4.4. Методы определения абсолютного возраста геологических объектов

Накопление продуктов радиоактивного распада в течение времени, поло-женное в основу определений абсолютного возраста, выражается формулой:

D P ( e ^t 1),

где D – количество атомов нерадиоактивного элемента, возникших за время t; P – количество атомов радиоактивного элемента в настоящий момент; е – ос-нование натуральных логарифмов (2,71828182); – константа радиоактив-ного распада, показывающая, какая часть радионуклидов распадается за еди-ницу времени (год, сутки, минуту) по отношению к начальному количеству.

Иногда скорость радиоактивного распада выражают периодом полу-распада Т_1/2; временем, в течение которого любое количество радиоактив-ного вещества распадается наполовину.

Отношение D/P является функцией возраста (t) минерала:

^D e ^t 1. P

Из этого равенства может быть вычислен возраст образца минерала:

¹ ln(1 ^D).

P

Истинный возраст определяется в том случае, если отношение D/P за-висит только от радиоактивного распада, т.е. если минерал представляет собой замкнутую систему.

Ядерные превращения атомов в минералах и горных породах приво-дят к накоплению в них в течение геологического времени радиогенных продуктов распада.

Основной закон радиоактивности – скорость распада ядер данного радионуклида пропорциональна наличному их количеству:

N _t N _o e ^t ,

где N₀ – количество атомных ядер радионуклида в начальный момент време-ни; N_t – количество атомных ядер радионуклида, не распавшихся к моменту времени t; е – основание натуральных логарифмов; – постоянная радиоак-тивного распада (радиоактивная постоянная), значение которой, определен-ное для каждого радионуклида, может изменяться в широких пределах.

Постоянная радиоактивного распада показывает, какая часть ядер данного нуклида распадается за единицу времени (секунду, минуту, час, сутки, год и т.д.) по отношению к наличному их количеству.

Приведенное уравнение отражает независимость радиоактивного рас-пада отдельных атомных ядер от распада остальных.

Значение связано с периодом полураспада – временем, в течение которого количество ядер данного нуклида уменьшается в результате радиоактивного распада вдвое:

^T1/2

ln

2

0,693

.

40

Законы радиоактивного распада имеют статистический характер, для отдельного атомного ядра невозможно предсказать момент его распада. По-этому соотношения, характеризующие радиоактивность, выполняются не строго. Скорость радиоактивного распада за равные промежутки времени при постоянной средней скорости испытывает флуктуации (колебания).

Величины периодов полураспада известных радионуклидов заключа-ются в очень широком временном интервале – от тысячных долей секунды до миллиардов лет. Однако большинство радионуклидов характеризуется периодами полураспада от 30 с до 10 дней.

Геологический возраст горных пород и минералов определяется по соотношению содержания в них атомов радиоактивных элементов и про-дуктов их распада. Геологический возраст можно рассчитывать по любой паре радиоактивных и радиогенных нуклидов, если известны постоянные радиоактивного распада.

В зависимости от исходных веществ и конечных продуктов радиоак-тивного распада разработаны методы ядерной геохронологии: свинцовый (уран-торий-свинцовый), гелиевый, аргоновый (калий-аргоновый), каль-циевый, стронциевый (рубидиево-стронциевый), осмиевый, радиоуглерод-ный. Наиболее широкое применение из них получили свинцовый, аргоно-вый и стронциевый.

Выбор того или иного метода для определения возраста горных пород и минералов диктуется несколькими условиями. Важнейшим из них является наличие в горной породе или в минеральном виде достаточного и необходи-мого для анализа количества атомов радиоактивных элементов и продуктов их распада. Так, например, для определения возраста слюд и полевых шпа-тов, содержащих в значительном количестве нуклид ⁴⁰К, удобно использо-вать калий-аргоновый метод. Возраст урановой смолки, циркона, монацита, самарскита чаще всего определяют свинцовым и гелиевым методами.

