Методы определения абсолютного возраста горных пород

 

АННОТАЦИЯ

Данная курсовая работа рассказывает о методах определения абсолютного возраста горных пород. В работе раскрывается понятие ядерной геохронологии, её задачи. Изложены основные радиогеохронологические методы определения возраста горных пород: радиоуглеродный, гелиевый, свинцовый, стронциевый, аргоновый методы. Так же представлены сведения о менее распространенных методах изучения абсолютного возраста горных пород.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………..3

Глава 1. Основные методы определения абсолютного возраста горных пород……………………………………………………………………………….5

1.1 Свинцовый метод…………………………………………………………...5

1.2 Калий-аргоновый метод. …………………………………………………..9

1.3 Рубидий-стронциевый метод.. ……………………………………………11

1. 4 Иониевый метод. . …………………………………………………………13

1.5 Радиоуглеродный метод…………………………………………………..15

Глава 2. Нераспространенные методы определения абсолютного возраста горных пород………..…………………………………………………………………….17

2.1 Ксеноновый метод…………………………………………………………17

2.2 Кальциевый метод…………………………………………………………17

2.3 Определение возраста по плеохроическим ореолам…………………..18

2.4 Кислородный метод………………………………………………………..20

2.5 Метод трекового датирования……………………………………………20

Заключение……………………………………………………………………...23

Список  литературы……………………………………………………………24

 

ВВЕДЕНИЕ

Тема данной курсовой работы методы определения абсолютного  возраста горных пород, я считаю, что  это достаточно важная тема для любого геолога, так как, зная возраст пород, мы можем судить о процессах, происходящих на Земле миллионы лет назад.

Что такое геохронология?

Геохронология – геологическое  летосчисление, учение о хронологической  последовательности формирования и  возрасте горных пород, слагающих земную кору. Различают относительную и абсолютную (ядерную) геохронологию.

Относительная геохронология  использует принцип последовательности напластования горных пород для  определения порядка их образования.

Абсолютная (ядерная) геохронология основана на изучении природной радиоактивности минералов. В абсолютной геохронологии применяется обычная астрономическая система летосчисления: год – период обращения Земли вокруг Солнца. [1]

Методику определения  «абсолютного» возраста горных пород учёные пытались разработать, начиная с 18го века. Для этого использовались геологические, физические, химические и биологические процессы и явления. Одни пытались вести подсчет времени накопления солей в Мировом океане до современного уровня их содержания, другие оценивали время накопления осадков, отложенных начиная с докембрийских времен, исходя из современной скорости их аккумуляции, третьи рассчитывали потери тепла Земли при ее остывании, принимая первоначальное состояние расплавленности. Однако все эти попытки не увенчались успехом, давая сильно заниженные значения. В начале 20го века Пьер Кюри и Эрнест Резерфорд, независимо друг от друга, открыли явление радиоактивности. Таким образом, появилась реальная возможность измерять абсолютный возраст горных пород, геологических процессов и т.п. Эта возможность базировалась на процессе радиоактивного распада, скорость которого не зависит (в пределах точности измерений) от внешних воздействий. Так возник радиометрический метод определения абсолютного возраста горных пород, в основе которого лежит физическое явление радиоактивного распада неустойчивых изотопов целого ряда химических элементов. Этот метод дает достаточно точный результат при условии, что со времени образования исследуемого минерала или породы не происходило частичного выноса или последующего привноса радиоактивного элемента или продукта его распада. [1], [6]

Задачи, решаемые с помощью  абсолютной геохронологии, весьма обширны  и включают в себя как проблемы общегеологического и теоретического значения (возраст элементов, возраст метеоритов, возраст Земли и земной коры, шкала геологического времени и др.), так и конкретные задачи региональной геологии (расчленение по возрасту интрузивных комплексов, установление времени проявления эпох метаморфизма, тектономагматических этапов, определение времени протекания наложенных процессов, включая процессы рудообразования). Метод абсолютной геохронологии стал широко применяться при проведении геологической съемки с целью установления возраста картируемых геологических образований. Одной из главнейших задач ядерной геохронологии следует считать разработку и научное обоснование шкалы абсолютной геохронологии, выраженной в млн. лет и являющейся своеобразным геологическим календарем. [3]

Методы определения абсолютного  возраста горных пород можно подразделить на две группы: первичные и вторичные. К первичным относятся методы, которые основаны на непосредственном аналитическом определении конечных продуктов распада и первичных  радиоактивных элементов в минералах, т.е. эти методы основаны на вычислении времени по самому процессу радиоактивного распада.

