảng thời gian này gọi là thời gian bán rã (T 1/2) N ếu gọi F là lượng hạt nhân nguyên tử của nguyên tố, khi đó hoạt độ của quá trình phóng xạ tỉ lệ với số nguyên tử phân rã trẽn m ột đơn vị thời gian Chúng

ta có thể diễn giải hiện tượng này theo ngõn ngữ toán học dưới dạng phương trình như sau:

dt

trong đó là h oạt độ phóng xạ tại thời điểm t nào đó, dấu biểu hiện cho sự giảm

của số nguyên tử m ẹ theo thời gian t, X là hầng số phóng xạ của nguyên tố.

Phương trình (1.1) có dạng một phương trình vi phân của số nguvên tử mẹ theo thời gian, nếu lấy tích ph ân hai vế của phương trình này ta có:

Giải phương trình tích phân vô hạn này ta được

trons; đó lnF là ỉogarit tự nhiên cơ số e của F (e = 2.718 — ) và c là h ãns số tích phân

vô hạn nó tương ứng với giá trị F = F0 tại thời điếm t = 0 tức là c = lnFt) Thay vào phương trình (1.2) ta có:

m iêu tả tất cả các quá trình p h óne xạ trong tự nhiên

G iả sử quá trình phóng xạ của nguyên tố mẹ cho ra nguyên tố con bển vững và

số n su v ên tố con tại thời điếm ban đầu (t = 0) là b ăn s khòne iro n s hẽ đone vị mà tí'

xem xét Khi đó số nguyên tố con sinh ra do quá trình phóng xạ (D* ) từ nguyên tô mẹ

sau m ột thời gian t sẽ là :

N ếu đổng vị con sinh ra được lưu giữ trong m ột hệ kín m à không bị m ất đi hay thêm vào, thì từ phương trìn h (1.3) và (1.4) ta có :

D* = F0 - F0 e /4 , hay ta có : D* = F0 (1- e ','t) (1.5)Phương trình (1.5) biểu diễn sô' đồng vị con bền vững sinh ra sau thời gian t từ quá trình phóng xạ của m ột nguyên tô mẹ không bền có sô nguyên tử ban đầu tại t = 0 là F0 Trước khi đi vào giải phương trình (1.5) theo t để có được thời gian đã trôi đi kể từ

khi phóng x ạ (tức là tuổi), chúng ta cần tìm hiểu khái niệm thời gian bán rã (T,/2) Đó

là khoảng thời gian (t = T 1/2) sao cho cứ sau m ột khoảng thời gian này thì sỏ' nguyên tử

của nguyên tố m ẹ lại giảm đi một nửa (1/2) tức là F = — F 0 Thay giá trị này vào

phương trình (1.3) ta có :

Phương trình (1.6) thể hiện quan hệ giữa thời gian bán rã T 1/2 và hằng số phóng xạ Ằ hay nói rõ hơn nó chỉ ra quan hệ giữa số nguyên tử của nguyên tố mẹ và số nguyên tử của nguyên tố con sau m ỗi khoảng thời gian T l/2 Sơ đổ hình 1.2 có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn quan hệ này và bảng 1.7 trình bày thời gian bán rã và hằng số phóng xạ của

m ột số cập đổng vị m ẹ con sử dụng trong giáo trình này

Thói sian bán rã

Hình 12: Sơ đổ biếu thi quan hệ giũa sô nguyên tử mẹ và sô nguyên tử con sau thời áan bán r ì

Bảng 1.7: Thời gian bán rã và hằng số phóng xạ của một số cặp đồng vị theo Faure.G 1997

C ặp đồng vị Thời gian bán rã (T 1;2) theo nám

Trong quá trình tính toán thực tế, người ta thường chỉ biết được số nguyên tử của đổng vị m ẹ còn lại (F) và số nguyên tử của đồng vị con sinh ra (D*) chứ khống biết được số đồng vị m ẹ ban đầu (F0) Chính vì vậy, từ phương trình (1.5) chưa thể tính được tuổi, do đó x uất phát từ phương trình (1.4) D* = F0 - F và thay F0 = F eí [ (biến đổi

G iá tri P -~ thav đổi chỉ do quá trình phóng xa, tức là không có sư tăng

pthêm hoặc m ất đi khỏi hệ (khoáng vật hay đá chứa cập đổng vị- được gọi là

m ột hệ đồng vị) xem xét

- G iá trị Ầ của cạp đổng vị xem xét phải xác định

- Việc thực hiện phép đo các tỉ số đồng vị trẽn khối phổ k ế phải chính xác

Phương trình 1.9 là phư ơng trình tuổi cơ bản thể hiện m ối quan hệ giữa thời gian t (tuổi địa chất) VỚI hằng số phóng xạ X của nguyên tố và tỉ số đồng vị mẹ và con của nguyên

tố phóng xạ N hư vậy theo phương trình này, ứng với những cặp đồng vị khác nhau (U-

