книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

§ 1. СВИНЦОВЫЙ МЕТОД

Измерение абсолютного возраста радиоактивных минералов в общем виде основано па точном определении соотношения коли­ чества радиоактивного элемента и продукта его распада. Возмож­ ный предел измеряемых значений возраста определяется пяти­ кратным периодом полураспада данного радиоактивного элемента. Период полураспада представляет собой величину, обратную кон­ станте радиоактивного распада. Для U238 этот предел определяется значением 4,5 • 109-5 = 22,5 • 10° лет.

Свинцовый метод определения возраста природных объектов ос­ нован на радиоактивном распаде урана и тория. В настоящее время известно три ряда радиоактивных превращений, в результате кото­ рых изотопы урана U238 и U235 и изотоп тория Th232, составляющие основную массу этих элементов в природе, превращаются в конечные продукты распада — атомы гелия (альфа-частицы) и изотопы свинца

( Р Ь 2° 6 , р Ь 207 и р Ь 208)_

На основании закона радиоактивного распада можно написать формулу

где іѴ0 — первоначальное число атомов радиоактивного элемента; Nt — число атомов радиоактивного элемента по прошествии вре­ мени /; X — постоянная радиоактивного распада; е — основание натуральных логарифмов, и

где N0 — N t — число распавшихся атомов за время t или число образовавшихся атомов — продуктов конечного распада данного элемента.

Для минерала, содержащего уран и торий, можно вывести три уравнения, устанавливающих зависимость между количеством накопившегося в минерале свинца (РЬ), количеством нераспавшегося урана (U) или тория (Th) и его возрастом*:

6.4) заменен на U/137,7, где U — общее содержание урана в минерале.

где Pb2n(î, Pb207, Pb208 — количество изотопов свинца в минерале, а. с. м.\ U, Th — количество изотопов урана и тория в минерале, а. е. м.\ Au2 3 8 , Аи235 , Ах| 32 — постоянные распада изотопов урана и тория*.

Разделив уравнение (6.4) на уравнение (6.3), получаем Х,тт235£

Преимущество этого уравнения заключается в том, что вычис­ ление возраста минерала может быть сделано только по отноше­ нию изотопов свинца (РЬ207/РЬ206) без определения содержания в нем свинца и урана. В связи с тем, что постоянные распада U235 и U238 весьма различны, накопление РЬ207 и РЬ206 со временем будет про­ исходить неодинаково и величина их отношения будет зависеть от возраста минерала.

Следовательно, определив в урано-ториевом минерале содержа­ ние урана, тория, свинца и изотопный состав свинца, можно по четырем уравнениям, из которых три совершенно независимы, вы­ числить значения возраста минералов в миллионах лет. В случае совпадения всех четырех значений сомнения в правильности полу­ ченной цифры возраста отпадают. Возможность подобного контроля является важной положительной чертой данного метода.

Очень часто совпадение значений возраста по всем четырем урав­ нениям не достигается. При анализе полученных данных можно уста­ новить причину отклонения — определить истинный возраст мине­ рала и генетическую причину возникшего расхождения. Для этого предварительно остановимся на «грубом» (модельном) свинцовом методе определения абсолютного возраста, или методе обыкновенного свинца.

В обыкновенном свинце, слагающем свинцовые руды и распро­ страненном в горных породах, наряду с изотопами РЬ206, РЬ207 и РЬ208 встречается также изотоп РЬ204, не имеющий радиоактивных предшественников. Поэтому количество его в земной коре остается неизменным с момента образования Земли, в то время как количе­ ство РЬ206, РЬ207 и РЬ208 в результате радиоактивного распада урана и тория все время возрастает.

* В геологической литературе большинство расчетов возраста сделано по номограммам Калпа, Бейта и Брекера. В наших вычислениях мы поль­ зовались ими же, иногда округляя значения постоянных А до второго знака. В дальнейшем более целесообразно пользоваться таблицами Стиффа, Стерна, Оширо и Зенфтла с более точными значениями постоянных (ІО-10 лет-1):

Как показывает сравнение величин изотопных отношений Pb20(7Pb204, Pb207/Pb204, Pb208/Pb204 в свинце руд свинцовых место­ рождений, в большинстве случаев наблюдается строгая закономер­ ность: чем древнее месторождение, тем меньше содержание изото­ пов Pb206, РЬ207 и РЬ208. Соответственно меньше окажутся и изотопные отношения Pb206/Pb204, Pb207/Pb204, РЬ208/РЬ204. Это явление можно объяснить тем, что свинец, находящийся в магматическом расплаве или горной породе совместно с ураном и торием в соизмеримых с ними количествах, непрерывно обогащается радиогенными изото­ пами РЬ206, РЬ207 и РЬ208, образующимися в результате радиоактив­ ного распада урана и тория. Свинец галенита, который при рудообразовании отделяется от магмы, сохраняет изотопный состав, соот­ ветствующий изотопному составу свинца магмы в момент рудообразования. Поскольку в галените, как правило, уран и торий со­ держатся в ничтожных по сравнению со свинцом количествах, изо­ топный состав свинца галенита в дальнейшем почти не изменяется, сохраняясь до наших дней в первоначальном виде.

