2.3. Абсолютная геохронология

Палеонтологические и геолого-геофизические методы опреде­ления относительного возраста горных пород не дают реального представления об абсолютном возрасте тех или иных осадочных, вулканогенных или интрузивных образований, не позволяют оце­нивать продолжительность времени их формирования. Относитель­ная геохронология дает возможность, как указывалось выше, су­дить лишь о последовательности геологических событий. Время их действия и продолжительность можно установить, только исполь­зуя радиогеохронологические методы или, как их еще. называют, методы определения абсолютного возраста. В абсолютной геохро­нологии применяется обычная астрономическая система летосчис­ления: год — период обращения Земли вокруг Солнца. Однако употребление слова «абсолютный» неверно, ввиду того что любые полученные результаты не являются абсолютно точными, так как каждое полученное значение несет в себе определенную, иногда существенную ошибку. Кроме того', продолжительность астроно­мического года современной эпохи не соответствует продолжи­тельности года в палеозое и тем более в протерозое или архее. Поэтому возраст горных пород, установленный по данным распа­да естественно-радиоактивных химических элементов, вернее на­зывать радиогеохронологическим или говорить просто о радиомет­рическом возрасте.

Методику определения «абсолютного» возраста горных пород ученые пытались разработать начиная с XVIII в. Для этого ис­пользовались геологические, физические, химические и биологи­ческие процессы и явления. Одни пытались вести подсчет времени накопления солей в Мировом океане до современного уровня их содержания, другие оценивали время накопления осадков, отло­женных начиная с докембрийских времен, исходя из современной скорости их аккумуляции, третьи рассчитывали потери тепла Зем­ли при ее остывании, принимая первоначальное состояние расплав­ленное™. Однако все эти попытки определения продолжительности истории Земли и отдельных ее.этапов не увенчались успехом, да­вая сильно заниженные значения.

Открытие радиоактивного распада в конце XIX в. дало воз­можность ученым впервые достаточно достоверно оценить возраст ряда минералов и горных пород с помощью анализа их изотопного состава, т. е. по содержанию в них исходных, промежуточных и конечных продуктов распада естественно-радиоактивных элемен­тов. Такие исследования дают достоверный результат при условии, что со времени образования исследуемого минерала или породы не происходило частичного выноса или последующего привноса радиоактивного элемента или продукта его распада.

Явление радиоактивности связано с распадом ядер атомов ра­диоактивных элементов, который протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от каких-либо физико-хими­ческих процессов, протекавших на земной поверхности и в недрах Земли. Постоянство скорости радиоактивного распада обосновано теоретически и доказано опытным путем. Радиоактивные изотопы химических элементов распадаются так, что их количество убыва­ет со временем по экспоненциальному закону.

В настоящее время широко применяют следующие радиогео-хронологические , методы: урано-ториево-свинцовый, свинцовый, рубидий-стронциевый, калий-аргоновый, самарий-неодимовый, ра­диоуглеродный.

Урано-ториево-свинцовый метод базируется на использовании трех процессов радиоактивного распада изотопов урана и тория: ²³⁸и^²⁰⁶РЬ, ²³⁵и-^²⁰⁷РЬ, ²³²Тп^²⁰⁸РЬ. Период полураспада ²³⁸и составляет 4510 млн лет, ^23би — 713 млн лет и ²³²ТЬ — 15 170 млн лет. Исходя из продолжительности распада минералы, содер­жащие эти элементы, используются для определения возраста. Измерив в минерале содержание, радиоактивных изотопов урана и тория и радиогенных частей трех изотопов свинца, а также содер­жание нерадиогенного изотопа свинца ²⁰⁴РЬ, находят шесть изо­топных отношений. Одно из них в настоящее время считается фик­сированным (²³⁸и/²³⁵и= 137,7), а остальные пять (²⁰⁶РЬ/²³⁸и, ²⁰⁷РЬ/²³⁵и, ²⁰⁸РЬ/²³²Тп, ²⁰⁷РЬ/²⁰⁶РЬ, ²⁰⁶РЬ/^2О4РЬ) дают возможность оценить возраст минерала. Близость всех пяти результатов сви­детельствует о достоверности проведенного анализа. В том случае, когда оценки расходятся, а изотопный анализ проведен надежно, то, вероятно, содержание изотопов в минерале менялось не в ре­зультате радиоактивного распада, а вследствие утечки или прив-носа каких-то продуктов радиоактивных превращений.

