Глава 9. Геохронометрия

Все охарактеризованные ранее, а также еще не рассмотренные методы стратиграфических исследований (или методы относитель­ной геохронологии) не способны дать реальное представление об абсолютном возрасте тех или иных осадочных, вулканогенных или интрузивных образований, не позволяют оценить продолжительность времени их формирования. Относительная геохронология дает воз­можность судить лишь о последовательности геологических собы­тий (раньше — позже). Время их действия и продолжительность можно установить, только используя радиогеохронологические ме­тоды или, как их еще называют, методы определения абсолютного возраста.

Все методы стратиграфии так или иначе связаны с понятием вре­мени. Однако в подавляющем большинстве этих методов определе­ние времени образования или степени синхронности каких-либо толщ относительно, т. к. базируется на выяснении соотношения с подсти­лающими и перекрывающими слоями или на сопоставлениях с эта­лонными разрезами. Принципиально возможно и количественное оп­ределение возраста слоя, выраженное в годах (с учетом, разумеется, возможных изменений продолжительности года в геологической исто­рии). Для этого необходимо лишь наличие какого-либо процесса, рав­номерно и непрерывно происходящего во времени, обладающего до­статочной продолжительностью и оставляющего хорошо просматри­ваемые следы в геологических образованиях. Таким процессом явил­ся для геологов радиоактивный распад. В 1905 г. Э. Резерфорд ука­зал, что, судя по содержанию гелия и урана в кристалле, им проана­лизированном, возраст последнего составляет не менее 500 млн. лет (напомним, что в то время продолжительность геологической истории принималась не более чем 200 млн. лет), Вскоре американский ис­следователь Б. Болтвуд, используя отношения свинца и урана, уста­новил возраст минералов из каменноугольных (340 млн. лет) и девон­ских (370 млн. лет) отложений, а также определил возраст ряда до-кембрийских пород различных континентов, который составил по его данным 1025÷1640 млн. лет. Становление радиометрической хроно­метрии (радиологических методов) обычно связывается с именем выдающегося американского геолога Артура Холмса, который впер­вые стал систематически применять численные данные для опреде­ления возраста минералов и определения продолжительности стра­тиграфических подразделений.

В основе радиологической хронометрии лежит самопроизвольный распад неустойчивых изотопов ряда элементов. В результате количе­ство атомов этих элементов в минералах сокращается и вместо них

-210-

появляются устойчивые изотопы дочерних элементов¹⁷⁸. По соотно­шению материнского и дочернего изотопов в минерале, зная скорость распада неустойчивого элемента, можно судить о возрасте минерала и соответственно о возрасте изверженной породы, в которой он заклю­чен, или о возрасте осадочной породы, если анализируются аутигенные минералы типа глауконита. Разумеется, метод корректен лишь при двух допущениях.

1. Следует полагать, что скорость радиоактивного распада остава­лась неизменной в течение всей геологической истории. Действитель­но, экспериментальные данные (в частности, наблюдения за скорос­тью распада при температуре 7000 °С, давлении более 200 бар, в силь­ном магнитном поле и при бомбардировке космическими лучами пока­зывают постоянство скорости распада),

Общефизические представления, в частности несопоставимость энергетических уровней ядерных реакций и обычных термодинамичес­ких процессов, также приводят к заключению об отсутствии внешних факторов, способных повлиять на скорость спонтанного ядерного рас­пада. Петрографические материалы показывают, что радиусы ореолов одинаковы в породах любого возраста; это также является подтверж­дением постоянства скорости радиоактивного распада. Таким образом, современные данные позволяют с высокой степенью вероятности по­лагать, что в течение последних 10 млрд. лет скорость радиоактивного распада изотопов не менялась.

2. Все устойчивые изотопы свинца, стронция, аргона, азота образо­вались в анализируемом минерале только за счет распада исходных неустойчивых изотопов. Проверка этого допущения непосредственны­ми анализами практически невозможна. Единственный путь контроля заключается в параллельном измерении возраста различными мето­дами и последующем анализе расхождений, если они возникают.

Д олгое время самой значительной трудностью определения воз­раста с помощью радиоактивного распада являлось относительное несовершенство аналитических методов. Однако в последние годы широкое внедрение масс-спектрометрии¹⁷⁹ не только значительно повысило

¹⁷⁸ Основной закон радиоактивного распада — количество распавшихся ато­мов за единицу времени пропорционально первоначальному числу атомов: N_о = N_te^λt, где N_o — первоначальное число атомов; N_t — число атомов по исте­чении времени t; λ — постоянная радиоактивного распада; е — основание нату­ральных логарифмов (е = 2,71828182).

¹⁷⁹ Масс-спектрометрия —вид физического анализа вещества, основанный на разделении пучка ионизированных частиц по массам в специальном анали­заторе. Масс-спектрометрия дает возможность исследовать спектры масс, уточ­нять массовые числа атомов и обнаруживать новые изотопы, а также позволяет измерять относительные распространения изотопов в различных объектах. В геологии масс-спектрометрия применяется как основной метод изотопных ис­следований во всех случаях аномальных отношений распространенностей изо­топов элементов в горных породах, минералах, рудах и водах.

-211-

точность измерений, но и позволило перейти к массовым ана­лизам.

Измерение - возраста проводится по содержанию в породах и мине­ралах материнских и дочерних продуктов радиоактивного распада. Воз­раст t устанавливается в единицах астрономического времени (обычно в миллионах лет) и вычисляется по формуле:

t=1/λ ln(N₀/Nt), (1)

где t— абсолютный возраст в годах; N₀— исходное количество мате­ринских атомов; N_t — количество тех же атомов, сохранившихся за пе­риод времени t; λ — константа распада, отвечающая для каждого изо­топа числу атомов, претерпевающих распад за единицу времени.