Pb, Sm-Nd, K -A r, R b-Sr ) sẽ cho chúng ta những phương pháp xác định tuổi đổng vị tương ứng (phương pháp U-Pb, phương pháp Sm-Nd phương pháp K-Ar phương pháp Rb-Sr ) Tuỳ theo từng phưưng pháp sẽ có cách biểu diễn giá trị tuổi khác nhau

N hư chúng ta đã biết, các nguyên tố phóng xạ thường nằm trong cấu trúc của tinh thể khoáng vật dưới dạng thay th ế đồng hình (Rb, Sr, Sm, N d ) hay là tạo khoáng trực tiếp (K, u ) , do đặc tính địa hoá m à chúng nằm trong các khoáng vật khác nhau với hàm lượng khác nhau, ứng với mỗi khoáng vật hoạc đá nhất định ta sẽ có một hệ đồng vị nhất định và từ đó sẽ có phương pháp riêng Việc phân tích tuổi đòi hỏi các

m ẫu (khoáng vật hay đá) phải chứa nhiều nguyên tố phóng xạ Chính vì vậy khi ta có

m ột m ẫu đá hay kho án g vật cần phân tích, thì điều đầu tiên cần đặt câu hỏi liệu nó có thể chứa nhiều nguyên tố phóng xạ nào để từ đó ta định hướng sử dụng phương pháp cho phù hợp M ặt khác, tuỳ theo từng mục đích m à chúng ta m uốn xác định tuổi thì cũng cần lựa chọn phương pháp sao cho thích hợp Thí dụ m uốn xác định tuổi kết tinh của khối xâm nhập thì phải lựa chọn phương pháp nào hoặc xác định tuổi của pha biến chất hay pha tạo quặng nhiệt dịch thì phải sử dụng phương pháp nào Tất cá những điều này đều phụ thuộc vào sự hiểu biết về hành vi địa hoá của nguyên tố mà chúng ta sử dụng để xác địn h tuổi cũng như đặc tính vật lý của chúng

2.1 Đ ặc điểm hoá-lý cần lưu ý trong xác định tuổi

Trước khi đi vào giới thiệu chi tiết phương pháp, chúng ta cần tìm hiếu về một

s ố đặc tính địa hoá và vật lý có ý nghĩa đối VỚI việc xác định tuổi của một số cập đồng

vị sử dụng trong từng phương pháp

Với phương pháp Vết p h â n hạch, việc định tuổi k h ỏ n s dựa trên nguyên lý của

các phương pháp xác định tuổi thông thường, thay vì SÍT dụng thời gian bán rã của cặp đổng vị m ẹ-con để xác định tuổi thì phương pháp này lại sử dụng hoạt độ phóng xạ (số bức xạ/đơn vị thời gian) sinh ra do sự phóng xạ tức thời cùa -■ 5U để xác đinh tuổi Các

bức xạ nàv thường đế lại dấu vết (gọi là vết phú n hạch) trẽn các khoáng vặt chứa nó

như zircon, titanit, apatit

Phương pháp này k h ô n s có sự giới hạn về tuổi nhưng lại bị ràng buộc chãt chẽ bởi khả nãng bảo tồn các vết sinh ra do phóng xa

2.2 N hiệt độ đ ón g và ý nghĩa tuổi của phương pháp

2.2.1 K hái niệm nhiệt độ đóng

N hư trên đ ã biết, khi m ột khoáng vật hay đá kết tinh sau đó nguội dần, trong

quá trình này các đồng vị có trong hệ có thể bị thay đổi do sự khuếch tán của chúng

(đặc tính địa hoá) N hưng tới m ột nhiệt độ nào đó thì tại đó các đồng vị không thể di

chuyen ra hay vào khoáng vật hoặc đá được nữa N gưỡng nhiệt độ khi đó được gọi là

nhiệt độ đóng của hệ đồng vị xem xét.

