Лекция: Вопрос №34. Абсолютный возраст: основы геохронологии.
В основе методов ядерной (изотопной) геохронологии лежит тот факт, что радиоактивный распад происходит с постоянной скоростью, не зависящей от внешних условий. Время, за которое половина ядер исходных радиоактивных изотопов распадется и превратится в дочерние, получило название периода полураспада.
Самым первым был разработан уран-свинцовый метод. Еще в начале XX века было установлено, что уран после цепочки радиоактивных распадов превращается в стабильный свинец. Из этого следовало, что в любых горных породах и минералах, содержащих уран, его содержание со временем закономерно уменьшается, а содержание дочернего свинца, напротив, возрастает. Если измерить соотношение урана и свинца в каком-нибудь минерале, который по химическим причинам изначально не содержал примеси свинца, то можно рассчитать, сколько времени прошло с момента кристаллизации этого минерала, а значит и всей породы. Чаще всего для этих целей используется минерал циркон ZrSiO4, содержащий при кристаллизации примесь урана и практически не содержащий примеси свинца. После кристаллизации циркона количество урана в нём уменьшается, но зато появляется примесь свинца, которая закономерно накапливается с течением геологического времени. Измерив в цирконах современное содержание изотопов урана и свинца и рассчитав их соотношения, можно определить время, которое прошло с момента кристаллизации циркона, а значит, и всей породы.
Следует отметить, что в состав природного урана входят два изотопа 238U и 235U. Они распадаются с разной скоростью и превращаются, в конечном счёте, в два различных изотопа свинца (206Pb и 207Pb, соответственно). Кроме того, в состав цирконов всегда входит и примесь тория 232Th, который через цепочку распадов превращается в стабильный 208Pb. Это позволяет провести определение возраста в одном и том же образце независимо друг от друга по трём изотопным парам (238U-206Pb, 235U-207Pb и 232Th-208Pb). Период полураспада 238U – 4,5 млрд. лет, 235U – 0,7 млрд. лет и 232Th – 14 млрд. лет.
В дальнейшем были разработаны и многочисленные другие методы, каждый из которых имеет свои сферы применения.
Калий-аргоновый метод основан на распаде радиоактивного изотопа 40K и его превращении в стабильный изотоп 40Ar. Период полураспада 40K – 1,25 млрд. лет. Следует отметить, что в состав природного калия входят три изотопа, два из которых (39K и 41K) являются широко распространёнными и стабильными, а радиоактивный 40K является редким и составляет только 0,01% от общего содержания калия в природе. Изотоп 40K испытывает радиоактивный распад двумя путями: 89% превращается в стабильный 40Ca, а 11% в стабильный 40Ar. Для определения возраста обычно используется изотопная пара 40K-40Ar, так как минералы, содержащие калий при своей кристаллизации не содержат аргон. Что касается кальция, то он, как правило, изначально присутствует в виде заметной примеси почти во всех калий-содержащих минералах.
В калий-аргоновом методе лучше всего использовать кристаллизующиеся во время остывания магм минералы богатые калием (например, слюды). В этих минералах изначально не может быть аргона, т.к. это благородный газ, не вступающий в химические соединения, но затем он начинает накапливаться. При низких температурах аргон оказывается «замурованным» внутри кристаллов, но в случае, если порода в своей истории испытает сильный прогрев (около 500° С) он улетучится. После повторного охлаждения горной породы накопление аргона начнется вновь. Измерив в соответствующих минералах современные соотношения изотопов калия и аргона, можно определить время, которое прошло с момента последнего сильного прогрева, который испытала горная порода. Если таких прогревов не было, то полученный результат будет соответствовать времени кристаллизации породы.
Особое место занимает радиоуглеродный метод, применяемый для датирования недавних событий (не древнее нескольких десятков тысяч лет) и позволяющий определять возраст ископаемых остатков биологических организмов. Природный углерод представляет собой смесь двух стабильных изотопов 12C и 13C, но в земной атмосфере присутствует еще и очень редкий радиоактивный изотоп 14C, содержание которого составляет лишь около одной десятимиллионной доли процента от общего содержания углерода в углекислом газе атмосферного воздуха. Период полураспада 14C составляет всего лишь 5,5 тысяч лет, поэтому само его присутствие в земной атмосфере указывает на то, что он постоянно образуется в результате каких-то природных процессов. В настоящее время установлено, что изотоп 14C непрерывно образуется из широко распространенного изотопа 14N в самых верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей.
Радиоактивный углерод 14C не отличается по своим химическим свойствам от обычного углерода, и присутствуя в атмосфере в составе углекислого газа, принимает участие во всех биохимических реакциях. При жизни любого организма, пока происходит обмен веществ, содержание 14C в организме остается постоянным. Но после смерти организма обмен веществ прекращается, и содержание 14C в органических остатках быстро уменьшаться, тогда как содержание стабильных 12C и 13C не меняется. Следовательно, измерив какую долю от общего количества углерода в органических остатках составляет изотоп 14C, можно определить, сколь давно наступила гибель изучаемого организма, причем точность определения в некоторых случаях составляет всего 50 лет.
Радиоуглеродный метод нашел самое широкое применение в разделах геологии, изучающих самые молодые геологические процессы. По органическим остаткам, захороненным в ледниковых отложениях или погребенным под вулканическим пеплом, можно проследить историю последних оледенений и определить точное время относительно недавних вулканических извержений. Огромное значение радиоуглеродный метод имеет и для археологии.
Изотопные методы определения возраста горных пород и минералов являются чрезвычайно тонким видом лабораторных исследований. Наиболее эффективным методом определения изотопных соотношений является метод масс-спектрометрии. Проба анализируемого элемента ионизируется путем ее нагревания или бомбардировки потоком электронов, при этом образовавшиеся ионы под действием электрических полей ускоряются и фокусируются в узкий луч, который направляется в аналитическую камеру. В аналитической камере поток ионов, представленных разными изотопами одного и того же элемента, имеющих один и тот же заряд, но разную массу, подвергается воздействию магнитного поля, которое отклоняет этот поток от первоначального направления. При этом менее массивные частицы отклоняются от первичного направления сильнее, чем более массивные, и первоначально единый поток ионов разделяется на несколько пучков, каждый их которых представлен частицами одной и той же массы, т.е. одним и тем же изотопом. Далее остается лишь измерить интенсивность каждого пучка, тем самым, определив количественное соотношение различных изотопов в анализируемой пробе.
Курс «ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ»
Тема «ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАВНЫХ ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКИХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ»