3.1 mukadimah

atmosfer atas , dan diendapkan denganhujan , atau terus-menerus diproduksi di bumi ataulautan sebagai putri perantara dalam pembusukanrantai uranium dan thorium . Mereka digunakan sebagaipelacak proses geologi dengan waktu yang lebih singkatsisik dari yang dipelajari oleh isotop diTabel H.1 . Salah satu yang paling menarik dariisotop sinar kosmik yang dihasilkan adalah10Jadilah , yang menumpukdi sedimen laut , menghilang ke dalammantel di zona subduksi dan re - muncul denganlava andesit ( Bagian 2.9 ) . Ini menunjukkan bahwasedimen laut basah subduksi , menjadifluks untuk magma andesit ( Bagian 2.5 ) , danseluruh proses hanya memakan waktu beberapa10Jadilah paruh ,kurang dari 10 juta tahun . Contoh yang paling bergunadari putri isotop menengah adalahth ,produk langsung dari238234U , akhirnya membusuk ke230U dalam rantai peluruhan206Pb.230Th , denganparuh 75 tahun 000 , diproduksi pada kulitmakhluk laut yang menggabungkan beberapa uranium ,dan menyediakan alat kencan untuk karbonatsedimentasi .Variasi kecil dalam jumlah relatifisotop unsur cahaya muncul dari biasaproses fisik dan kimia (Bagian 3.9 ) ,tanpa radioaktivitas . Perbedaan massa antara

isotop menyebabkan massa - fractionations , sehingga,Misalnya , air yang menguap dari lautansedikit habis dalam deuterium relatif terhadap laut air, karena molekul ringan menguap lebih mudah daripada yang lebih berat. partisi isotop juga terjadi antara berinteraksi mineral dan mencerminkan kondisi (suhu dan tekanan) di mana mereka datang ke keseimbangan. lebih variasi isotop dramatis ditemukan di denda biji-bijian di chondrites karbon (Bagian 2.4), namun diberikan ke pelestarian dicampur bahan dari sumber-nukleosida sintetis yang berbeda. Mereka menyajikan petunjuk untuk pra-sejarah materi Tata Surya (Bagian 4.5). Alasan lain untuk kepentingan radioaktivitas adalah bahwa itu adalah sumber panas. Ini adalah dominan terus sumber energi di Bumi (Bab 21) dan distribusinya merupakan pusat diskusi sejarah termal (Bab 23). Dalam konteks ini ada empat isotop penting, 232 Th, dan 40 238 K. Mereka terkonsentrasi di kerak tapi didistribusikan di seluruh mantel. Adanya radioaktivitas dalam inti telah U, 235 U, diperdebatkan tetapi, jika ada beberapa panas radiogenik, itu memudahkan masalah dari penemuan sebuah memadai sumber energi untuk dinamo geomagnetik (Bab 24). Kasus untuk beberapa K dalam inti adalah dibahas dalam Bagian 2.8 dan implikasi untuk sejarah termal dalam Bab 23.

3.2 peluruhan radioaktif

Laju peluruhan radioaktif dari isotop adalahdiwakili oleh konstanta peluruhan , l , yangprobabilitas per satuan waktu yang konstituenpartikel dalam inti atom akan melarikan dirimelalui penghalang potensial mengikat keinti . Dengan demikian laju peluruhan N inti adalah laju

sebanding dengan N :dNdt¼ lN : ? ( 3:1)Mengintegrasikan dari nomor awal Npada saatt ¼ 0 kita memperoleh persamaan peluruhanN ¼ N0e? lt0: ( 3:2)Hubungan antara l dan setengah hidup , ?,isotop yang diperoleh dengan mengganti N ¼ N/ 2pada t ¼ ?