Đ iều này có ng hĩa là bắt đầu từ giá trị nhiệt độ đó tỷ sô đồng vị giữa mẹ và con

sẽ không thay đổi và được giữ lại trong cấu trúc tinh thể khoáng vật hav trong đá cho

đến khi ta đem m ẫu đi xác định tuổi

Với định ng h ĩa này chúng ta có thể thấy rằng tuỳ từng cặp đồng vị, từng khoáng

vật và đá hay m ột vật chất nào đó, chúng sẽ có nhiệt độ đóng khác nhau Có nghĩa rằng

với m ột phương pháp sẽ có nhiều nhiệt độ đóng khác nhau phụ thuộc vào khoáng vật

hay đá chứa cặp đồng vị nào Ngược lại, với m ột khoáng vật cũng có thế có nhiều nhiệt

độ đóng tuỳ thuộc vào việc sử dụng chúng để định tuổi bằng phương pháp nào

H ình 2.1 biểu diễn m ột số giá trị về nhiệt độ đóng của một số phương pháp phổ

biến và các khoáng vật và đá áp dụng tương ứng theo các phương pháp khác nhau

H ìn h 2.1: N hiệt độ đón 2 của m ột số cặp nhiệt thời và m ột số khoáng vật đá tổng (tổng

đá) tương ứng Đ ường cong c tương ứng với quá trình biên chát cao hay quá trình kết

tinh m agm a, đường cong T tương ứng với quá trình biến chất thấp

- Với phương pháp vết phân hạch, xác định trên zircon, tuổi tương ứng với thời điểm m à m ẫu đã vượt qua ranh giới đường đ ảna nhiệt là dưới 250 + 5Ơ°C (chương 3)

N hư vậy với kết quả phân tích từ một p h ư ơ n s pháp th ồ n s thường không cho ra

tuổi thành tạo của m ột khoáng vật hay m ột đá tuy nhiên nêu đá hay khoáng vật khóng

bị tái lập lại hệ đ ổ n e vị thì các tuổi đó đều có 2Ĩá trị N so ài ra đôi với mỏi khoáng vạt

c h ú n s ta có thể sử d u n s k h ỏ n s chi m ột nhiệt đô đ ó n s mà nhiều nhiệt đỏ đ ó n ” tùv theo

từng phương pháp khác nhau Chính vì vậy các nhà địa chất khi giải thích các số liệu cân tính đên phương pháp đang áp dụng là phương pháp nào, bản chất mẫu và bối cảnh

h ch sử địa chất của nó Việc lựa chọn phương pháp để xác định tuổi đòi hỏi các nhà địa chất phải tính đên bản chất của đá và hiện tượng cần xác định Chi tiết về vấn đề nàv chúng ta có thể thấy rõ hơn khi giới thiệu về phương pháp trong chương tiếp theo của

đề tài này

2.3 Các ngu yên nhân gây m ất đồng vị (vết) trong hệ

Tuổi của m ẫu cần phân tích phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tiến hoá đồng vị trong m ột hệ H ệ được gọi là kín có nghĩa là cả nguyên tố m ẹ và con không mất đi (không thoát khỏi hệ) kể từ khi đá hay khoáng vật được hình thành Đây là điều kiện tiên quyêt cho việc sử dụng các cặp đồng vị để xác định tuổi Có hai nguyên nhân đẫn đên sự thay đổi tỉ lệ đổng vị trong m ột hệ đó là:

- N guyên nhân thứ nhất là m ột sự mất đồng vị m ột cách hệ thống thông qua hiện tượng khuếch tán Q uá trình này tái lập lại hệ đồng vị m ột cách dần dần cho đến khi đá nguội tới m ột nhiệt độ nhất định thì không còn sự thay đổi về hệ đổng vị nữa N hiệt độ

này được gọi là nhiệt độ đóng của hệ đổng vị đã nêu ở trên Nó phụ thuộc vào hành vi

địa hoá của từng cập đồng vị và từng khoáng vật xem xét

- N guyên nhân thứ hai là sự thay đổi hệ đồng vị (hệ đồng vị bị mở) liên quan đến vấn để phá hủy cơ học hay do phong hoá Các quá trình này dẫn đến sự thay đổi hệ đồng vị do sự trao đổi các nguyên tố với môi trường bên ngoài Hiện tượng này dẫn đến thay đổi tuổi vì hành vi địa hoá của các nguyên tố mẹ và con là không giống nhau Trường hợp này thường phố biến đối với các nguvẽn tố đất hiếm Sm và Nd Q uá trình trao đổi này có thể thấy rõ thông qua sự biến đổi về khoáng vật học hay có thể biết được nhờ những phương pháp phân tích hóa thòng thường Tuy nhiẽn quá trình trao đổi này thường không đáng kể và chỉ là m ột phần chứ k h ô n2 phải toàn phần như trường hợp ban đầu Đ ể khắc phuc tình trạng này, khi phân tích đồng vị phóng xạ chúng ta nên lấy những m ẫu tươi

NÓI tóm lại, cho dù với bất kỳ phương pháp nào, nguyên lý chưng cua việc xác định tuổi bao gồm việc đo nổna độ của một nguyên tố phóng xạ (nguvên tó mẹ hay đồng vị m ẹ) và nồng độ của nguyên tố sinh ra do p h ó n s xạ (nguyên tô con hay đổng vị con) Để có thể giải thích tuổi chính xác thì việc đo phải thỏa m ãn m ột số điều kiện :

