我科学家直接观察到核径迹受离子轰击缩小过程

通过年轮,我们可以判断出树木的年龄;通过牙齿,我们可以判断马、象和鲸等大型动物的年龄;那么,石头的年龄,我们怎样才能知道呢?裂变径迹定年法是把“利剑”。

3月29日,记者从中国科学院青藏高原研究所获悉,利用俄罗斯杜布纳联合核子研究所的快重离子加速器、美国阿贡实验室原位离子辐照等大科学装置,并将离子加速器与透射电镜相连,该所研究人员在国际上首次直接观察到核径迹在高能离子轰击下半径缩小、长度变短的完整过程。相关研究成果发表于《地球化学与宇宙化学学报》。

为了更精准地限定岩石的年龄,进而分析解读地球和生命的演化,数十年来,科学家一直在寻找一把“利剑”。

上世纪60年代,国外科学家将核物理中的裂变径迹引入到地质、地球化学领域,利用核物理中的裂变产生的核径迹进行定年。如今,裂变径迹定年法已经成为岩石年龄测定和热历史分析的重要方法。

所谓裂变径迹,是指矿物中微量铀-238自发裂变后,高速运动的核子在矿物中产生长度大约为20微米的损伤痕迹。在光学显微镜下,研究人员可以观察到经化学蚀刻放大后的裂变径迹。

那么,为什么裂变径迹可以限定岩石的年龄呢?

论文第一兼通讯作者、中国科学院青藏高原研究所研究员李伟星解释道,裂变径迹具有“退火”特性,也就是当地质环境受热时,损伤恢复,径迹缩短、密度下降甚至完全消失,据此便可限定岩石形成的时间和温度历史。“这是判定岩石年龄及热史分析的基本假设。”李伟星强调。

然而,有科学家在2005年推测,在铀-238和钍-232衰变所释放的高能粒子轰击下,裂变径迹的数量会变少或长度会变短,这种非热辐照引起的退火现象会使裂变径迹测量年龄偏年轻,直接影响裂变径迹定年法在板块、地形及盆地演化分析中的广泛应用。

“由于该推测一直缺乏实验证据的支持,是领域内颇具争议的科学问题。”李伟星说,争议的核心是热退火和辐照退火都可能阻碍蚀刻液在裂变径迹中前进,导致裂变径迹蚀刻长度缩短,而常规蚀刻方法无法区分这两种退火。

为此,研究人员巧妙设计实验,将透射电镜与离子加速器相连,在国际上首次直接观察到核径迹在高能离子轰击下半径缩小、长度变短的完整过程。

这一创新方法不需要蚀刻径迹,就可以直观地研究裂变径迹的辐照退火效应。同时,原位离子辐照可以在不加热条件下进行,解决了蚀刻方法无法区分辐照退火和热退火的难题。

李伟星表示,该研究是典型的学科交叉研究,涉及材料与核工程、地质专业,对地质学、石油勘探等科学实践应用中利用裂变径迹准确限定岩石年龄、提高热历史分析精度具有重要意义。

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