Изотопные методы определения возраста минералов и горных пород

Многочисленные попытки найти в макромире природные часы, ко­торые бы позволяли надежно устанавливать возраст горных пород и руд, время проявления и длительность геологических процессов, не увенча­лись успехом. Такие часы скрывались в микроскопическом мире ато­мов, и обнаружение их стало возможным только после открытия в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем явления радиоактивного распа­да. Было также установлено, что процесс радиоактивного распада про­исходит с постоянной скоростью как на нашей Земле, так и в Солнеч­ной системе. На этом основании П. Кюри (1902) и независимо от него Э. Резерфорд (1902) высказали мысль о возможности использования радиоактивного распада элементов в качестве меры геологического вре­мени. Так наука в начале XX столетия подошла к созданию часов, ос­нованных на радиоактивных природных превращениях, ход которых не зависим от геологических и астрономических явлений.

Первые определения возраста по отношению Pb/U были сделаны в США Б. Болтвудом в 1907 г. Для трех образцов уранинита были по­лучены значения возраста от 410 до 535 млн лет, которые хорошо согласуются с более поздними датировками. Важным техническим до­стижением в геохронологии было изобретение Ф. В. Астоном (1927) масс-спектрографа — прибора, предназначенного для измерения масс изотопов. Изотопами называются разновидности атомов, имеющие одно и то же число протонов (Z), а следовательно, один и тот же атомный номер в Периодической таблице элементов, но разное число нейтро­нов (N) и, соответственно, разные массовые числа (А), т. к. масса ядра складывается из суммы масс входящих в него протонов и нейтронов, т. е. А = Z + N. При указании химического символа изотопа его массу принято записывать слева вверху, а заряд ядра слева внизу: _g2,³⁸U, ₉„ ₂^1SU, _&^wSm, ₆^иС и т. д.

Э. Резерфорд ом (1899) было установлено, что при радиоактивном распаде испускаются три вида компонентов, которые он обозначил бук­вами греческого алфавита — а, р иу (рис. 3.7). В последующем было установлено, что а-частицы являются быстродвижущимися ядрами ге­лия, р-частицы — быстрыми электронами, у-компонент представляет собой электромагнитное излучение, подобное рентгеновским Х-лучам. По наименованию частиц, испускаемых радиоактивными элементами, названы соответствующие типы радиоактивного распада.

а -распад испытывают только тяжелые химические элементы. Причи­ной этому служит, по-видимому, высокое содержание в их ядрах положи­тельно заряженных частиц — протонов, создающих высокую энергию

Рис. 3.7. Три типа радиации, выявленные Э. Резерфордом. В свинцовой коробке находится радиоактивное вещество. Радиация состоит из трех типов: альфа (а), гамма (у) и бета ((5), что фиксируется на фотографической пластинке.

кулоновского отталкивания, ослабляющего связь нуклонов (т. е. прото­нов и нейтронов) в ядре. При достижении некоторого критического зна­чения Z и А ядру становится энергетически выгоднее переход в состояние с меньшим числом ядерных частиц. Распад ядра сопровождается испуска­нием а-частицы (иона...Не) и образованием нового ядра, в котором ней­тронов (N) и протонов (Z) меньше на 2, т.е. (A, Z) (А-4, Z-2) + + ₂₍Не.

Р-распад (электронный распад) состоит в том, что ядро самопроиз­вольно испускает р-частицу — электрон, характеризующийся отрицатель­ным зарядом, и нейтральную элементарную частицу — антинейтрино (н). Для ядра энергетически не выгодно сверхнормативное число нейтронов относительно протонов, и оно будет стремиться избавиться от лишних ней­тронов путем распада одного из них на протон, электрон и антинейтрино. Новообразованный электрон выбрасывается из ядра, а возникшее новое ядро будет обладать зарядом, на единицу большим: (A, Z) —> (A, Z+l) + Р~ + н. Из других видов радиоактивного распада отметим К-захват и спонтанное деление.

