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

фиксировался в виде урановых черней, был непрерывным и равно­ мерным, автор проводил расчет по следующей формуле:

yt — 1 _ 1 е~%*{

4.Интересное применение урановый изотопный метод получил

вработах П. И. Чалова (1968). Автор использовал метод для рас­ чета возраста ряда бессточных озер: Аральского, Иссык-Куль, Чатыр-Куль, а также для решения некоторых важных вопросов палеогеографии (время поворота Амударьи в Аральское озеро, возможность впадения р. Чу в Иссык-Куль и др.).

Рассмотрим метод расчета на примере оз. Иссык-Куль. Автор определил изотопный состав урана в воде 22 основных рек, до­ ставляющих подавляющую массу воды в озеро. Пробы отбирали в теченце нескольких лет в различное время года. Было найдено, что среднегодовые значения отношений 2 3 4 T J / 2 3 8 u отличаются не­ значительно. При расчетах учитывался вес каждой реки в общем гидрогеологическом балансе. Средневзвешенное изотопное отноше­ ние (у0 ) в водах, поступающих в озеро, равно 1,249+0,010. В во­ дах самого оз. Иссык-Куль изотопное отношение не зависит от глубины отбора проб в пределах аналитической ошибки и в сред­

с момента его поступления. Донные осадки в озере имеют тот же изотопный состав, что и вода. Это исключает влияние изотопного обмена между водой и осадками. Принимая, что изотопный состав ежегодно поступающей в озеро воды был постоянным за все время

2 £ 6 Ra является первым продуктом распада урана, обнаружен­ ным учеными. Методы определения оказались лучше разработаны для радия; чем для других членов семейства урана, и в первых работах по определению возраста геологических образований по

171

радия объясняли его распадом, и возраст рассчитывали по фор­

В первом случае преобладало выщелачивание радия из пород, во втором — сорбция его на породах из раствора.

активному воздействию подземных вод и непригоден для геохро­ нологических исследований.

Отношение Ra/U используется в нефтепоисковой геологии в качестве индикатора нефтеносности структур. Было обнаружено, что минерализованные пластовые воды нефтяных месторождений хлоридно-кальциево-натриевого типа резко обогащены радием по сравнению с равновесным ураном, причем сдвиг равновесия часто достигает нескольких порядков. Причины этого явления еще недо­

ческие свойства обоих изотопов одинаковы. В определенных гео­ химических условиях хлоридно-кальциевые воды или минерализо­ ванные бессульфатные воды, обогащенные барием или стронцием, легко вышелачивают изотопы радия и удерживают их в растворе.

172

2 2 6 Ra, и через 50 лет практически остается один 2 2 6 Ra. За это время концентрация 2 2 6 Ra не изменяется в пределах аналитической ошибки. Изменение отношения 2 2 8 Ra/2 2 6 Ra происходит по закону распада с периодом 2 2 8 Ra (мезотория I ) .

По отношению мезотория I к радию можно определять воз­ раст только очень молодых осадков. Например, В. П. Савченко воспользовался этим методом для определения генезиса оолитов, выносимых Берекейскими радиеносными водами. Было не ясно, выносятся ли эти оолиты с глубины подземными водами или обра­ зуются у их выхода на поверхность. За начальное было принято отношение изотопов в водах. Расчет проводился по обычной фор­ муле распада

2 2 8 Ra,/2 2 6 Ra, = 2 2 8 Ra0 /2 2 8 Ra0 . е ~ Х ш * * ; 2 2 6 Ra0 = 2 2 0 Ra,.

Расчеты показали, что оолиты образуются после выхода воды на поверхность.

§ 3. ПРОДУКТЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИИ

В земном веществе образуется большое число разнообразных стабильных и радиоактивных изотопов в результате ядерных реак­ ций (гл. I I I ) . Их концентрация в литосфере и гидросфере ничтож­ но мала. В атмосфере она несколько больше, хотя также имеет

теоретическое значение в связи с крайне низкими концентрациями

щенных лабораторий с высоким уровнем развития физических и химических методов анализа.

