在地球地質的探索中，科學家通過巖石年齡、溫度等要素，對地球和生命的演化進行分析解讀。而測定上述要素需要更有效精準的工具方法，數(shù)十年來，科學家們不斷探索這把“利劍”。

自上世紀60年代中期， 核物理中的“裂變徑跡”被引入地質、地球化學領域至今，它已成為巖石年齡測定和熱歷史分析的重要方法，也被稱為“裂變徑跡定年法”。

中科院青藏高原所新生代環(huán)境團隊李偉星研究員等利用俄羅斯杜布納聯(lián)合核子研究所、哈薩克斯坦核物理研究所快重離子加速器、美國阿貢實驗室原位離子輻照等大型科學裝置，通過連接透射電鏡與離子加速器，首次直接觀察到核徑跡在高能離子轟擊下半徑縮小、長度變短的完整過程（圖1）。相關研究成果發(fā)表在國際地球化學領域學術期刊《地球化學與宇宙化學學報》。

什么是裂變徑跡？論文第一作者和通訊作者李偉星解釋，礦物中微量鈾-238自發(fā)裂變后，高速運動的核子在礦物中產生長度大約為20微米的損傷核徑跡。在光學顯微鏡下，可以觀察到經化學蝕刻放大后的裂變徑跡。

此外，裂變徑跡還具有“退火”特性，即當?shù)刭|環(huán)境受熱時，損傷恢復、徑跡縮短、密度下降甚至完全消失，據(jù)此便可限定巖石形成的時間和溫度歷史。這是判定巖石年齡及熱史分析的基本假設。

“如果礦物中的其它因素也導致了裂變徑跡密度、長度變化，那對巖石年齡、溫度等的判定將會產生差錯。”李偉星進一步告訴《中國科學報》。

早在2005年，挪威地質學家Hendriks等人就推測，裂變徑跡在鈾-238和釷-232衰變后所釋放的高能阿爾法（α）粒子轟擊下，裂變徑跡數(shù)量變少或長度變短，這種“非熱”輻照退火引起裂變徑跡測量年齡偏年輕，直接影響裂變徑跡定年在板塊、地形及盆地演化分析中的廣泛應用。

不過，該推測一直缺乏實驗證據(jù)有效支持，是領域內頗具爭議的科學問題。爭議的核心是“熱”退火和“輻照”退火都可能阻礙蝕刻液在裂變徑跡中前進，導致裂變徑跡蝕刻長度縮短，而常規(guī)蝕刻方法無法區(qū)分這兩種退火。

中科院青藏高原所新生代環(huán)境團隊及合作者巧妙設計實驗，先用“快重離子”加速器產生的核徑跡來模擬裂變徑跡，再將透射電鏡與另一離子加速器相連，首次直接觀察到核徑跡在高能離子轟擊下半徑縮小、長度變短的完整過程。這一創(chuàng)新方法直觀地研究“未蝕刻”徑跡輻照退火效應。原位離子輻照可以方便地選擇不同離子模擬α-粒子或α-反沖核，也可以在不加熱條件下進行，解決了“蝕刻”方法無法區(qū)分輻照退火和熱退火的難題。

本研究通過原位輻照和量化分析發(fā)現(xiàn)，α-反沖核的核碰撞導致了裂變徑跡破碎、縮小，阻礙蝕刻液前進以及蝕刻徑跡長度縮短。研究還發(fā)現(xiàn)，鋯石比磷灰石的α-輻照退火效應更為靈敏，且鋯石中鈾和釷含量一般比磷灰石高，因此，在裂變徑跡實踐應用中，須考慮鋯石的α-輻照退火效應，磷灰石的退火效應則較弱，可能可忽略。

審稿人認為，該研究回答了領域內的一個“根本性問題”，是一項“里程碑式的工作”。

李偉星表示，該研究是典型的學科交叉研究，涉及材料與核工程、地質專業(yè)，“將對地質學、石油勘探等科學實踐應用中利用鋯石和磷灰石裂變徑跡準確限定巖石年齡、提高熱歷史分析精度具有重要意義?！?/p>

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圖 原位電鏡照片顯示不同初始半徑的核徑跡在α反沖核轟擊下逐漸縮小的過程。（中科院青藏所供圖）



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