Laju peluruhan radioaktif dari isotop adalahdiwakili oleh konstanta peluruhan , l , yangprobabilitas per satuan waktu yang konstituenpartikel dalam inti atom akan melarikan dirimelalui penghalang potensial mengikat keinti . Dengan demikian laju peluruhan N inti adalahsebanding dengan N :dNdt¼ lN : ? ( 3:1)Mengintegrasikan dari nomor awal Npada saatt ¼ 0 kita memperoleh persamaan peluruhanN ¼ N0e? lt0: ( 3:2)Hubungan antara l dan setengah hidup , ?,isotop yang diperoleh dengan mengganti N ¼ N/ 2pada t ¼ ? 1 = 21 = 2,

¼ln 2l¼0:69315l: ( 3:3)Energi nuklir mengikat begitu besar daninti atom yang sangat kecil yang radioaktifpembusukan hampir tidak terpengaruh oleh konkondisi fisikdi Bumi , seperti suhu dan tekanan .Decay oleh keluarnya ? - Partikel (4partikel ( elektron atau positron )terjadi dengan penetrasi hambatan potensialyang mengikat partikel-partikel ini ke inti . probabilitasmelarikan diri semata-mata milik inti .Probabilitas pembusukan oleh fisi , di manainti pecah menjadi dua fragmen sebandingditambah neutron , juga merupakan properti nuklir diwakilioleh konstanta peluruhan . Sebuah proses yang berbeda adalahpenangkapan elektron orbital . Hal ini dikenal sebagaiK - capture karena hampir selalu merupakan elektrondari terdalam ( K ) shell elektron yangditangkap . Dalam hal ini tingkat tergantung padakepadatan lokal elektron orbital pada inti .Ini sedikit meningkat tekanan , tapi jauh urang dari kepadatan bahan padat, yang dikontrol oleh elektron terluar lebih kompresibel kerang. Contoh K-capture termasuk pembusukan 40 kto 40 Ar. 40 K meluruh oleh tiga bersaing proses,? ? pembusukan untuk 40 Ca (89,5%), K-capture untuk 40 Ar (10,5%), dengan kontribusi yang sangat kecil dengan ? þ emisi. Dengan demikian laju peluruhan kalium untuk argon di pedalaman mendalam Bumi

mungkin sangat sedikit lebih besar dari dalam kerak. Efek ini belum diukur untuk K tetapi tentu kecil, dan untuk tujuan praktis l dan? 1 = 2 untuk semua isotop, termasuk 40 K, dapat dianggap sebagai konstanta. 403.3 Jam peluruhan: 14 C kencan

Jam pembusukan adalah salah satu yang menggunakan Persamaan . ( 3.2 ) . yang diukurkelimpahan , N , dari isotop membusuk adalahdibandingkan dengan kelimpahan awal diasumsikan ,N, Dan t dihitung dari rasio. kebutuhanuntuk mengetahui N0membatasi jam pembusukan yang dapat digunakan untukorang-orang yang memanfaatkan terus dipertahankanwaduk isotop induk ( Tabel H.2 ) .Yang paling penting dari ini adalah014C , yangdihasilkan oleh ( n , p ) reaksi raygenerated kosmikneutron di atmosfer14Cistergabung dalam vegetasi oleh fotosintesis , sehinggabahwa bahan asal biologis dapat tanggaloleh14Metode C . Setelah karbon adalah tetap dalamsampel dari kayu atau tulang-tulang hewan yangmeninggal , jam ' diaktifkan ' dan tanggalmemperbaiki karbon dapat ditentukan oleh umlah14C yang tersisa . Metode ini paling

efektif untuk bahan usia sebanding denganparuh , 5730 tahun , dan semakin kurangakurat untuk kedua sampel yang lebih muda dan lebih tua .Proporsi14C karbon di atmosfer( biasanya sekitar 1 atom di 1012) Telah mengalamiperubahan dramatis akibat aktivitas manusia diberlangsung 100 tahun atau lebih . Pembakaran skala besar fosilbahan bakar menyuntikkan ke dalam atmosfer dari karbonyang14C menghilang lama . Pada tahun 1950 ,udara14C sekitar dua kali lipat olehpengujian atmosfer dari senjata nuklir .Untungnya efek ini tidak mempengaruhikencan dari bahan yang lebih tua , tetapi ada jugafluktuasi alam di atmosfer14Cdueto