Простейшим из перечисленных является метод определении возраста по общему свинцу, т. е. по отношению РЬ/и + Тп. Он не требует дополнительного изотопного анализа свинца, но не учиты­вает того, что часть свинца является нерадиогенной и, следова­тельно, дает завышение возраста. Вследствие этого такой способ определения сейчас не применяется.

Более перспективен способ определения возраста по обыкно­венному свинцу — по любому из соотношений ²⁰⁶РЬ, ²⁰⁷РЬ или ²⁰⁸РЬ к ²⁰⁴РЬ в галените, который содержит ничтожные количества урана и тория, а также по и/РЬ в цирконе. Эти отношения прак­тически не меняются со временем, и они тем больше, чем позднее выделились из содержащей уран и торий магмы.

Свинцовый метод — наиболее старый и хорошо разработанный метод ядерной геохронологии. Впервые его применил в 1907 г. Б. Болтвуд в Канаде. В настоящее время он значительно усовер­шенствован и используется с непременным анализом изотопного свинца на масс-спектрометре. Поэтому его нередко называют свинцово-изотопным методом. Для измерения возраста по свин-цово-изотопному методу используются минералы, содержащие уран и торий.

Рубидий-стронциевый метод основан на очень медленном рас­паде радиоактивного изотопа ⁸⁷ЯЪ и превращении его в изотоп стронция ⁸⁷5г. Ныне радиоактивный изотоп рубидия составляет в среднем 27,85% природного рубидия. Период полураспада рубидия равен 47 000 млн лет [постоянная распада х=0,0147 млрд лет^-1]. Возраст минерала оценивается по формуле

г = 1п/ ь1 и .

7.87 \ ^8,ЯЬ ) _Х87 ⁸⁷ЯЬ

При анализе минералов с очень малым содержанием рубидия (менее 0,1%) вносится поправка на исходный нерадиогенный стронций.

Возраст пород, содержащих только стронций, но без рубидия, оценивается грубым стронциевым методом по отношению ⁸⁷5г/⁸⁶5г. Это же отношение используется для оценки происхождения маг­матических пород — мантийного или корового. Изотоп рубидия присутствует в виде, примеси в калиевых минералах, чаще всего в биотите, мусковите и лепидолите. Рубидий-стронциевым методом определяется возраст по валовому содержанию этих элементов в породе. Из-за низкой скорости распада рубидия данный метод широко применяется для определения возраста докембрийских и палеозойских пород.

Калий-аргоновый метод основан на распаде радиоактивного ^4<)К, при котором около 12% этого изотопа превращаются в аргон

^адАг с периодом полураспада 1300 млн лет. Постоянная радиоак­тивного распада хк=0,0585 млрд лет-¹. Остальные 88% калия переходят в ⁴⁰К с более высокой скоростью (постоянная радиоак­тивного распада Ха~ 0,472). По количеству выделившегося из ми­нерала нерадиогенного аргона и по отношению ⁴⁰Аг/⁴⁰К возраст минерала оценивается по формуле

Этот метод применяется при исследовании слюд, амфиболов, ка­лиевого полевого шпата, глауконита и валовых проб изверженных пород с возрастом от десятков тысяч до сотен миллионов лет. Оп­ределение возраста метаморфических пород калий-аргоновым ме­тодом не рекомендуется из-за значительных утечек аргона, проис­ходящих при температурах свыше 300 °С и при больших давле­ниях.

Самарий-неодимовый метод основан на очень медленном рас­паде изотопа самария ¹⁴⁷5т, который встречается в смеси со ста­бильными изотопами ¹⁴\ ^и8-1⁵⁰, ¹⁵²₍ ¹⁵⁴5т с периодом полураспада 153 млрд лет (постоянная радиоактивного распада х~ 0,00654 млрд .лет^-1). Конечным продуктом распада является радиогенный ¹⁴⁴Ш. Возраст минерала, содержащего самарий, рассчитывается по формуле

143"

•Ыс1/¹⁴⁴Ш= (¹⁴³Ш/^,44Ш)₀+ (е^х'—1)¹⁴⁷5т/^шШ.

