歷史地質學/U-Pb、Pb-Pb 和裂變徑跡測年
在本文中，我們將討論 U-Pb 和 Pb-Pb 方法的基礎，以及裂變徑跡測年。如果您已經掌握了 鉀氬測年文章、氬氬測年文章 和 銣鍶測年文章 的內容，您將更容易理解本文。
在 U-Pb 測年中有許多同位素值得關注。
238U（鈾-238）透過複雜的衰變鏈衰變成206Pb（鉛-206）。它的半衰期為 45 億年。235U（鈾-235）透過同樣複雜的衰變鏈衰變成207Pb（鉛-207），它的半衰期為 7 億年。
瞭解204Pb（鉛-204）的存在也很有用，它既不是不穩定的，也不是放射成因的。
我們總是可以嘗試使用等時線方法進行 U-Pb 測年，但這通常行不通：涉及的礦物的組成，當繪製在等時線圖上時，無法形成一條直線。
造成這種情況的原因似乎有兩個。首先，等時線圖的直線特性在涉及的同位素在礦物之間發生重新分配時會被破壞。現在，鉛和鈾在即使是輕微的變質作用下也特別容易發生這種重新分配。另一個問題是，鈾特別容易受到風化作用的影響。現在，由於所有的岩石都有一定的孔隙率，並且我們幾乎必須對地表附近的岩石進行測年，因此很難找到鈾沒有流失的情況。
鋯石是礦物ZrSiO4；從它的化學式可以看出，它是一種矽酸鹽礦物。儘管它在岩漿岩中並不豐富，但它足夠常見，可以用於放射性測年的目的。
它有兩個特性，使其在這一方面非常有用。
首先，鈾很容易替代礦物中的鋯（Zr），而鉛則會被強烈排斥。因此，我們預計鋯石在形成時會含有鈾，但幾乎不含鉛。
其次，鋯石非常堅固，化學性質穩定，能夠抵抗化學風化，甚至能夠抵抗高達約 900 °C 的高階變質作用。
因此，鋯石對使等時線 U-Pb 測年如此困難的問題相對免疫。但當然，對於等時線測年來說，我們需要不止一種礦物；只有鋯石是不夠的。
然而，這些關於鋯石的事實，加上我們對鈾的瞭解，暗示了另一種測年方法。
如果鋯石最初不含鉛，並且自鋯石形成以來，沒有鉛或鈾被新增或移除，則以下公式將成立
- t238 = h238 × log2(1 + R238)
其中 t238 是鋯石的年齡，h238 是238U 的半衰期，R238 是206Pb 與238U 的比率。
不僅如此，由於我們有兩個鈾同位素可以使用，我們還將有
- t235 = h235 × log2(1 + R235)
其中 t235 是鋯石的年齡，h235 是235U 的半衰期，R235 是207Pb 與235U 的比率。
現在，因為鋯石只有一個年齡，因此如果自鋯石形成以來沒有鉛或鈾被新增或移除，我們將有 t238 = t235，在這種情況下，這兩個 t 值被稱為一致；而如果鉛和/或鈾被新增或移除，則需要某種統計上的巧合才能使這兩個 t 值最終相同。因此，對206Pb/238U 比率和207Pb/235U 比率的分析作為對我們得出的日期正確性的檢查，就像階梯加熱在氬氬法中所做的那樣，並且在銣鍶及相關方法中，將幾種礦物繪製在等時線圖上所做的那樣：它使我們能夠找出同位素比率是否受到時間流逝以外的其他因素的影響，並且如果事實證明情況如此，則拒絕根據同位素比率計算出的任何“日期”。
有可能進一步改進這個日期。如果我們懷疑鋯石儘管具有化學性質，但仍然設法在其形成時或之後摻入了少量鉛，那麼由於所有鉛同位素在化學上都是相同的，我們可以測量鋯石中含有的204Pb 的量。由於我們知道各種鉛同位素通常存在的比例，那麼我們可以應用與我們在鉀氬法中用於解釋大氣氬的校正相同的校正。
雖然鋯石一直是 U-Pb 測年中最受歡迎的礦物，但其他礦物也已被使用，包括磷灰石、獨居石、鈦鐵礦、褐簾石，以及最有趣的是獨居石。
使用放射性測年確定沉積岩的年齡存在困難。問題在於沉積物是由一些母巖的碎屑組成的，當我們對這些碎屑進行測年時，實際上是在對母巖而不是沉積物本身進行測年。例如，如果我們將 U-Pb 測年應用於在砂岩中發現的一粒鋯石，我們測定的不是砂岩的形成時間，而是鋯石來源的花崗岩的形成時間；我們只能說砂岩一定比花崗岩年輕。
然而，可以使用礦物獨居石 (YPO4) 對一些沉積岩進行測年。鈾可以並且通常會替代元素釔，而鉛則不能，這使得獨居石適合放射性測年。