(1) Xác định được nồng độ của nguyên tố con tại thời điếm cùa một sự kiện địachất nào đó (pha biến chất, pha biến dạng, pha xâm nháp m agm a) mà ta

m uốn xác định tuổi Đ iểu này có nghĩa là hệ dong vị cua m ẫu m à ta muốn

xác định phái đổng nhất về m ặt đổng vị: - — - —

-ĐAI HO C Q UỐC G i* ha ,'JÕ;

TPUNG TÂM THCNG TỊM THU '/|ỆÍ'J

(2) Đ ối với bất kỳ phương pháp nào, hệ đổng vị cần xác định tuổi phải là m ột hệ kín Tức là đối với các nguyên tố mẹ và nguyên tô' con không có sự thay đổi giữa thời điểm củ a sự kiện cần xác định và hiện tại (thời điểm phân tích

m ẫu)

H ai điều k iện này sẽ được thảo luận chi tiết trong các phần cụ thể của phương pháp được trình bày ng ay sau đây

Chương 3

PH Ư Ơ N G P H Á P X Á C Đ ỊN H Tuổi BA NG VÊT PH Â N H Ạ C H

T rên cơ sở tìm hiểu và nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi giới thiệu bản chất phương pháp phân tích tuổi bằng vết phân hạch như sau:

3.1 Giới th iệu phương pháp

Trong tự nhiên, luôn luôn diễn ra quá trình phân hạch của các nguyên tô' phóng

xạ như u , Th gắn liến với sự bức xạ của các hạt Q uá trình bức xạ này bắn phá cấu trúc tinh thể của các khoáng vật, đồng thời để lại dấu vết trong cấu trúc tinh thể dưới dạng các vết có thể quan sát được dưới kính hiển vi VỚI độ phóng đại lớn, và ta gọi là vết phân hạch (hình 3.1) Do các vết phân hạch ti lệ với quá trình phóng xạ theo m ột hằng số nhất định và quá trình phóng xạ lại tỉ lệ với thời gian, như vậy số lượng vết phân hạch sẽ tỉ lệ với thời gian Chính vì vậy người ta đã sử dụng các vết phân hạch lưu giữ trong khoáng vật như m ột công cụ để xác định tuổi và tuổi có được gọi là tuổi vết hạch

■

\

\

Hình 3.1: Vết phân hạch để lại trên khoáng v ậ t: bẽn trái chưa tay rửa ; bên phải đã tấv rửa.

3.2 N guyên lý của phương pháp

Trước khi đi vào nguyên lý của phương pháp cần xem xét m ột số yếu tố ảnh hưởng đến đặc điểm của vết phân hạch Vết được lưu giữ lại trong cấu trúc tinh thế phụ thuộc vào các yếu tô' sau:

- Đ ặc tính của khoáng vật bị bắn phá bởi quá trình phân hạch

- Đ ặc tính cu a các hạt băn phá gãy ra vết

- Các điều kiện bảo tổn vết khi nó thành tạo

- Các điểu kiện tẩy rửa hoá học các vết trước khi sử dụng để nghiên cứu

3.2.1 K h oán g vật ghi nhận các vết hạch ở trạng thái cứng (d etector)

Độ nhạy củ a d etecto r được xác định bằng điện tích nhỏ nhất Zm cán thiét để một ion có thể để lại vết trong khoáng vật này Các nghiên cứu cho thấy ion của các nguyên

tố với số ngu y ên tử lớn hơn 20 được ehi nhận trong tất cá các cấu trúc cua khoáng vật hoặc nền thuỷ tinh

Sự phân hạch của m ột nguyên tử uran m ẹ tạo ra hai hạt nhân con nhẹ hơn với hai khối lượng n g u y ên tử trung bình là 96 và 140 và với m ỗi “hạt nhân” có một năng lượng động học biến đổi trong khoảng từ 0,4 đến 1 M eV /nucleon Những bức xạ của quá trình phân hạch sẽ được ghi nhận dọc theo đường đi của chúng, m ột phân hạch cho

ra m ột vêt duy nh ất và độ dài của nó phụ thuộc vào khoáng vật m à nó xuyên qua từ 10

|im trong zircon đến 22 Ịxm trong khoáng vật mica

3.2.2 N guồn gốc củ a các vêt trong các khoáng vật

V êt phân hạch có thể sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau, hoặc do nhân tạo từ các

vụ nổ hạt nhân, hoặc do sự bức xạ của các hạt nhân nặng trong vũ trụ, hoặc do các nguyên tố phóng xạ có ngay trong đá Tuy nhiên, trong việc xác định tuổi chì sử dụng các vêt sinh ra từ phân hạch tức thời của 23iiu vì thời gian phân hạch tức thời của 235u , 232Th, Pb là quá dài để tạo ra các vết có thể đo được M ật khác các vết sinh ra từ các vụ

nổ hạt nhân hay từ các tia trong vũ trụ là rất ngắn chỉ xấp xí 1 0 2 micron Vì vậy, nguồn duy nhất của vết phân hạch là sinh ra từ phóng xạ tức thời của 23íiu

