Калій-аргонове радіодатування

Цей метод використовується для об’єктів, що не містять карбону, наприклад, гірських порід. Він дозволяє встановити час утворення породи, насамперед вулканічного типу. Суть методу полягає у тому, що при розплавленні мінералу з утвореної магми «відлітають» усі гази, в тому числі і ⁴⁰Ar, утворений при розпаді ⁴⁰K. Після охолодження лави з утворенням гірської породи, аргон-40, що продовжує утворюватись, захоплюється кристалами мінералу. Таким чином, визначивши вміст аргону у зразку мінералу, встановлюється час, що пройшов після утворення зразка. Метод дозволяє «опосередковано» встановити вік біологічних об’єктів, заключних у гірській породі вулканічного типу, адже час смерті такої істоти співпадає з часом утворення цієї породи. Вміст ⁴⁰Ar у зразку мінералу визначають у газовій суміші, що виділяється при плавленні зразка, за допомогою мас-спектрометрії чи атомно-емісійної спектроскопії.

При виконанні аналізу слід остерігатись адсорбції зразком атмосферного аргону, що призводить до великих похибок у аналізах, оскільки атмосферний аргон на 99,6% складається з ⁴⁰Ar.

Метод дозволяє вимірювати вік калійвмісних мінералів, який перевищує 100 000 років і має неоціненне значення в археології і геохронології.

Обмеження і недоліки методу:

• метод непридатний для мінералів, які зовсім не містять калію;

• метод показує найкращі результати у випадку мінералів вулканічного походження, хороші – для метаморфічних мінералів і малопридатний для мінералів осадового походження, здебільшого карбонатів.

Рубідій-стронцієве радіодатування

Цей метод також використовується для встановлення віку гірських порід. Він базується на перетворенні β-радіоактивного ⁸⁷Rb з періодом напірозпаду 6,16·10¹⁰ (див. Таблицю 3.5) на ⁸⁷Sr. Природний вміст останнього ізотопу відносно малий (близько 7,0 %), тому встановивши співвідношення ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr визначають вік зразка.

Самарій-неодимове датування основане на розпаді двох природних α-радіонуклідів самірію:

¹⁴⁷Sm → ¹⁴³Nd + α, Т_1/2 = 6,7·10¹¹ (3.20)

¹⁴⁶Sm →¹⁴²Nd + α, Т_1/2 = 1,79·10⁶ (3.21)

Вік зразка встановлюють за співвідношенням у ньому ізотопів ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd або¹⁴²Nd/¹⁴⁴Nd.

Нині у археології і геохронології застосовують також йод-ксенонове (¹²⁹I→¹²⁹Xe, Т_1/2 = 17 млн. років), алюміній-магнієве ксенонове (²⁶Al → ²⁶Mg, Т_1/2 = 720 тис. років), лантан-барієве, лютецій-гафнієве, реній-осмієве та інші види радіометричного датування.

До важких природних радіонуклідів належать радіоізотопи трансуранових хімічних елементів з порядковими номерами від 84 до 92. Як ви пам’ятаєте з розділу І, трансуранові хімічні елементи не мають природних стабільних ізотопів. Їх радіонукліди є переважно α- та β-радіоактивними з невеликим відсотком спонтанного ділення ядер. Розпадаючись за різиними типами, трансуранові хімічні елементи утворюють велику кількість ізотопів. Наприклад, полоній має 13 ізотопів з масовими числами від 203 до 218 та періодами напіврозпаду від 10^-7 с до 103 років.

Не дивлячись на те, що вміст важких природних радіонуклідів у земінй корі незначний (для Th і U він становить 1,3·10^-3 та 2,6·10^-4 % відповідно, для інших трансуранів – на шість-десять порядків нижчий), ці радіонукліди відіграють велику роль у тепловому балансі планети. Дослідження показали, що переважна кількість тепла, яке надходить на поверхню планети з глибин, зумовлена радіоактивним розпадом урану і торію.

Одним з найстаріших методів радіодатування за участю важких природних радіонуклідів є уран-свинцеве, засноване на розпадах радіоактивних сімейств ²³⁵U та ²³⁸U (див. вище), які закінчуються утворенням стабільних ізотопів плюмбуму – ²⁰⁷Pb та ²⁰⁶Pb відповідно. З часом кількість урану( чи торію) у гірській породі зменшується, а плюмбуму – зростає. Визначивши співвідношення концентрацій C(²⁰⁶Pb)/C(²³⁸U) або C(²⁰⁷Pb)/C(²³⁵U), можна встановити вік мівнералу за формулами:

t = 1/λ₂₃₈ (1+ C(²⁰⁶Pb)/C(²³⁸U) (3.22),

t = 1/λ₂₃₅ (1+ C(²⁰⁷Pb)/C(²³⁵U) (3.23),

де λ₂₃₈ = 1,55125 років^-1 та λ₂₃₅ = 9,8485 років^-1 – сталі розпадів ізотопів урану (див. формулу 3.1), C – концентрації відповідних ізотопів у зразках мінералів, знайдені шляхом мас-спектрометрії.

Таким чином, існування паралельних рядів розпаду радіонуклідів урану з утворенням ізотопів плюмбуму призводить до існування двох паралельних методик всередині одного методу.

Метод дає хороші результати для мінералів віком від одного мільйону до 4,5 мільярдів років. Його найчастіше застосовують для встановлення віку циркону, монациту, титаніту та інших уран- чи торійвмісних мінералів, рідше – для датування кальциту, арагоніту чи інших карбонатів.

На рисунку 3.2 показані залежності ізотопних відношень як функції віку мінералу. Як слідує з цього рисунка, геохронологічні дослідження, зроблені шляхом уран-свинцевого датування з викоританням ізотопів²³⁸U і ²⁰⁶Pb, є більш точними, ніж результати торій-свинцевого датування, оскільки кут нахилу прямої ²⁰⁶Pb/²³⁸U є більшим, ніж у випадку ²⁰⁷Pb/ ²³²Th.

Рис. 3.2. Залежність ізотопних відношень від віку мінералу

Радіометричне уран-свинцеве датування дозволило встановити віу не тільки земних мінералів, а й порід Місяця, метеоритів і зробити висновки про вік Сонячної системи.