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

и других по определению возраста некоторых рудных формаций Армении (табл. 25).

на месторождениях Алавердского рудного района. Для определения возраста изверженных пород калий-аргоновым методом использу­ ют калиевые и калийсодержащие минералы: слюды, полевые шпа­

показало, что мусковит теряет основную массу аргона при 700— 800°, микроклин теряет 5% аргона при 600°, 12% — при 800°. В пироксенах и амфиболах аргон сохраняется при еще более высоких температурах. Прогревание породы в процессе термального мета­ морфизма выше указанной температуры должно приводить к по­ тере части аргона минералами. Вычисленный по ним возраст в таком случае будет соответствовать времени метаморфизма, а не времени кристаллизации минералов.

Вторичные изменения минералов (гидратация н'др.) также мо­ гут приводить к потере как аргона, так и калия.

Ряд исследователей полагает, что некоторые минералы (бе­ рилл, кордиерит, пироксен и др.") захватывают аргон при кристал­ лизации. Захваченный таким образом аргон будет избыточным и приведет к ошибке в определении возраста. При определении воз­ раста осадочных пород наиболее перспективно применение ауто­ генного минерала из группы слюд — глауконита. Полная потеря аргона из глауконита происходит примерно при 600°.

Возраст исходного материала, послужившего основой для об­ разования осадочной породы, можно определить по полевому шпа­ ту, содержащемуся в . обломочной фракции. А. Я. Крыловым и другими было показано, что при физическом выветривании кри­ сталлических пород потеря калия и аргона примерно пропорцио­ нальны. Химическое выветривание вызывает потери значительной доли аргона. Авторы установили области сноса для ряда бассей-

151

нов. Исследуя ил, содержащийся в антарктических айсбергах, они получили возраст 350—690 млн. лет, соответствующий возрасту наиболее распространенных пород Антарктиды.

Применение калий-кальциевого варианта метода определения возраста встречает затруднение вследствие широкого распростра­

удачными объектами для этой цели являются сильвины. Примене­

Большой период полураспада S7jRb (7У2 = 5-1С1 0 лет) и срав­ нительно малая распространенность рубидия в земной коре дела­ ют рубидий-стронциевый метод пригодным преимущественно для определения возраста древних пород. Определение возраста про­ изводится путем сопоставления содержания в исследуемом образ­ це рубидия и стронция. Возраст пород и минералов рассчитывают по радиогенному 8 7 Sr, накопившемуся за счет радиоактивного распада S 7 Rb, по формуле

t = _ ^Sr рад, о/о

Я <»Rb %

(формула получена путем упрощения основной формулы радио­

Только в богатых рубидием минералах, таких, как лепидолит, поллуцит, практически не содержащих нерадиогенного стронция,

Чтобы найти долю «обычного», нерадиогенного 8 7 Sr, в иссле­ дуемом минерале определяют изотопный состав стронция масс-

152

минералам второго типа устанавливают изотопный состав первич­ ного «обычного» стронция, попавшего в исследуемый минерал пер­ вого типа в момент его кристаллизации, и вносят соответствую­ щую поправку.

Наиболее надежные результаты получаются методом изохрон,. пригодным для определения возраста группы продуктов дифферен­

Определение возраста Земли

В настоящее время большинство ученых придерживаются ги­ потезы, что Земля и вся Солнечная система, включая центральное светило, образовались путем объединения частиц первичной газо­ пылевой туманности и были в начале своего существования хо­ лодными телами. Присутствие в земном и метеоритном веществе естественных радиоактивных изотопов (уран, торий и др.), кото­ рые в образовавшейся Земле вновь не возникают, а, наоборот, ис­ чезают благодаря непрерывно текущему радиоактивному распаду,, свидетельствует о том, что земное вещество прошло сложный путь развития, на первых этапах которого происходило' образование радиоактивных и, вероятно, других химических элементов. При любом механизме образования Земли нас интересуют следующие возрастные этапы ее развития.

1. Образование протопланетного вещества (газо-пылевого об­ лака) и синтез химических элементов.

2. Образование Земли и отдельных метеоритов, астероидных

ипланетных тел.

3.Образование геологических оболочек Земли.

4.Образование древнейших горных пород.

В соответствии с выделенными этапами эволюции Земли воз­ раст земного вещества мы считаем после прекращения синтеза хи­ мических элементов в протопланетном веществе (газо-пылевом облаке); возраст Земли считаем с момента выделения Земли в ка­ честве индивидуального планетнего тела; возраст земных оболо­ чек— с момента дифференциации первоначально однородной

153

Земли. Для оценки возрастных этапов развития Земли использу­ ются преимущественно радиоактивные методы определения абсо­ лютного возраста.

