книги из ГПНТБ / Баранов, В. И. Радиогеология учебник

указал Пьер Кюри, быть использован как эталон времени, не за­ висящий от длины суток. Особенно важно применение радиоактив­ ного распада для определения (в годах) длительности природных, в первую очередь геологических, событий. В. И. Вернадский считал применение радиоактивного распада для определения времени в геологии одной из важнейших проблем радиогеологии. Он писал: «Введение нового определения времени по тысячелетиям или мил­ лионам лет вместо произвольных и количественно несравнимых подразделений геологической, геолого-стратиграфической шкалы времени, может по своему действию сравниться только с героиче­ ским периодом в истории геологии, с созданием сто лет назад основного палеонтологического охвата геологии и геологических работ» (Вернадский, 1934).

§ 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА АБСОЛЮТНОГО ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗРАСТА

Радиоактивный распад применяется в различных вариантах для определения времени в геологии. Основным приемом является определение содержания радиоизотопа и накопившегося за опре­ деляемый промежуток времени количества устойчивого продукта его распада.

Ниже приводятся основные расчетные формулы, используемые при определении возраста по экспериментальным данным в зависи­ мости от применяемого метода.

Расчет возраста по накоплению продукта распада одного радиоизотопа. Так как каждый распавшийся атом радиоизотопа

(R) превращается в один атом продукта его распада (5), накоп­ ление со временем последнего будет происходить по закону

141

Метод изохрон для отдельного радиоизотопа. Если в некото­ рый момент времени произойдет образование ряда продуктов однократной и одновременной дифференциации единого материн­ ского вещества, содержащего радиоизотоп и радиогенный продукт его распада, то для любого продукта дифференциации, отличаю­ щегося относительным содержанием радиоизотопа, можем напи­ сать:

А . S2

Это — уравнение прямой изохроны в координатах

So

=/ ^ - j - ^ . Угол наклона изохроны будет функцией времени ди

анализа которых располагаются на графике, подобном обычнымизохронам. Преимущество данного метода заключается в том,

142

что выделенные из одного метеорита или куска породы фракции являются заведомо одновозрастными представителями продук­ тов однократной дифференциации одного материнского вещества. Метод внутренних изохрон имеет существенное преимущество по сравнению с методом определения возраста по отношению радио­

смесь индивидуальных продуктов дифференциации.

Для обычно применяемых методов используются частные фор­ мулы, основанные на вышеприведенных общих формулах.

§ 2, СВИНЦОВЫЙ МЕТОД

Конечные продукты распада уранового и ториевого ряда — изотопы свинца, причем уран-238 превращается в свинец-206, уран235 — в свинец-207, торий-232 — в свинец-208. Для минералов, возраст которых более 500 тыс. лет, можно принять, что уран пре- " вращается непосредственно в свинец, так как промежуточные про­ дукты распада имеют небольшую продолжительность жизни по сравнению с продолжительностью жизни изотопов урана и нахо­ дятся с ним в равновесии. Для минералов тория равновесие уста­ навливается через 50 лет. Пусть начальное содержание радиоактив­ ных изотопов будет равняться соответственно 2 3 8 U 0 , 2 3 5 Uo, 2 3 2 ThoКоличество свинца в числе атомов, образовавшееся за промежуток времени t, будет равно числу атомов упомянутых радиоизотопов, распавшихся за это время:

20врЬ = 2 3 8 T J o _ 2 8 8 T J e g W = 2 3 8 T J o (J _ е~*-ш <) = 2 3 8 T J ' ( e ^ 3 8 ' — 1),

где 2 3 8 Uo — содержание урана в числе атомов для момента опреде­ ления возраста.

При определении возраста урановых минералов приходится учитывать изотопный состав элемента урана, состоящего из двух

143.

самостоятельных изотопов: урана-238 и урана-235, распадающихся

сразличной скоростью.

Вслучае присутствия в минерале одновременно изотопов ура­

методу можно воспользоваться графическим способом, составляя номограммы из семейства кривых, дающих отношение содержания свинца к содержанию урана в функции времени при различном отношении тория к урану.

Для урановых минералов может быть применен также метод расчета, основанный на изменении со временем относительного со­ держания радиогенных, изотопов свинца-206 и свинца-207.

