Абсолютная геохронология и ее методы

02.07.2018
В последние годы радиологическая, или изотопная, хронометрия применяется все шире, особенно при расчленении докембрийских отложений, для которых ограничено использование биостратиграфического метода.

В абсолютной геохронологии геологическое время измеряется в абсолютных единицах (в годах, тысячах и миллионах лет) по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада в минералах горных пород. Радиоактивные изотопы в малых количествах входят в кристаллическую решетку многих минералов. С момента образования минерал становится как бы замкнутой системой, в которой накапливаются продукты радиоактивного распада. Процесс распада протекает с постоянной скоростью, и никакие факторы внешней или внутренней динамики не способны его замедлить или ускорить.

Основные типы радиоактивных изотопов, их производные и периоды полураспада (T), используемые для определения геометрического времени, следующие:

В зависимости от типов ядерных превращений были разработаны методы ядерной геохронологии: урано-свинцовый, торий-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый, рений-осмиевый и др. При распаде неустойчивого радиоактивного материнского изотопа образуется устойчивый радиогенный дочерний изотоп, причем каждый распавшийся атом данного радиоактивного элемента превращается в один атом соответствующего продукта распада и возраст вычисляется по отношению радиоактивного изотопа к радиогенному. Расчет возраста производится по формуле:

где t — возраст минерала; х — константа распада изотопа; D — дочерние изотопы; N — материнские изотопы.

В последние десятилетия в хронологических исследованиях для определения изотопного состава и содержания изотопов широко используются масс-спектрометры. В магнитном поле спектрометра частицы неодинаковой массы отклоняются по-разному и атомы разных изотопов одного элемента разделяются в зависимости от своей массы. Атомы с разными массами в конце своего пути пролетают через коллиматорные щели, и электронно-вычислительное устройство считает число атомов каждого вида. Таким образом, распад радиоактивных минералов как бы отражает ход естественных радиоактивных часов, показывающих время образования данных минеральных ассоциаций по наличию продуктов распада — радиогенных изотопов.

Ураново-свинцовый метод ядерной геохронологии появился одним из первых в 1907 г. и основан на соотношении количества атомов радиоактивного урана и радиогенного свинца. Сейчас метод усовершенствовался и используется с определением изотопного состава свинца 207Рb/206Рb на масс-спектрометре, поэтому правильнее его назвать свинцово-изотопный.

Свинцово-изотопным методом анализируются радиоактивные и акцессорные минералы, содержащие уран и торий (уранинит, настуран, монацит, цирком, ортит, колумбит и др.). Так как период полураспада 238U очень большой — 4,51 млрд, то он используется в широком диапазоне для определения возраста рудных месторождений, осадочных и магматических пород, метеоритов и горных пород Луны. Наиболее он важен для датирования докембрийских пород, претерпевших длительные и многократные наложенные процессы.

Калий-аргоновый метод стал использоваться сравнительно недавно. Метод был впервые разработан в 1948—1950 гг. в нашей стране Э.К. Герлингом и основан на распаде радиоактивного изотопа 40K с накоплением радиогенного изотопа 40Ar. Поскольку калиевые минералы широко распространены в природе (калиевый полевой шпат, плагиоклаз, биотит, мусковит, пироксен, роговая обманка, глауконит, сильвин и др.), метод получил большое развитие. Радиогенный аргон разными породообразующими минералами удерживается по-разному: хорошо удерживают аргон слюды — биотит и мусковит, но не во всех случаях. Лучше сохраняют радиогенный аргон пироксены и амфиболы изверженных пород. В результате различных наложенных геологических процессов происходит утечка радиогенного аргона из кристаллических решеток минералов, что является причиной получения искаженных («омоложенных») радиологических датировок, особенно докембрийских пород. Присутствие К в глауконите увеличивает спектр применения этого метода, позволяя определять возраст некоторых осадочных пород.

Существует и калий-кальциевый метод, основанный на радиоактивном превращении 40K, большая часть атомов которого путем (5-распада превращается в устойчивый изотоп 40Ca. Ho в связи с тем, что кальций широко распространен в природе и на 96,97 % состоит из изотопа 40Ca, это обстоятельство мешает выделению радиогенного кальция.

Рубидий-стронциевый метод основан на радиоактивном распаде изотопа 87Rb и превращении его в радиогенный изотоп 87Sr, поэтому в зависимости от возраста рубидийсодержащих минералов отношение 87Sr/87Rb будет возрастать пропорционально увеличению возраста. Для рубидий-стронциевого метода наиболее подходящими являются лепидолит, где его содержание достигает 1,5—3 %, ортоклаз микроклин, амфиболы и пироксены с повышенным содержанием рубидия. Хорошие результаты определения возраста рубидий-стронциевым методом дают кислые, средние магматические и метаморфические породы. Пригодны для этого метода большинство щелочных пород, метеориты и лунные породы.

Самарий-неодимовый метод стал применяться совсем недавно и был разработан американскими учеными Д. де Паоло и Г. Вассербургом. Основан метод на распаде 147Sm и превращении его в l43Nd. Радиоактивного изотопа 147Sm в природном самарии — 14,97 %, l43Nd в природном неодиме — 12,7 %. Распад изотопа 147Sm происходит очень медленно. Его период полураспада равен 106 млрд лет. Такая малая скорость распада 147Sm обусловливает очень незначительное накопление изотопа 143Nd, что требует исключительно чувствительных и точных аналитических определений. Большое преимущество этого метода перед остальными состоит в том, что радиоактивный и радиогенный изотопы по своим геохимическим свойствам очень близки, поэтому никакие наложенные процессы не нарушают равновесия между ними. Этим методом можно определять возраст самых древних пород на Земле. Широко он применяется для датирования основных и ультраосновных пород.

Рений-осмиевый метод основан на радиоактивном распаде изотопа 187Re и превращении его в изотоп 137Os. Рений принадлежит к довольно редким и рассеянным элементам земной коры. Значительная концентрация его (2—3 %) обнаружена в молибденитах кварцевых рудных жил и некоторых пегматитов. Применяется этот метод редко, так как скорость распада 137Re очень низкая и константа его распада определена с небольшой точностью.

Радиоуглеродный метод основан на распаде радиоактивного изотопа углерода 14C, был разработан американским физиком В. Либби в 1948 г.

Изотоп 14C атмосферы с периодом полураспада 5568 лет попадает в растения, в которых после их отмирания происходит уменьшение его содержания, так как распад его продолжается. Измерив количество сохранившегося в растительных остатках 14C и зная период его полураспада, можно узнать возраст породы или время захоронения растения. Этот метод применяется для определения возраста молодых (более 5500 лет) пород и используется лишь для антропогена. Широко применяется историками, почвоведами и археологами: по содержанию 14C в деревянном гробу одного из египетских фараонов определили время его захоронения — 2190 лет назад. Объекты для радиоуглеродного датирования многочисленны. Это разнообразные углеродсодержащие материалы: древесина, торф, уголь, кости, сталактиты и т. п.

Радиоуглеродным методом установлены абсолютный возраст всех эпох оледенения, возраст формирования речных террас и многих других объектов.