На этой закономерности, подтвержденной многочисленными оп­ ределениями изотопного состава свинца руд месторождений различ­ ного возраста, и основан «грубый» свинцовый метод определения аб­ солютного возраста свинцовых месторождений. В основе этого ме­ тода лежит далеко не всегда оправдываемое предположение, что соотношения свинца, урана и тория в больших объемах горных по­ род, участвующих в рудообразовании, в среднем существенно не отклоняются от соотношений кларков этих элементов. Возраст мо­ жет быть рассчитан в зависимости от изотопного состава свинца галенита двумя путями.

1. Если за современный изотопный состав свинца земной коры принять изотопный состав свинца глубоководных илов Тихого океа­ на и океанической воды, то исходя из известных кларков свинца, урана и тория можно вывести следующие уравнения зависимости изотопного состава свинца земной коры от времени:

(средние из трех анализов); 12, 15; 0,089 и 46,48 — коэффициенты, вычисленные на основании ныне принятых кларков; соответственно

U238 = 3 • 10-40/о, ™ = 3,7; Pb 1,6 • 10-3%; 0,154;

Определение возраста некоторых каменных метеоритов аргонкалиевым методом также дало значение, близкое к 4,5 млрд. лет. Исходя из этого, можно предположить, что первичным свинцом как метеоритов, так и нашей планеты является свинец, обнаруженный в железном метеорите, и что эволюция изотопного состава свинца земной коры со временем начинает подчиняться более сложной за­ висимости, чем представленная в уравнениях (6.7), (6.8), (6.9). Аме­ риканские исследователи К. Паттерсон, Дж. Тилтон и другие вы-

=3

Э

î:

I

с;

£

§

аозраст, 1Q9 лет

Рис. 21. Кривые эволюции изотопного состава свинца во времени (по А. И. Тугаринову):

сказали предположение о постоянной дифференциации земного ве­ щества в сторону возрастания содержания тория и урана в земной коре. Кроме того, кларки урана и тория при вычислении коэффи­ циентов уравнений (6.7), (6.8), (6.9) должны были бы отвечать лишь современному состоянию Земли. Относить их к более ранним перио­ дам жизни Земли было бы неправильно. Именно этим обстоятель­ ством следует объяснить большую крутизну кривых зависимости изотопных соотношений в свинце от времени, чем это следовало ожидать исходя из возраста свинца метеорита (4,5 млрд, лет) (рис. 21).

2. Второй путь расчета был предложен автором настоящей книги на основе известного значения изотопного состава первичного свинца (свинец железных метеоритов) и современного (океанического)

свинца, является содержание урана, тория и свинца в рудообразу­ ющих магмах или породах, из которых свинец может быть извлечен при рудообразовании. Поэтому данный метод определения возраста имеет значение главным образом для докембрийских образований, когда приходится иметь дело с объектами, различающимися по воз­ расту на многие сотни миллионов лет; в этом случае определение воз­ раста даже со значительной ошибкой может представлять определен­ ный интерес.

В последйее время свинцовоизотопный метод был использован для оценки времени седиментации осадочных и метаморфических толщ. Действительно, в тех случаях, когда содержание свинца в какой-либо породе на два порядка выше содержания урана и тория, количество образующегося радиогенного свинца за счет этих эле­ ментов составляет сравнительно ничтожную добавку, существенно не искажающую первоначальный изотопный состав свинца породы даже при значительном ее возрасте. Так, при возрасте толщи 2 млрд, лет полученное искажение возраста по Pb206/Pb204 и РЬ208/РЬ204 составит около 300 млн. лет в сторону «омоложения» толщ. Данные по геохимии осадочных пород свидетельствуют о том, что в карбо­ натных осадках уран встречается лишь в связи с органическим углеродом, а торий содержится исключительно в терригенной пла­ стической части осадка. Содержание свинца достигает иногда 0,1 — 0,001 %, особенно повышаясь в доломитовых фациях. Следовательно, карбонатные породы, лишенные примеси органического углерода и с минимальным нерастворимым осадком, могли служить превос­ ходным материалом для определения времени их седиментации по изотопному составу экстрагированного из них свинца.