Наиболее благоприятными для рубидий-стронциевого метода оказы-ваются минералы, содержащие рубидий в отсутствие стронция (биотит, мусковит, лепидолит, глауконит, калиевые полевые шпаты). Для радиоуг-леродного метода используются образцы горных пород и минералов, со-держащие углерод (карбонаты, органические остатки флоры и фауны).

Другим необходимым условием при выборе метода является учет пе-

риода полураспада радионуклида. Обычно радиоактивный нуклид можно использовать для отрезка времени, превышающего период его полураспа-

да от 7 до 72 раз. В соответствии с этим правилом невозможно, например, определить абсолютный возраст органических остатков юрского периода радиоуглеродным методом, так как период полураспада нуклида ¹⁴С со-ставляет лишь 5730 ± 40 лет. Наиболее удобными объектами в этом случае являются те, возраст которых не превышает 60 тыс. лет. Именно поэтому радиоуглеродный метод нашел широкое применение в археологии и чет-вертичной геологии. В табл. 2 приведены значения периодов полураспада для радиоактивных нуклидов некоторых элементов.

41

Свинцовый метод основан на определении радиогенного свинца в минералах (ураните, монаците, цирконе, ортите). Он является наиболее достоверным.

Четвертичная геология – раздел исторической геологии, изучающий четвертичную (антропогеновую) систему и соответствующий ей период в истории Земли.

Полученные материалы дают наиболее близкие к истинным значения возраста, что связано с малой их зависимостью от возможных потерь неко-торого количества урана и свинца минералом на протяжении геологиче-ской жизни. Они позволяют вычислять возраст только по одному измерен-

207_Pb

ному отношению , поскольку для настоящего времени отношение

206_U

235_U

238_U

равно 137,7 практически для всех минералов и горных пород.

Период полураспада радиоактивных нуклидов

Таблица 2

Радионуклид

Распространен-

Типы

Период полураспада,

Стабильные

ность нуклида,

распадов

год

продукты

%

H

–

n

²H

C

–

14_N

K

0,012

, K – захват

1,27 × 10⁹

⁴⁰Ca, ⁴⁰Ar

Rb

27,8

5,0 × 10¹⁰

⁸⁷Sr

Re

62,9

6,0 × 10¹⁰

187_Os

Th

100

,

1,39 × 10¹⁰

²⁰⁸Pb, ⁴He

U

0,71

,

7,13 × 10⁸

²⁰⁸Pb, ⁴He

U

99,28

,

4,41 × 10⁹

²⁰⁸Pb, ⁴He

Совпадение значений возраста, вычисленных по уравнениям (1–4), свидетельствует о хорошей сохранности исследованного минерала, пра-вильности проведенных анализов и достоверности вычисленного абсолют-ного возраста. Измерение изотопного состава свинца производится масс-спектрометрически.

Поскольку радиоактивные минералы содержат наряду с радиогенным свинцом примесь обыкновенного свинца, то при вычислении возраста приходится вносить поправку. Во избежание этого предложен метод опре-деления возраста, основанный на измерении изотопного состава свинца в нескольких минералах одной и той же горной породы с целью построения по экспериментальным данным изохроны. Диаграмма строится в коорди-

натах

207 _Pb

:

206_Pb

. Данные изотопного состава свинца минералов, если

204

204

U

U

они одновозрастны, ложатся на одну прямую – изохрону. Тангенс угла на-

42

207 _Pb

клона изохроны к оси абсцисс определяется отношением , по кото-

206_Pb

рому по формуле рассчитывается возраст породы.

Если известен изотопный состав свинца, то может быть рассчитан и

возраст минералов обычного свинца, который представляет собой смесь четырех нуклидов: ²⁰⁴Рb, ²⁰⁶Рb, ²⁰⁷Рb, ²⁰⁸Рb. При этом содержание не свя-

занного с радиоактивным распадом нуклида ²⁰⁴Рb условно принимается за единицу. Остальные нуклиды рождаются и накапливаются в результате радиоактивного распада урана и тория, причем темп прироста того или иного нуклида определяется соответствующей константой распада. Поэто-му свинец разных эпох имеет различный изотопный состав: свинец более древних эпох содержит пониженное количество нуклидов с массовыми числами 206, 207 и 208, а в свинце более молодых эпох количество их уве-личено относительно количества нуклида ²⁰⁴Рb.