3.2.3 X ác định tu ổi bằng vết phân hạch: phương trình tuổi

M ật độ vết được định nghĩa là số vết trên m ột đơn vị diện tích N ó tỉ lệ với tuổi của khoáng vật và nồng độ uran trong khoáng vật Để tính tuổi của khoáng vật hay một nền thuỷ tinh nào đó cần phải đo được mật độ vết tự nhiên và nồng độ uran của nó Đối với các khoáng vật và nền thuỷ tinh có thể dùng trong xác định tuổi bằng phương pháp vết hạch đòi hỏi phải có sổ lượng vết đáng kể, do vậy cần có các khoáng vật khá cổ Đối với các đá trẻ, phải chọn các khoáng vật giầu uran, Ngược lại với đá tiền Cambri thì chúng ta chỉ cần chọn các khoáng vật nghèo uran nếu không sẽ có quá nhiều vết Như vậy, để xác định tuổi bằng vết hạch cần phải đo hai m ật độ vết:

- M ật độ các vết sinh ra từ phán hạch tức thời của 238Ư, gọi là Df và tính theo số vết trên cm 2

- M ật độ vết sinh ra từ phân hạch của 235u do kích hoạt dưới một dòng neutron nhiệt (vết nhân tạo), nhằm xác định nồng độ của u trong khoáng vật và được ký hiệu là D| ứng với số vết trên c m 2,

áp dụng phương trình tuổi cơ bản ở chương I, ta có phương trình tuổi của phươns pháp vết phân hạch là:

I ; R-235, R238 là những độ dài của vết hạch có thể phát hiện được của 235u và 2?xu tưcms ứng.

R235/R23X có thể xem như bằng 1 vì năng lượng phân hạch của 235u và nãng lượng phân hạch tức thời của 238u là gần bằng nhau, xấp xỉ 200 M eV ), vì vậy chiều dài của vết phân h ạch của 235u và 238u là bằng nhau

Phương trình (3.1) có thể được viết ngắn gọn lại thành:

trong đó t]235 và T| 238 là hiệu suất phát hiện các vết của 235u và 23xu Đè tính toán tuổi thì

tỉ số T]235/ r |23íị được coi bằng 1 với điều kiện sau:

- khi việc xử lý nhiệt các vết trong phòng th í nghiệm và ảnh hưởng của sự kíchhoạt không làm thay đổi các khoáng vật được xác định tuổi

- khô n g có ảnh hướng của sự cố nhiệt địa chất đến vết hạch của 23SU

Khi đó phương trình tuổi trở thành:

3.2 4 C ách xác định tuổi

Để có đựợc giá trị tuổi lý tường đối với phương pháp vết phàn hạch, thì hai giá trị Dp và Dj phải đều được xác định trong cùng điều kiện như tẩy rửa kích hoạt nhiệt, điều kiện địa chất và phương thức đếm vết Tuy nhiên, những điều kiện lý tương không bao giờ xảy ra đổng thời và vì vậv trong cách đo phải lựa chọn sao cho tuổi có được là tuổi của sự kiện địa chất Đê giải quyết vẫn đề này neười ta sử dụng hai cách đo là:

-Phương pháp detector trong

-P hư ơ n s ph áp detector ngoài

Cả hai cách đo này đểu cho tuổi biểu kiên, có ng h ĩa là chưa tính đên anh hương của sự kiện nhiệt đã tác động từng phần vào các vết sinh ra do phân hạch tư nhiên Đế

có được tuổi địa chất thực sự thì các tuổi này phái được hiệu chinh

3.2.4.1 Phương pháp detector trong

Phương pháp dectector trong hay còn gọi là phương pháp tập hợp do N aeser để xuất nãm 1967 và chỉ có thể áp dụng cho các khoáng vật có uran phân bố đồng nhất Nội dung chính của phương pháp là các giá trị Dp và D| (sau khi kích hoạt) được tính trên m ặt trong của khoáng vật (m ặt cát khai của các m ica) hay m ột mặt đánh bóng của khoáng vật nào đó M ật độ vết Dp và Dị được xác định trên hai m ẫu đại diện của cùng