關於磷釔礦的關鍵事實是，由於它與鋯石具有相同的晶體結構，它可以在鋯石晶體上生長，形成地殼；當然，這個過程不可能在鋯石晶體仍然被鎖在它的母巖中時開始。只有在風化和侵蝕將鋯石從母巖中釋放出來，併成為沉積物後，鋯石才會開始獲得其磷釔礦地殼。
因此，透過對磷釔礦地殼進行測年，我們可以找出鋯石在其上生長時成為沉積物的時間；對鋯石本身進行測年則可以告訴你母巖的年齡。
洞穴堆積，更通俗地說，洞穴形成物，是在水中的礦物質沉澱出來時形成的，當時水滴落、滲入或流入洞穴。讀者可能熟悉石筍和鐘乳石；右側的照片中顯示了更多洞穴堆積。
現在，鈾的化合物通常在水中高度可溶（事實上，這是U-Pb等時線測年的主要問題之一），而鉛的化合物則頑固地不溶。因此，我們預計洞穴堆積在首次形成時會包含一些鈾，但幾乎不含鉛——就像鋯石一樣。所以我們可以將與鋯石相同的技術應用於洞穴堆積。
我們可以用另一種方式利用我們238U-206Pb和235U-207Pb的雙重系統。假設我們分離岩石中的礦物，並在圖上繪製其206Pb/204Pb比值在一個軸上，其207Pb/204Pb比值在另一個軸上（類似於，儘管不完全相同，我們構建等時線圖時所做的事情）。從數學上可以證明，如果岩石沒有受到干擾，使得同位素比值僅反映時間的流逝，那麼就像我們已經討論過的等時線圖一樣（儘管原因不同），如此繪製的礦物將在圖上位於一條直線上；岩石的年齡可以從該線的斜率計算得出。
與普通等時線方法（如Rb-Sr）不同，Pb-Pb方法不允許我們從樣品獲得的資料中推斷出各種鉛同位素的原始比例。相反，我們需要用其他方法找出這一點。
我們可以透過尋找含有鉛但從未含有鈾，或只含有微量鈾的礦物來做到這一點。來自富含鐵的隕石的隕鐵石（FeS）符合要求：它目前的鈾鉛比非常小，要麼是太陽系，甚至整個宇宙比宇宙學家認為的要古老得多，要麼是考慮到238U的漫長半衰期（45億年），隕石一開始幾乎不含鈾，因此其衰變幾乎不會影響這些隕石的鉛同位素比值。
你可能懷疑隕石的初始鉛同位素比值是否與地球相同。行星科學家堅持認為它們應該相同，原因超出了本教科書的範圍。另一個相信這一點的原因是，如果我們基於此計算Pb-Pb年代，我們得到的年代與其他方法產生的年代一致，只要可以應用這些方法：如果我們使用了錯誤的初始鉛同位素比值，這將是不可能的。因此，以隕鐵石獲得的數字作為計算的“錨”，我們就可以繼續將Pb-Pb方法應用於確實含有大量鈾的岩石。
現在，回想一下，我在這篇文章的開頭解釋了等時線法對U-Pb毫無用處，你可能會想知道為什麼這個Pb-Pb等時線會更好。但是，回想一下，U-Pb等時線的主要問題之一是鈾化合物高度可溶，並且很容易被風化從岩石中去除。但是當這種情況發生時，鉛仍然存在，可以用於Pb-Pb測年。更重要的是，即使一些鉛也被去除，由於所有鉛同位素都是相同的元素，具有相同的僅僅是化學性質，因此沒有一種同位素比其他同位素更容易丟失的趨勢，因此同位素比值將保持不變。
當然，鈾被風化去除會減緩甚至（如果所有鈾都被去除）完全停止放射性時鐘，因此我們無法準確測量風化開始後的時間，因此Pb-Pb測年會告訴我們岩石比實際年齡要年輕一些。但只是年輕了一點點，因為一塊典型的火成岩暴露在化學風化中的時間相對較短，相比之下，它沒有暴露在化學風化中的時間要長得多。
與我們已經遇到的等時線方法一樣，Pb-Pb等時線法具有其自身的內建正確性檢查：如果岩石受到嚴重干擾，使得同位素比值取決於時間流逝以外的因素，那麼當我們在圖上繪製礦物時，它們幾乎肯定不會位於一條直線上，我們也不會獲得年代。
最後，我應該提到裂變徑跡測年。鈾衰變的衰變鏈涉及α粒子的釋放，當這些粒子穿過岩石時，它們會在它們穿過的礦物中產生微小的傷痕（裂變徑跡），這些傷痕可以透過切割和拋光礦物，並在顯微鏡下觀察它們來顯露出來。許多礦物適合這個過程，包括磷灰石、鋯石和鈦鐵礦。
礦物中的裂變徑跡數量將取決於鈾的含量以及它造成損傷的時間。因此，反過來，如果我們計算裂變徑跡並測量鈾的含量，那麼我們就可以算出產生裂變徑跡需要多長時間。
這種方法的一個缺點是，如果岩石被加熱到大約200°C，裂變徑跡會癒合，因此即使是最輕微的變質也會重置裂變徑跡時鐘。