Радиоуглеродный метод

В основу радиоуглеродного метода положен естественный рас­ пад 1 4 С, постоянно образующегося в верхних слоях атмосферы. Период полураспада 1 4 С 5568 лет. Его количество уменьшается в

Поглощение С 0 2 растениями обогащает их радиоуглеродом, а че­ рез них 1 4 С попадает в организм животных. С 0 2 , растворенная в воде океана, образует «меченые» карбонаты и бикарбонаты. Вслед­ ствие этих процессов образуется приблизительно одинаковый изо-

173

топный состав во всем обменном углероде. Концентрация 1 4 С в об­ менном углероде биосферы составляет 1,07-10-10 %, концентрация

да в этих образованиях начинает уменьшаться за счет ничем не компенсируемого распада его атомов и с течением времени падает до нуля. Такие образования могут быть использованы для опреде­ ления абсолютного возраста по 1 4 С. Возможности' углеродного ме­ тода лимитированы временем жизни 1 4 С. Верхний предел метода определяется чувствительностью анализа. На современном уровне измерительной техники он достигает 30—40 тыс. лет, а при зна­ чительном обогащении — 60 тыс. лет. Нижний предел метода ог­ раничен точностью анализа и при 0,3%-ной минимальной ошибке составит 80 лет.

Исходную начальную концентрацию 1 4 С (N0) определяют по углероду атмосферы или современным углеродсодержащпм обра­ зованиям с максимальным его содержанием. Расчет возраста ведут по обычной формуле радиоактивного распада

где Nt — содержание 1 4 С в изучаемом объекте.

Очевидно, что метод может быть применен только в том слу­ чае, если углерод атмосферы за последние 50—100 тыс. лет имел

древесины с известным возрастом. Сравнение возраста, определен­ ного по 1 4 С, с возрастом годичных колец деревьев показало, что концентрация 1 4 С в атмосфере за последние 2 тыс. лет была до­ вольно постоянной, хотя и испытывала некоторые вариации в пре­ делах 1—3% от среднего значения.

По более древним образцам установлено, что вариации кон­ центрации 1 4 С за пределами последних 2 тыс. лет имели более дли­ тельный характер с амплитудой до 10%.. На фоне этих вариаций также имелись более мелкие колебания концентрации, аналогич­ ные колебаниям, наблюдавшимся за последние 2 тыс. лет. Для датирования радиоуглеродным методом наиболее удобны древес­ ные остатки, уголь. Использование торфа; костных остатков и ра­

100 тыс. лет не содержат 1 4 С и не пригодны для определения воз­ раста.

174

принципа очень важно, так как карбонатный углерод почти на 10% активнее одновозрастного растительного вещества. Различие объ­ ясняется фракционированием изотопов: при фотосинтезе легкие изотопы поглощаются легче, чем более тяжелый 1 4 С, чего не на­ блюдается при образовании карбонатов.

В настоящее время в качестве эталонов рекомендуется выби­ рать объекты древнее 50 лет, так как за этот период технический прогресс значительно изменил изотопный состав углерода атмо­ сферы. X. Е. Зюссом было установлено, что за счет сжигания древ­ него топлива (угля, нефти), не содержащего 1 4 С, произошло раз­ бавление СОг атмосферы технической двуокисью углерода, в связи с чем концентрация 1 4 С за последние 50 лет понизилась на 3,4%,. Термоядерные взрывы вызвали повышение концентрации радио­ углерода в атмосфере, которое превышало в отдельные годы 30% от первоначального значения.

Радиоуглеродный метод нашел широкое применение в четвер­ тичной геологии, океанологии, археологии для датирования собы­ тий верхнечетвертичного времени.

Приведем отдельные примеры его использования.

1. Изучение изотопного состава серы в донных илах Черного моря в хорошем согласии с геологическими и биологическими на­ блюдениями показало, что сероводородное заражение моря нача­ лось после того, «ак прорыв морских вод из Босфора превратил пресноводный новоэвксинакий бассейн в солоноводный. В воде, богатой сульфатами, при отсутствии достаточного вертикального перемешивания развился процесс биогенной редукции сульфатов. Время возникновения сероводородного заражения оказалось воз­ можным определить радиоуглеродным методом по органическому веществу илов. А. П. Виноградов, А. Л. Девирц установили, что около 7500—8000 лет назад соленые воды Средиземного моря на­ чали заполнять древнечерноморский бассейн, причем длительность процесса составляла около сотни лет.

2. Определение абсолютного возраста древесных остатков и торфа, проведенное теми же авторами на многочисленных образ­ цах из различных районов европейской части СССР, дало возмож­ ность разработать абсолютную геохронологическую шкалу голо­ цена и верхнего плейстоцена и установить, что граница между ними соответствует времени 10 300 лет.

3. Интересное использование может получить радиоуглерод­ ный метод при исследовании районов молодого вулканизма. Ис­ следование обугленных деревьев, захваченных лавой при извер­ жении, дает абсолютный возраст лавовых потоков.

