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

Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I
)C K H O A HỌC T ự N H IÊN
if: íjcJịz

%ĩị: »5c

TÊN ĐỂ TÀI:
N G H IÊN CỨU PH Ư Ơ N G PH ÁP XÁC Đ ỊN H T ư ổ l VÊT H ẠCH T R ÊN TH IẾT
BỊ HIỂN VI Q U A N G HỌC PHỤC
TR O N G LĨN H

vực

yụ

VIỆC N G H IÊ N c ứ u VÀ Đ À O TẠO

XÁ C Đ ỊN H T U ổ I ĐỔ NG VỊ: LÂ Y v í DỤ ÁP DỤNG CHO

CÁ C ĐA b i ế n c h ấ t ở Đ ớ i s i ế t t r ư ợ t S ô n g h ổ n g

MÃ s ố : Q T-07-41

C H Ủ T R Ì ĐỂ TÀI : TS. v ũ V Ã N TÍCH

-jAi H O C G U Ố C G IA HÀ NÔI
, [RUNG TÂIV THÔNG TIN THƯ ViR

HÀ NỘ I - 2008

BÁO CÁO T Ó M T Ắ T
a. T ê n đề tà i: N ghiên cứu phương pháp xác định tuổi Vết 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. Các cán bộ tham gia: Nguyễn Duyên An
d. M ục tiêu và nội dung 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.
+ Các nội dung nghiên cứu:
- N ghiên cứu áp dụng phương pháp xác định tuổi Vết hạch nhằm triển khai thực
hiện trên thiết bị hiển vi quang học tại khoa Địa chất. N ghiên cứu chuẩn hoá
(calibration) thiết bị đo Vết 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 tính toán tuổi nguội lạnh của đá biến chất thuộc đới siết trượt Sông
Hồng. N ghiên cứu tốc độ trồi lộ của đá biến chất thuộc đới siết trượt Sông Hồng.
e. C ác kết quả đạt được: + Qui trình công nghệ về xác định tuổi đồng vị trên hệ thống
kính hiển vi quang học tại khoa Địa chất.
+ Kết quả tính tuổi hai m ẫu áp dụng.
f, Tình hình kinh phí của dể tài:
TT Nội dung chi
Kinh phí dược duyêt
1
Thuê khoán chuyên m ôn 12 triệu đồng
2
Trang thiết bị
3
Chi khác

8 triệu đồng
4
Tổng số
20 triệu đồng
K H O A Q U Ả N LÝ

PGS. N G U Y Ễ N V Ă N VƯỢNG

K inh phí thưc hiên
12 triêu đồng

Ghi chú

8 triệu đồng
20 triệu đồng
C H Ủ TR Ì ĐỂ TÀI

TS. v ũ V Â N TÍCH

C ơ Q U A N CHỦ TR Ì Đ Ể TÀ I


SU M M A R Y OF PR O JE C T
a. T itle and code.
- Title: Study on Fission Track dating m ethod by optical m icroscope serving for
research and form ation in isotope geochronology: Case study for the m etam orphic rock
in R ed R iver shear zone.
- Code: Q T-07-41
b. H ead o f project.
-D r. Vu V anT ich

c. Participant.
- G raduate student. N guyễn D uyên An
d. O bject and content o f project.
+ O bject
- Study on dating m ethod of Fission Tracks and their application.
- A pplication o f this m ethod on m icroscope system at Faculty of geology.
+ Content
- Study on m ethodology on Fission track dating in order to develop this m ethod
on m icroscope o f F aculty of Geology.
- M aking the calibration FTD system and process o f m easurem ent.
- Study on process o f sample preparing.
- Study on process o f fit counting fission tacks on m icroscope in high resolution.
- Study on dating the age of rock from Song H ong shear zone.
- Study on rate o f exhum ation of m etam orphic rock.
e. Results.
+ In science:
- Process and technique of m easurem ent o f fission track age on m icroscope of
F aculty o f geology.
+ In education:
- The datas from this research result help to finish one stu d en t’s thesis in 2007.