Главное преимущество свинцового метода – его пригодность для ши-рокого диапазона времени, приблизительно от 100 млн лет до более чем 5 млрд лет, хотя настолько древних пород и не обнаружено. Его слабой стороной долгое время было отсутствие богатого ураном минерала ура-неснита, или урановой смолки, в породах, возраст которых геологи хотели бы определить. Позже выяснилось, что в незначительном количестве уран обычно содержится в цирконе ZrSiO₄. Крошечные кристаллы циркона бы-вают рассеяны в гранитах и ряде других кристаллических пород, так что, дробя вмещающую породу и собирая циркон, можно получить пробу, дос-таточную для определения возраста. Как правило, хватает пробы массой меньше 1 г. В свинцовом методе можно использовать и другие минералы, такие, как монацит, сфен и апатит, но циркон предпочтительнее.

Возраст, вычисленный по изотопному составу рудного свинца, приня-то называть модельным возрастом, поскольку он справедлив лишь для та-кой модели (системы), в которой отношение Рb : U : Тb изменяется во вре-мени только вследствие радиоактивного распада. В действительности имеют место как совпадение модельного возраста с истинным для ряда ме-сторождений, так и существенные расхождения, которые проявляются час-то в молодых геологических формациях.

Аргоновый метод, будучи более доступным, благодаря легкости полу-чения необходимого материала (калиевые минералы) и относительно про-стой его обработке, пользуется большой популярностью. Отрицательной чер-той его является отсутствие внутреннего контроля (одно уравнение).

Как показали многочисленные экспериментальные исследования, калие-вые минералы сравнительно легко теряют радиогенный аргон. В меньшей степени это относится к слюдам и в значительно большей степени к полевым шпатам, что делает их малопригодными для определения возраста. Важной положительной чертой аргонового метода является возможность применения его для определения возраста осадочных отложений по минералу глаукониту, который хорошо удерживает атомы калия и аргона вне зависимости от вре-

43

мени (и молодой – мезокайнозойский, и древний). Несмотря на свою сравни-тельно малую устойчивость минерал этот удобен тем, что даже при неболь-ших изменениях он сразу же обнаруживает изменение окраски и химическо-го состава и ставит под сомнение пригодность данного образца.

Метод основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых мине-ралах или минералах, содержащих атомы калия в виде изоморфной приме-си. Источником радиогенного аргона являются радионуклиды ⁴⁰К, которые превращаются по двум схемам: в результате -распада они дают нуклиды ⁴⁰Са, а в результате электронного захвата – нуклиды ⁴⁰Аг.

Определение возраста аргоновым методом производится вычислением отношения количества нуклидов ⁴⁰Аг, накопившегося за время существо-вания, минерала в его кристаллической решетке, к количеству нераспавше-гося нуклида ⁴⁰К. Очевидно, что это отношение увеличивается с возрастом минерала.

Метод, погрешность которого составляет ± 3 %, наиболее приемлем для отрезка времени 5 × 10⁴ – 10¹⁰ лет. К его достоинствам относятся срав-нительная простота аналитических операций и надежность.

Однако для определения этим методом истинного возраста горных пород и минералов необходимо соблюдать несколько условий. Важней-шим из таких условий является сохранность нуклида аргона – 40 внутри кристаллической решетки минерального вида. Высвобождение аргона, на-пример, в результате нагревания или разрушения кристаллической решет-ки минерала при выветривании ведет к уменьшению количественного от-

ношения нуклидов ^{40 Ar} , а следовательно, к занижению истинного возрас-

40 _K

та минерала. Например, в ряду калиевых и калийсодержащих минералов: полевые шпаты, биотит, мусковит, ортоклаз, роговая обманка – высвобож-дение аргона начинает проявляться соответственно при температурах 400, 560 и 660 °С. Из этого следует, что роговая обманка, содержащая калий в виде изоморфной примеси, является наиболее предпочтительным объек-том для определения возраста горных пород аргоновым методом. Следует также учитывать, что некоторые ультраосновные породы обнаруживают иногда аномально высокие концентрации нуклида ⁴⁰Аг и аномально высо-кий возраст. Из этого следует, что аргоновый метод целесообразно приме-нять для датировки возраста кислых и средних магматических горных по-род, не подвергавшихся прогреванию и выветриванию. Из осадочных ау-тигенных минералов, например, хорошо удерживает аргон глауконит.

