氬氬同位素定年方法

40Ar/39Ar 定年法演伸自K-Ar定年法,自一九七0年代發展以來,隨分析儀器與相關理論之精進,相關之定年技術已廣為人們運用於地球與外太空標本的分析與研究工作上,尤其在解析熱事件演化研究工作上,更獨步於所有同位素定年法之上。

 

自然界中,鉀元素具有三種同位素:、與,其中,會以電子擄獲(Electron Capture)或衰變等方式,衰變為與,此時,標本內衰變源之 40Ar*含量與標本內之40K含量與年紀間,具有下列關係︰

                             (1)

K-Ar 定年法係利用40K衰變為40Ar*的衰變公式,依據下列公式計算年代︰

 

                         (2)

(1)(2)中,t為年代、l40K的總衰變常數(5.543x10-10a-1)、le為40K衰變為40Ar之衰變常數(0.581x10-10a-1)、40Ar*/40K為標本內之同位素含量比。

40Ar/39Ar同位素定年法則係利用原子反應器內之快中子(Fast Neutron),先將標本內之穩定同位素39K,依下列核反應,將之活化為39Ar:

 

                                              (3)

經中子活化後之標本,攜回實驗室後,利用質譜分析方法,一次完成40Ar, 39Ar, 38Ar, 37Ar及36Ar等氬同位素的分析測量,經由40Ar/39Ar 比值推算出式(1)中之40Ar*/40K之比值。然而在中子活化過程中,39Ar的產生率,除了與標本內39K含量有關外,亦會隨中子通量大小與能量而改變,十分不易估計。因此,在實際操作過程中,吾人利用已知K-Ar 年代之礦物-即標準礦物(Standard mineral)與欲測年代之樣品, 一起放入原子反應器中一起接受中子活化,求得與快中子通量與能量相關之參數,進而計算標本之同位素年代。

                 (4)

若將式 (1) 除以式 (4) ,則可得

                (5)

對每次中子照射之結果而言,如果總中子流量固定,則在式 (5) 中之

應為一常數,此一常數俗稱 J (J-Value) 。將此常數代入式 (5) ,則式 (5) 可簡化為
                                  (6)
對同一次中子照射來說, J 值可由伴隨照射之已知年代的標準礦物依上式求得,如此則欲測樣品之年齡可依下式求得:

                                      (7)

由以上各公式可知,如使用適當的標準礦物,並經過必要的中子照射校正,則 40Ar/39Ar定年法所得之總氣體同位素年代 (Total gas age) 應與傳統之鉀-氬法所得的年代一致,許多實例證實兩者之間的確是相當一致的。但是就分析之精確度而言,40Ar/39Ar定年法,一次質譜分析工作完成所有氬同位素之量測,可減少標本的需要量,同時以量測氬同位素比的方式,規避了傳統鉀-氬定年法中分別對鉀元素及氬同位素進行絕對量分析所可能帶來的誤差,因此,大幅提高了資料的精確性。此一方法,對微量標本的定年工作,十分方便,例如月岩標本的定年工作,許多都是藉助40Ar/39Ar定年法來加以完成。

40Ar/39Ar 定年法除了可以求得上述標本之總氣體年代外,亦可以利用階段加溫的方式(Step-wise heating),分階段將標本內的氬同位素萃取出來,分析其成份,計算出各溫階的40Ar/39Ar年代;換句話說,階段加溫的定年分析結果,可以對同一標本取得一系列之年代,如果將這些年代與對應的溫度或累計氣體量作圖,即可得所謂的年代譜(Age Spectrum)。由於階段加溫實驗本身,即為一種對氬同位素的擴散實驗,所以階段加溫40Ar/39Ar 定年分析所得資料,可進一步作為推估標本的氬同位素擴散參數之推估使用,藉此推估其封存溫度(Closure Temperature)。如結合年代與封存溫度資料,即可得標本的溫度演化歷史。這類資料對礦物之鉀氬同位素年代的解釋與區域地史的研究,是項十分重要的資料;尤其在解析礦物內氬成份分布與探究礦物生成等,都是十分有幫助的。

近年來,40Ar/39Ar定年法更與雷射技術相結合,發展出所謂的雷射探針定年法(Laser dating microprobe)。該法係利用聚焦後的雷射光束(可小至數微米),照射於礦物表面,使礦物局部地區釋放氬氣,利用連結之高精密質譜分析,進行氬同位素量測,完成定年分析。此一技術基本上已提供了一個直接量測礦物內氬同位素分布的最方便直接的方法,進而可以求得礦物內的年代剝面,此類資料對探討氬同位素之擴散與區域地質熱事件的探討,十分重要。因此,此一方法的出現,無疑地已經使40Ar/39Ar定年技術提升到探針定年的地步,更使該定年法獨步於其他定年法之上。

 

Publications:

Lo, C.H. and Lee, C.Y.(1994) 40Ar/39Ar Method of K-Ar Age Determination of Geological Samples Using Tsing-Hua Open-Pool (THOR) Reactor. Jour. Geol. Soc. China 37, 143-164.

Lo, C.H., Wang, P.-L., Yang, H.-C., Liou, Y.-S. and Tsou, T.-Y. (2001) The Laser 40Ar/39Ar Dating Microprobe of National Taiwan University. Western Pacific Earth Sciences 1, 143-156.