M ỤC LỤC

6

Lời nói đáu
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 Đổng vị, hệ đồng vị..................................................................................................................... 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 Hiện 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 hững 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 Khái niệm nhiệt độ đóng.................................................................................................. 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 Khái niệm nhiệt độ đóng của phương pháp vết phân h ạ c h ...................................... 27

4


3.3.2 Xác định 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 tuổi vết phân h ạ c h ........................................................................................... 30
3.3.5 Hiệu chỉnh tuổi biểu k iế n ................................................................................................. 32

3.3.6 Hiệu chỉnh tuổi biểu kiến bằng phương pháp tuổi m ạt b ằn g ................................... 34

Chương 4: Q uy trình phân tích tuổi vết phân hạch trén kính hiển vi phân cực tại
khoa Địa 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 ch .................................................................. 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 tro n .................................................................................. 40
4.3 Đánh 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 nơ tro n ........................................................................ 43
4.4

Ví dụ áp dụng xác định tuổi bằng phương pháp vết phân h ạ ch ...............................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 Kết luận và kiên n gh ị.............................................................................................46

3


LỜI MỞ ĐẦ U

N ghiên cứu tuổi đồng vị đã phát triển trong m ột thời gian khá dài gần 100 năm
qua và trở thành m ột lĩnh vực quan trọng của địa chất đồng vị cũng như khoa học Trái

Sự phát triển về tuổi đồng vị đã giải quyết nhiều vấn đề m ấu chốt của địa chất
học, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi từ địa chất định tính (tuổi hoá
thạch) sang địa chất định lượng và có thể áp dụng nghiên cứu trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau của khoa học Trái đất như: quá trình thành tạo quặng, sự tiến hóa vỏ Trái
đất, khảo cổ học và bảo vệ môi trường.
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 khoa Đ ịa chất 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 Sõng H ồng”
có ý nghĩa thiết thực, nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập tại trường Đại
học Khoa 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) Tổng quan vể nội dung của phương pháp phán tích tuổi Vết 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.

6


Chương 1
Đ Ổ N G VỊ VÀ N G U Y ÊN 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 một 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. Thông 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
„

27 A I

nhân. Ví dụ 13

. Lưu ý, số proton (Z) quyết định độ phổ biến của nguyên tố.

Đơn 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 . Điều 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) =
1,6726231.1027 kg. Khối lượng của nơtron - 1,008982 (đv.C) = 1 ,6 7 2 6 .1 0 27 kg. Khối
lượng của electron = 0,000584756 (đv.C) = 9.10093897.10 ?1kg.
1.2 Đ ồng vị, hệ đồng vị

1.2.1 Đ ồng vị, đồn 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 suyên tử của cùng m ột neuyên tố. chúns 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 dụne ch ú n s như cỏ 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 cũng như xác định nguồn gốc cua khoáng vật hay đá chứa nó.
7


Bảng 1.1: Bảng phân loại một sô đồng vị
13
*0

8

?
Q

“ N

7

',Q 0
C/5

.1

9

10

11

6 ^

6<~'

6 ^

8

y

10

5 tí

3

4

5

14
«0

19

‘« 0

'lo

>

'I n
/

>

>

12

n

14

15

16

II

12

>

»0

’« 0

5b

6

7

8

%
7 1N

Đ ồn e vi
(Cùnii s ố Z )

13

5 b

20
sO

9

10

11

12

Số notron (N)
1.2.2 Hệ đồng vị
Khái niệm về hệ đồng vị ở đáy được định nghĩa là một khoáng vật. một đá hay
một thể vật chất nào đó có chứa m ột cặp đồng vị mà 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 mẹ và con (đổng vị 40Ar được sinh ra từ đồng vị 40K). Khi đó cả khoáng vật
biotit, đồng vị 40K và 40Ar 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 mất đi hay
thêm vào từ môi 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 phóng xạ và các cơ chê phóng xạ
Hạt 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. Hiện tượng này xảy ra theo các cơ chế khác
nhau nhưns 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. Hiện tượng phóng xa xẩv ra theo các cơ chế khác nhau như sau (hình 1.1):

8


Hình 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 một 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 một nơtron
thành m ột prồton và m ột electron. Khi đó electron bị đẩy ra khỏi hạt nhân như một hat
P' (hình 1.1). Hậu quả của quá trình này làm cho số prồton của nguyên tố tăng lên một
trons khi số nơtron eiảm đi một theo báng 1.2:
Bảng 1.2 : Mối quan hệ giữa đổng vị mẹ và con
Số prôton (Z)

Số nơtron (N)

z
z+

N

Số khối (A)

Nguyên tố
Me
Con

Z +N
1
N- l
z + 1 + N- 1
Quá trình phóng xạ này có thê diên giải theo phương trình phán ứng như ví dụ

|Ĩ’K --> ỊjCa + [3 + V +Q
trong đó P' là hạt 3 âm.

V

là giả nơtrino, Q n ăn s lượns đ ộ n s học phóns xa.
9


1.3.2 Phóng xạ Positron (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 một 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
N guyên tố
Me
Con

Số prôton (Z)

Số nơtron (N)

z

N

Z -1

N +l

Số khối (A)
Z +N
Z -1 + N + 1

R õ ràng các nguyên tố con sinh ra là một 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 - >
trong đó p+ là positron,

V

'Ịo + P+ +

V +

Q

là nơtrino, Q là năng lượng giải phóng.

