Глава 9. Геохронометрия
Все охарактеризованные ранее, а также еще не рассмотренные методы стратиграфических исследований (или методы относительной геохронологии) не способны дать реальное представление об абсолютном возрасте тех или иных осадочных, вулканогенных или интрузивных образований, не позволяют оценить продолжительность времени их формирования. Относительная геохронология дает возможность судить лишь о последовательности геологических событий (раньше — позже). Время их действия и продолжительность можно установить, только используя радиогеохронологические методы или, как их еще называют, методы определения абсолютного возраста.
Все методы стратиграфии так или иначе связаны с понятием времени. Однако в подавляющем большинстве этих методов определение времени образования или степени синхронности каких-либо толщ относительно, т. к. базируется на выяснении соотношения с подстилающими и перекрывающими слоями или на сопоставлениях с эталонными разрезами. Принципиально возможно и количественное определение возраста слоя, выраженное в годах (с учетом, разумеется, возможных изменений продолжительности года в геологической истории). Для этого необходимо лишь наличие какого-либо процесса, равномерно и непрерывно происходящего во времени, обладающего достаточной продолжительностью и оставляющего хорошо просматриваемые следы в геологических образованиях. Таким процессом явился для геологов радиоактивный распад. В 1905 г. Э. Резерфорд указал, что, судя по содержанию гелия и урана в кристалле, им проанализированном, возраст последнего составляет не менее 500 млн. лет (напомним, что в то время продолжительность геологической истории принималась не более чем 200 млн. лет). Вскоре американский исследователь Б. Болтвуд, используя отношения свинца и урана, установил возраст минералов из каменноугольных (340 млн. лет) и девонских (370 млн. лет) отложений, а также определил возраст ряда до-кембрийских пород различных континентов, который составил по его данным 1025-1640 млн. лет. Становление радиометрической хронометрии (радиологических методов) обычно связывается с именем выдающегося американского геолога Артура Холмса, который впервые стал систематически применять численные данные для определения возраста минералов и определения продолжительности стратиграфических подразделений.
В основе радиологической хронометрии лежит самопроизвольный распад неустойчивых изотопов ряда элементов. В результате количество атомов этих элементов в минералах сокращается и вместо них появляются устойчивые изотопы дочерних элементов178. По соотношению материнского и дочернего изотопов в минерале, зная скорость распада неустойчивого элемента, можно судить о возрасте минерала и соответственно о возрасте изверженной породы, в которой он заключен, или о возрасте осадочной породы, если анализируются аутигенные минералы типа глауконита. Разумеется, метод корректен лишь при двух допущениях.
1. Следует полагать, что скорость радиоактивного распада оставалась неизменной в течение всей геологической истории. Действительно, экспериментальные данные (в частности, наблюдения за скоростью распада при температуре 7000 °С, давлении более 200 бар, в сильном магнитном поле и при бомбардировке космическими лучами показывают постоянство скорости распада).
Общефизические представления, в частности несопоставимость энергетических уровней ядерных реакций и обычных термодинамических процессов, также приводят к заключению об отсутствии внешних факторов, способных повлиять на скорость спонтанного ядерного распада. Петрографические материалы показывают, что радиусы ореолов одинаковы в породах любого возраста; это также является подтверждением постоянства скорости радиоактивного распада. Таким образом, современные данные позволяют с высокой степенью вероятности полагать, что в течение последних 10 млрд. лет скорость радиоактивного распада изотопов не менялась.
2. Все устойчивые изотопы свинца, стронция, аргона, азота образовались в анализируемом минерале только за счет распада исходных неустойчивых изотопов. Проверка этого допущения непосредственными анализами практически невозможна. Единственный путь контроля заключается в параллельном измерении возраста различными методами и последующем анализе расхождений, если они возникают.
Долгое время самой значительной трудностью определения возраста с помощью радиоактивного распада являлось относительное несовершенство аналитических методов. Однако в последние годы широкое внедрение масс-спектрометрии179 не только значительно повысило точность измерений, но и позволило перейти к массовым анализам.