К вторичным относятся  методы, основанные на учете в природных  минералах тех вторичных физико-химических явлений, которые сопутствуют радиоактивному распаду или вызываются действием  радиоактивных излучений. [4]

Радиогеохронологические методы непрерывно совершенствуются, возрастает их точность, разрабатываются новые, более тонкие методики. Они имеют  наибольшую ценность для определения  возраста магматических и метаморфических  пород, лишенных каких-либо органических остатков, широко применяются также  для установления возраста фанерозойских  отложений, для определения продолжительности  стратиграфических подразделений  разного ранга, выделенных на основе палеонтологического метода. [1]

 

ГЛАВА 1.Основные методы определения абсолютного возраста горных пород.

Данная глава рассматривает  достаточно известные методы определения  возраста пород. При датировке возраста объектов используются в основном такие радиологические методы: свинцовый, аргоновый, стронциевый, иониевый, радиоуглеродный.

1.1 Свинцовый метод.

1.1.1 Изотопный состав свинца.

Свинцовый метод определения  возраста природных объектов основан  на радиоактивном распаде урана  и тория. В настоящее время  известно три ряда радиоактивных  превращений, в результате которых  изотопы урана-238, урана-235 и тория-232, составляющие основную массу этих элементов в природе. Превращаются в конечные продукты распада-ядра атомов гелия (альфа-частицы) и изотопы свинца (Pb-206, Pb -207 и Pb -208). Кроме отмеченных радиогенных изотопов свинца, в природе встречается изотоп свинца-204 (первоначальный свинец), не имеющий радиоактивных предшественников. Поэтому количество его в земной коре остается неизменным с момента образования Земли, в то время как количество других изотопов свинца в результате радиоактивного распада урана и тория все время возрастает. Распространенность изотопов свинца по Ниру (1941) выглядит следующим образом (в %%): Pb-204 -1, 55; Pb-206 -22, 51; Pb-207 -22, 60 и Pb-208 -53, 34. [2]

Прежде чем рассматривать  методы, использующие радиоактивные  элементы и продукты их распада для  определения возраста природных  объектов, следует отметить, что  в земной коре свинец может находиться в следующих состояниях:

а) в виде самостоятельных  минералов: самородный свинец, галенит, буланжерит, бурнонит, англезит и т. д.

б) в виде изоморфной примеси в минералах, слагающих гонные породы, содержащих элементы, имеющие близкий ионный радиус со свинцом – барий, калий, стронций, кальций, натрий

в) в виде рассеянного (свободного) атомарного состояния.

Изотопный состав свинца в  породах определяется:

а) содержанием и изотопным  составом первичного свинца;

б) содержанием в породообразующих  минералах урана и тория;

в) возрастом исследуемой  породы;

г) наличием во время существования  этой породы различных вторичных  процессов (процессов выветривания, диффузии, изотопного обмена и т.д.) [5]

 

1.1.2 Классификация  природного свинца по его изотопному  составу.

 В зависимости от  происхождения изотопов свинца  в настоящее время различают  разные типы свинца: «первозданный», «первоначальный», «радиогенный» и «обыкновенный», который в свою очередь подразделяется на «первичный», «рудный», «аномально рудный» и «примесный». [5]

1.1.2.1 «Первозданный» и «первоначальный» свинец.

По существующим представлениям некоторая часть свинца образовалась вместе со всеми элементами.

В момент своего образования  свинец обладал изотопным составом, характерной особенностью которого являлось относительное обогащение изотопом Pb-204. Такой свинец обозначают термином «первозданный». Свинец с изотопным составом, отвечающим времени образования Земли, называют «первоначальным». Наиболее вероятно, что первоначальный свинец Земли обладал изотопным составом, близким к составу свинца из железного метеорита, т.е. значительно обогащен изотопом свинца 204

1.1.2.2 «Радиогенный» свинец.

Под «радиогенным» свинцом  подразумевается такой свинец, который  образуется при радиоактивном распаде  урана и тория в минералах. Именно в этом смысле понимают радиогенный  свинец все исследователи, занимающиеся определением абсолютного возраста геологических формаций. Радиогенный  свинец является составной частью свинца любого происхождения. Изотопный состав  радиогенного свинца зависит от содержания урана и тория в минерале и  от его возраста.

1.1.2.3 «Обыкновенный» свинец.

Первозданный свинец, смешиваясь в различных соотношениях с радиогенным  свинцом, образует «обыкновенный» свинец. В зависимости от  того, когда этот свинец отделился от своей материнской магмы, следует рассматривать различные виды обыкновенного свинца. Свинец, вошедший в минерал или породу в момент кристаллизации, называют «первичным» свинцом. Первичный свинец, попадая в зону урановой или ториевой минерализации, подвергается различным вторичным процессам и, отлагаясь, может обогащаться радиогенными изотопами. Такой свинец называют «аномальным рудным свинцом».

1.1.3 Уравнения  для определения возраста.

1.1.3.1 Свинцово-урановый  метод.

С помощью этого метода впервые Болтвуд вычислил возраст  уранового минерала.

Сравнительно небольшие  возрасты минералов обычно вычислялись  по приближенным формулам, в которых  не учитывался распад материнских веществ  за прошедшее время.

