2.5. Изотопные системы и методы абсолютного датирования

Геологическое датирование как составная часть стратиграфии является важным для решения вопросов корреляции и реконструкции геологических обстановок прошлого. Абсолютное геологическое датирование дает количественную оценку процессов, происходивших в прошлом, и ставит граничные условия для решения проблемы происхождения и развития жизни на Земле (Лаломов, 2000).

Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада. Иногда названия даются только по конечному (стабильному) продукту радиоактивного превращения. (Короновский, 2002).

Рис.2.5. Древнейший циркон в Солнечной системе.

Уран-торий-свинцовый метод. Свинец имеет четыре природных изотопа: ²⁰⁸Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁶Pb и ²⁰⁴Pb. Только ²⁰⁴Pb является стабильным изотопом сравнения. Для датирование U-Pb методом должны хорошо сохранять U, Th, Pb и промежуточные дочерние продукты и быть широко распространенным в различных породах. Циркон наиболее удовлетворяющий этим условиям минерал (рис. 2.5). Также используются уранит, монацирт сфен, апатит и другие акцессоргные минералы магматических пород (Фор, 1989). Температура закрытия U-Th-Pb изотопной системы в цирконе – 900^оС (Lee et al., 1997).

В уран-ториевой изотопной системе существует три независимых семейства радиоактивного распада (рис.2.6):

²³⁸U → ²⁰⁶Pb; период полураспада равен 4,4683 10⁹, для ²³⁵U → ²⁰⁷Pb; она равна 0,70391 10⁹

А для ²³²Th →²⁰⁸Pb . 14,01 10⁹ лет

Главное уравнение геохронологии, применительно к данной изотопной системе, имеет следующий вид: t₂₀₆) = ], где (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) и (²³⁸U/²⁰⁴Pb) – изотопное отношение свинца в минерале во время анализа; (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)_i – первичное изотопное отношение Pb , включенного в минерал во время его образования. (Фор, 1989). Исследуемый минерал на протяжении всего времени существования оставался замкнутой системой относительно U, Th и Pb. Однако нередки случаи, когда по разным изотопным отношениям получаются разные цифры возраста. Чаще всего t (²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb) > t (²⁰⁷Pb/²³⁵U) > t (²⁰⁶Pb/²³⁸Pb) > t (²⁰⁸Pb/²³²Th). Такие соотношения свидетельствуют о потере минералом радиогенного свинца (Короновский, 2002).

Калий-аргоновый метод. Калий состоит из трех изотопов – ³⁹K, ⁴⁰K и ⁴¹K, из которых только ⁴⁰K обладает естественной радиоактивностью. Период полураспада радионуклида ⁴⁰K – 1,25·10⁹ лет (рис.2.6.). Распад радиоактивного изотопа ⁴⁰К имеет два пути, превращаясь в ⁴⁰Ar или в ⁴⁰Са. Наиболее надежной является K-Ar ветвь распада. K – Ar метод оказался пригодным для определения возраста во всех интервалах геологического времени – от архея до антропогена и почти для всех типов горных пород – осадочных, магматических и метаморфических. Следует отметить большую роль K-Ar метода в датировании осадочных пород позднего докембрия по калийсодержащему минералу глаукониту (Короновский, 2002).

Аргон – аргоновый метод. ⁴⁰Ar /³⁹Ar – метод датирования основан на образовании в К-содержащих образцах ³⁹Ar в результате облучения их тепловыми и быстрыми нейтронами реакторе при этом нейтронами в ядерном реакторе. В последнее время широкое применение получил метод датирования по отношению ³⁹Ar /⁴⁰Ar. Этот метод, в отличие от обычного K-Ar, позволяет определять возраст, на который не влияют природные потери ⁴⁰Ar, дополнительные преимущества ⁴⁰Ar /³⁹Ar – метода состоят в том, что калий и аргон определяются в одном и том же образце и что измерять нужно только изотопные отношения. Этот метод удобен для датирования очень малых или редких образцов (метеориты, лунные породы или минералы) (Фор, 1989).

Калий – кальцевый метод. Распад ⁴⁰K в ⁴⁰Ca широкого применения в геохронологии не получил, т.к. природный кальций, содержащийся во многих породах и минералах, имеет то же массовое число, что и радиогенный ⁴⁰Ca, и отличить их очень трудно. Период полураспада 1,28 10⁹ лет (рис. 2.6) (Короновский, 2002).