N.14

lapangan , yang sebagian melindungi atmosferdari sinar kosmik dengan membelokkan menjauh utamapartikel (kebanyakan proton ) . Untuk tepat mutlakusia , kalibrasi dari jam karbon diperlukan .Hal ini , pada dasarnya, grafik Nterhadap waktu . pohoncincin dari bristlecone California sangat berumur panjangpinus telah melayani tujuan ini untuk yang terakhirbagian dari rentang usia diakses penanggalan karbon .Kalibrasi kembali ke 30 000 tahun sebelumsekarang telah dicapai ( Bard et al . , 1990) ,menggunakan peluruhan234Uto0

230Th ( Tabel H.2 ) .Ini adalah putri berturut-turut dalam pembusukanrantai238U dan berguna untuk kencan karangdan bahan sejenis sedimen yang mengandunguranium , tetapi tidak ada thorium awal .Penanggalan karbon memiliki peran sentral dalam arkeologidan telah menyediakan alat kuantitatif untukstudi proses geologi di Kuarter tersebutperiode yang terlalu baru untuk dapat diaksesmetode penanggalan diuraikan sebagai berikutbagian . Namun, koreksi kalibrasisubstansial dan harus diterapkan untuk memperolehtanggal mutlak.

3.4 Akumulasi jam : K – ArSebuah alternatif untuk pengetahuan langsung dari awal konsentrasi, N , Dari orang tua radioaktif pengukuran konsentrasi, D 0 produk anak karena D ? ¼ N 0 ? N ¼ N 0 D1? e ? lt ? , ofa Þ: (3:4) Asterisk digunakan dengan D ? untuk menunjukkan num-the ber atau konsentrasi anak radiogenik inti diproduksi dalam waktu t. Hal ini karena isotop yang sama dapat terjadi secara independen dari pembusukan dan komponen non-radiogenik atau awal harus diperbolehkan untuk. Membagi Eq. (3.4) dengan Eq. (3.2), yang tidak diketahui N D ?

N ¼ 1? e e ? lt ? lt ¼ e lt 0 dihilangkan, ? 1: (3:5) Untuk skema peluruhan tanpa putri awal atau komplikasi lain, Eq. (3.5) dapat digunakan langsung dalam penentuan usia. ini adalah hampir benar dari K-Ar kencan, berdasarkan pembusukan dari isotop kecil kalium ,40K , untukAr . itukomplikasi dalam kasus ini bukan yang serius . ituadalah bahwa hanya 10,5 % dari4040K meluruh hasilar ,sisanya adalah ??meluruh menjadi40Ca . rasiokonstanta peluruhan untuk produksi,total , adalahlAr= l ¼ lAr= dLArþ lkira-kira4040Ar , lÞ ¼ 0:105 : ( 3:6)Ada biasanya sangat sedikit argon awal dalam bekubatu , karena volatilitas dan inertness kimia .Hal ini hampir sepenuhnya hilang oleh outgassingdari lava pendinginan . Ketika batuan beku ekstrusif