Помимо этого, в растениях, произрастающих на участках, где активная вулканическая и фумарольыая деятельность закончилась

175

сравнительно недавно, Л. Д. Сулержицкип обнаружил значитель­ ное обеднение радиоуглеродом. Оно, видимо, возникло за счет разбавления углекислоты, поглощаемой растением из атмосферы, углекислотой глубинного происхождения. При этом четко окоитуриваются площади, где дегазация интенсивнее.

Радиоуглеродный метод наиболее достоверен по сравнению с другими методами определения «молодого» возраста и может ис­ пользоваться для их проверки. Однако для объектов старше 60— 70 тыс. лет он не пригоден и не может заменить-другие методы.

Тритиевый метод

Тритиевый метод использует радиоактивный распад трития, непрерывно образующегося в верхних слоях атмосферы и попадаю­ щего на землю с атмосферными осадками в форме НТО. Период

Источником трития является лишь атмосферная вода. Попа­ дая в воды зоны затрудненного водообмена тритий постепенно рас­ падается и через 60—70 лет практически исчезает. Присутствие в подземных водах трития однозначно говорит об их связи с атмо­ сферными водами. Время, прошедшее с момента поступления ат­ мосферных вод, можно найти из обычной формулы радиоактив­ ного распада

ных вод, а также для обнаружения связи древних вод с атмосфер­ ными.

Рассмотрим несколько примеров.

1. Исследование вод Приташкентского артезианского бассей­ на на содержание трития позволило четко выделить области пи­ тания бассейна современными водами. Артезианские воды пале­ озойского возраста не могли сохранить первичный тритий. Присут- -ствие заметных концентраций трития указывало на связь древних вод с атмосферными.

2. Исследование отношения Т/Н в океанической воде дало возможность определить возраст слоев воды с различной глубины и установить таким образом скорость ее перемешивания. Было об­ наружено, что верхний 50-метровый слой воды Атлантического океана постоянно перемешивается за период не более 1—2 лет. Возраст промежуточных вод (60—180 м) был близок к 50 годам.

176

измеримой с определениями, сделанными другими методами. Кро­

ченной при исследовании современных выпадений продуктов ис­ кусственных ядерных реакций. Такими методами было доказано постоянство скорости образования 1 0 Ве в атмосфере, а следова­ тельно, и интенсивности космического излучения за последние 10 млн. лет.

Метод весьма перспективен и охватывает существенный воз­ растной интервал между нижним пределом аргонового и верхним пределом иониевого методов.

Пока метод не получил широкого распространения в связи с большими аналитическими трудностями по выделению и опреде­ лению столь низких концентраций 1 0 Ве.

178

к нарушениям в кристаллической структуре минерала. Вдоль пути движения осколка образуется проплавленная зона в виде канала диаметром около 50—100 А и длиной от 5 до 20 мк — трек. Первич­ ный трек окружен зоной с нарушенной кристаллической решеткой. Нарушения возникают при смещении атомов с их позиций в ре­ шетке, образовании различных дефектов (внедренные атомы, ва­ кансии). Дефекты приводят к деформации решетки, а в конечном итоге — к полному ее разрушению.

Первичные треки можно наблюдать лишь в электронный микроскоп. Для того чтобы треки были видны в оптический микро­ скоп, минерал подвергают травлению. Состав реагента и время травления подбирают так, чтобы растворились лишь нарушенные зоны вокруг первичных треков, без растворения остальной части минерала. При нагревании минерала треки залечиваются или, как говорят, происходит их отжиг. Треки спонтанного деления урана начали использовать сравнительно недавно прежде всего для опре­ деления возраста последнего термального метаморфизма, а также для решения некоторых других геохимических задач.

Геологический возраст рассчитывают по следующей формуле:

Треки спонтанного деления хорошо отличаются от других дефектов кристалла неядерного происхождения. Они имеют прямо­ линейную форму, ограниченную длину, беспорядочно ориентиро­ ваны в минерале, подвержены отжигу.

Концентрацию урана удобно определять активационным мето­

400 млн. лет, по монацитам — не древнее 300 млн. лет, а по апати­ там и гранатам — 100—200 млн. лет. В более древних минералах радиационные повреждения могут исчезать за счет сла.бого мета­ морфизма и наложенных процессов, не проявившихся минерало­ гически.

Положительной стороной метода является его сравнительная простота и возможность анализировать очень малые количества минерала (доли миллиграммов). Нижний предел метода зависит от используемого материала. Лучшие результаты получены на кислых природных стеклах. Например, по обсидианам удается определять возраст от десятков тысяч до десятков миллионов лет.

180