Первый этап определяется возрастом радиоактивных элемен­ тов, т. е. временем, прошедшим после прекращения их синтеза. Можно считать, что радиоактивные элементы образовались одно­ временно с близкими к ним в периодической системе стабильными

как указал еще Резерфорд, определить путем сравнения предпо­ лагаемой начальной и наблюдаемой современной распространен­ ности двух изотопов элемента, распадающихся с разной скоро­ стью. Один из изотопов может быть стабильным. Расчетная фор­ мула имеет вид

страненности изотопов стабильных химических элементов, сходных по положению в периодической системе.

Пока еще не установлен механизм синтеза ядер в протопланетном веществе. Точный теоретический расчет первичного изотоп­ ного состава невозможен, и предположения о первичном изотоп­ ном составе радиоактивных элементов более или менее вероятны, но степень их достоверности не может быть доказана. Не исклю­ чено, что легкие и тяжелые химические элементы образовались в разных процессах, протекавших не одновременно, но, по-видимому, тяжелые элементы образовались в последнюю очередь.

Полученные указанным путем значения возраста радиоактив­ ных элементов составляют для калия 10,2-109 лет, для рубидия —

.17 -109 лет, для урана — 6,6 • 109 лет. Наибольший интерес представ­ ляет уран,, так как изотоп 2 3 5 U имеет сравнительно малый период полураспада (Ti/t —7,13-108 лет) и различные предположения о первичном изотопном составе урана мало влияют па рассчитанное значение его возраста (рис.30). "

Возраст химических элементов, а вместе с тем и возраст зем­ ного вещества не могут быть точно установлены. Мы можем уста­

154

новить только их нижнюю границу, равную возрасту урана (около б—7 млрд. лет). Это будет также верхней границей возраста Зем­ ли, если процесс ее образования протекал быстро (не более сотен миллионов лет).

Для определения возраста Земли и дальнейших этапов эво­ люции ее вещества возможно использовать изменение во времени соотношения радиоактивных изотопов и стабильных продук­ тов их распада, пользуясь из­ вестными расчетными форму­ лами:

В первых попытках использовать изотопный состав свинца для выделения определенных этапов в истории развития нашей пла­ неты отсутствовало четкое представление о том, какой момент времени пытается определить исследователь. Производя принци­ пиально сходные расчеты, авторы называли полученные возраст­ ные значения или возрастом Земли, или возрастом земной коры, или возрастом вещества Земли, или, наконец, возрастом элемента урана. Такой разнобой определений связан, несомненно, с отсут­ ствием четкого определения тех эпох в развитии Земли, время ко­ торых предполагал определить каждый автор. Нечеткость основ­ ных положений приводила иногда к методически неправильным выводам, которые лишены научной ценности.

При определении возраста Земли делались, в частности, две характерные методические ошибки. Это — использование расчет­ ного метода, пригодного только для урановых минералов, не со­ держащих примеси нерадиогенного свинца, к Земле в целом и по­ пытки определения возраста Земли по изотопному составу свинца

155

в предположении, что весь свинец на Земле имеет исключительно радиогенное происхождение, что фактически неверно.

Одним из серьезных затруднений применения свинцовых изо­ топных методов является то, что мы знаем состав только ничтожно тонкой земной оболочки. Поэтому методически правильным было бы определение возраста только этой оболочки. Если принять за первичный состав свинца изотопный состав свинца железных ме­ теоритов с наименьшим количеством радиогенных изотопов, то можно путем экстраполяции по кривой зависимости состава руд­ ного свинца от геологического возраста найти время начала нако­

изотопные методы к определению возраста Земли, так как не зна­ ем ее состава, за исключением тонкой оболочки (коры), занимаю­ щей менее 1% ее массы. Нижним пределом возраста Земли яв­ ляется, очевидно, возраст наиболее древних горных пород, прибли­ жающийся, по последним данным, к 4 млрд. лет.

Как отмечал В. И. Вернадский,, при определении возраста гор­ ных пород, мы получаем возраст последнего метаморфизма. Поэто­ му представляет большие трудности нахождение первичного, неиз­ мененного вещества Земли. Тем более удивительно, что точка, соответствующая среднему современному изотопному составу свинца в земной коре, ложится на метеоритную изохрону Паттерсона (см. рис. 29). Формально можно принять, что вещество Земли произошло путем дифференциации того же протопланетного ве­ щества одновременно с метеоритами, а земная кора образовалась через незначительный (в масштабах возраста Земли) промежуток времени и при дальнейшем ее развитии не происходило суще­ ственного разделения урана и свинца.