Аутигенные минералы (от греч. authigenes – местного происхожде-ния) – минералы осадочных горных пород, образовавшиеся в процессе се-диментации и литогенеза на месте отложения осадка. Например, барит, цеолиты, некоторые глинистые минералы. Седиментагия (седиментоге-нез) – процесс образования осадков. Литогенез (от лито... и греч. genesis – происхождение, возникновение) – совокупность процессов образования и

44

последующих изменений осадочных горных пород. С различными стадия-ми литогенеза связано образование многих полезных ископаемых (углей, нефти, газа, железных и марганцевых руд, бокситов).

Применение аргонового метода позволяет решать ряд геологических задач, а именно: установление абсолютного возраста горных пород и ми-нералов магматического и осадочного генезиса; определение скорости осадконакопления в современных и древних морских бассейнах; выявле-ние источников сноса осадочного материала и установление времени про-явления последней стадии метаморфизма горных пород.

В большей степени, чем другие методы, аргоновый метод послужил для калибровки шкалы геологического времени.

Стронциевый метод, основанный на радиоактивном -распаде нук-лида ⁸⁷Rb и превращении его в нуклид ⁸⁷Sr, в России не приобрел большого распространения. Причина заключается в том, что рубидий в районах с высоким общим его содержанием может быть привнесен в минералы зна-чительно позже времени их образования, в результате чего при определе-нии возраста этих минералов возможны сильные искажения в сторону «омоложения». Наоборот, в районах с интенсивным щелочным метасома-тизмом рубидий легко выносится из минералов, и тогда значение возраста,

87 _Sr

определенное по отношению , оказывается сильно преувеличенным.

87 _Rb

Радиоуглеродный метод приобрел огромное значение для оценки возраста геологических объектов в пределах 60 тыс. лет. Он основан на том, что в верхних слоях атмосферы Земли под действием космических

лучей на стабильный нуклид азота идет ядерная реакция:

¹⁴N + n = ¹⁴C + p,

и при этом образуется радиоактивный нуклид углерода ¹⁴С, который имеет период полураспада 5 730 лет.

В атмосфере установилось равновесие между синтезом и распадом нуклида ¹⁴С, вследствие чего его содержание в воздухе постоянно. Метод основан на допущении, что отношение между нуклидами ¹⁴С и ¹²С в возду-хе остается постоянным. Радиоуглерод окисляется с образованием СО₂, который распространяется в воздухе. Растения и животные при их жизни обмениваются атомами углерода с атмосферой, поэтому концентрация в них нуклида ¹⁴С поддерживается на постоянном уровне; в мертвых орга-низмах обмен с атмосферой прекращается, и концентрация в них нуклида ¹⁴С начинает падать, согласно закону радиоактивного распада. Измеряя со-держание нуклида ¹⁴С с помощью радиометрической аппаратуры (напри-мер, счетчика Гейгера), можно установить возраст органических остатков, ограниченный примерно восьмикратной продолжительностью периода по-лураспада, т.е. порядка 46 000 лет. За этим пределом содержание первич-ного нуклида ¹⁴С слишком мало для точного измерения.

45

Радиоуглеродный метод применим к древесине, древесному углю, торфу и другим богатым углеродом материалам, включая углеродсодер-жащие организмы, извлекающие из поверхностных вод растворенный в них углерод. Например, по костям и шкуре мамонта на Таймыре был уста-новлен возраст его захоронения (11 тыс. лет). Этот же метод помог датиро-вать эпохи оледенения в Европе и Северной Америке, определить возраст следов древних человеческих культур.