membeku rock, tanpa40Ar , jam nya diatur kenol . Jadi untuk K - Ar kencan persamaan jam adalahmodifikasi sederhana dari Persamaan . ( 3,5 ) ,40Ar ¼ dLAr= LTH40KDElt? 1th : ( 3:7)Perkiraan usia batu atau mineral olehEq . ( 3.7 ) membutuhkan penentuan rasio40ar /40K. Metode yang paling digunakan bergantung pada independenpengukuran argon dan kalium .Ini berarti hati-hati membagi sampel menjadi duabagian yang mengandung konsentrasi yang samaK dan Ar , dan kemudian K diukur dalam satu setengah dan Ar yang lain . Pengukuran argon adalahdibuat dengan spektrometer massa setelah mencairsampel dalam ruang hampa , pencampuran argon dirilisdengan kuantitas yang diketahui isotopically dipisahkan38Ar ( the ' spike' ) dan menghilangkan gas yang tidak diinginkan .Serta memungkinkan untuk fakta bahwa spektrometer massamengukur rasio sangat baik , namun tidak mutlakkuantitas , dengan membandingkan tiga isotopargon prosedur ini menyediakan metode rutinmengoreksi untuk kontaminasi atmosfer .Argon atmosfer memiliki kelimpahan isotoprasio40Ar:38Ar:36Ar ¼ 100 : 0.063 : 0.337 .Kalium umumnya ditentukan oleh apiperbandingan fotometer dari solusi denganstandar dan bergantung pada kenyataan bahwaKisafraksi tetap ( 0,011 67 % ) dari total K.40Sebuah metode alternatif untuk memperoleh rasio

ar /40K dalam sampel adalah untuk mengekspos ke neutronfluks dalam reaktor nuklir , mengubah sebagian kecil dariitu39K hadir untuk39Ar . itu39Ar sehingga dihasilkanadalah ukuran langsung dari kandungan potasium , sehinggabahwa rasio Ar / K dapat diukur dengan massaperbandingan spektrometer dari40ar /39Ar . ini adalahlebih langsung daripada pengukuran terpisah pada Ardan K dengan metode yang berbeda pada sampel terpisah .40Sebuah sampel standar terkena neutron yang samafluks digunakan untuk kalibrasi . itu40ar /39metode armemiliki keuntungan bahwa pemanasan bertahap daririlis spesimen padat pada temperatur yang berbedaargon diadakan di kristalografi yang berbedasitus . Kemudian , jika sampel memiliki sejarah metamorfosisyang telah menyebabkan kerugian argon dari kurangsitus kuat , yang40ar /39Rasio Ar akan lebih rendahuntuk rilis suhu rendah dan akan berkencan denganmetamorfosis . Ini telah digunakan untuk melacakevolusi daerah Prakambrium ShieldKanada . Koreksi untuk argon non - radiogenik adalahdiperoleh dari perbandingan dengan36Ar . Sebuah grafikdari40ar /36

Ar rasio vs39ar /36Ar untuk argondirilis pada temperatur yang berbeda memberikan linearmerencanakan dengan gradien sama dengan40Ar?/39Ar , di manatanda bintang menunjukkan radiogenikArdiperlukan untuk perhitungan usia . Sebuah tindakan pencegahandiperlukan untuk menghindari kesalahan akibat campurreaksi nuklir yang disebabkan oleh iradiasi neutron .Kehadiran37Ar , yang dapatdiproduksi dalam reaksi ini , merupakan indikasibahwa ini adalah masalah .Argon adalah pelacak untuk outgassing darimantel ( Bagian 5.2 ) . dipadamkan kapal selambasal dari pegunungan di tengah laut dan pulau panasbintik-bintik , seperti Loihi , off Hawaii , memilikiArrasio yang umumnya jauh lebih tinggi daripadarasio atmosfer . Ini merupakan indikasi bahwapurba36Ar yang bertambah dengan Bumisebagian besar di atmosfer . Kita mungkin menganggapbaik itu selalu ada atau bahwamantel sangat outgassed dan karena itubanyak40Ar juga di atmosfer . itudiskusi dalam Bagian 5.2 konsisten dengankedua alternatif ini .Metode K - Ar cocok untuk kencanbatuan beku dengan sejarah sederhana, terutamabahan yang relatif muda secara geologis .Untuk bahan-bahan ini memiliki keuntungan yangada sangat sedikit isotop putri awal,batas umur yang lebih rendah dari kegunaan yang dikenakanoleh argon residual tidak outgassed dari alam

mencair ( Hayatsu dan Waboso , 1985) . tertentukeberhasilan metode K - Ar adalah pembentukandari skala waktu pembalikan geomagnetik( Cox et al , 1963; . McDougall dan Tarling , 1963)dan kencan yang tepat dari 1,88 juta tahun tuaEndapan vulkanik Afrika Timur ( tuff ) yang