m ột khoáng vật cần xác định tuổi Đối với các pha khoáng vật mà quá trình kích hoạt nhiệt trong phòng thí nghiệm không tác động đến các đặc điểm kết tinh thì tất cả các vêt sinh ra đ o phân hạch tự nhiên từ uran có thể được nhìn thấy khi mẫu được nung nóng trước khi kích hoạt Phương pháp này thực hiện nhăm tránh sự hồn nhiễm bề m ặt của các khoáng vật được đem kích hoạt trong lò phản ứng và đê có điều kiện hình học (471) ghi nhận tương tự nhau trong quá trình tính toán Phương pháp này cho phép trung bình hoá m ột số sai số trong việc xử lý kết quả để có được tuổi địa chất thực sự Tuy vậy, vấn đề đặt ra là làm th ế nào để xác định tuổi của một m ảnh thuỷ tinh tự nhiên mà chúng có uran phân bô' đổng nhất nhưng cấu trúc của nó rất nhạy cảm với quá trình xứ

lý nhiệt Trong trường hợp này, người ta thường sử dụng phươna pháp tập hợp nhưng khổng nung nóng m ẫu đế loại bỏ các vết hạch trước khi kích hoạt Khi đó, nồng độ vết tính được trên các m ẫu là tổng các vết hạch sinh ra do phóng xạ tự nhiên và các vết được sinh ra từ quá trình kích hoạt Tuy nhiên phương pháp này có nhược điếm là kém chính xác bởi vì sai số trong D] là khá lớn (bàng sai số trong D| + sai số trong Dp)

Ó.2.4.2 Phương ph áp detector ngoài

Khi uran phân bố không đồng nhất trong pha khoáng vật cần xác định tuổi, thì không nên tính Dp và Dj trong hai phần mẫu đại diện, trường hợp này chúng ta nén đo trẽn cùng m ột khu vực của m ẫu cần xác định Đây chính là phương pháp sử dụng detetor ngoài do N aeser và nnk đề xuất vào năm ỉ 969 Với phương pháp này sau khi

các vết hoá thạch đã lộ ra trên bề mặt đánh bóng của khoáng vật nó được kích hoạt

trong lò phán ứng Tuv nhiên, trước khi kích hoạt thì người ta sư dựng một tấm

m uscovit hay m ột m iếng nhựa lexan hay kepton có nồng độ uran thấp hơn 10 ppb cũng được đánh bóng hể m ặt (gọi là detector ngoài) được đặt ốp sát với mặt mài bóng của khoáng vật M ật độ các vết sinh ra do kích hoạt được tính trên detetor này Trong trường hợp nàv điều kiện hình học kích hoạt m ẫu khác với phương pháp detector trong

là 2n (thay vì 4tc đối với Dp) Như vậy trong phương trình tuổi (3.3) phai nhân ti sò

Df/D | với 0,5

So sánh m ật độ vết có được b án s phươ ns pháp detetor ngoài (hình học 2 z ) và

phương pháp detector trong (hình học 471) trên zircon, sphen apatit cho tháy (hình 3 2)

yêu tố hình học liên quan đến hiệu ứng ghi nhận vết, m ặc dù là 0,5 (271/471) nhưng vẫn tương tự nhau trên cả 2 phương pháp đối với apatit Còn đối với zircon và sphen thì hiệu ứng ghi nhận vết từ phương pháp tập hợp luôn luôn lớn hơn phương pháp detector ngoài, H iện tượng này là do ảnh hưởng của nhiệt đối với các vết đã bị nung nóng trước

sự kích hoạt

H ình 3.2: So sánh tuổi trên sphen, zircon và apatit có được trên hai phương pháp

detector trong và phương pháp detector ngoài

3.2.5 N guyên nhân m ất vết phân hạch trong mẫu phân tích

K hông như các phương pháp xác định tuổi khác, các yếu tố phục vụ xác định tuổi trong phương pháp này là các khuyết tật vật lý (vết) chứ không phải nguyên tô' hoá học và vì vậy không có sự di chuvển ra ngoài hay vào trong hệ xem xét như các nguyên

tố hoá học Tuy nhiên cũng có m ột vài yếu tố là nguyên nhân gây nên sự mất các vết phán hạch m à kết quả là dẫn đến m ột tuổi trẻ hơn tuổi thực

hệ bị tái đặt về không

Q uá trình nung nhiệt tùng phần tương ứng với (giảm ĩ]23s) sự co ngót chiều dài vết và vì th ế làm giảm m ật độ vết như biểu diễn ở hình 3.3 Kết quả là, tuổi biểu kiến

đã tính toán từ phương trình (3.3) là trẻ hơn tuổi của sự kết tinh khoáng vật

động nhiệt, B và B ’ m ẫu bị tác động nhiệt B ’ bị tác động bởi m ột pha nhiệt m ạnh hơn làm cho các vết co lại nhiều hơn dẫn đến tuổi thu được sẽ cổ hơn trường hợp B và A