Из приведенных ранее уравнении следует, что

200рЬ, 2 3 8 Щ , Л з 8 ] )

Необходимо отметить, что применение метода изотопных отно­

изотопов урана. Вынос из минерала части урана или уже образо­ ванного свинца неизбежно сказывается на конечном изотопном составе свинца в момент определения возраста. Точное определение возраста радиоактивными методами возможно только в примене­ нии к изолированному от обмена с внешней средой объекту, в кото­

объекта. Если не учитывать указанное обстоятельство, можно полу­

.144

данные расходятся, то наименее точным будет определение по отно-

2 0 ф [ ,

. шеншо - j j ^ - .

Вариантом ураио-свинцового метода, -предложенным Гаутермансом, является определение возраста минерала по отношению содержания RaD к Pb. Для этой цели определяется удельная радиоактивность свинца, выделенного из минерала, по (3-излучению RaE. Отношение урана к свинцу:

Вычисление возраста производится по формуле

Поправку для урано-торневого минерала можно внести по со­

Указанную поправку можно внести с достаточной точностью только в тех случаях, когда примесь постороннего свинца в радио­ активных минералах бывает незначительна.

Для определения абсолютного возраста свинцовым методом жела­ тельно использовать минералы, содержащие большие количества урана и тория, в которых примесь нерадиогенного, обычного свинца

ления возраста акцессорных минералов введение поправки на не­ радиогенный свинец может приобрести существенное значение. Для определения изотопного состава нерадиогенного свинца сле­ дует использовать минералы, содержащие много свинца и ничтож­ но мало урана и тория' (например, галениты).

Поправка на посторонний свинец исключается при использова­ нии изохрон. Для расчета возраста по изотопам свинца кроме описанного выше метода изохрон для отдельного радиоизотопа могут применяться специальные изохронные методы.

1. Графический метод Аренса — Везерилла нахождения истин­ ного возраста и времени метаморфизма минералов заключается в следующем. Пусть в начальный момент времени Т образовался урановый минерал, не содержащий радиогенного свинца. В неко­ торый позднейший момент времени т в результате однократной дифференциации упомянутого минерала или содержащей его по­ роды, сохранявших до этого момента свойства закрытой системы, образовалось семейство минералов, отличающихся величиной отно­ шения свинца к урану (в процессе дифференциации не изменяются свинцовые изотопные отношения). Полагая, например, что вторич­

дифференциации, можно написать для какого-либо . из вторичных минералов следующее уравнение: .

где 206 и 238 — современное содержание свинца-206 и урана-238 в

146

свинца-206, накопившегося за время Т — т, т. е. от образования материнской породы до ее дифференциации.

Следовательно:

Данный изохронный метод позволяет объективно определять как абсолютный возраст содержащей уран породы, так и время дифференциации (метаморфизма), но только при указанных выше предпосылках.

2. Для урано-свинцового метода можно написать уравнения изохроны, содержащие только изотопные отношения свинца и не содержащие урана:

в целом, земной коры, метеоритов, Луны, датирование разнооб­

в§ 5 этой главы.

Вкачестве примера применения свинцового изотопного метода для определения возраста уранового месторождения и установле­ ния источника рудного вещества можно привести данные А. И. Тугаринова и других по излучению браниеритовых руд одного из

148

месторождений. Руды залегают в тектонических зонах и сформи­ рованы во внутренних частях платформы. Возраст вмещающих оруденение метаморфических толщ около 2 000 млн. лет. Предпо­ лагалась связь эпохи рудо­ образования с мезозойским магматизмом, хотя терри­ ториально эта связь под­ тверждается не всегда.

Изучение изотопного соста­ ва свинца браннеритовых руд, вмещающих руды докембрийских пород и ще­ лочных мезозойских интру­ зий, позволило сделать следующее заключение.

Еще в начале столетия было обнаружено, что калий и руби­ дий обладают радиоактивностью. Однако только после развития масс-спектрального метода было показано, что радиоактивностью, в отличие от урана и тория, обладают только их отдельные изо-

149

топы: распадающийся двояким образом изотоп калия 4 0 К и испу­ скающий р-лучи изотоп рубидия 8 7 Rb, превращающийся в S 7 Sr. На возможность использования радиоактивности калия для опреде­ ления абсолютного возраста обратили внимание многие ученые. Наиболее разносторонне изучил калий-аргоновый метод извест­ ный советский геохимик Э. К. Герлинг, заложивший его практи­

отборе представительных образцов, определении содержания в них калия обычными методами, выделении аргона в смеси газов, его

ет определять возраст калий-аргоновым методом начиная с мил­ лиона лет и даже ниже.

В качестве примера применения калий-аргонового метода для определения возраста можно привести данные Г. П. Багдасаряна

150