В качестве простейшего случая можно рассмотреть определение  возраста минерала, содержащего уран без тория. При распаде урана  со скоростью, определяемой величиной  , образуется свинец. Если принять значение для , выраженное в миллионах лет, то найденное количество урана в граммах (U), умноженное на , выражает количество свинца, образующееся в минерале в течение миллиона лет. Рассуждая аналогичным образом, вычисляем приближенный возраст минерала, содержащего торий без урана.

При одновременном нахождении в минерале урана и тория приходится один из элементов выразить в виде эквивалента (по активности) другого. Так, например, количество тория умножают на отношение констант и получают эквивалентное торию количество урана. Приближенные формулы могут использоваться только лишь при вычислении возраста до 200 млн. лет. [4]

1.1.3.2 Альфа-свинцовый метод

В тех случаях, когда акцессорные  минералы практически не содержат обыкновенного  свинца, возраст можно определять по отношению общего количества свинца к содержанию тория и урана.

 

1.1.3.3 Изотопный свинцово-урановый метод.

Данный  метод является наиболее точным. Он был впервые предложен Пигготом и количественно обоснован Ниром.

Масс-спектрометрический анализ свинца дает возможность учесть количество обыкновенного свинца, загрязняющего  радиоактивный минерал, причем если количество обыкновенного свинца невелико, судя по массе свинца 204 или в урановых минералах, не содержащих тория, - по массе  свинца 208, то эту добавку можно  учесть, зная приблизительно изотопный  состав обыкновенного свинца этого  возраста с достаточно высокой степенью точности. Если минералы содержат большое  количество первичного или примесного свинца, необходимо точно знать его  изотопный состав. Соотношение изотопов в таком свинце может быть определенно  по изотопному составу свинца из свинцового минерала, находящегося в ассоциации с определяемым урановым минералом, при условии, что оба образца  были образованы одновременно.

Возраст вычисляется по этим уравнениям после введения поправки на содержание перичного или примесного свинца. [5]

 

 

1.1.3.4 Метод удельной активности свинца.

Этот метод, являющийся одной  из модификаций свинцового метода, был предложен Гаутермансом и  исследован Бегеманом.

Метод основан на измерении  удельной активности свинца исходя из уравнения радиоактивного равновесия

= ,

Где – распада родоначальника ряда; - число наличных его атомов; - соответственно константа распада и число наличных атомов любого члена этого ряда. [4]

 

Однако чаще различные  уравнения дают разные значения возраста одного и того же минерала. В этом случае для установления истины прибегают  к построению диаграммы в координатах Pb-206 / U-238 : Pb-207 / U-235. На неё наносят кривую OA (конкордия), вычисленную теоретически для разных возрастов, и прямую OB (изохрона), на которую ложатся результаты измерений для нескольких исследованных одновозрастных минералов. Истинным возрастом считается значение на пересечении кривой OA с прямой OB.

 

 

1.2 Калий-аргоновый метод.

Этот метод был разработан в 1944 году Хлопиным и Герлингом, которые обратили внимание на то, что в калиевых минералах накапливается аргон прямо пропорционально их возрасту. Установление связи этой особенности с радиоактивностью одного из изотопов калия послужило дальнейшим приближением к идее о том, что новая ядерная реакция может быть использована для расшифровки геохронологических дат. [7]

1.2.1 Изотопный  состав калия и аргона.

1.2.1.1 Изотопный состав калия.

Калий, среднее содержание которого в земной коре оценивается  в 2, 6%, представляет собой смесь трех изотопов К-39, К-40 и К-41. Из них К-39 и К-41 стабильны. Относительная распространенность изотопов калия:  K-39 – 93, 08 %; К-40 – 0, 0119%; К-41 – 6, 91%.

1.2.1.2 Изотопный состав аргона.

По своему составу атмосферный  аргон является смесью трех стабильных изотопов, относительная распространенность которых: Аr-36 – 0, 337%; Аr-38 – 0, 063 %; Аr-40 – 99,6%. Содержание аргона в воздухе – 0,93 % по объему. Вследствие непрерывного образования изотопа Аr-40 содержание аргона в атмосфере постепенно увеличивается. Одним из источников такого увеличения является выделение аргона в результате разрушения горных пород и вулканических процессов. Общее содержание Аr-40 в атмосфере оценивается в 6, 53 * г. Весь этот аргон образовался за счет распада К-40. Скорость образования Аr-40 составляет 3,1 атома на один грамм К-40 в год. Для обнаружения избыточного аргона в природном объекте применяется отношение Аr-40/ К-40 для одновозрастных объектов. Постоянство этого отношения свидетельствует об отсутствии избыточного аргона любого происхождения. [2]

 

1.2.2 Уравнение  для вычисления возраста.

Соотношение, связывающее  количество накопившегося Аr-40 в минерале со временем, прошедшим с момента его кристаллизации, выводится на основе системы дифференциальных уравнений.