Самарий-неодимовый метод считается одним из наиболее надеж­ных (наряду с и/РЬ по циркону) для определения возраста глубо-кометаморфизованных раннедокембрийских пород, хотя также иногда дает заниженные значения.

Радиоуглеродный метод базируется на определении радиоак­тивного изотопа ¹⁴С в органических остатках или в породах с вы­соким содержанием органического вещества. Этот изотоп посто­янно образуется в атмосфере из азота ¹⁴Ы под воздействием кос­мического излучения и усваивается живыми организмами. После отмирания происходит распад ¹⁴С и, зная скорость его распада, удается определить возраст захоронения организма. Период полу­распада ¹⁴С равен 5750 лет. Поэтому с помощью этого метода оп­ределяется возраст осадков не древнее 60—80 тыс. лет.

Метод треков осколочного деления базируется на том, что во всех минералах, содержащих уран, возникают структурные изме­нения, фиксирующие пробег осколков от спонтанного деления урана. Они видны в виде треков при увеличении под микроско­пом. Обычно подсчитывается плотность этих треков, т. е. их число на единицу поверхности. Чем больше возраст минерала, тем боль­ше плотность треков при прочих равных условиях. Для определе­ния содержания урана образец минерала облучают нейтронами. Возникают новые треки от деления присутствующего урана, выз­ванного нейтронами. При этом возраст минерала будет являться функцией отношения числа треков от спонтанного деления урана к числу вновь появившихся треков на единицу площади или объе­ма. Хотя метод не очень точен, его можно рассматривать как но­вый перспективный способ исследования. В ряде случаев с по­мощью этого метода расшифровывается термическая история по­роды, которая отражается в исчезновении части треков и искажает истинную величину возраста. В последние годы трековый метод стали использовать для определения возраста четвертичных вул­канических пород.

Радиогеохронологические методы непрерывно совершенствуют­ся, возрастает их точность, разрабатываются новые более тонкие методики. Они имеют наибольшую ценность для определения воз­раста магматических и метаморфических пород, лишенных каких-либо органических остатков, широко применяются также для ус­тановления возраста фанерозойских отложений, для определения продолжительности стратиграфических подразделений разнога ранга, выделенных на основе палеонтологического метода.

Наиболее подходящими для радиометрического датирования, кроме радиоуглеродного метода, являются магматические породы. Меньше подходят метаморфические породы, поскольку они часто прошли не один, а два-три этапа метаморфизма, каждый из кото­рых мог сопровождаться потерей радиогенных изотопов. Возраст осадочных пород обычно определяют косвенным образом, по воз­расту прорывающих их и перекрываемых ими интрузивов или по прослаивающим их зффузивам и вулканическим туфам и пеплам. Именно так в основном была построена глобальная геохронологи­ческая шкала фанерозоя. Но делаются попытки и непосредст­венно определить возраст песчаных пород К/Аг методом по К-содержащему минералу глаукониту, а глинистых пород — по слюдам или валовым анализам. Последний метод дает часто за­вышенные значения, поскольку К-содержащие минералы являются обычно обломочными и более древними, чем сами глины, если только последние не состоят в основном из аутигенных глинистых минералов.

Опыт радиометрического датирования магматических и мета­морфических горных пород показал, что наибольший смысл имеет комплексное применение разных методов к одной и той же породе и к разным составляющим ее минералам, а также к породе в це­лом («по валу»). Дело в том, что разные изотопы обладают раз­ной способностью к улетучиванию и разные минералы — к утрате зтих изотопов при нагревании; например, амфиболы и пирокеены устойчивее, чем слюды, аргон теряется легче всего и т. д. Изме­ряя возраст пород разными методами, одним методом и по одним минералам, например и/РЬ методом по циркону или самарий-нео-димовым по породе, мы получаем возраст, наиболее близкий к первичному возрасту породы или ее первому метаморфизму, а дан­ные других методов и по другим минералам позволяют датиро­вать более, поздние эпохи метаморфизма. К/Аг метод обычно дает для интрузивных магматических пород заниженные значения воз­раста, поскольку изотопные отношения в них становятся стабиль­ными лишь после остывания породы до 300°, что достигается че­рез несколько миллионов и даже первые десятки миллионов лет после внедрения интрузии.