2.5. Giới thiệu một số phương pháp định tuổi khác

Phương pháp định tuổi theo vết phân hạch (Fission track dating)

Các hạt tích điện chuyển động trong vật thể cứng do chuyển tải năng lượng của mình cho các nguyên tử dọc theo quỹ đạo chuyển động tạo nên đới phá huỷ. Các dấu vết do các hạt tích điện để lại lần đầu tiên quan sát được khi nghiên cứu các mẫu vật cứng nhờ kính hiển vi điện tử có độ phóng đại rất lớn. Khi phân hạch nhân ²³⁸U thoát ra lượng năng lượng lớn (gần 200MeV) và các mảnh phân hạch có khối lượng lớn, chúng tạo nên các vết (track) với chiều dài khoảng n10 mm. Những vết mảnh phân hạch (fission fragment tracks) phát hiện trong các khoáng vật mica, zircon, epidot, sphen và các thuỷ tinh tự nhiên và tổng hợp. Nếu xác định được mật độ của vết ấy có thể định được tuổi của các mẫu vật.

Ngày nay phương pháp định tuổi theo vết mảnh phân hạch được sử dụng rộng rãi, đặc biệt thuận tiện để định tuổi cho các mẫu vật tương đối trẻ kể cả mẫu trong khảo cổ học. Phương pháp này cho ta cả những thông tin về lịch sử nhiệt của các đá cổ hơn, bởi vì sự bảo toàn các vết phân hạch phụ thuộc vào điều kiện nhiệt.

Các nghiên cứu của Price P. và Walker R. chỉ ra rằng các vết phân hạch trong các khoáng vật tự nhiên chỉ do phân hạch của ²³⁸U gây nên.

Một hạt khoáng vật hoặc thuỷ tinh chứa các nguyên tử ²³⁸U phân bố đồng đều, số lượng phân rã hạt nhân của nó sau thời gian t được xác định bằng phương trình:

D = ²³⁸U (e^lat - 1) (5.37)

ở đây D- số phân rã trong 1 cm³ mẫu, ²³⁸U- số nguyên tử ²³⁸U trong 1 cm³ mẫu ở hiện tại, l_a - hằng số phân rã-a của ²³⁸U, bằng 1,55125´10^-10 năm^-1 (chính là l₁, xem Bảng 5.3).

Số nguyên tử ²³⁸U, bị phân rã bằng cách phân hạch tự nhiên và sinh ra vết phân hạch, bằng:

F_c = (l_f/l_a) ²³⁸U (e^lat - 1) (5.38)

Thực ra chỉ có một phần nhất định (q) của vết phân hạch cắt mặt mài láng của mẫu có thể tính toán. Trong khi đó mật độ vết mảnh phân hạch tự nhiên trên bề mặt này được xác định bằng phương trình:

r_c = F_c q = (l_f/l_a) ²³⁸U (e^lat - 1) q (5.39)

Số phân hạch cảm ứng của các nhân ²³⁵U trong 1 cm³ mẫu:

F_ind = ²³⁵Ufs (5.40)

ở đây, ²³⁵U- số nguyên tử ²³⁵U trong 1 cm³ mẫu hiện tại, f- liều lượng neutron nhiệt (neutron/cm²), s- tiết diện của phân hạch cảm ứng ²³⁵U, bằng 580,2´10^-24 cm³. Với điều kiện phân tích mật độ của các vết mảnh phân hạch cảm ứng bằng:

r_ind = F_indq = ²³⁵Ufs (5.41)

Kết hợp các phương trình (5.39) và (5.41), ta sẽ có:

(r_c/ r_ind) = (l_f/l_a)´(e^lat - 1)/ fsI (5.42)

ở đây I- tỉ lệ nguyên tử ²³⁵U/²³⁸U. Giải phương trình (5.42) đối với t được:

(5.43)

Thay các trị số l_a = 1,55125´10^-10 năm^-1, l_f = 8,46´10^-17 năm^-1, s = 580,2´10^-24 cm² và I = 1/137,88, ta sẽ có:

(5.44)

Sau khi đo được r_c/r_ind và nhờ máy xác định liều lượng neutron f, nhờ phương trình (5.44) có thể tính t. Nếu t < 500 triệu năm, phương trình (5.44) có thể đơn giản, sau khi thay e^lt-1» lt. Trong trường hợp này:

r_c/r_ind = l_ft / fsI và t = (r_c/r_ind)´(fsI/l_f) = 4,974´10^-8´ f (r_c/r_ind) (5.45)

Tuổi, tính theo công thức gần đúng (5.45), bị giảm đi 4% khi t= 500 tr. năm và chỉ giảm mất 0,7% khi t = 100 tr. năm, trong khi đó sai số phân tích thường lớn hơn 5%.