Возраст метеоритов

Кроме многообразных земных геологических объектов ядер­ ные геохронологические методы с успехом применяются к опре­ делению абсолютного возраста космических объектов. В первую очередь это относится к метеоритам различных классов. Для оп­ ределения абсолютного возраста используются два рода методов. Многочисленные данные были получены прямым методом по от­

156

Более объективные результаты можно получить при помощи различных вариантов изохронных методов, не требующих знания состава первичного свинца метеоритов. Эти методы дали также близкие результаты. В качестве примера можно привести изохро-

ных объектов. Этот метод дает указание на то, что в пределах Солнечной системы момент в 4,5 млрд. лет является знаменатель­ ной датой какого-то созидательного события: дифференциации первичного вещества и т. п.

Очень интересно, что точки, соответствующие среднему изотоп­ ному составу свинца, земной коры, хорошо ложатся на ту же изохрону. Это можно рассматривать как подтверждение полученного

вания метеоритов в космическом пространстве вещество их под­ вергается непрерывной бомбардировке космическими лучами, не ослабленными земной атмосферой. В результате в веществе метео­ ритов возникают ядерные реакции, приводящие к образованию ряда изотопов, в том числе и радиоактивных.

Бауер первым указал, что под влиянием космического излуче­ ния в веществе метеоритов происходят ядерные реакции, приводя­ щие, в частности, к образованию изотопов гелия 3 Не и 4 Не, что су­ щественно искажает результаты определения возраста метеоритов гелиевым методом.

Вдальнейшем многие авторы показали экспериментально, что

вметеоритах изотопный состав редких газов существенно отли­ чается от состава газов земной атмосферы. Образование этих газов за счет облучения метеоритов в космическом пространстве было подтверждено советскими и зарубежными учеными, которые на­ шли,, что космогенные компоненты убывают по мере углубления внутрь массивных кусков метеоритов вследствие поглощения кос­ мических лучей. Другим подтверждением явилась искусственная

бомбардировка железа частицами высокой энергии. Эти факты, как отметили А. Н. Мурин и И. А. Ютландов, позволяют опреде­ лить время пребывания метеорита в космическом пространстве.

Зная сечение ядерных реакций, интенсивность и энергию по­ тока космических частиц, химический состав метеорита и содер­ жание соответствующего продукта ядерной реакции, можно опре-

157

делить промежуток времени, в течение которого метеорит подвер­ гался облучению в космическом пространстве.

Из полученных данных следует, что радиационный возраст каменных метеоритов получается примерно на один порядок мень­ ше, чем железных. Причина такой закономерности пока неиз­ вестна.

Абсолютный возраст лунных пород

Доставленные на Землю космическими кораблями «Апол­ лон-!. 1» и «Аполлон-12» образцы лунных пород были тщательно исследованы американскими учеными, в частности был определен их абсолютный возраст различными методами.

были получены при помощи свинцового изотопного метода. Сходи­

Данные определения возраста показали, что самый древний возраст лунных пород достигает 4,7 млрд. лет, что близко к воз­ расту вещества Солнечной системы. Большой интерес представляет определение изотопного состава урана, который оказался очень близким к земному, что свидетельствует об одновозрастности и единстве происхождения земного и лунного веществ. Никаких ука­ заний на присутствие разновозрастного вещества не обнаружено.

Исключительный интерес представляет тот факт, что самыми древними оказались проба реголита и брекчии, тогда как пробы кристаллических пород на десятки миллионов лет моложе. Отсюда можно сделать очень важное заключение о происхождении лун-

158

Г Л А В А VII

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ В КАЧЕСТВЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИНДИКАТОРОВ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА «МОЛОДЫХ» ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ

В качестве индикаторов геологических процессов радиоак­ тивные изотопы обладают значительным преимуществом перед другими микроэлементами, используемыми в этих целях. Законо­ мерности геологического поведения радиоактивных изотопов опре­ деляются не только их химическими, но и радиоактивными свой­ ствами: определенной скоростью распада, принадлежностью к тому или иному радиоактивному семейству и местом в нем. Посто­ янство скорости радиоактивного распада изотопов позволяет учи­ тывать во всех изучаемых процессах временной фактор, что осо­ бенно важно в геологии. Таким образом, в большинстве случаев использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов теснейшим образом связано с определением геологического вре­ мени.

Для изучения длительных геологических процессов и геохро­ нологии древних образований можно использовать лишь долгоживущие радиоактивные изотопы, средняя продолжительность жизни

индикаторов необходимо выбирать более короткоживущие радио­

компенсируется его накоплением. Например, уменьшение количе­ ства радия (2 2 6 Ra) за счет распада восполняется его образованием из иония (2 3 0 Th). С течением времени в геологических объектах, в которых не происходит выноса или поступления вещества : (за­ крытых системах), устанавливается радиоактивное равновесие между членами одного семейства. В семействе урана время, необ­ ходимое для установления равновесия, равно 1,5—2 млн. лет, в семействе тория — 50 годам. Таким образом, применять промежу­ точные члены радиоактивных рядов в качестве индикаторов мож-

160