7.3.2. Метод электро-парамагнитного резонанса (эпр)

Метод ЭПР, называемый еще спиновым методом (ESR – Electron Spin Resonance) был разработан в 1930-е гг для поиска магнитных дефектов в кристаллических и аморфных материалах. В 1970-80-х гг он был впервые применен японскими исследователями сначала для датирования пещерного кальцита, а затем – к датированию катаклазитов (продуктов дислокационного метаморфизма) для определения активности разломов (Ikeya, 1993). Последнее впоследствии получило особенно широкое развитие не только в Японии, но и в Калифорнии и других сейсмоактивных районах (Schwarcz, Lee, 2000). Круг датируемых материалов постепенно расширялся и теперь включает целый набор карбонатных материалов (спелеотемы, зубная эмаль, раковины моллюсков, кораллы), кварц-содержащие материалы как в рыхлых, так и в скальных породах, а также обожженные кремневые изделия.

Метод обладает одним из наиболее широких диапазонов действия: от нескольких тысяч до 2 млн лет (при датировании зубной эмали), наиболее часто метод применяется в диапазоне 40 тыс. – 200 тыс. лет, реже до 500 тыс. лет (Walker, 2005). ЭПР датирование раковин морских и пресноводных моллюсков в разных районах Восточно-Европейской равнины позволило выполнить корреляцию основных палеогеографических событий за последние 600 тыс. лет (Molodkov, Bolikhovskaya, 2002; Болиховская, Молодьков, 2008). Датирование катаклазитов в палеосейсмических исследованиях производят в диапазоне от 25-50 тыс. до >1 млн лет (Lee, 1995). В последнее время намечается тенденция расширения возрастного диапазона метода в сторону более молодого времени: ЭПР даты показали хорошую сходимость с ¹⁴С датами по кораллам в диапазоне от первых сотен до первых тысяч лет (рис.7.18).

По принципу действия метод ЭПР родственен люминесцентным методам и основывается на том, что при ионизирующем воздействии радиации часть электронов и положительно заряженных дырок захватываются разного рода дефектами кристаллической решетки. Например, узел, обычно занятый 4-валетным ионом (например, Si⁴⁺), может местами содержать 3-валентный ион (например, Al³⁺). Такие "дефектные" узлы могут улавливать положительно заряженные ионы – дырки. Другие дефекты улавливают электроны. Число таких захваченных зарядов пропорционально времени действия радиации, т.е. времени жизни минерального носителя или времени, прошедшему с момента последнего обнуления счетчика (проблема полноты обнуления стоит так же остро, как и в люминесцентных методах). Для измерения накопленного заряда используется свойство непарных электронов резонировать при помещении их в сильное магнитное поле, отсюда и название метода. В отличие от люминесцентных методов, воздействие магнитного поля не высвобождает накопленный заряд, что допускает повторные измерения одного и того же образца. Недостаток метода – его бóльшая сложность и меньшая точность (редко лучше 10%).

7.3.3. Трековый метод

Метод треков (Fission Track Dating) основан на следах, которые оставляют в кристаллической решетке продукты распада ²³⁸U. Каждый атом распадается на две части, которые отталкиваются друг от друга и разлетаются в разные стороны, оставляя след в виде дефектов кристаллической решетки 10-20 микрон длиной (1 мкм = 10^-3 мм) и несколько ангстрем толщиной (1Ǻ = 10^-5 мм). В лаборатории делают срез минерала, полируют его и протравливают кислотой, чтобы расширить треки. Тогда они становятся хорошо видны под микроскопом (рис.7.19). Поскольку закон распада ²³⁸U известен, число распадов можно представить как функцию времени и концентрации урана. Мерой времени служит плотность треков – число треков на 1 см² площади среза.

Уран содержится во многих породообразующих минералах, таких как апатит, циркон, сфен, а также в вулканическом стекле. В неоген-четвертичной геологии, палеосейсмологии и неотектонике трековое датирование применяется в двух направлениях. Во-первых, это определение возраста вулканических образований – базальтов, обсидианов, туфов, слоев пепла, где, как и в люминесцентных методах, радиометрические часы обнуляются в результате нагревания. Эти образования, в свою очередь, служат как возрастные маркеры для изучения геоморфологических процессов – тектонических деформаций, движений по разломам и т.д. Во-вторых, это датирование процессов региональной денудации. Треки уничтожаются в результате рекристаллизации при повышении температур в недрах земной коры (отжиг – annealing), и тем самым трековый счетчик обнуляется. В апатите, например, полное уничтожение треков происходит за несколько миллионов лет при температурах 110-135°, что при нормальном геотермическом градиенте ≈20-30°С/км соответствует нахождению на глубинах 3-6 км (Dumitru, 2000). Трековое датирование таких минеральных зерен, собранных на земной поверхности, позволит определить время, за которое произошел соответствующий денудационный срез. Вариант применения этого метода – изучение разломных деформаций земной коры. В результате сбросовых движений на одной глубине по разные стороны разлома могут оказаться породы с разным трековым возрастом, что позволяет определять скорости движения по разлому.

С другой стороны, частичное исчезновение треков представляют главную сложность метода. С течением времени происходит фединг (fading) – естественный процесс залечивания треков в результате спонтанной диффузии ионов. Если носитель испытал нагревание, то свой вклад в фединг вносит частичная рекристаллизация за счет отжига. Разработаны специальные лабораторные процедуры для коррекции возраста за счет фединга (например, ITPFT - Isothermal Plateau Fission Track Technique).