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【气体地球化学科普】氩同位素:揭秘地球演化的密码

已有 2150 次阅读 2023-4-8 15:37 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

      Argon(Ar)是元素周期表第18组(惰性气体)中的一种化学元素,是地球上最丰富的惰性气体,也是工业上最常用的惰性气体。无色、无味、无味的氩气于1894年由英国科学家雷利勋爵和威廉·拉姆齐爵士从空气中分离出来。在研究大气氮气时,亨利·卡文迪什在1785年得出结论,不超过1/120的氮气可能是某种惰性成分。直到100多年后,雷利勋爵发现从空气中去除氧气后制备的氮气总是比从氨等化学来源中得到的氮气密度高约0.5%。在氧气和氮气都被去除后留下的较重气体是地球上第一种被发现的惰性气体,因其化学惰性而被命名为希腊语单词argos(意为“懒惰”)。   在宇宙丰度中,氩约排名第12位。氩气按重量占大气的1.288%,按体积占0.934%。 

   随着科技的进步,人们逐渐发现到氩具有多种同位素,其中只有三种36Ar、38Ar和40Ar是稳定的,它们的天然丰度分别为0.337%、0.063%和99.60%。最早的发现的氩同位素是40Ar,可以通过钾元素的衰变产生。上个世纪40年代,当时科学家们利氩同位素研究地球年龄的测量方法。他们发现在钾元素衰变的过程中,会产生40Ar,这种气体在熔岩和岩石中很常见。这是因为40Ar是由另一种元素钾(40K)变成的,而钾在岩石中很常见,它会慢慢地变成氩,这个过程叫做放射性衰变。因为这个过程需要很长的时间,大约需要12.5亿年才能把一半的钾变成氩,所以如果我们知道岩石中钾和氩的数量,就可以算出岩石形成年龄,因此它可以用来确定岩石的年龄,这个方法叫做钾-氩定年法。

  科学家利用质谱仪等工具,对氩气进行了分析,这些同位素可以用来研究气体的来源和演化,例如可以用来追溯大气层和地壳的演化历史。这些同位素的性质和寿命的差异使得它们在不同的应用领域有不同的用途,可以帮助我们了解地球内部和外部的变化。因此,如果我们知道大气层中36Ar、38Ar和40Ar的比例,就可以判断大气层和地球内部交换了多少物质。这个方法叫做氩同位素示踪法,可以用来研究地幔和地壳的演化,以及大气和水圈的交换。


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图: 38Ar/36Ar与40Ar/36Ar的关系图,箭头表示核素成因和放射性衰变产生的氩同位素趋势轨迹。(A.H.Manning et al. 2017 






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