Рубидий-стронциевый метод. Принцип метода основан на β^- распаде изотопа ⁸⁷Rb и превращении его в стабильный изотоп ⁸⁷Sr по схеме: → + β^- + ν + Q, Распространенность рубидия в минералах горных пород определяется явлением изоморфизма. Это позволяет иону Rb замещать ион K во всех важнейших породообразующих минералах. Распространенность стронция контролируется способностью иона Sr²⁺ замещать ион Ca²⁺, в кальций содержащих минералах), а так же возможностью его вхождения в решетку калиевых полевых шпатов на место иона K⁺. Вычисление возраста производится по главному уравнению геохронологии, которое, применительно к Rb-Sr методу: t = 1/λ ln [(⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr) – (⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr)_i / (⁸⁷Rb / ⁸⁶Sr)] +1. Период полураспада ⁸⁷Rb 48,8 10⁹ (рис. 1.6). Rb Sr метод успешно используется не только для определения возраста земных пород, но и для лунных и метеоритов. В частности, по дунитам, норитам и другим породам лунных материков, этим методом получены возрасты 4,3 – 4,6 млрд. лет, т.е. сопоставимые с принятым возрастом Земли (Короновский, 2002).

Самарий-неодимовый метод. Sm Nd метод дает более надежные датировки возраста горных пород, чем Rb Sr. Предложение об использовании Sm Nd метода в геохронологии впервые сделал Г. Лагмайр. Он же показал, что отношение изотопов неодима ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd является индикатором изменений в относительном содержании ¹⁴³Nd, обусловленного распадом ¹⁴⁷Sm. Для самария известны 7 изотопов, но только один из них ¹⁴⁷Sm является радиоактивным, распадающимся, путем испускания α- частицы, в ¹⁴³Nd по схеме: → + α + Q

Период полураспада самария 106 10⁹ лет (рис. 2.6). Лучше всего самарий-неодимовый метод применим для определения возраст основных и ультраосновных пород, в том числе и метаморфических (эклогитов, метадолеритов и др.) (Короновский, 2002).

Рений-осмиевый метод. Re – рассеянный элемент. Рений имеет два изотопа – ¹⁸⁵Re и ¹⁸⁷Re, последний изотоп радиоактивен. имеет 7 изотопов и все они стабильны. Изотоп ¹⁸⁷Re путем эмиссии β^-– частицы распадается в ¹⁸⁷Os по схеме: → + β^- + Q. Период полураспада рения 42,256 10⁹ лет (рис. 2.6). Re-Os изотопная система получила широкое применение не только в геохронологии, но и в исследовании эволюции мантии Земли и развитии земной коры. Re-Os система, в отличие от других изотопных систем, при условии изоляции ее от последующих процессов вещественного обмена, может дать первичный возраст остывания и кристаллизации мантии (TMA), предшествующий этапу её частичного плавления (Короновский, 2002).

Лютеций-гафнеевый метод. Распад ¹⁷⁶Lu с образованием стабильного ¹⁷⁶Hf можно использовать для датирования пород и изучения истории геохимической дифференциации источников магмы в мантии. Период полураспада лютеция 35 10⁹ лет. Этот геохронометр имеет мало преимуществ по сравнению с Sm-Nd- и Rb-Sr-методами: 1) аналитическая методика сложна; 2) интервал отношений Lu/Hf в обычных породах ограничен; 3) Hf содержится главным образом в цирконе и других акцессорных минералах, распределение которых в породе неравномерно; 4) изохронные датировки поэтому не столь точны, как датировки, полученные другими методами (Короновский, 2002).

Рис. 2.6. Таблица со значениями констант, принятых в изотопной геологии (Короновский, 2002)
Радионуклид	Тип распада	Радиогенный изотоп	10-9/год	Т1/2, 109 лет
			0,155125	4,4683
			0,98485	0,70391
			0,049475	14,01
			0,0142	48,8
	K-захват		0,0581	1,250
			0,00654	106
			0,0164	42,256

Трековый анализ

При прохождении через твёрдое вещество быстрые заряженные частицы оставляют нарушения на атомном уровне, ориентированные вдоль траектории их движения, то есть следы, оставляемые заряженными частицами – треки.

В начале 60-х годов прошлого века американскими учёными был разработан метод определения возраста минералов, основанный на подсчёте плотности треков осколков спонтанного деления урана (²³⁸U), накапливающихся в минерале в ходе геологической истории (Соловьёв, 2008).