1.3.3 Hiện 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 nhân nhất. Quá 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
N guyên tố

Me
Con

Số prôton (Z)
z
Z- 1

Số nơtron (N)
N
N+l

Số khối (A)
Z+N
Z -1 + N + 1

Đi cùng quá trình bắt điện tử là sự bức xạ tia X vì khi một điên tử bị trung hoà
bởi một proton trong hạt nhân thì một 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 Phóng xạ alpha (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.

10

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 mẹ 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 mẹ và con
N guyên tố

Sô' prôton (Z)

Số nơtron (N)

Số khối (A)

Mẹ

z

N

Z+N

Con

Z -2

N-2

z

-2

+N-2

Q uá trình này diễn ra theo sơ đồ hình 1.1 và được giải thích theo phương trình
phản ứng như ví dạ sau:
i 28u - > 2;J0Th + ịH e + Q
trong đó ị He là m ột hạt a , Q là năng lượng nhiệt.

1.3.5 Phân hạch hạt nhân
N goài các quá trình phóng xạ kể trên, các nguvên tố có khối lượng nguyên tử
lớn như u còn có khả năng tự phân chia thành nhiều nguyên tố khác khi hạt nhân của
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 không 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

11


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 mẹ 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. Như 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 tự
nhiên của các nguyên tố. Quá trình này không phụ thuộc vào bất cứ một 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 một đơn vị thời gian. Chúng
ta có thể diễn giải hiện tượng này theo ngõn ngữ toán học dưới dạng phương trình như
sau:
^ - = -ÂF

(1.1)

dt

trong đó

là hoạt 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 phân hai vế của phương trình này ta có:

Giải phương trình tích phân vô hạn này ta được
(1 .2)

lnF = -Ằt + c

trons; đó lnF là ỉogarit tự nhiên cơ số e của F (e = 2.718 — ) và c là hãns 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:
F
lnF = -Ât + lnF„ hay ]nF = ìnF„ - Ầt hay In — = -At hay
F,0
'
và cuối cùng ta có :

F
F0

F = F0.e

=e
(1.3)

phương trình (1.3) chi ra sô nguyên tố mẹ còn lại (F) sau thời gian t kê từ khi bắt đầu
phóng xạ với số nguyên tứ mẹ ban đầu ( F j tại thời điém t,,. Đây là phươns trình cơ bán
m iêu tả tất cả các quá trình phóne xạ trong tự nhiên.
Giả sử quá trình phóng xạ của nguyên tố mẹ cho ra nguyên tố con bển vững và
số nsuvên tố con tại thời điếm ban đầu (t = 0) là b ăn s khòne irons
12

hẽđone 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 :
D* = F0 - F

(1.4)

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 trình (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 đikể từ

khi phóng xạ (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 = —F0. Thay giá trị này vào
phương trình (1.3) ta có :
I Fo = F0.e u w =>

Ti2 = Ịn2 = 0693

(L 6)

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 mỗi 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
một 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
H ằng số phóng xạ Ã / năm
C ặp đồng vị
232T h.20Spb
--wU -2(,6Pb
235Ư.207pb

Thời gian bán rã (T 1;2) theo nám
4,99.10 11
0 .1 5 5 1 2 5 .1 0 9
0.98435.10

1.39.10"'
4.47. 10"
0,704.10"

13


Trong quá trình tính toán thực tế, người ta thường chỉ biết được số nguyên tử của
đổng vị mẹ 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 xuất phát từ phương trình (1.4) D* = F0 - F và thay F0 = F.eí [ (biến đổi
từ phương trình 1.3) ta có:
D* = F.eXt- F = F .( e '‘ - 1)
G iả sử trường hợp tổng quát nhất là trong hệ đã có m ột lượng đồng vị

(1.7)
con (D0)

nào đó ngay từ thời điểm ban đầu, khi đó tổng số đồng vị con trong hệ sẽ là:
D = D* + D(1
Từ phương trình (1.7) ta có: D = D0+ F.(e5'' - 1)

(1.8)

Giải phương trình này theo t, chúng ta sẽ được phương trình tuổi như sau:
D -D
t = r-ln — = - s- + l
r -

-

( 1 -9)

ở đây giá trị D, Du và F là các thông số hoàn toàn có thể xác định được (bằng khối phổ
kế) và giá trị t tìm được sẽ tương đương với một tuổi địa chất nếu khoáng vật hay đá
(cần xác định tuổi) thỏa m ãn điều kiện sau đây:
Giá tri P -~p

thav đổi chỉ do quá trình phóng xa, tức là không có sư tăng

thêm hoặc m ất đi khỏi hệ (khoáng vật hay đá chứa cập đổng vị- được gọi là
m ột hệ đồng vị) xem xét.
-

Giá 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 phương 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 (UPb, 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.