Mace-спектрометрия позволяет сразу производить оценку соотно­шения материнских Р и дочерних D изотопов, в связи с чем уравнение (1) может быть преобразовано к виду:

t= 1/λ 1n (1 - D/P), (2)

Измерение констант распада является очень сложным процессом. Они постоянно уточняются, а для некоторых изотопов до сих пор при­нимаются условно.

Для более четкого представления о характере ядерного распада вводят понятие периода полураспада Т, который равен тому промежут­ку времени, в течение которого любое первоначальное количество ра­диоактивного вещества уменьшается наполовину. Связь между констан­той Я и периодом полураспада Т выражается следующим образом:

N=N/2e^λT; 2= e ^λT; ln2=λT; T=ln2/λ=0,693/λ.

При измерении возраста минералов используются следующие ес­тественные типы ядерных превращений: β-распад, электронный зах­ват, σ-распад и спонтанное осколочное деление тяжелых ядер.

Здесь же хотелось бы напомнить, что излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонентов:

альфа-лучей (α-частиц¹⁸⁰);

бета-лучей (β-частиц¹⁸¹);

гамма-лучей (γ- лучи).

¹⁸⁰ α-частиц, несут заряд 2е — представляют собой ядра атомов гелия.

¹⁸¹ β-частиц несут отрицательный заряд е— представляют собой поток быстрых электронов.

-212-

Превращение атомов химических элементов при β-распаде опре­деляется правилом сдвига: образующийся при распаде новый элемент занимает в таблице Д. И. Менделеева следующую клетку вправо от родоначального β-активного элемента. В-активность атомных ядер мож­но рассматривать как распад одного ядерного нейтрона на протон и электрон (плюс нейтрино).

Явление электронного захвата как бы противоположно β-распаду. Оно заключается в самопроизвольном поглощении орбитального элек­трона ядром атома.

Для определения возраста используются преимущественно следу­ющие типы радиоактивного распада:

Эти типы распада положены в основу наиболее широко распрост­раненных методов радиометрической хронометрии: калий-аргонового, калий-кальциевого, рубидий-стронциевого, свинцового (уран-торий-свинцового), самарий-ниодимового и рений-осмиевого.

Основными методами определения возраста древних геологичес­ких образований считаются свинцовый, рубидий-стронциевый и калий-аргоновый методы. Последний наиболее широко распространен.

Возраст молодых геологических образований (до 60 000 лет) опре­деляется радиоуглеродным, радиево-иониевым и др. методами.

Далеко не во всех случаях радиохронометрические методы могут позволить определить достоверное время образования пород. Исход­ный результат этих сложнейших исследований почти всецело опреде­ляется характером анализируемой пробы — степенью сохранности в ней анализируемых элементов (Аг, Sr и т. п.), которая должна быть выявлена в процессе предварительного изучения. Только самые жес­ткие требования к подбору проб позволяют получать надежные ре­зультаты.

-213-

1. Калий-аргоновый¹⁶² (калий-кальциевый) метод

Используется для датировки главным образом магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим калий: слюдам, полевым шпатам, роговым обманкам, пироксенам, Возраст осадочных пород определяется достаточно уверенно лишь по глауконитам.

В основе метода лежат превращения радиоактивного изотопа ⁴⁰К. 89 % атомов ⁴⁰К испускают (β-частицу (электрон) и превращаются в ⁴⁰Са, а 11 % атомов захватывают электрон и превращаются в ⁴⁰Аr.

Вычисление возраста в настоящее время производится по заранее составленным графикам и таблицам. В настоящее время Международ­ной комиссией по геохронологии предложены следующие значения кон­стант распада калия:

λ_в - 4.962*10^-10 лет ^-1 (константа β-распада ⁴⁰К);

λ_е = 0.581*10^-10 лет ^-1 (константа электронного захвата ⁴⁰К).

В настоящее время возраст пород калий-аргоновым методом опре­деляют только по мономинеральным фракциям; валовые пробы пород рассматриваемым методом не анализируют. При этом результат, полу­ченный только по одному минералу, не может считаться достаточно надежным. Уверенно судить о возрасте геологических объектов можно лишь в том случае, когда радиологические датировки (в пределах точ­ности анализа), полученные для двух-трех сосуществующих минера­лов, примерно совпадают. Радиологический возраст считается надеж­ным при совпадении датировок, полученных по таким парам минера­лов, как биотит — калиевый полевой шпат, биотит — амфибол, амфи­бол — пироксен, амфибол — плагиоклаз.

Истинное время образования горных пород и минералов может быть определено лишь в том случае, если они на протяжении всего своего существования представляли собой замкнутые системы, исключающие возможность дифференцированных потерь или обогащения. Различ­ные наложенные процессы (прогрев, катаклаз¹⁸³, диафторез¹⁸⁴ и т. п.) обычно приводят к искажению возрастных значений, получаемых ра­диологическими методами, особенно калий-аргоновым.

¹⁸² Погрешность определения возраста, как показало систематическое изу­чение межлабораторных проб, составляет ±4 %.

¹⁸³ Катаклаз — [καĩακλάξω( катаклазо) — разрушаю] нарушение внутрен­него строения и частичное раздробление г.п. при дислокационном метаморфиз­ме.

¹⁸⁴ Диафторез— [греч. диафтора — разрушение], регрессивное минерало­гическое преобразование, происходящее в процессе приспособления магмати­ческих и метаморфических пород к новым условиям более низких ступеней ме­таморфизма.

-214-

Калий-кальциевый метод применяется не так широко из-за широко­го распространения и рассеяния кальция в биосфере, состоящего на 96,97 % из изотопа ⁴⁰Са. Это мешает выделению той части кальция в минерале, которая является радиогенной.