Осколки спонтанного деления ²³⁸U оставляют в минералах, а также в природных и синтетических стеклах следы нарушений, которые можно обнаружить, увеличив их размер путем травления. Если образец остывал быстро и повторно не нагревался, число треков определяется возрастом образца и содержанием в нем U. Концентрацию U можно измерить путем подсчета треков, образовавшихся в результате деления ²³⁸U, вызванного облучением образца тепловыми нейтронами в ядерном реакторе. Следовательно, метод треков осколков деления позволяет датировать многие распространенные минералы (слюды, апатит, сфен, эпидот и циркон.) (рис.2.7), а так же датировать тектиты, вулканические стёкла и некоторые археологические объекты. Проблем, связанных с неточностью определения значения постоянной распада спонтанного деления ²³⁸U и дозы нейтронов, можно избежать путем проведения соответствующей калибровки. Известно, что треки осколков деления отжигаются при нагревании твердых тел. Скорости отжига треков в различных минералах варьируют в широких пределах. Треки в цирконе, эпидоте и сфене довольно устойчивы к отжигу, тогда как в апатите, кальците и большинстве стекол треки отжигаются менее чем за 1 млн. лет при температуре ниже 100°С. Таким образом, полученные методом треков осколков деления данные характеризуют «возраст остывания» и определяют время, прошедшее с того момента, когда температура упала до значения, соответствующего 50%-ной сохранности треков. Метод треков осколков деления можно использовать для датирования изверженных и метаморфических пород и для изучения их термальной истории. Ядра отдачи, образующиеся в результате эмиссии альфа-частиц при альфа-распаде, вызывают нарушения в структуре твердых тел. Путем травления эти нарушения можно сделать видимыми в оптический микроскоп. Такие треки ядер отдачи, число которых значительно превышает число треков осколков деления, в принципе возможно использовать для датирования (Фор, 1989).

Рис. 2.7. Кристалл природного апатита с треками спонтанного распада 238U. Фото Дж.И.Гарвера (Юнион Колледж, США)

Космогенные радионуклиды

В атмосфере Земли за счёт ядерных реакций вызванных космическим излучением, образуется большое число радионуклидов. Космическое излучение представляет собой поток протонов и альфа-частиц. Некоторые космогенные радионуклиды имеют достаточно большие периоды полураспада, чтобы их можно было использовать для изучения геологичиских процессов. Наибольший интерес представляют: ¹⁰Be, ¹⁴C, ²⁶Al, ³²Si, ³⁶Cl, ³⁹Ar и ⁸¹Kr.

Космогеный углерод ¹⁴С

Принципы датирования методом ¹⁴С. В настоящее время известно, что ¹⁴С образуется в атмосфере по различным ядерным реакциям в основном при взаимодействии вторичных нейтронов со стабильными изотопами N, О и С. Наиболее важной из этих реакций является реакция вторичных нейтронов с ядрами стабильного Образовавшиеся атомы ¹⁴С переходят в молекулы диоксида углерода в результате взаимодействия с кислородом или за счет реакций изотопного обмена со стабильными изотопами углерода в молекулах СО и СО₂. Происходит быстрое перемешивание ¹⁴СО₂ в атмосфере и гидросфере, и концентрация ¹⁴СО₂ становится постоянной, что соответствует состоянию равновесия. Концентрация ¹⁴С в тканях травоядных животных и в тканях животных, в организм которых попадают углеродсодержащие ионы из атмосферы и гидросферы постоянна. Когда растение или животное умирает, поглощение ¹⁴С из атмосферы прекращается, и в результате радиоактивного распада активность ¹⁴Сначинает уменьшаться. Если активность ¹⁴С в живой ткани известна, то по активности ¹⁴С в ткани умершего организма можно рассчитать время, прошедшее с момента прекращения его жизнедеятельности. Этот промежуток времени называется углеродным возрастом образца. Периода полураспада ¹⁴С было принято значение 5730+40 лет. Предполагается, что датируемый образец не смешан с современным ¹⁴С, и что в наблюдаемую в образце активность не вносят вклад радиоактивные загрязнения. Подробные исследования показали, что в прошлом существовали систематические вариации содержания радиоуглерода в атмосфере, что приводит к искажению данных метода (Фор, 1989).

Вариации содержания радиоуглерода в атмосфере. Существуют три возможные причины этих вариаций: вариации интенсивности потока космических протонов, вызываемые процессами на Солнце; вариации напряженности магнитного поля Земли, которое модулирует поток протонов и, таким образом, влияет состояние резервуаров углерода.

Методология. Основная аналитическая задача при радиоуглеродном датировании заключается в детектировании и точном измерении низких активностей ¹⁴С в природных объектах. Определения возраста радиоуглеродным методом обеспечивают надежную хронологию при изучении геологии четвертичного периода и датировании объектов, извлеченных при полевых изысканиях. Так же, ¹⁴С-метод можно использовать для датирования подземных вод. Другой многообещающий метод датирования образцов вод основан на присутствии в них космогенного трития (Фор, 1989).