N hiều nghiên cứu về khả năng bền vững của các vết trong khoáng vật đã chi ra rằng các khoáng vật khác nhau sẽ có biểu hiện khác nhau về mức độ ảnh hưởng nhiệt của chúng (hình 3.4) Vì vậy, nếu quá trình nung nóng kéo dài m ột giờ, nhiệt độ cần

thiết để xoá hết hoàn toàn các vết biến đổi từ hơn 100°c đối với aragonit tới 715°c cho

epidot và với 1050°c đối với thạch anh Hơn nữa, đối với m ột khoáng vật đã biết, nhiệt

độ tại đó các vết bị xoá hoàn toàn phụ thuộc vào việc tẩy rửa axit sử dụng để làm lộ vết, đó là trường hợp của sphen, các vết bị xoá hêt tại 6 3 0 "c với sự tẩy rửa bằng axit HCL và tại 7 8 0 °c VỚI N aO H (N aeser & Faul 1969)

T("C)

khoáng vật sử dụng cho xác định tuổi

Sự xoá nhoà vết phân hạch hoá thạch trong m ột khoáng vật có thể là do một sự

kiện nhiệt ngắn tại m ộ t nhiệt độ cao hay m ột sự kiện nhiệt tại nhiệt độ trung bình kéo

dài lâu Vì vậy, với m ột khoáng vật đã biết sự xoá nhoà các vết phụ thuộc vào nhiệt độ của biên cố n h iệt và thời gian của nó Trong thực nghiệm , tất cả các loại khoáng vật cho thây răng sự xoá nh o à các vết có thể tuân theo quy luật A rrheius:

T = a e (E/la)trong đó: k = hằng số B oltzm ann, a = hằng số, E = nãng lượng hoạt động, t = thời giannung, T = nhiệt độ nung nóng (nhiệt độ Kelvin)

K ết quả thực nghiệm ghi lại dưới dạng đường cong A rrhenius (hình 3.5): chỉ raphân trăm đã m ất đối với m ật độ vết nàm dọc theo m ột đường thẳng Các đường này,

được ngoại suy với thời gian địa chất, cho phép đưa ra khái niệm nhiệt độ đóng của hệ

cho vêt phân hạch T heo hình (3.5) cho thấy rằng nhiệt độ thấp nhất có thể bảo tồn vết

là 65°c và nhiệt độ cao nhất là 210°c K hoảng nhiệt độ này chính là giới hạn nhiệt độ

đóng của phương pháp vết phân hạch, N hư vậy thì phương pháp này chỉ cho phép xácđịnh tuổi của các pha nhiệt độ thấp mà thôi

Thời íỊÌan

H ìn h 3.5: Đ ường A rrh en ius biểu diễn theo thời gian địa chất [W anger và Reimer 1972] M ỗi đường thẳng biếu thị cho một mức độ lưu trữ vết của khoáng vật theo % Như vậy với apatit thì trên 210°c và dưới 64°c thì không vết nào có thể được bảo tổn

K hoảng nhiệt độ từ tu 65 - 210 ° c tương ứng với nhiệt độ đóng của vết

3.2.5.2 Ánh h u ỏíig do phong hoá của các đá

Ả nh hưởng của quá trình phong hoá các đá đến việc xác định tuổi vét phán hạch

là k h ô n ạ quan trọng so với các phương pháp đổng vị Bởi vì các vết tiềm ẩn trong hệ là

m ột khuyết vật lv k h ô n s phải do nguyên tố hoá học linh động Năm 1974 Gbeadcnv &

L overing đã chỉ ra ảnh hưởng của sự phong hoá m ột đá granit đối với tuổi của vết phân hạch trên zircon, apatit và sphen, họ đã m inh chứng bàng m ột nhân khỏng phong hoá

và rìa phong h oá thành cát thạch anh nhưng trong đó sphen, apatit và zircon được bảo tôn N gười ta thấy rằn g tuổi vết hạch gần như khồng đổi đối với đá phong hoá nhưng VỚI apatit giảm 17% M ột số nghiên cứu khác cho rằng hvdrat hoá cũng gâv nên thay đổi vết bằng sự gia tăng sự x óa vết Tuy nhiên nhiệt độ luôn đóng vai trò chính

3.2.5.3 Ả n h h ư ở n g cơ học

Các nghiên cứu tiến hành cả trên các khoáng vật và các hạt của cùng đá dưới các va chạm m ạnh cho thấy rằng áp suất cần thiết đủ để xoá các vết hoá thạch phụ thuộc vào k h o án g vật khác nhau Ví dụ đối với biotit m ột áp lực 173 ± 5 kbar chưa đủ