FI Gure 3.1 Rb-Sr evolusi dari tiga batu hipotetis berasal T tahun yang lalu dari sumber yang sama dan menjalani metamorfosis simultan t («T) tahun yang lalu. asli wholerock rasio isotop yang diwakili oleh A, B, C dan rasio ini dengan A 0 , B 0 , C 0 . Isochrons melalui individu analisis untuk setiap tanggal batu acara metamorf dan isochron melalui seluruh batu analisis tanggal asli diferensiasi magma.

diidentifikasi dengan hominid tetap minat khusus( McDougall et al , 1980; . McDougall , 1981 ) .Menjadi kimia inert , argon berdifusi melaluidan dari mineral cukup mudah , sehingga K - ArMetode tanggal bukan pembentukan batu ataumineral tetapi waktu di mana ia telah cukup didinginkanuntuk mencegah hilangnya difusif argon . initerjadi pada apa yang disebut suhu penutupan ,yaitu, suhu di mana butiran mineralmenjadi sistem tertutup , tidak memiliki lebih lanjutpertukaran dengan lingkungannya . mineral yang berbedamemiliki temperatur penutupan Ar yang berbeda ,

menurut difusivitas argon di dalamnya , sehinggabahwa batu perlahan-lahan pendinginan dengan beberapa mineral ,menghasilkan independen K - Ar usia , dapat merekamsejarah pendinginan (misalnya , McDougall dan Harrison ,1999) . Konsep suhu penutupan tidakeksklusif untuk argon . Orang tua dan anak-anak perempuan dari semuaskema peluruhan radioaktif menyebar di berbagaisuhu . Sebuah contoh ideal , digambarkan dalamGambar . 3.1 , menunjukkan bagaimana mungkin sampai saat ini keduapembentukan suite batu dan metamorfosis kemudian mereka.Namun, masalahnya adalah rumitoleh fakta bahwa suhu penutupan bukanlahtajam cut- off , tetapi diturunkan oleh pendinginan sangat lambat .Jam akumulasi lain dengan gasproduk anak adalah peluruhan uranium dan horium, yang menghasilkan Dia. Metode Dia / U digunakan dalam kencan pertama batu oleh Ernest Rutherford. Meskipun Dia berdifusi bahkan lebih mudah dari argon, untuk beberapa tujuan ini adalah keuntungan. akumulasi 4 Dia telah diukur dalam mineral apatit. pada tinggi suhu, karakteristik kedalaman beberapa kilometer, helium berdifusi dari apatit secepat seperti yang dihasilkan tetapi, seperti mineral mendingin, tingkat helium difusi menurun dengan cepat. Di atas sekitar 80 8C, helium hilang, tetapi dipertahankan di bawah sekitar 40 8C. Pengukuran Dia, U dan Th konsentrasi dalam kristal apatit dapat digunakan untuk memperkirakan berapa lama telah sejak mereka didinginkan melalui rentang 85 8Cto408C. Metode ini telah digunakan untuk menunjukkan bahwa San Gabriel Mts., Di California, telah meningkat sekitar 0,3 mm / tahun untuk yang terakhir 5 juta tahun (Blyth et al., 2000).