Измерение возраста проводится по содержанию в породах и минералах материнских и дочерних продуктов радиоактивного распада. Возраст t устанавливается в единицах астрономического времени (обычно в миллионах лет) и вычисляется по формуле:
t = 1/ ln(N0/Nt), (1)
где t — абсолютный возраст в годах; N0— исходное количество материнских атомов; Nt — количество тех же атомов, сохранившихся за период времени t; — константа распада, отвечающая для каждого изотопа числу атомов, претерпевающих распад за единицу времени.
178 Основной закон радиоактивного распада — количество распавшихся атомов за единицу времени пропорционально первоначальному числу атомов: No - NpKl, где No ~ первоначальное число атомов; Nt — число атомов по истечении времени t, Я — постоянная радиоактивного распада; е — основание натуральных логарифмов (е = 2,71828182).
179 Масс-спектрометрия — вид физического анализа вещества, основанный на разделении пучка ионизированных частиц по массам в специальном анализаторе. Масс-спектрометрия дает возможность исследовать спектры масс, уточнять массовые числа атомов и обнаруживать новые изотопы, а также позволяет измерять относительные распространения изотопов в различных объектах. В геологии масс-спектрометрия применяется как основной метод изотопных исследований во всех случаях аномальных отношений распространенностей изотопов элементов в горных породах, минералах, рудах и водах.
180 сс-частицы, несут заряд 2е — представляют собой ядра атомов гелия.
181 (3-частицы несут отрицательный заряд е— представляют собой поток быстрых электронов.
Масс-спектрометрия позволяет сразу производить оценку соотношения материнских Р и дочерних D изотопов, в связи с чем уравнение (1) может быть преобразовано к виду:
t = 1/ ln(1 - D/P). (2)
Измерение констант распада является очень сложным процессом. Они постоянно уточняются, а для некоторых изотопов до сих пор принимаются условно.
Для более четкого представления о характере ядерного распада вводят понятие периода полураспада Г, который равен тому промежутку времени, в течение которого любое первоначальное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину. Связь между константой Я и периодом полураспада Т выражается следующим образом:
N = N/2eT; 2 = eT; T = ln2/=0.693/
При измерении возраста минералов используются следующие естественные типы ядерных превращений: – распад, электронный захват, – распад и спонтанное осколочное деление тяжелых ядер.
Здесь же хотелось бы напомнить, что излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонентов:
альфа-лучей (-частиц180);
бета-лучей (-частиц181);
гамма-лучей (-лучи).
Превращение атомов химических элементов при -распаде определяется правилом сдвига: образующийся при распаде новый элемент занимает в таблице Д. И. Менделеева следующую клетку вправо от родоначального -активного элемента. В-активность атомных ядер можно рассматривать как распад одного ядерного нейтрона на протон и электрон (плюс нейтрино).
Явление электронного захвата как бы противоположно р-распаду. Оно заключается в самопроизвольном поглощении орбитального электрона ядром атома.
Для определения возраста используются преимущественно следующие типы радиоактивного распада:
Эти типы распада положены в основу наиболее широко распространенных методов радиометрической хронометрии: калий-аргонового, калий-кальциевого, рубидий-стронциевого, свинцового (уран-торий-свинцового), самарий-ниодимового и рений-осмиевого.
Основными методами определения возраста древних геологических образований считаются свинцовый, рубидий-стронциевый и калий-аргоновый методы. Последний наиболее широко распространен.
Возраст молодых геологических образований (до 60 000 лет) определяется радиоуглеродным, радиево-иониевым и др. методами.
Далеко не во всех случаях радиохронометрические методы могут позволить определить достоверное время образования пород. Исходный результат этих сложнейших исследований почти всецело определяется характером анализируемой пробы — степенью сохранности в ней анализируемых элементов (Аг, Sr и т. п.), которая должна быть выявлена в процессе предварительного изучения. Только самые жесткие требования к подбору проб позволяют получать надежные результаты.