Естественно, что подобное измерение возраста возможно только для фаций открытых морей с интенсивным перемешиванием вод.

При этом должен быть исключен вероятный привнос аномального свинца с денуднруемого континента, возможный в небольших полу­ закрытых бассейнах.

В большинстве уран-ториевых минералов помимо радиогенного свинца, образовавшегося в результате распада содержащихся в них урана и тория, может присутствовать также обыкновенный свинец, попавший в исследуемый минерал при его кристаллизации, либо позднее по трещинкам в виде прожилков свинцового минерала. В этом случае при вычислении возраста минерала необходимо вне­ сти поправку на обыкновенный свинец, иначе говоря, вычесть из общего количества присутствующего свинца обыкновенный свинец. Количество захваченного минералом обыкновенного свинца обычно определяется по количеству РЬ204, найденного в минерале. После вычитания из изотопного состава свинца минерала изотопного со­ става обыкновенного свинца, на который вносится поправка, и оп­ ределения изотопного состава собственно радиогенного свинца даль­ нейшее вычисление изотопных отношений производится по следую­ щим формулам (значения изотопных отношений при определении абсолютного возраста циркона улканского граносиенита Алдана см. в табл. 18):

атомных весов изотопов и их относительную распространенность; 0,041; 0,09; 0,07 — содержание свинца, урана и тория в минерале, вес. %; 34,7; 2,68; 8,72 — содержание радиогенных РЬ206, РЬ207 и РЬ208 в свинце минерала, вес. %.

Определение возраста производится по таблицам или по номо­ граммам.

Изотопный состав обыкновенного свинца, на который вносится поправка, определяется с помощью масс-спектрального измерения свинца галенитов из района нахождения радиоактивного минерала. Наиболее достоверна поправка в тех случаях, когда изотопный со­ став свинца определен по галениту, извлеченному непосредственно из исследуемого радиоактивного минерала. При этом, однако, сле­ дует опасаться явления метаморфизма, в результате которого могут возникнуть свинцовые минералы за счет радиогенного свинца радио-

активных минералов при их перекристаллизации. В подобных слу­ чаях целесообразно вносить поправку на обыкновенный свинец по вычисленному среднему изотопному составу обыкновенного свин­ ца земной коры, который соответствует времени предполагаемого образования месторождения [см. уравнения (6.10) — (6.12)].

При вычислении возраста урановых минералов часто отмечалось следующее расхождение в полученных значениях:

А. Холмс объяснял это расхождение потерей радона (эманированием минерала), приводившей к селективной потере РЬ206.

Действительно, из-за большего периода полураспада радона по сравнению с актиноном и тороном вероятность его селективной потери в течение всей жизни минерала весьма велика.

Наряду с этим часто наблюдается селективный вынос свинца, как это было установлено для урановых руд Атабаски (Канада) Ф. Эккельманом и Дж. Калпом. Ориентировочно можно предполагать, что хлоридно-карбонатные растворы способствовали преимущест­ венной миграции свинца, в то время как сульфатно-карбонатные привели к селективному выносу урана. В случае, подобном отмечен­ ному в Атабаске, значения возраста, найденные по разным изотоп­ ным отношениям, для одного и того же минерала могут дать мини­ мальный возраст его образования по РЬ207/РЬ206 и максимальный воз­ раст метаморфизма по Pb207/U235 и Pb206/U238.

По поводу миграции радиогенного свинца из радиоактивных ми­ нералов в настоящее время существуют две гипотезы. Согласно первой (гипотеза Гоутерманса — Везерилла), которой придержи­ вается большинство советских геохимиков, потеря свинца связы­ вается с кратковременными геологическими событиями, активи­ зирующими деятельность эндогенных растворов. Согласно второй гипотезе (Г. Тилтона), проходит постепенная непрерывная диффу­ зия свинца из радиоактивных минералов.

Данные наших исследований свидетельствуют в пользу концеп­ ции Везерилла об эпизодической потере радиогенного свинца. В на­ стоящее время на основании концепции Везерилла при наличии не­ скольких расходящихся значений возраста, полученных для ряда одновременно возникших минералов, утративших часть радиоген­ ного свинца либо урана, применяется графический метод вычисления истинного их возраста. Этот метод основан на установлении точки пересечения изохроны данных минералов с конкордией согласно рис. 22.

В некоторых случаях расхождения в значениях возраста, по­ лучаемых по разным изотопным отношениям, повторяющиеся в од­ ной и той же последовательности для разных радиоактивных мине­ ралов одного региона, свидетельствуют о едином процессе регио­ нального метаморфизма, проявившемся в районе. В качестве при­ мера можно привести район Станового хребта, для которого вы-