青藏科考

原位离子辐照模拟阿尔法衰变导致裂变径迹变短

文章来源 :
2021-03-30 13:57

氦、铅等元素以及点缺陷在矿物结构中扩散是受热引起,这是确定矿物年龄及热史的基本假设。例如,通过矿物中238U裂变产生的损伤径迹数量、长度分布重建矿物热史的实践,地质“热事件”被假设为裂变径迹退火(缺陷消失、径迹长度变短)的唯一内因。Hendriks等在2005年推测,裂变径迹受到238U和232Th衰变中释放的高能阿尔法(α)粒子轰击,裂变径迹数量变少或长度变短。这种“非热”辐照退火引起裂变径迹测量年龄偏年轻,直接影响裂变径迹定年在板块、地形及盆地演化分析中的有效应用。由于该推测缺乏实验证据有效支持,是领域内颇具争议的科学问题。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。 

中科院青藏高原所新生代环境团队、青藏高原地球科学卓越创新中心李伟星研究员及合作者,利用俄罗斯杜布纳联合核子研究所、哈萨克斯坦核物理研究所快重离子加速器,以及美国阿贡实验室原位辐照等大型科学装置,通过连接透射电镜与离子加速器,首次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(图1)。这一创新方法直观地研究“未蚀刻”径迹辐照退火效应,解决了“蚀刻”方法无法区分辐照退火和热退火的难题。 

原位辐照和量化分析(图2,图3)结果显示,α反冲核的核碰撞导致裂变径迹破碎、缩小,阻碍蚀刻液前进以及缩短蚀刻径迹长度。另外,锆石的α-辐照退火效应比磷灰石更灵敏,且铀和钍的含量比磷灰石高。因此,在裂变径迹实践应用中,需要考虑锆石的α-辐照退火效应。 

该研究成果近期以“Alpha-decay induced shortening of fission tracks simulated by in situ ion irradiation”为题,在国际地球化学权威刊物《地球化学与宇宙化学学报》(《Geochimica et Cosmochimica Acta》)发表。本研究获得“第二次青藏高原综合科学考察研究”专项(2019QZKK0707)等资助。李伟星研究员为第一作者和通讯作者,斯坦福大学Rodney C. Ewing院士为共同通讯作者。 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.01.022 

(“高原风化剥蚀历史及气候环境效应”专题供稿)

图1原位电镜照片显示不同初始半径的核径迹在α反冲核轰击下逐渐缩小的全过程

图2 磷灰石裂变径迹半径及可蚀刻径迹长度随辐照剂量增加而减少。磷灰石在已报道最高天然剂量(2.3×1017 α/g)下,蚀刻长度下降百分比仅0.98%

图3 锆石裂变径迹半径及可蚀刻径迹长度随辐照剂量增加而减少。锆石在正常天然剂量(如1.3×1018 α/g)下,蚀刻长度下降百分比达24.4%