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Ar-Ar法原理
40K具有双重放射性衰变(40K→40Ar和40K→40Ca)。K-Ar法计关心40K→40Ar衰变分支,年龄计算公式为:
(1)
式中40Ar*/40K是现在样品中放射成因40Ar*与母体40K的比值。(λe+λ'e)为40K→40Ar分支有关部分衰变常数,λ为40K总衰变常数。
对于40Ar/39Ar法,由39K经快中子活化产生的39Ar与样品中的40K成正比,因为自然界40K/39K比值基本上是一个常数。因此,40Ar*/39ArK比值与年龄值成正比。但用39ArK直接代替方程(1)的40K显然不合适,因为中子活化所产生的39ArK明显取决于中子辐照时间、中子通量以及能量高于发生原子核反应临界能量的中子比率等因素,所以需要采用不同的处理方法。方程(1)可以改写成
(2)
根据Mitchell(1968)的推导,样品中子活化过程中由39K产生的39ArK可以用下式表达
(3)
式中39K是中子活化前样品中的39K原子数,39ArK是样品中39K产生的39Ar原子数,Δ为中子活化时间,Φ(E)是能量为E的中子能量,σ(E)是产生39K(n,p)39Ar反应能量为E的中子俘获横截面积。
正如Grasty et al (1966)和Mitchell (1968)所指出,定义一个中子活化参数J
(4)
式(2)除以式(3),并把式(4)代入得
(5)
由方程(5)整理得40Ar/39Ar法年龄计算公式
(6)
显然只要辐照参数J能够确定,只需测定从活化样品中提取出来的气体的40Ar*/39ArK比值,就可以根据方程(6)计算出样品的年龄。40Ar/39Ar年龄计算公式(6)是K-Ar法年龄计算公式(1)的修正形式。
由方程(3)和(4)可知,与39K中子活化产物39ArK相关的辐照参数J取决于照射时间、中子通量、中子俘获横截面积。由于难以准确测定样品所接受的快中子积分剂量,Merrihue et al (1966)建议采用一个已知年龄的样品(标准样品)与待定年样品一起进行中子活化,以监测这一剂量。
方程(5)整理得
(7)
已知标准样品的年龄trs(可用传统K-Ar法测得),由方程(7)可知,只要测定标准样品的(40Ar*/39ArK)rs比值,辐照参数 J 即可确定。然后把 J 值和待定年活化样品(与标准样品一起辐照)的40Ar*/39ArK比值代入方程(6),即可计出样品的年龄。
标样 J 值 vs 辐照位置关系图,计算每个样品 J 值。标样用铜箔包装。
Ar-Ar法优点
Ar-Ar法无需任何化学处理,避免污染,避免化学分离不完全。
Ar-Ar法在一份中子活化样品上,测定其40Ar*/39ArK比值,即可获得样品的年龄,避免样品不均匀问题(K-Ar法在两份样品上分别测定K含量和40Ar*含量)。
质谱计可以高精度测定40Ar*/39ArK比值,因此,Ar-Ar法是高精度的定年方法。
采用阶段加热逐步释气技术,获得不同温度阶段样品的年龄,组成一个样品的Ar-Ar年龄谱和等时线。这一技术用于构造活动与热历史研究有特殊意义。
高精度的Ar-Ar法使得含微量K矿物和流体包裹体定年成为可能,也使钾矿物微区定年成为可能。
流体包裹体Ar-Ar定年,开辟了崭新的矿床成矿年龄和油气成藏年龄测定技术。
Ar-Ar法在年轻火山岩年龄测定中,发挥重要作用,不可替代。
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