К-захват (электронный захват). При этом типе распада ядро захва­тывает электрон из ближайшего к нему К-уровня электронного облака. В яд­ре электрон соединяется с протоном и превращает его в нейтрон. В итоге при К-захвате заряд уменьшается на единицу, а массовое число остается постоянным: (A, Z) + Р'-> (A, Z-1) + у.

Спонтанное (самопроизвольное) деление ядра на два сравнимых по массе осколка является свойством очень тяжелых ядер. Оно было открыто в СССР К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым в 1940 г. Процесс этот очень мед­ленный. Например, на 2 230 тыс. p-распадов '""и приходится всего один акт спонтанного деления. Возраст горных пород и минералов обычно выражает­ся в 10^s и 10⁹ лет или в значениях Международной системы единиц (СИ):

Ма и Ga. Эта аббревиатура образована от латинских Mega anna и Giga anna, означающих соответственно «млн лет» и «млрд лет».

Все типы радиоактивных превращений подчиняются закону радиоак­тивного распада. Этот закон определяет зависимость между числом изото­пов в закрытой системе (минерале, породе) в момент ее образования N_o и чис­лом атомов N_t, не распавшихся по прошествии времени t: iV = N_re^u, где

Я — постоянная распада — доля распавшихся ядер данного изотопа за единицу времени, от общего их количества в закрытой системе (минерале, породе). Размерность этой единицы — год¹; е — основание натуральных логарифмов. Из закона радиоактивного распада выведено главное уравне­ние геохронологии, по которому вычисляется возраст, отсчитываемый ра­диоактивными часами:

t - 1/Х In (N/N +1),

где N_k — число изотопов конечного продукта распада; iV — число радиоактивных изотопов, не распавшихся по прошествии времени t. Таким образом, чтобы оп­ределить возраст минерала или породы (t), достаточно измерить количество материнского радионуклида и продукта его распада — стабильного дочернего изотопа. Численное значение л для каждого радиоизотопа определяется особо и при обычной работе берется из таблиц. Вместо постоянной распада радиоак­тивного изотопа на практике часто используется другая его характеристика — период полураспада (Т/₂) — время, за которое число радиоактивных ядер дан­ного изотопа убывает наполовину. Период полураспада связан с постоянной распада следующим отношением: Т V. = /и2/Я = 0,693/Л.

Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуют­ся от названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их рас­пада. По этому признаку различают уран-торий-свинцовый (часто уран- свинцовый), калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, рений-осмиевый и другие методы. Иногда названия даются только по конечному (ста­бильному) продукту радиоактивного превращения: свинцовый, аргоно­вый, стронциевый методы и т. д.

Рассмотрим в качестве примеров некоторые изотопно-геохронологиче­ские методы (табл. 9).

Уран-торий-свинцовый метод. Радиоактивный распад урана и тория в стабильные изотопы свинца долгое время (до появления самарий-неоди- мового метода) рассматривался в качестве стандарта, с которым сравнива­лись данные других методов (рис. 3.8). Вместе с тем это один из наиболее сложных методов в изотопной геохронологии. В уран-ториевой изотопной системе существуют три независимых семейства радиоактивного распада:

238U 20б_Рь + ₈4_Не + ₆р- ₊ Q.

235у 207pk ₊ /,Нр + 4р- + Q-

232_Th 208_РЬ + ₆4_Не + ₄р- + Q

Таблица 9 Значения констант, принятых в изотопной геохронологии Радионуклид Тип распада Радиогенный изотоп X, 10"9/год T У2, 109 лет 238JJ а 20Gpb 0,155125 4,4683 235U а 207pb 0,98485 0,70391 232JJ а 208pb 0,049475 14,01 87Rb Р" B7Sr 0,0142 48,8 «к К-захват 40 Ar 0,0581 1,25 147Sm а 143Nd 0,00654   187Re Р" !S7Os 0,0164 42,256

2 М

после 713 млн лет

713 млн лет

ос

V IH6HJ

23 8

и