14


Chương 2
N H Ũ N G VẤ N Đ Ể CHI PH Ố I VIỆC s ử D ỤNG CÁC PH Ư ƠNG PH ÁP XÁC
Đ ỊN H T U Ổ I ĐỔ NG VỊ VÀ L U ẬN G IẢI K ẾT Q UẢ T u ổ i

Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu, chúng tôi đưa ra đây các yếu tối chi phối sự
chính xác trong việc phân tích tuổi đồng vị nói chung và phương pháp Vết phân hạch
nói riêng.
N hư chúng ta đã biết, các nguyên tố phóng xạ thường nằm trong cấu trúc của
tinh thể khoáng vật dưới dạng thay thế đồng hình (Rb, Sr, Sm, Nd...) hay là tạo khoáng
trực tiếp (K, u ...), do đặc tính địa hoá mà 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
mẫu (khoáng vật hay đá) phải chứa nhiều nguyên tố phóng xạ. Chính vì vậy khi ta có
m ột m ẫu đá hay khoáng 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 muốn 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 định tuổi cũng như đặc tính vật lý của chúng.
2.1 Đặc 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
số 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 phân 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 phún 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.

15


2.2. N hiệt độ đóng và ý nghĩa tuổi của phương pháp
2.2.1 K hái niệm nhiệt độ đóng
N hư trên đã biết, khi một 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 một nhiệt độ nào đó thì tại đó các đồng vị không thể di
chuyen ra hay vào khoáng vật hoặc đá được nữa. Ngưỡng nhiệt độ khi đó được gọi là
nhiệt độ đóng của hệ đồng vị xem xét.

Điều này có nghĩa 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 nghĩa 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 ình 2.1: N hiệt độ đón 2 của một số cặp nhiệt thời và một 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 đảna nhiệt là dưới 250 + 5Ơ°C. (chương 3)
N hư vậy với kết quả phân tích từ một phươ ns pháp th ồ n s thường không cho ra
tuổi thành tạo của m ột khoáng vật hay một đá. tuy nhiên nêu đá hay khoáng vật khóng
bị tái lập lại hệ đổne vị thì các tuổi đó đều có

2 Ĩá

trị. N soài ra đôi với mỏi khoáng vạt

ch 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
16

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
hch 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 nguyên nhân gây mất 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. Hệ được gọi là kín có nghĩa là cả nguyên tố mẹ 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 một hệ đó là:
- N guyên nhân thứ nhất là một sự mất đồng vị một cách hệ thống thông qua hiện
tượng khuếch tán. Q uá trình này tái lập lại hệ đồng vị một 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. Nhiệt 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. Quá 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 n 2 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 phó 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 một số điều kiện :
(1) Xác định được nồng độ của nguyên tố con tại thời điếm cùa một sự kiện địa
chất 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 mẫu mà ta muốn
xác định phái đổng nhất về m ặt đổng vị:

------ — ----- —
---------------ĐAI HO C Q UỐC G i* ha. ,'JÕ;

TPUNG TÂM THCNG TỊMTHU '/|ỆÍ'J

17


(2) Đ ối với bất kỳ phương pháp nào, hệ đổng vị cần xác định tuổi phải là một hệ
kín. Tức là đối với các nguyên tố mẹ và nguyên tô' con không có sự thay đổi
giữa thời điểm của sự kiện cần xác định và hiện tại (thời điểm phân tích
mẫu).
H ai điều kiện này sẽ được thảo luận chi tiết trong các phần cụ thể của phương
pháp được trình bày ngay sau đây.

18


Chương 3
PH Ư Ơ N G PH Á P XÁC ĐỊNH

Tuổi

BANG VÊT PH ÂN HẠCH

Trên 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 thiệu 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. Quá 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 một
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 một 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 một 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:
- Đặc tính của khoáng vật bị bắn phá bởi quá trình phân hạch.
- Đặc tính cua 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 hoáng vật ghi nhận các vết hạch ở trạng thái cứng (detector)

Độ nhạy của detector 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 nguyên tử lớn hơn 20 được ehi nhận trong tất cá các cấu trúc cua khoáng vật
hoặc nền thuỷ tinh.
19


Sự phân hạch của m ột nguyên tử uran mẹ tạo ra hai hạt nhân con nhẹ hơn với
hai khối lượng nguyên 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 nhất 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 của các vêt trong các khoáng vật
Vêt 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 Xác định tuổi bằng vết phân hạch: phương trình tuổi

M ật độ vết được định nghĩa là số vết trên m ột đơn vị diện tích. Nó 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 cm 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, R 238 là những độ dài của vết hạch có thể phát hiện được của 235u và 2?xu tưcms
ứng.

R235/R 23Xcó 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 hạch của 235u và 238u là bằng nhau.
Phương trình (3.1) có thể được viết ngắn gọn lại thành:
1

t-T ^ lO g
A.I-S

/1 + 2 l H221 Ad ơ
D j

(3.2)

TÌ238

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 thí nghiệm và ảnh hưởng của sự kích
hoạt không làm thay đổi các khoáng vật được xác định tuổi.
- không có ảnh hướng của sự cố nhiệt địa chất đến vết hạch của 23SU.
Khi đó phương trình tuổi trở thành:
]
( D X
'ì
t - — log \ + —^ . — .ơ.l.<Ị>
I D| K
J
nếu t < 108 năm , khi đó t =

(3.3)

Df
' ■ƠẢ.Ọ Các hàng Sô' của phương trình (3.3) tương ứng
Dị

là : ẢD = 1,551 X 10‘10/năm (Joffrey và nnk.1971) ; I = 7,252 X 10'3; kp= 7,03 X 10
17/nãm (R oberts và nnk.1964 a). ơ = 580 X 10'24cm 2
Nếu các vết sinh ra do phân hạch tự nhiên bị tác động bởi một sự kiện nhiệt địa

chất làm tái chín các vết thì tuổi đưa ra từ phương trình (3.3) sẽ là tuổi biểu kiên. Tuv
nhiên chúng ta vẫn có thể xác định tuổi các m ẫu với m ột số hiệu chỉnh như đối với các
phương pháp khác.

3.2. 4 Cách 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 hươns pháp detector ngoài.
Cả hai cách đo này đểu cho tuổi biểu kiên, có nghĩa 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.
21


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 (mặt cát khai của các m ica) hay một mặt đánh bóng của
khoáng vật nào đó. M ật độ vết Dp và Dị được xác định trên hai mẫu 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 đo 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 mặt
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 thế nào để xác định tuổi của một mảnh 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 pháp 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 mẫu 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 báns phươns 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.

Hình 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 một vài yếu tố là nguyên nhân gây nên sự mất các vết
phán hạch mà kết quả là dẫn đến m ột tuổi trẻ hơn tuổi thực.

3.2.5.1 N hiệt độ
N hững người sử dụng phương pháp xác định tuổi vết hạch đã sớm nhận ra rằng
tuổi có được thường trẻ hơn tuổi dự đoán tù những tài liệu địa chất hay xác định từ các
phương pháp khác. H eischer (1965a) đã chỉ ra rằng các vêt hạch trong nên thuý tinh và
khoáng vật là rất nhạy cảm đối với hiệu ứng nhiệt. Sự gia tăng nhiệt làm tôi luyện lai
các vết, có nghĩa là đã sửa lại vết ban đầu. Hiệu ứns này phán ánh hãng SƯ co ngót
chiểu dài của vết. Sư tôi luyện có thể là hoàn toàn và như vậy tất ca các vết bị xoá hết,
hệ bị tái đặt về không.

23


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 mạnh 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 một 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 30"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.
24


Sự xoá nhoà vết phân hạch hoá thạch trong m ột khoáng vật có thể là do một sự
kiện nhiệt ngắn tại m ột 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 nhiệt và thời gian của nó. Trong thực nghiệm , tất cả các loại khoáng vật
cho thây răng sự xoá nhoà các vết có thể tuân theo quy luật Arrheius:
T = a e (E/la)
trong đó: k = hằng số Boltzm ann, a = hằng số, E = nãng lượng hoạt động, t = thời gian
nung, T = nhiệt độ nung nóng (nhiệt độ Kelvin).
Kết quả thực nghiệm ghi lại dưới dạng đường cong A rrhenius (hình 3.5): chỉ ra
phân 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. Theo 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. Khoảng 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 xác

định tuổi của các pha nhiệt độ thấp mà thôi.
Thời íỊÌan

H ìn h 3.5: Đ ường A rrhenius 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 hu 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 khônạ quan trọng so với các phương pháp đổng vị. Bởi vì các vết tiềm ẩn trong hệ là
một khuyết vật lv k h ô n s phải do nguyên tố hoá học linh động. Năm 1974 Gbeadcnv &
25