Phương pháp định tuổi ¹⁴C

¹⁴C được thành tạo trong khí quyển theo các phản ứng hạt nhân chủ yếu do tác động của neutron với các đồng vị bền N, O và C. Quan trọng nhất là phản ứng: ¹n + ¹⁴N ® ¹⁴C + ¹H; ở đây ¹n- neutron, ¹H- protron. Carbon phóng xạ chuyển thành các phân tử ¹⁴CO₂ hoặc ¹⁴CO, chúng nhanh chóng hoà trộn với không khí và nước. Các phân tử ¹⁴CO₂ đi vào các tế bào của động vật hoặc quang hợp trong thực vật. Trong suốt đời sống của sinh vật xảy ra sự trao đổi thường xuyên ¹⁴CO₂ giữa các tế bào và không khí. Hoạt tính của ¹⁴C trong các tế bào sống trong suốt đời sống của chúng là một đại lượng ổn định và phụ thuộc vào hoạt tính của ¹⁴C trong khí quyển. Khi các sinh vật chết đi, sự hất thụ ¹⁴C từ khí quyển bị ngừng lại và do phân rã phóng xạ nên hoạt tính của ¹⁴C bắt đầu bị giảm. Nếu biết được hoạt tính ¹⁴C trong tế bào sống, thì theo hoạt tính của ¹⁴C trong tế bào sinh vật chết có thể tính được thời gian xảy ra từ lúc ngừng hoạt động sống. Khoảng thời gian đó chính là tuổi carbon của mẫu.

Hoạt tính phóng xạ của mẫu carbon được lấy từ tế bào thực vật hoặc động vật, mà hoạt động sống của chúng bị ngừng t năm trước đây được xác định bằng phương trình:

A = A₀e^-lt (5.46)

ở đây A- hoạt tính ¹⁴C đo được, chính là số phân rã trong 1 phút trong 1g carbon, A₀- hoạt tính riêng của ¹⁴C trong mẫu tế bào sống của sinh vật này. Giá trị của A₀ = 13,56 ± 0,07 phr/g.ph (phân rã/ gam phút).

Giải phương trình (5.46) đối với t được:

t = (1/l) ln (A₀/A) với l = 1,209´10^-4 năm^-1 (5.47)

Như vậy, hoạt tính ¹⁴C trong mẫu phụ thuộc vào thời gian xảy ra từ lúc chấm dứt trao đổi carbon giữa mẫu và nguồn được thể hiện trên Hình 5.9. Theo đồ thị này 40 nghìn năm là giới hạn khi định tuổi bằng carbon phóng xạ.

Các đối tượng lấy mẫu thuận lợi để định tuổi bằng phương pháp phóng xạ carbon đưa ra trong Bảng 5.7. Chú ý mẫu lấy được cần phải cách li khỏi bị lây nhiễm với carbon phóng xạ hiện đại, tuyệt đối không được rửa mẫu, nhất là rửa di sót hữu cơ khỏi bùn bẩn trong nước tự nhiên.

Bảng 5.7. Các đối tượng để định tuổi theo phương pháp carbon phóng xạ (trích dẫn từ Faure G., 1989)

Đối tượng nghiên cứu	Số lượng vật chất cần lấy (gam)	Ghi chú
Than gỗ và gỗ	25	Định tuổi thường chính xác, ngoại trừ than gỗ bị nghiền mịn có thể hấp phụ axit mùn
Vật chất hữu cơ lẫn đất	50-300	Đối tượng này ít nhất chứa 1% carbon hữu cơ dưới dạng mảnh thấy được
Than bùn	50-200	Định tuổi thường chính xác, tuy nhiên cần loại bỏ các rễ cây hiện đại thâm nhập vào
Xương bị carbon hoá	300	Tài liệu định tuổi của xương bị carbon hoá mạnh cho kết quả tốt hơn so với loại carbon hoá yếu; vì có thể xảy ra quá trình trao đổi với carbon phóng xạ hiện đại
Vỏ sò (carbon không phải nguồn hữu cơ)	100	Có thể xảy ra quá trình trao đổi carbon thuộc calcit hoặc aragonit của vỏ sò với carbon phóng xạ của nước tự nhiên chứa carbon…. Vì thế độ tin cậy của tài liệu phân tích vỏ sò có phần hạn chế
Vỏ sò (carbon nguồn hữu cơ)	Một vài kilogam	Carbon nguồn gốc hữu cơ có mặt dưới dạng vỏ ốc, chiếm 1-2% vỏ sò hiện đại. Do hoạt tính ban đầu của ^14C trong các vật chất này không biết, nên có thể có sai số hệ thống trong các tài liệu định tuổi
Vôi đầm lầy và các trầm tích đại dương, hồ	Khác nhau	Các vật chất này có thể định tuổi là do hàm lượng carbon phóng xạ trong carbonat calci. Cần đặc biệt chú ý đánh giá sai số do các yếu tố địa phương gây nên.