để có thể gây tác động đến vết Đối với apatit trong các granodiolit thì với 20 kbar thì vài vết bị tác động nhưng tới 100 kbar thì hầu như các vết đều bị tác động [Fleischer 1974], Tuy nhiên áp suất tác động ở đây chỉ là chốc lát N hưng thông thường áp suất gia tăng kéo dài thường đi với sự gia tăng nhiệt độ Các m ẫu trải qua áp suất định hướng làm dịch trượt cấu trúc khoáng vật, vì vậy ảnh hường tới việc tính toán vết, ví dụ với apatit của granit khổng bị phá huv thì chứa những dịch trượt ít hơn các đá bị

m ylonit hoặc gneis hóa

3.3 N hiệt độ đ ón g củ a hệ và giải thích tuổi vết phản hạch trong địa chất

N hư ch ú n g ta thấy trong phần trước, sự bển vững của vết hạch phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ Sự gia tăng nhiệt độ sẽ gây ra co ngót chiều dài vết và do vậy tuổi bị thay đổi Sự giảm tuổi sẽ phụ thuộc vào khoáng vật cần xác định, vào mức độ của biến

cố nhiệt và thời gian kéo dài của nó M ột khoáng vật có 3 đới bển vững có thế xác định được theo nh iệt độ [W agner 1972a] (hình 3.6):

T ‘C

H ìn h 3.6: Các đới bảo toàn vết trong quá trình nguội lanh của khoáng vật

(A)- ĐỚI các vết khôìiti, dược báo tổn: ở nhiệt dọ quá cao sự phân hạch cua u xây ra nhưng các vết kh ông dược ghi lại.

(B)- Đ ới vết được lưu giữ từng phần: các vết được tạo thành, bị tác động bài sự tôi nhiệt và chiều dài vết giảm, tuổi bị làm ngấn lại (tuổi biểu kiến).

(C )- Đ ới vết được bảo tồn hoàn toàn: nhiệt độ thấp chỉ cho vết được tạo thành

và được bảo tôn m à không bị ảnh hưởng bởi quá trình tôi nhiệt Tuổi thu được là tuổi thực.

N hư vậy, để giải thích m ột tuổi vết phân hạch, điều quan trọng là biết nhiệt độ theo đó tuổi cần đo

3.3.1 K hái niệm nh iệt độ đóng của phương pháp vết phản hạch

N gười ta đã sử dụng m ột phương trình vi phân để m iêu tả tỉ lệ tăng hoặc giảm các vết hoá th ạch trong quá trình nguội lạnh của khoáng vật Thông qua phương trình này, nhiệt độ đóng có thể tính toán được bằng cách xác định như nhiệt độ chuẩn mà trên nó các vết hoá thạch không bền vững sẽ bị xoá nhoà và dưới nó các vết có thể bị tác động bởi nhiệt độ nhưng phần lớn vẫn có thể phát hiện được Từ đó, cho phép tính

m ật độ vết ghi được trên khoáng vật Như vậy, tuổi vết hạch đo được chính là thời gian trôi đi từ khi khoáng vật nguội đi tại thời điểm tương ứng với nhiệt độ đóng

6 3.2.2 T ro n g lỗ khoan

N hiệt độ đo được với những kho ản e cách đéu nhau dọc theo mật căt thăng đứng

của lỗ khoan, tương ứng với m ỗi điểm đo nsười ta lây mau đê xác định tuổi vét hạch

N ồng độ vết tro n2 k h o á n e vật (tuổi) giám với độ sâu và với nhiệt độ (hình 3.7) Nhiệt

độ mà tại đó các vết trong apatit không còn nữa là 125°c hoặc đói khi cao hơn là 175°c.

H ình 3.7: Sự giảm m ật độ vêt của m âu apatit theo nhiệt độ tương ứng với sự gia tàng

độ sâu của lỗ khoan [G leadow và Duddy, 1981],

Từ kết quả ngh iên cứu lồ khoan này cho phép dựng các đường A rrhenius, khi đối sánh với các đường cong thực nghiệm ngoại suy trong phòng thí nghiệm cho chúng

ta thấy đới bảo toàn vêt từng phần trong lỗ khoan là hẹp hơn so với kết quả dự đoán bằng thí nghiệm (hình 3.8)

1():

E i e l s o n J ^ / / /

I I 1 /

■ Cost) Két qua

H ình 3.8: Đối sán h đường A rrhenius có được trong hố khoang (phần trên) và trons

thực nghiệm ngoại suy (phần dưới) Cho thấy giới hạn bảo toàn vết đo được trong thực nghiệm có biên độ rộ n g hơn trong lỗ khoan [Gleadovv và D uddy, 1981]

3.3 3 Các th ò n g sô ảnh hưởng hưởng tới nhiệt độ đóng

3.3.3.1 T i lệ n guội lạnh