3,5 trek Fisi

Jam lain akumulasi yang sangat sederhana dalam Prinsip ini didasarkan pada fisi spontan

238 U. Ini adalah proses yang sangat langka, terjadi hanya 5:4? 10 ? 5 % dari 238 U meluruh, tetapi fragmen fisi sangat energik dan membawa 40 sampai 50 elektronbiaya , sehingga mereka menyebabkan radiasi yang sangat intenskerusakan di sepanjang trek pendek mereka. setiap fisiAcara menghasilkan sepasang trek , menandaijalan dari fragmen utama . pasangan individutrek yang dibuat terlihat untuk menghitung di bawahmikroskop dengan mempersiapkan permukaan dipoles danetsa mereka dengan asam . ETSA selektifmelarutkan bahan yang rusak , meninggalkan karakteristikV - berbentuk lubang etch . Fisi spontan235Uand232Th juga terjadi tetapi jauh lebih jarangdari238U fisi bahwa hal itu dapat diabaikan .Trek fisi adalah putri radiogenikyang kami dapat cukup yakin bahwa adaada kelimpahan awal . Dengan demikian jumlah trackberikut jam persamaan akumulasi analoguntuk eq . ( 3.7 ) ,T ¼ l= lðÞDalam hal ini lFF238? 1? ?ltUe: ( 3:8)adalah konstanta peluruhan untuk fisi ,yang sangat kecil dibandingkan dengan totalkonstanta peluruhan , l , dan T adalah jumlah trackdisebabkan oleh tersedia238U. Masalah statistikmenentukan kelimpahan uranium yang relevan ,sesuai dengan trek berpotongan

pesawat tertentu observasi, diselesaikan denganmenyinari sampel dengan neutron lambat dalamreaktor dan menghitung lagu tambahan ,TN, Diproduksi oleh fisi neutron - diinduksiU

238

235(tidak ada fisi lebih lanjut yang signifikan dari 238 U disebabkan). kemudian T N ¼? 235 U: (3:9) di mana? adalah total fluks neutron dan? ¼ 582? 10 235 ? 28 m 2 adalah neutron-fisi penampang U. trek baru dapat diamati dalam pesawat yang sama seperti aslinya 238 U trek, dengan reetching, setelah iradiasi, dalam hal ini faktor 2 muncul dalam perbandingan Pers. (3.8) dan (3.9) karena lagu asli diproduksi oleh uranium di kedua sisi pesawat, sedangkan setelah dipotong hanya uranium pada sisa sisi dapat berkontribusi. kemudian T T N ¼ 2ðÞ l F l 238 235 U U

: ? 1 ?? e lt ?? : (3:10) Faktor yang diberi tanda kurung (2) tidak berlaku jika count track kedua dibuat pada pesawat segar, dipotong setelah iradiasi , dalam hal totalmenghitung diamati adalah ( T THT) Dan perawatan yang lebih besar adalahdiperlukan untuk memastikan bahwa pesawat dibandingkansangat serupa dan jumlah trekstatistik yang memadai . meskipunN235U adalah kecilfraksi dari total U , yang neutron - fisi crosssection ,? , Adalah begitu besar sehingga tidak ada kesulitandalam membuat Tcukup besar untuk membandingkan dengan T.Kerusakan radiasi kristal anneals keluar ,Nmenyebabkan fisi trek memudar pada tingkat yang berbedasecara luas untuk mineral yang berbeda dan sangat bergantungpada suhu. Ini adalah contoh lain darimasalah suhu penutupan , dibahas sehubungandengan argon . Suhu fisi track penutupanbervariasi dari sekitar 120 8C ( apatit ) 300 8C( sphene ) . Jadi pemanasan ringan ( suhudalam kisaran ini ) dapat tanggal dengan membandingkanmelacak mineral yang berbeda di batu yang sama .Trek fisi dalam meteorit termasukUkomponen karena kosmik neutron ray diproduksi .Trek kelebihan , relatif terhadap dikenalusia meteorit , dengan demikian ukuran sinar kosmikeksposur . Metode ini digunakan untuk menunjukkanbahwa tektites tidak diamati eksposur sinar kosmik( Bagian 1.12 ) .